草と木はどのように分類される？ / credit:フォトAC

草と木の違いを尋ねられたとき、答えることはできますか？

見た目で何となく分類できるものの、明確な定義となると難しいものです。

実は植物学の世界でもいまいち定まっておらず、「成長と共に年々太くなり続けるのが木」「1年で枯れてしまうのが草」など様々な定義が聞かれます。

そのどれも竹などの分類ができず、明確な線引きが難しいのが現状です。

しかし、北海道大学工学大学院の研究グループはこの分類を力学的な視点で見ることで、明確な分類法を発見しました。

この研究はProceedings of the National Academy of Sciencesに2023年10月6日付けで掲載されています。

目次

植物学における草木の分類力学的な視点から見た草木の構造草と木を力学的に分類する

植物学における草木の分類

植物学における草木の分類にあてはまらない「竹」 / credit:Pixabay

実は植物学において、草木はあまり明確に区別されていません。

たとえば、桜は木で、イチゴは草ですが、両者は同じバラ科です。

とはいえ、おおまかな草木の分類法はいくつかあります。

まず構造的に見ていくと、木と草の違いは「形成層の有無」です。

形成層とは、樹皮の内側で円を描くように成長していく組織のことで、いわゆる「年輪」です。

一般的に草と呼ばれる植物は形成層がなく、ある程度成長すると茎はそれ以上太くなりません。

そのため年輪を積み重ねて幹が太くなっていくものが「木」でそうでないものは「草」というわけです。

またそれぞれの寿命で分類するという考えもあります。

草は花が咲くと枯れ、その寿命は多くが1年ですが、木は花を咲かせても枯れず数年数十年と成長を続けることができます。

その他にも「木は茶色で草は緑」であったり、「背が高いのが木で背が低いのが草」「太く硬いのが木で細くてもろいのが草」などさまざまな分類があります。

植物学におけるおおまかな草木の分類を述べるなら、「年々太く高く成長していき長く生きるのが木、ある程度の太さ・高さで成長が止まり、1年程度で枯れるのが草」ということになるでしょう。

しかし、これらの分類では定義できない植物があります。

それが「竹」です。

竹は「幹の太さが一定に留まり、年輪がない」「幹が茶色ではなく緑色で中空」「成長の速度が速い」といった草のような特徴と、「木のように高く育つ」「数十年枯れない」といった木のような特徴の両方をあわせもち、その分類については議論が続いています。

また、草の中にはヒマワリやセイタカアワダチソウのように高さが2ｍを超え、ちょっとした木よりは大きいものもあります。

そんな木のように大きな構造の草たちや竹を明確に線引きするために、今回、北海道大学工学大学院の研究グループは草木の体を力学的視点から分類するという方法を試みることにしました。

力学的な視点から見た草木の構造

木のように高く育つセイタカアワダチソウ / credit:Pixabay

光合成によって栄養を得る植物は、他の植物の影にならないよう背を高くするほど生き抜くのに有利となります。

しかし、背が高くなると自重によって倒れてしまうリスクも生まれます。

自重で倒れてしまわないようにする最もシンプルな方法は太くて構造が密な硬い体を持つことです。

木の構造がこれにあたります。

一方、草は一般的に細く柔らかい中空の構造を持っていて、背が高くなると自重を支えることが難しくなります。

この体の構造の違いがシンプルに草木の分類と考えられますが、先に述べた通りこの考え方では上手く分類できない植物があります。

それが1つは竹であり、彼らは中空の構造でありながら非常に高く成長します。

また、2mを超える高さになるヒマワリやセイタカアワダチソウも、木の幹より細く中空の茎でありながら、大きな体を支えることができます。

つまり木と草の違いは、体の構造ではなく自重を支える力学的な方法なのではないか？　というのが今回の研究グループの考えなのです。

もしこの自重を支える「硬さ」の要素を明らかにできれば、草木を分類する新しい方法になるかもしれません。

そして草が自重を支える、その力学的な要因が竹になければ、例え年輪がなく中空の構造であっても竹は木であるということができるはずです。

水分によって生じる「硬さ」

水を吸いあげてしゃんと立ち上がる草 / credit:Pixabay

草は自重で体を支えられなくなっても、木のように完全に折れてしまうことはあまりありません。

くにゃっとしおれてしまっても、構造的な破損がなければ水を与えてしばらく待てば、しゃんと立ち上がることができます。

草の中空の部分が水で満たされると、しおれた草もまっすぐ立ち上がるのです。

この現象から北海道大学工学大学院の研究グループは「草は内部からの水の圧力で硬さを獲得しているのではないか？」と推測しました。

バルーンアートで使われるような細長い風船は、空気を入れる前はふにゃふにゃのゴムですが、膨らませると張力によって硬い筒のようになります。

この現象と同じように、植物は茎内部の水の圧力によって全方位に引っ張る力（張力）が生じていると考えたのです。

バルーンアートで使われる細長い風船は膨らませると張り詰めて固くなる。 / Credit:canva

同研究グループは中空円筒状の計算モデルを用いて、この「内部水分による張力」と「実現可能な最大高さ」の関係式を得ました。

その結果、内部水分による張力が自重を上回った場合、自重によって倒れるリスクを完全に回避できることが明らかになりました。

たとえ張力が自重を下回っていたとしても最大高さには大きな影響を与えます。

例えば、張力が自重の半分だった場合でも、最大高さは張力が考慮されない場合の2倍以上になります。

次に同研究グループはこの計算モデルを用いて、すでに重量や高さのデータがある76種類の草の張力と自重の関係性を調査しました。

その結果76種類すべてにおいて、内部水分による張力が自重を上回っており、自重によって倒れるリスクを完全に回避できていることが明らかになったのです。

つまり草は「水分によって生じる疑似的な硬さ」を主として体を支えています。

この草の定義を利用することで、力学的な観点から草と木を明確に分類できる新たな法則が生まれました。