Cách đây 400 triệu năm, trên Trái đất vẫn chưa hề có gỗ bởi cây thân gỗ chỉ xuất hiện cách đây 390 triệu năm tại Cairo (New York, Mỹ).
Từ nơi loài thực vật cao nhất châu Á vừa được phát hiện ở Trung Quốc (cây bách cao 102 mét) đến rừng nhiệt đới lớn nhất hành tinh Amazon, hay những khu rừng cổ kính dường như có từ rất xa xưa… tất cả đều giống như mọi loài hoặc hệ sinh thái khác: chúng có ngày sinh. Trên thực tế, mặc dù thực vật lần đầu tiên xuất hiện trên cạn khoảng 470 triệu năm trước, nhưng cây cối và rừng đã không xuất hiện cho đến gần 390 triệu năm trước.
Chris Berry, nhà cổ sinh vật học tại Đại học Cardiff ở Anh cho biết trong khoảng thời gian đó, thực vật mới chỉ dần dần phát triển các tiền chất di truyền cần thiết để tạo ra cây, sau đó sinh sôi bùng nổ các loài thực vật khác.
Rừng cây gỗ ở Cairo (New York).
Vào năm 2019, Berry và các đồng nghiệp đã báo cáo về khu rừng lâu đời nhất được ghi nhận trên tạp chí Sinh học đương đại. Khu rừng này, được phát hiện ở Cairo (New York, Mỹ), tiết lộ rằng các đặc điểm đặc trưng của cây cối và rừng - cụ thể là gỗ, rễ và lá giữa quần thể hàng chục loài thực vật - xuất hiện "sớm hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây". Các nhà nghiên cứu cho biết ngày khai sinh của khu rừng này là vào đầu kỷ Devon, 385 triệu năm trước.
Berry cho biết địa điểm ở Cairo đã bảo tồn hệ thống rễ hóa thạch của những cây cổ thụ, xác định chính xác nơi chúng “ra đời”.
Vì sao cây có rễ?
Theo một báo cáo trước đây từ Đại học Binghamton ở New York, "bản đồ" hóa thạch đó có Archaeopteris, một loài thực vật cổ đại có "rễ gỗ lớn và cành gỗ có lá", giống như những cây hiện đại. Ở báo cáo đó, phát hiện Archaeopteris sớm nhất là khoảng 365 triệu năm trước.
Berry cho biết sự phát triển của những khu rừng sơ khai này phụ thuộc vào sự tiến hóa của các tiền thân để xác định các đặc điểm của cây. Nhà cổ sinh vật học người Anh nhận định: “Tôi nghĩ yếu tố kích hoạt là sự tiến hóa cho phép cây có hệ thống phân nhánh ở gốc (tiền thân của rễ) phức tạp hơn”. Berry cho biết những bộ phận như vậy xuất hiện khi thực vật đã phát triển "bộ công cụ di truyền” để có thể xây dựng các cấu trúc giống như cây cối ngày nay.
Ví dụ, theo 2 báo cáo từ Vườn bách thảo Brooklyn, các hệ thống phân nhánh ở gốc ban đầu đã phát triển ngay trong kỷ Silur cách đây 443,8 triệu đến 419,2 triệu năm (trước kỷ Devon), trong khi những rễ đầu tiên xuất hiện vào đầu kỷ Devon. Những cây có bộ rễ mang lại những lợi thế lớn, đặc biệt là khả năng cạnh tranh vươn cao để hấp thụ ánh sáng mặt trời. Chính vì vậy, theo quy luật chọn lọc tự nhiên, chúng truyền lại đặc điểm có ích này cho thế hệ sau.
Vì sao cây có lá rộng?
