Tua cuốn đổi chiều xoắn: điều Darwin nhận thấy ở cây mướp, cây bí

Tua cuốn của mướp, bí, dưa chuột, chanh dây sau khi bám được vào giàn sẽ tự cuộn lại thành lò xo, kéo thân cây sát vào chỗ bám. Điều Darwin nhận thấy, và nhiều người làm vườn chưa để ý, là một tua cuốn đã bám chặt hai đầu luôn có một chỗ đổi chiều xoắn ở giữa: nửa này cuộn thuận, nửa kia cuộn ngược. Đó không phải lỗi của cây mà là đòi hỏi của hình học: một sợi dây bị giữ chặt hai đầu không thể tự xoắn hết theo một chiều, nên phải chia thành hai đoạn xoắn ngược nhau.

Tua cuốn là gì

Tua cuốn là những sợi mảnh, dài, mọc ra từ thân hoặc lá, chuyên làm nhiệm vụ bám. Tuỳ loài, tua có thể là một cành biến đổi (như ở nho, chanh dây) hoặc một phần lá biến đổi (như ở đậu Hà Lan). Ở họ Bầu bí, gồm mướp, bầu, bí, dưa chuột, dưa hấu, tua cuốn mọc ở nách lá và rất nhạy.

Khi còn thẳng, tua cuốn cũng quay vòng tìm kiếm như ngọn cây quấn, nhưng nhanh và rộng hơn. Khi chạm vào một vật mảnh, phía bị chạm lớn chậm lại còn phía đối diện lớn nhanh hơn, khiến tua cong ôm lấy vật chỉ trong vài phút đến vài giờ. Darwin ghi nhận một số tua cuốn nhạy tới mức một sợi chỉ rất nhẹ vắt qua cũng khiến chúng bắt đầu cong.

Hai giai đoạn: bám rồi cuộn

Quá trình diễn ra theo hai bước khá rõ:

1. Bám: đầu tua quấn vài vòng quanh vật đỡ, móc chặt.
2. Cuộn: đoạn tua nằm giữa thân cây và vật đỡ, vốn đang thẳng, bắt đầu cuộn lại thành hình lò xo trong vài ngày. Khi cuộn, nó ngắn đi và kéo thân cây lại gần vật đỡ.

Lò xo ấy rất có ích. Khi gió thổi, nó co giãn mềm mại thay vì giật đứt, giống như sợi dây điện thoại cuộn ngày xưa. Nó cũng giữ thân cây ở khoảng cách vừa phải, không ép sát vào giàn.

Chỗ đổi chiều: "perversion"

Hãy nhìn kỹ một tua mướp đã cuộn xong. Từ phía thân cây đi ra, các vòng xoắn theo một chiều. Đến khoảng giữa, có một đoạn thẳng ngắn, rồi từ đó các vòng xoắn theo chiều ngược lại cho tới chỗ bám. Có tua còn có vài chỗ đổi chiều như thế. Darwin đã mô tả rõ hiện tượng này trong chuyên khảo về cây leo của ông. Về sau, các nhà toán học gọi chỗ đổi chiều ấy bằng một từ tiếng Anh nghe rất lạ là perversion, mượn từ thuật ngữ cũ về đường xoắn.

Vì sao bắt buộc phải đổi chiều

Khi tua cuốn bám xong, hai đầu của nó bị giữ cố định: một đầu gắn vào thân cây, một đầu quấn chặt vật đỡ. Hai đầu này không xoay tròn tự do được. Nếu cả sợi tua xoắn hết theo một chiều, hai đầu sẽ phải xoay theo, mà chúng không xoay được. Cách duy nhất để sợi tua cuộn thành lò xo mà tổng độ xoắn vẫn bằng không là chia ra: nửa này xoắn thuận bao nhiêu vòng, nửa kia xoắn ngược bấy nhiêu vòng. Đếm thử trên một tua mướp, ta thường thấy số vòng hai bên gần bằng nhau.

