宜居地球的植被的极限高度和地球上的植被极限高度有什么不同，为什么？

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宜居地球的植被的极限高度和地球上的植被极限高度有什么不同，为什么？

又见阿凡提彻

宜居地球植被的高度
宇宙间有若干千亿(10)个星系。每个星系平均由1000亿个恒星组成。在所有星系里，行星的数量跟恒星的总数大概一样多，即10*10Λ10。在这样庞大的数量里，难道只有一个普通的恒星——太阳——是被有人居住的行星伴随着吗？为什么我们这些隐藏在宇宙中某个被遗忘角落里的人类就这样幸运呢？
——卡尔·萨根《宇宙的边疆》
在澳大利亚的广袤的草原上，生长着一种高耸入云的常绿乔木——杏仁桉树，它的树身是如此的巨大，一般都可达到100多米高。据世界吉尼斯记录，最高纪录是156米。
在美国的加利福尼亚的红杉公园里，有一种世界上巨大的树种——雪曼将军树（General Sherman Tree），它的高度可达83.6米，底部最大直径可达11.1米，在2002年时曾被测量过体积，为1487立方米。
在中国广大的区域内，不管是南方的常绿的乔木，还是北方的落叶的阔叶林都有高耸入云的树种。例如，南方有常绿的桉树，樟树，北方有落叶的阔叶林——白杨，桦树，槐树，榆树……高度都可以达到数十米。
在这个星球——地球上，植被的高度是否可以无限制的增长呢？我们的回答是：不可以。那么，它的高度与哪些因素有关呢？我们可以参考植物学，地理学，气候学的知识来回答这个问题。地表植被的极限高度除了与植被所在的地形，气候，树种因素有关外，还与其本身向上输送水分和营养物质的能力有关。
植物向上输送水份和营养物质的动力来自三个方面：叶面的蒸腾作用，毛细现象和渗透增压。植物的体系，从根部的毛细根尖细胞的导管，到根部的主导管，到茎部的导管，到叶面的导管再到叶面的气孔，形成一套完全封闭的系统。所谓叶面的蒸腾作用，就是水通过叶面的气孔在光的作用下，蒸发出去，在叶面的导管内形成真空，在大气压的作用下，水份和营养物质就会向上运输。这和“泵吸”的原理相同。
众所周知，一个大气压是760毫米汞柱，相当于水的高度10.3米。也就是说，植物的蒸腾作用可以把水和营养物质从根部向上送到高度为10.3米的位置，远远达不到植被的极限高度。
毛细现象是植物向上输送水和营养物质的第二动力。什么是毛细现象呢？我们可以在网上搜索一下：“毛细现象（capillarity） 在一些线度小到足以与液体 弯月面的曲率半径相比较的毛细管中发生的现象。毛细管中整个液体表面都将变得弯曲，液固分子间的相互作用可扩展到整个液体。”什么意思呢？一是毛细管的半径非常细，到什么程度呢？微米级，大概在2.5微米左右；二是"什么是液体 弯月面"。
说明该问题之前，我们先介绍浸润现象。什么是浸润现象呢？我们举例来说明：把一块干净的玻璃片，浸入水中，再次取出来时，我们会发现玻璃表面上会沾上一层水，这种液体附着在固体表面上的现象，叫做浸润。反之，如果液体不附着在固体表面的现象，我们叫做不浸润，例如，水银对于玻璃，水对于石蜡，都是不浸润。这里我们只讨论水对于植物维管的浸润现象。
为什么会出现浸润现象呢？它的原理是什么呢？
我们把水与植物的根，茎，叶的维管接触的液体薄层叫做附着层。附着层里的水分子受到两个力的作用——内部水分子的分子键的吸引力和维管分子对附着层水分子的吸引力。因为水对于维管是浸润的，所以维管分子对附着层里的水分子的吸引力要大于内部水分子对附着层水分子的吸引力的。这就造成什么后果呢？我们可以假设附着层的水分子受到两者的合力为指向维管的一种力，那么，附着层的水分子都挣着向维管表面贴近，附着层的水分子就会向四周展延，因为下面是液体，所以只有向上展延，就会出现液面四周高，中央稍低的情况。液面就呈现弯月形，我们就叫做"液体 弯月面"。这和我们擀面皮的原理是相同的，我们给面皮一个压力，面皮就向四周延展。