Tuy nhiên, một số thay đổi môi trường có thể đã tạo ra ít nhất một đặc điểm quan trọng của cây. Theo một nghiên cứu năm 2001 trên tạp chí Nature và được PBS giới thiệu nghiên cứu này trong tập "Eons" năm 2021, Megaphylls là loại cây lá phổ biến ngày nay và được đặc trưng bởi các gân phân nhánh ở gốc. Chúng có thể phát triển lớn hơn nhiều so với các lá trước đó, do đó hấp thụ nhiều ánh sáng mặt trời hơn. Chúng xuất hiện lần đầu tiên vào khoảng 390 triệu năm trước nhưng bắt đầu với quy mô nhỏ và chỉ trở nên phổ biến sau 30 triệu năm, tức vào cuối kỷ Devon.
Nghiên cứu cho thấy sự chậm trễ 30 triệu năm đó xảy ra do nồng độ carbon dioxide (CO2) cao khiến Trái đất khi ấy trở nên quá nóng đối với những chiếc lá megaphyll lớn. Đơn giản là chúng sẽ hấp thụ quá nhiều ánh sáng mặt trời và dễ bị hâm nóng. Tuy nhiên, mức CO2 giảm mạnh trong kỷ Devon đã mang lại lợi ích nhiều hơn cho megaphylls. Việc giảm lượng khí nhà kính này làm mát hành tinh, trong khi các megaphylls lớn có thể thích nghi với nhiều lỗ khí khổng để hấp thụ lượng CO2 đang suy giảm ở mức cao hơn. Những chiếc lá như vậy sau đó có thể giúp thúc đẩy cuộc cách mạng về rừng của thực vật.
Vì sao cây có gỗ?
Tom Kimmerer, một nhà khoa học về rừng tại Kentucky, cho biết một cái cây chỉ đơn giản là một giải pháp cho một vấn đề, và vấn đề đó là khả năng tiếp cận với ánh sáng.
Những thực vật đầu tiên trên mặt đất là cây thân thảo - tức những loại cây mềm, không thân gỗ, và cỏ thường mọc thấp dưới mặt đất. Nhưng ngay khi một cây mọc cao hơn những cây khác, thì đã có sự cạnh tranh về ánh sáng mặt trời.
Kimmerer nói: “Đặc tính là một loại cây sống lâu năm giữ cho lá của nó cao hơn lá của các cây còn lại để đón ánh mặt trời, đó là điều sống còn của một cây để nó hoạt động hiệu quả".
Ví dụ, cây cối có thân dày để hỗ trợ trọng lượng bên trên và giúp chúng vươn cao hơn, do đó có hứng nhiều ánh sáng mặt trời hơn. Cây cối cũng có một hệ thống dẫn nước hiệu quả để hút nước lên cao và mang chất dinh dưỡng trở lại, đó là nhờ xylem và phloem, các mô tạo thành vòng của cây. Cây cũng có bộ rễ lớn, hiệu quả để cung cấp tất cả lượng nước cho hệ thống.
Cây thân thảo cũng có nhiều đặc điểm tương tự: chúng có thân để hỗ trợ trọng lượng của chúng, chúng có xylem và phloem để mang nước và chất dinh dưỡng, và chúng có hệ thống rễ. Những tính năng này không nhất thiết phải hoạt động ở cường độ như trong một cái cây cao vài chục mét. Chỉ có điều, cây thân thảo không được làm từ gỗ, và gỗ tạo nên sự khác biệt.
Kimmerer nói: “Gỗ là một trong những cấu trúc tuyệt vời nhất trên thế giới bởi vì nó là một sự thích ứng giúp giải quyết đồng thời nhiều vấn đề. Gỗ làm được 3 điều hoàn toàn cần thiết cho một cái cây: nó đủ chắc chắn và linh hoạt để giúp cây vươn cao; nó rất tốt trong việc vận chuyển nước trên một quãng đường dài và nó cũng rất tốt trong việc lưu trữ chất dinh dưỡng. Không có gỗ, cây cối sẽ oằn mình dưới sức nặng của chính chúng và phải vật lộn để vận chuyển nước và chất dinh dưỡng trong cơ thể".