自科学家研究树木以来，我们一直根据树木所产木材的种类将树木分为两类。软木包括松树和冷杉，它们通常比硬木(如橡树和枫树)生长得更快，而硬木可能需要几十年才能成熟并形成更致密的木材。
然而，我们最近的研究发现了一些全新的东西：第三类，我们称之为“中等木材”。这一发现可能有助于对抗地球大气中二氧化碳(CO₂)水平的上升——气候变化的主要原因。
树木是天然的碳汇。这意味着它们从空气中吸收大量二氧化碳并将其储存在木材中。鹅掌楸(LiriodendronTulipifera)，又名黄杨，是碳捕获方面的佼佼者。在美国中大西洋地区，以鹅掌楸为主的森林储存的碳量是其他物种占主导地位的森林的两到六倍。鹅掌楸在东南亚部分地区的人工林中已经很受欢迎，并被美国园丁和城市规划者视为碳捕获的良好选择。
该物种及其近亲中国鹅掌楸(Liriodendronchinense)属于一个古老的世系，可追溯到5000万至3000万年前，这一时期的大气CO₂含量发生了显著变化。只有这两个物种幸存下来。直到最近，它们的化学性质和结构才在很大程度上为人所知，而这些化学性质和结构或许可以告诉我们为什么这些树木如此擅长捕获碳。
传统分析木材内部结构的方法忽略了活木材和干木材之间的差异，后者更容易研究。这是一个问题，因为没有水，木材在分子水平上会发生变化。挑战在于观察仍保留水分的木材。
我们利用剑桥大学Sainsbury实验室的低温扫描电子显微镜技术解决了这个问题。该技术让我们能够以纳米级观察木材——看到比人类一根头发小6,000多倍的结构——同时保留木材的水分，从而更准确地反映树木活着时木材的样子。
木材结构的演变
我们研究了剑桥大学植物园的各种树木以了解木材结构的演变。我们收集了代表进化史上重要里程碑的植物活体样本。这些植物距离显微镜很近，因此我们可以在不让样本变干的情况下对其进行检查。
我们发现，大原纤维(一种主要由纤维素组成的纤维，是木材的基本化学成分，赋予植物生长所需的力量)的尺寸在硬木和软木之间差异很大。硬木(如橡木和枫木)的大原纤维直径约为16纳米(nm)，而软木(如松木和云杉)的大原纤维直径约为28纳米。这些差异可以解释为什么软木和硬木不同，并可能帮助我们弄清楚为什么某些木材比其他木材更善于储存碳。
了解木材的进化过程有助于我们识别和开发可能缓解气候变化的植物。仅凭鹅掌楸无法告诉我们这一点，因此我们追溯到更远的过去，研究了基底被子植物，这是一类稀有而古老的开花植物，作为植物进化早期的残余仍然存在。该类植物的一个成员是Amborellatrichopoda，它拥有更大的28纳米大原纤维，这表明硬木大原纤维的出现晚于软木。
但它究竟何时发生?
为了回答这个问题，我们研究了木兰科植物，包括紫花木兰，它们是现存最古老的开花植物之一，以其观赏性而闻名。我们测试的木兰具有直径为15-16纳米的硬木状大原纤维，这意味着从软木到硬木的转变很可能发生在木兰的进化过程中。
鹅掌藤是木兰的近亲，但其木材不能完全归入软木或硬木类别。相反，其大原纤维的直径约为22纳米——介于硬木和软木之间。这种中间结构完全出乎意料，因此我们将鹅掌藤木材归类为“中材”，这是一个全新的类别。
Midwood：超级碳蓄能器?
为什么鹅掌楸有这种独特的木材类型?我们无法确定，但我们相信这与这些树木数百万年前面临的进化压力有关。
当郁金香树首次进化时，大气中的二氧化碳水平从约1,000ppm(ppm)下降到500ppm。可用二氧化碳的减少可能促使郁金香树发展出一种更有效的碳储存方法，从而形成了其独特的大纤维结构。如今，这种适应性很可能有助于它们出色的碳封存能力。
当我们观察一棵之前未研究过的树时，我们再也不能假设它属于科学家们多年来划分的两大类别(软木或硬木)。鹅掌楸具有中层木材结构，与“碳饥渴”的态度相对应。我们现在正在研究其看似独特的木材结构是否是其成为碳捕获之王的唯一原因，我们正在扩大搜索范围，以找出是否还有更多的中层木材树——甚至更多的新木材类型。
这些发现强调了植物研究的重要性，以及剑桥大学植物园等藏品在发掘植物科学新见解方面发挥的作用。下次参观植物园时，请记住，植物界仍隐藏着许多等待发掘的秘密。
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