Năm 1998, hai nhà toán học Alain Goriely và Michael Tabor công bố một phân tích toán học cho thấy chỗ đổi chiều xuất hiện tự nhiên ở bất kỳ sợi đàn hồi nào có xu hướng cong nhưng bị giữ hai đầu. Hiện tượng này cũng gặp ở dây điện thoại cuộn bị rối, sợi ruy băng gói quà vuốt xoăn, và cả những cấu trúc nhỏ hơn nhiều trong tự nhiên.

Bên trong tua cuốn có một "dải băng" co lại

Vậy cái gì khiến tua cuốn cuộn lại? Năm 2012, nhóm của Sharon Gerbode và L. Mahadevan (Đại học Harvard) cắt lát tua dưa chuột và tìm thấy bên trong một dải tế bào sợi đặc biệt chạy suốt chiều dài tua. Khi tua trưởng thành, các tế bào ở một mặt của dải này co lại mạnh hơn mặt kia, nên dải cong đi, kéo cả tua cuộn theo. Họ tách riêng dải sợi ra, thấy nó vẫn tự cuộn thành lò xo dù không còn phần còn lại của tua.

Nhóm này còn phát hiện một điều trái trực giác mà họ gọi là "quá cuộn" (overwinding). Với một lò xo bình thường, kéo hai đầu ra thì các vòng giãn bớt. Nhưng tua dưa chuột khi bị kéo nhẹ lại cuộn thêm vài vòng trước khi bắt đầu giãn. Đặc tính này làm tua cứng lên khi bị kéo, giúp giữ cây chắc hơn khi gió mạnh. Họ dựng mô hình bằng hai dải cao su silicon dính vào nhau, một dải được kéo căng trước, và tái hiện được cả chỗ đổi chiều lẫn hiện tượng quá cuộn.

Tự thử: làm tua cuốn bằng dây chun

Thí nghiệm dưới đây mô phỏng gần đúng cách làm của nhóm Harvard, dùng đồ có sẵn ở nhà.

1. Chuẩn bị hai dải chun bản to (loại dây chun may quần, bản khoảng 1–2 cm), mỗi dải dài khoảng 30 cm, và một cuộn băng dính hai mặt.
2. Nhờ một người giữ, kéo căng dải thứ nhất ra dài hơn khoảng một phần ba (30 cm thành khoảng 40 cm), giữ nguyên.
3. Dán băng dính hai mặt lên dải thứ nhất đang căng, rồi đặt dải thứ hai (không kéo) dán chồng lên, ấn chặt dọc suốt chiều dài. Cắt phần dải thứ hai thừa ra.
4. Từ từ thả hai đầu cho dải ghép co lại, nhưng vẫn giữ hai đầu không cho xoay. Quan sát: dải cuộn lại thành lò xo, và ở giữa xuất hiện chỗ đổi chiều xoắn.
5. Bây giờ buông một đầu cho nó xoay tự do: chỗ đổi chiều biến mất, cả dải xoắn theo một chiều duy nhất.

Bước 4 và 5 cho thấy rõ nguyên nhân: chỉ khi hai đầu bị giữ chặt, chỗ đổi chiều mới bắt buộc xuất hiện. Không cần kéo, kim, dao sắc; nếu phải cắt chun thì người lớn làm.

Đi vườn tìm tua cuốn

Khi đi vườn, hãy tìm một tua đã bám hai đầu và một tua chỉ mới bám một đầu (đầu kia còn tự do). Tua chưa bám thường cuộn đều một chiều; tua đã bám hai đầu thì có chỗ đổi chiều. Chụp ảnh cận cảnh và đếm số vòng mỗi bên.

Góc nhìn hôm nay

Tua cuốn là một trong những ví dụ đẹp nhất về chỗ gặp nhau của sinh học, vật lý và toán. Các kỹ sư đang học từ nó để làm cơ cấu chấp hành mềm, những "cơ bắp nhân tạo" bằng sợi xoắn co giãn khi đổi nhiệt độ hay độ ẩm. Với người trồng rau, hiểu tua cuốn giúp làm giàn hợp lý: tua bầu bí bám tốt nhất vào dây hoặc nan có đường kính nhỏ, nên lưới dây mảnh luôn hiệu quả hơn cột tre to. Đọc thêm: chuyên khảo về cây leo của Darwin, và các bài phổ biến khoa học về nghiên cứu tua dưa chuột năm 2012.