Tại sao cây thường xanh không thay đổi màu sắc và rụng lá mỗi mùa thu?

Trú đông (overwintering) là một thử thách căng thẳng sâu sắc cho các loài cây. Vậy tại sao chúng vẫn tiếp tục?

Lý do các cây lá kim không đổi màu mỗi mùa thu

Mùa thu ở bán cầu Bắc là mùa ngắm lá. Đó là khi mọi người đổ ra ngoài để chiêm ngưỡng cảnh sắc mùa thu với những sắc cam, đỏ và vàng bao phủ khắp nơi.

Nhưng giữa những mảng màu rực rỡ đó lại có một số cây vẫn bám trụ với màu xanh bền vững. Vậy tại sao các cây lá kim không tham gia vào khung cảnh rực lửa của mùa này?

Giống như nhiều thử thách khác, vấn đề mùa đông có thể được các loài cây giải quyết theo nhiều cách.

Khi nhiệt độ bắt đầu giảm, các loài cây lá rộng ôn đới – như cây phong và cây sồi – rút đi chất diệp lục từ lá của chúng. Chất này là sắc tố hấp thụ ánh sáng để thực hiện quá trình quang hợp. Cây sẽ lưu trữ các khoáng chất quan trọng mà chúng đã đầu tư vào diệp lục, chủ yếu là nitơ, trong thân cây để tái sử dụng vào mùa sinh trưởng sau. Các sắc màu vàng, cam và đỏ thoáng hiện ra trước khi lá rụng vào mùa đông.

Các cây lá kim – những cây có quả hình nón – giữ lại lá quanh năm và có chiến lược khác để chống chịu với căng thẳng của mùa đông.

Giá trị khi tập trung vào lá cây

Duy trì lá xanh quanh năm không phải là để tiếp tục quá trình quang hợp trong suốt mùa đông. Nhiệt độ lạnh ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất của cây lá kim cũng như đối với bất kỳ sinh vật nào khác. Thực tế, vào những ngày đông lạnh lẽo, các cây lá kim không thực hiện quang hợp nhiều hơn so với những người láng giềng không có lá của chúng.

Cách tốt nhất để hiểu lợi ích của việc duy trì lá xanh quanh năm là xem xét chi phí xây dựng lá. Sau cùng, các lá kim thực chất chỉ là những lá được biến đổi. Làm thế nào để các loài cây cân bằng năng lượng cần thiết để phát triển một chiếc lá với năng lượng mà lá đó sản xuất thông qua quang hợp? Nói cách khác, lá phải mất bao lâu để hoàn trả chi phí xây dựng và mang lại lợi ích cho cây?

Các cây rụng lá phải thu hồi khoản đầu tư vào tán lá của chúng chỉ trong một mùa sinh trưởng duy nhất. Ngược lại, cây lá kim, nhờ giữ lại lá kim của chúng, cho phép những chiếc lá này đóng góp trong nhiều mùa sinh trưởng. Đó là lợi ích thực sự của việc duy trì màu xanh quanh năm.

Các môi trường sinh trưởng khắc nghiệt

Thời gian tồn tại lâu hơn của lá cây lá kim cho phép chúng sinh tồn trong các môi trường mà các cây rụng lá không thích hợp. Ở các vĩ độ cao và độ cao lớn hơn, mùa sinh trưởng ngắn hơn và mát hơn có thể hạn chế hoạt động quang hợp. Hạn hán có thể làm gián đoạn thêm quá trình quang hợp. Trong những điều kiện khắc nghiệt này, một năm có thể không đủ để một chiếc lá tạo ra đủ năng lượng để hoàn trả chi phí tăng trưởng cho cây.

Điều này có thể giải thích tại sao cây lá kim chiếm ưu thế trên các đỉnh núi và các khu rừng phương Bắc trải dài ở các vĩ độ cao ở Alaska, Canada và Bắc Âu. Các cây lá rộng rụng lá phần lớn không thể tồn tại ở những nơi này – các điều kiện ở đây không cho phép chúng cân đối khoản đầu tư vào lá và sản lượng quang hợp của lá chỉ trong một mùa.

