大树为什么是直立生长 大树为什么可以长那么高

亲爱的茉莉：

今天我们来思考一个有趣的问题，那就是为什么大树可以长那么高？在讲最高的树之前，我们可以拿全世界最高的动物做一个对比：上一次爸爸带你去逛动物园的时候，见到最高的动物是长颈鹿，它有着长长的脖子，可以吃到动物园里面最高树木顶端的树叶，最高的长颈鹿，身高将近6米，比三个成年人的高度还要高[1]。

长长的脖子可以帮助长颈鹿吃到树梢的嫩叶

毫无疑问，长颈鹿是地面上最高的动物。但6米这个高度，和树木相比，就小巫见大巫了。南方常见的凤凰木，一般都可以长到十几米，最高的可以高达20米。对于这么高的树木，长颈鹿就算是垫起脚尖也没办法吃到顶端的树叶了，但凤凰木的高度在植物界也不过是普通水平。北方四季常青的松树，随随便便就可以长到20米左右，最高甚至可以长到70米左右，相当于十几层楼的高度。但它依旧不是最高的树木，在松树之上，依旧有很多非常高的植物。

在空中眺望松树林

国际上有一群科学家，对于植物能长多高这个问题特别有兴趣，因此他们专门做过研究，还把最高的大树做过排名。他们发现，由于各种原因，想要找一株最高的树来参加排名比赛，只能在地球上的三个区域去寻找。第一个是北美洲美国和加拿大的西部森林，第二个是在东南亚的原始森林之中，第三个则是在澳大利亚的东南区域，只有这三个区域才能找到非常非常高的植物。

美洲西海岸的森林里，长着全球最高的树木

在澳大利亚，有一棵蓝桉树，按照科学家的测量它高达90米，这个高度，在很多城市已经是最高建筑的高度了，但它却在人类已知的树木高度排名中，连前五名都排不到；在马来西亚的婆罗洲，有一株叫作“梅纳拉”的龙脑香树，它的高度97米左右，已经接近100米的大关，它在迄今为止现存被发现的树木高度中排在了第4位；在它之前，则是一棵海岸花旗松，位于美国的境内，根据2013年的测量，当时的它高达99.7米，距离百米大关更接近了，相信如果今天它还存在，肯定超过100米了，但按照当时的身高它也只能屈尊第三位；在它之前，是一株叫作“百夫长”的桉树，它终于突破了百米大关的极限，高达100.5米。

这棵树就是“百夫长”，目前人类已知的第二高的树

而到今天为止，世界上最高的大树，是一株生长在美国加利福尼亚红杉国家森林公园中的红杉，中文名叫作海伯利安，高度可达116米。要是你站在树脚下，需要使劲抬头，把帽子都甩掉了，才能看到树顶。假如一个人站在树顶向你喊话，你能明显先看到那个人的嘴动了一下，随后才听到声音。由于这棵树实在太过于宝贵，为了避免有人破坏它，它具体的地点是保密的，除了测量它高度的科学家和公园管理人员，别人并不知道它的位置[2]。

从上图的角度似乎看不出它有多高

从这张图片在人的对比下，就能看到红杉树能长多高了，甚至很难把人和整株红杉树放在同一张图片上进行比较

大树既然可以长那么高，那自然就会有一个疑问了，那就是为什么它能长那么高？对于活的生物来说，长得高自然是有优势的，比如长颈鹿可以看到更远的情况，这样就能更早知道狮子是不是在附近，对于植物来说，长得高的优势在于更好的争夺阳光，这样可以保证自己的光合作用更加顺利的运行。可是一旦超过了一定的高度，很多原本非常简单的事情，就会变得非常的麻烦。举个例子，比如两个人，一个人居住在平房，一个人居住在摩天大楼。对于快递员来说，派送包裹给平房的人就非常容易，直接走到门口就可以派送，而要派送包裹给住在摩天大楼的人，就需要乘坐电梯，假如电梯万一坏了，那就要非常辛苦的爬楼梯才能派送。对于居住在摩天大楼的人来说，电力变得异常重要，不仅仅电力能保证电梯的正常运行，假如停电了，对于居住在高处的人来说，甚至还会停水。因为摩天大楼上的供水系统，是通过水泵把水运输到高处的，一旦停电很有可能水泵也没办法运行了。