植物的维管内液体表面的水分子因为散逸到空气中，其水分子的密度要小于液体内部的水分子，所以，其表面分子键的力就会由斥力转变为引力，形成液体表面的张力。因为维管内液体的液面是弯月形，其中央的水分子就会受到其它水分子的引力的向上的合力，这个力就会把液面拉高，就形成了毛细现象。
在自然界和日常生活中，就有很多毛细现象，对我们有好处也有坏处。比如，植物茎内维管的吸水，砖吸水，毛巾吸汗，粉笔吸墨水等等，对我们是有利的。建筑房屋的时候，在砸实的地基中有很多毛细管，它们会把土壤中的水分吸上来，使得室内潮湿，建房时在地基上面铺油毡，就是为了防止毛细现象。农田里的土壤里也有很多毛细管，地下的水分也会沿着这些导管上升到地面上，如果遇到干旱的天气，农民为了保墒，就会锄地，松土，目的是破坏地面土壤中的毛细管，阻止毛细现象的发生。
毛细现象中，维管内液面能上升多大的高度呢？又与哪些因素有关呢？
我们可以根据物理的理论，液面的高度与液面张力系数（б）成正比，与液面的弯月面与毛细管之间的夹角（θ）的余弦成正比，与毛细管的半径（r），液体的密度（ρ）和地球表面的加速度（g）的乘积成反比。
有的读者很讨厌公式，但为了更清楚地表达这个问题，我们不得不采用公式来表达，敬请各位见谅。如果用公式来表达上式，则：
H＝2*бcosθ/rρg
其中，
б＝72.8*10Λ-7N/M，液体表面常温张力系数；
θ＝0，植物导管内壁亲水，可以看做管内完全湿润；
ρ＝1*10Λ3kg/mΛ3；
g＝9.8m/sΛ2；
r＝2.5*10Λ-6；
代入上式，
H＝6米。
这和地球的极限高度156米，差距甚远。
从上面的毛细现象中，我们是否发现，液面升高，是要消耗能量的，那么消耗的能量来自何方？有人认为毛细管自行吸水，可以发明永动机。这和能量守恒定律相违背。其实，驱使液面上升的能量来自附着层和毛细管内壁分子的分子键的势能。至于分子键之间的因引力产生的势能，这和磁铁之间相互吸引而产生的势能相似，这不是我们讨论的重点，我们可以在以后的章节再讨论。
我们知道，高楼供水是个复杂的工程，有的高楼从数十米到数百米，像世界的最高楼——迪拜的哈里发塔，就高达828米。
这么高的楼，人们是怎样供水的呢？我们采用的是二次增压的方式向上供水。同样，地球上最高的乔木——澳大利亚的杏仁桉树，高达150多米，它是怎样给自己供水的呢？仅仅依靠叶面的蒸腾作用的泵吸原理和毛细现象是不能达到这么高的。
我们可以了解植物学的植物的水分和营养物质吸收的原理，就可以知道，植物通过其根，茎，叶部的导管向上输送水分和营养物质的第三个力源，是依靠其细胞液的渗透作用。什么是渗透作用呢？所谓渗透作用，是指用半透膜把两种不同浓度的溶液隔开，水分子或其它溶剂分子从低浓度的溶液通过半透膜进入高浓度的溶液中的现象。什么是半透膜呢？是指只允许溶剂分子通过，不允许溶质分子通过的薄膜，我们就称为半透膜。通过对渗透作用的定义，我们可以知道，形成渗透作用的必要条件有两个：
一，必须要有半透膜。
二，半透膜的两侧要有物质的量的浓度差。
那么，我们很想知道植物是怎样满足这两个条件的呢？关于第一个条件，植物细胞的液泡膜，细胞质及细胞膜都属于原生质层，作用相当于半透膜；植物细胞要满足第二个条件，就必须使细胞里液泡里的溶液的浓度要恒大于细胞膜外土壤里水溶液的浓度。细胞与细胞之间，或者细胞浸于水中，只要原生质层两侧溶液有浓度差，都会发生渗透作用。我们来看大自然是怎样处理的？细胞的原生质层的表面镶嵌了大量的装置——载体蛋白，它的作用是把土壤溶液里的钠，钾和钙等离子从原生质层外输送到内部，这个过程被称为主动运输。所谓主动运输，就是物质逆浓度梯度，在载体蛋白和能量的作用下将物质运进或运出细胞膜的过程。