Thời gian tồn tại của lá kim theo loài

Thời gian tồn tại của lá kim thay đổi đáng kể và phụ thuộc vào mức độ căng thẳng của mùa sinh trưởng. Một số cây ôn đới phổ biến ở phía nam New England, như cây thông trắng, giữ lá kim trong hai mùa sinh trưởng. Một chiếc lá kim của cây thông trắng chỉ chịu qua mùa đông một lần, vừa đủ để đáp ứng định nghĩa của cây lá kim.

Một số loài cây lá kim, như cây thông rụng lá, thậm chí không đạt được điều đó; thay vào đó, chúng rụng toàn bộ lá kim vào mỗi mùa thu trong màn trình diễn sắc vàng sáng rực, làm nổi bật vẻ đẹp của lá thu ở những nơi chúng sinh trưởng.

Ngược lại, những cây thông bristlecone, cư ngụ ở độ cao lớn trong vùng Tây Nam khô cằn, giữ lá kim riêng lẻ trong gần 50 năm. Có thể phải mất gần ngần ấy thời gian để lá kim của cây thông bristlecone mang lại lợi ích quang hợp cho khoản đầu tư xây dựng lá của chúng, do mức độ căng thẳng của mùa sinh trưởng mà chúng phải đối mặt.

Đề kháng với nhiệt độ dưới 0

Nhiệt độ dưới 0 mang đến nguy cơ làm đóng băng các tế bào trong lá kim, điều này sẽ gây tử vong. Để ngăn chặn sự đóng băng, các cây lá kim tích lũy các chất hòa tan nồng độ cao được gọi là chất bảo vệ băng giá, làm giảm điểm đóng băng của nước trong tế bào và bảo vệ các cấu trúc tế bào quan trọng mà không ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất.

Lạnh, tuyết và băng thổi cùng với yêu cầu về độ bền lâu dài khiến cây lá kim đầu tư năng lượng vào độ bền của lá kim. Lá kim của các loại cây khác nhau có độ bền khác nhau; ví dụ, lá kim của cây thông trắng có tuổi thọ ngắn hơn và mỏng manh hơn. Các chất xơ làm cho lá kim bền bỉ hơn càng làm tăng thêm giá trị đầu tư vào cây lá kim, kéo dài thời gian cần thiết để đạt được lợi ích từ chi phí xây dựng lá.

Nguy cơ do tuyết dày

Tuyết dày có thể gây gãy cành, là một rủi ro thường gặp ở cây lá kim. Các lá kim mảnh, thường rủ xuống, giúp cây lá kim bắt ít tuyết hơn so với các cây lá rộng. Thực tế, khi các cây lá rộng mất cành do bão tuyết, điều này thường xảy ra trong các trận bão vào đầu hoặc cuối mùa tuyết – mùa thu hoặc mùa xuân – chứ không phải các trận bão giữa mùa đông, khi tán cây không còn lá. Nếu bạn từng tự hỏi tại sao các cây lá rộng lại mất thời gian lâu như vậy vào mùa xuân để đâm chồi, bỏ lỡ một số ngày sinh trưởng tuyệt vời, hãy nhớ rằng cây không muốn gặp rủi ro do thiệt hại có thể xảy ra từ một cơn bão mùa xuân bất ngờ.

Cành cây lá kim được thiết kế để tuyết có thể trượt khỏi, tránh bị gãy dưới sức nặng. Các cành cây lá kim thường vươn ra ngoài và chĩa xuống từ thân cây: Hãy tưởng tượng đến một cây thông Noel. Không chỉ vậy, các cành cây lá kim thường linh hoạt hơn so với các cành cây lá rộng. Khi tuyết dày phủ lên, các cành cây lá kim bị đè xuống đến khi đạt đến góc đủ để tuyết trượt ra.

Dù là loài nào, ở các vĩ độ trung bình, nơi có tuyết vào mùa đông và mùa sinh trưởng thường ôn hòa và thuận lợi, cây cối cần có những chiến lược để vượt qua. Một số cây tái tạo tán lá mỗi mùa xuân. Các cây lá kim trang bị cho lá kim và cành cây các đặc điểm cần thiết để sống sót qua mùa đông và tiếp tục sống đến mùa xuân – và, đối với một số loài, là nhiều mùa xuân sau đó.