通过对比可以很清晰的看到，最高的大树要比英国的大本钟和美国自由女神像还要高得多

其实对于植物来说也是一样，一旦大树长得过高，它想从根部获取水分也变得很困难，可是大树体内可没有水泵呀，那类似“海伯利安”这样这么高的大树，是如何将水从底部运输到高处的呢？关于这个问题，其实科学家们也没能彻底搞清楚，只不过根据植物生长的特点，科学家们做出了很多的推测。

大树体内可没有水泵，水是怎么运到头顶的呢？

好了，小茉莉，那你先想想，如何才能把水从底部运输到根部呢？相信你很容易想到，利用大气压力，就像大气压力能把水银柱抬高一样。可是，根据物理学的常识我们就能知道，地球上的大气压，在最理想的情况下也只能把水提升10米左右，再往上大气压就捉襟见肘了。

马德堡半球实验证明了大气压强的存在，这也是物理学最著名的实验之一

科学家们也想到了大气压提升的问题，所以他们就从大树的结构开始研究，有没有其他的办法。不知道你有没有注意过，在夏天做凉菜的时候，只要往青菜上面撒一把盐，很快青菜体内就会出现很多的液体，这个原理叫作渗透压，如果在显微镜下观察，能明显发现植物细胞的细胞内和细胞外有一层膜阻隔，正是它的存在让植物有了渗透压，也让植物内部和外部有不同的压强。即使内部的压强比外部大，通过渗透压还是可以从环境中吸收水分。

正是由于细胞膜的存在，才让渗透压成为了可能，也成为了保障生物正常运行的基础

但很快科学家们通过测定得知，虽然植物可以利用根部的渗透压提升水分，但这个高度同样也只有十米左右，再往上渗透压同样也没办法帮助植物输运水分了。这其实也很容易理解，因为渗透压本质上还是需要大气压强的帮忙，这就决定了渗透压能提升的最高高度。

以上是植物细胞的图片，图片中类似眼睛的部分是气孔，植物正是靠气孔来条件细胞内的渗透压的大小

那大树究竟为什么能长那么高，还能保障树顶不会因为缺水而枯萎呢？科学家们很快就想到了植物的另外一个作用了。不知道你有没有注意到，假如同样两个房间，一个房间中有植物，另外一个房间没有，那么有植物的房间会显得更湿润。这是因为，植物会通过自己的叶片，将水分蒸发到环境中，这个过程叫作蒸腾作用。同样也正是因为蒸腾作用的存在，才让植物不管长多高，也不会缺少。虽然植物体内没有水泵，但植物顶端的叶片就相当于一个水泵，通过蒸腾作用，可以让水分从根部源源不断地提高到高处然后排出到环境中。这个才是植物可以长那么高却不会缺水的直接原因了[3]。

根据科学家们的估计，大树生长的极限高度大约是150米，再往上蒸腾作用也不再起作用了

当然，要让大树长得高，还有很多方面的因素需要考虑，比如树干的坚韧程度，既要保证能够支持那么长的高度，又要保证大风不会把树干吹断，又比如大树长那么高，需要根部长得足够深才行，否则地基不牢，还没长多高树木就倒了......这些方面，都是限制大树身高的因素，不过比起这些问题，植物输送水分的问题依旧是最重要的，而植物的蒸腾作用机理，现在其实也在影响着建筑界，建筑师在建设摩天大楼的时候，也会参考植物的结构做出一些调整。从这个方面来说，自然界无疑是人类的老师了。

新加坡的夜天际线，就是模仿了大树的造型

好了，今天的故事就讲到这里，下次我们再一起讨论别的有趣的科学故事吧。

参考资料

1. Dagg, A.I. and J. B. Foster (1976/1982): The Giraffe. Its Biology, Behavior, and Ecology. Krieger Publishing Company, Malabar, Florida (Reprint 1982 with updated supplementary material.) ↑
2. What Is the World's Tallest Tree? https://www.livescience.com/28729-tallest-tree-in-world.html ↑
3. 浅议植物水分垂直运输的动力http://blog.sina.com.cn/s/blog_56172f470101hw7r.html ↑