在这个过程中，是需要消耗细胞内化学反应所释放的能量的。这样，就保证了液泡里水溶液的农度恒大于细胞膜外土壤溶液的浓度，渗透作用就会持续发生。
在自然界中，有很多渗透现象。比如，给农作物施肥过量时，土壤溶液的浓度就会大于植物细胞液泡溶液的浓度，植物的根尖不但不能从土壤里吸水，还会放水，就会造成农作物因失水而焉了。北方在存储麦子以前，要把麦粒晒干，如果在晒得时候，被羊偷吃，羊就会被撑死。这是因为羊胃里的水分子进入了麦粒的内部，造成麦粒的体积增大，过了羊的胃承受的极限，就会被涨裂，这也是渗透的现象。
渗透作用能给植物的导管增加多大的压强呢？也就是说，这个压强能够举起多高的水呢？这里有一个公式可以计算。我知道很多人不喜欢公式，但为了更好的表达这个问题，我们不得不列出公式，不喜得话可以略去不看。
溶液的渗透压与那些因素有关呢？我们来看下：
1，溶液物质的摩尔浓度，单位：mol/l，用字母C来表示。
2，摩尔气体常数，用字母R来表示，R＝8.34KPa·l·mol·kΛ-1。
3，热力学温度，用字母K表示，单位为开尔文，即摄氏度+273.15。
如果我们用字母π来表示溶液的渗透压，则，
π＝CRT
如果溶液的温度为25，即298开尔文，溶液的物质摩尔浓度为0.1mol/l。
代入上式就得：
π＝248KPa。
这个压强可以举起多高的水柱呢？通过计算我们可以得出是250.36米。
一般的生物体内的细胞液的渗透压为近200KPa，这个压强可以举起200米高的水柱。也就是说，地球上的所有植被的高度都不得大于这个高度，否则，植被的顶层细胞不能吸收到水分。事实也是这样，地球上最高的乔木——澳大利亚的杏仁桉树，高达156多米。
卡尔·萨根认为，宇宙中行星的数量可以达到10*10Λ10数量级，在这样庞大的数量里，不能，也不应该只有一个普通的恒星——太阳——是被有人居住的行星伴随。
假如，宇宙中有其它宜居地球，地球上的物理定律是否在其上面适用呢？到目前为止，我们的望远镜，已经可以看到百亿光年之外的宇宙的景象，无尽的天体运行于浩瀚无垠的太空中，还没有发现不服从现有物理定律的天体。所以，我们认为，宇宙中宜居地球上，只要是碳基生命，地球上的植物的吸收水分的三大作用——蒸腾，毛细和渗透作用都是适用的。因为宜居地球的质量，半径和地表加速度的不同，其地表植被的极限高度也是不同的。我们就以太阳系内八大行星为宜居地球，那么，它们地表植被的极限高度是多少呢？我们可以列表如下：
我们时不时可以在网上发现某某星座附近发现一个恒星，在它的宜居带内有和地球相似的行星或某行星的卫星，说得根真的一样。例如，天秤座β星以北2的地方，约20.4光年的距离上，有一颗红矮星——格力泽581——有6颗宜居的行星。位于开普勒1625系统中，有一颗气态行星，它有一个卫星——Kepler-1625b——是一颗宜居地球。如此这样很多，举不胜举，不排除有些作者为了吸引眼球而瞎编乱造。
说起宜居地球，我们想起前几年很火的科幻电影——《阿凡达》——就描写了一个宜居地球的故事。这个宜居地球叫做潘多拉星球，是虚构的一个叫做波里菲密斯的行星的卫星，大小和地球差不多，离我们4.4光年。这个行星的体积是我们太阳系里的木星的2倍，它和木星的外观也一样，都有一个风暴云，像一只怒睁的独眼。所以在潘多拉星球上，夜晚是非常迷人的，因为半边的夜空会占据一个巨大的月亮。
在潘多拉星球上，地表植被的极限高度是多少呢？我们可以做一个表格来比较。
在潘多拉星球上，土著居民纳美人相依为命的圣树高达270多米，看似超过了与地球相比的极限高度，但地球上的植被理论高度是200多米，其加速度是地球的80％，所以潘多拉星球表面植被极限高度可以达到250多米，导演设计的270米也不能说是毫无根据的。