葉の成長は、見た目ほど複雑ではないかもしれません。種を比較すると、背の低い木は背の高い木よりもさまざまな葉のサイズを示し、最も高い木はすべて葉の長さが 10 ～ 20 cm であると生物物理学者と生物学者は報告しています。サイズの範囲が狭いことは、木の内部の配管に簡単な説明があるかもしれない、と彼らは言います。それが正しければ、この分析は、なぜ最も高い木が約 100 メートルに達するのかを説明することにもなります。
「これは非常に単純な観察結果です」と、カリフォルニア大学デービス校の Maciej Zwieniecki とともに分析を提示しているハーバード大学の生物物理学者である Kaare Jensen は、今日 Physical Review Letters . 「他の人がこれまでに成功したことがなかったのは幸運でした。」
Jensen と Zwieniecki は、マツやレッドウッドなどの裸子植物ではなく、カエデやオークなどの顕花植物、つまり被子植物のみを考慮しました。 1925 種の既存のデータを調べたところ、30 メートル未満の被子植物では、葉の長さが大きく異なり、3 センチメートルの渦巻きニレから 60 センチメートルのビッグリーフ マグノリアまでさまざまであることがわかりました。樹高が高くなるにつれて範囲は狭くなり、最も背の高い被子植物はすべて長さ 10 ～ 20 cm の葉を発芽させます。
二人はこの傾向を樹液とエネルギーの流れの観点から説明しています。被子植物の葉は糖分の多い樹液を生成し、師部と呼ばれるパイプ状の細胞のネットワークに流れ込み、樹液を木の幹を下って根を通って運びます.その過程で、木は糖を代謝します。このような流れは、「浸透圧」を生成する糖の濃度の違いによって駆動されます。
Jensen と Zwieniecki は、木を 1 対の円筒形の管としてモデル化しました。短い浸透性の管 (葉の師部) が、長い不浸透性の管 (幹の師部) に取り付けられています。樹液は葉の師部に拡散し、幹の師部を下って移動します。透過性のリーフチューブが長いほど、表面積が大きくなり、樹液が入りやすくなります。師部では状況が異なります。そこでは、チューブが長くなるほど、流れに対する摩擦のような抵抗が大きくなります。 (彼らは樹液が師部から染み出す「シンク」を 3 番目の浸透性のシリンダーとしてモデル化しましたが、それが非常に長いため無視できるほどの抵抗を提供し、無視できると仮定しました。)
次に、研究者は樹液とエネルギーの総流量が葉の長さによってどのように変化するかを検討しました。葉が大きい場合、幹からの抵抗により流れが制限されます。実際、葉を特定の最大長よりも大きくしても、追加の流れや利点は得られません。一方、葉が非常に小さい場合、葉の抵抗によって流れが制限されます。また、葉が特定の最小長よりも短い場合、樹液は単に木を拡散するよりも師部をゆっくりと流れます。その時点で、師部の配管は役に立たなくなります。
実際、これらの限界は観察された葉のサイズのパターンにうまく適合していると研究者は報告しています。そして、樹高が高くなるにつれて、2 つの限界が収束し、約 100 メートルで交差します。これは、最も高い被子植物の高さです。つまり、高さ 100 メートルを超える木は、両方の長さの制限に従う葉を作ることができず、木の高さの制限を設定していることを意味します、と Jensen は言います。
誰もが説明を受け入れるわけではありません。ユタ大学ソルトレイクシティ校の植物生理学者であるジョン・スペリーは、「このアプローチは気に入っていますが、やりすぎだと思います」と述べています。非常に単純なモデルでは、数学を劇的に変えるはずのいくつかの要因が除外されている、とスペリーは言います。たとえば、管が合流するため、葉と幹の師部管の間には 1 対 1 の関係はないと彼は言います。最も背の高い木の間で葉のサイズが均一であることについて、Sperry は、そのような木は最も温和な環境で成長し、同様の条件が他の理由で同様の葉のサイズにつながる可能性があると述べています。
しかし、シカゴ大学（イリノイ州）の古生物学者で、植物の進化を専門とする C. ケビン ボイス氏は、この限界についての議論はもっともらしいと考えていると述べています。 「パターン自体を明確にすることは重要なステップです」と彼は言います。 「そして、あなたがパターンを認識した最初の人なら、それを説明することにも最初のクラックがあります。」この理論は、被子植物グループ内の異なる科で葉のサイズのパターンが同じであるかどうかを確認することで、さらに検証できると彼は言います。
Jensen は、理論をテストするための別のアイデアを持っています。数学は、木の高さと葉の長さによって流速がどのように変化するかについての簡単な方程式を提供します。その速度は、さまざまな種類の背の高い樹木で測定できますが、それには MRI 装置を熱帯雨林の天蓋に持ち込む必要があるかもしれません。
