Предполагая, что вы можете решить проблему с водой, используя некоторые другие данные ответы, такие как наличие бассейнов по высоте дерева, извлечение воды непосредственно из проходящих облаков и т. д., вам все равно придется иметь дело с деревом, сокрушающим себя под собственным весом. . Ниже приводится инженерный ответ на вопрос.

Короткий ответ

Уравнение, которое определяет максимальную высоту дерева:

Где$H_\text{max}$максимальная высота дерева,$\sigma_\text{allow}$- прочность древесины на сжатие,$\rho$- плотность древесины, а$g$ускорение силы тяжести на вашей планете.

Что это значит? Что ж, высота дерева прямо пропорциональна прочности его древесины, поэтому, если бы дерево эволюционировало, чтобы иметь сверхпрочную древесину, оно могло бы стать выше. Он обратно пропорционален плотности и силе тяжести, поэтому, если бы дерево эволюционировало, чтобы иметь чрезвычайно легкую древесину, оно могло бы вырасти выше (может быть, оно использует какой-то метаболический процесс, чтобы сделать воздушные шары из газа легче воздуха, чтобы поддерживать свой вес? это было бы круто). ). Наконец, как упоминалось в другом ответе, чем ниже гравитация, тем выше дерево. Уменьшение гравитации вдвое удваивает возможную высоту дерева.

Обратите внимание, что не имеет значения, насколько велико основание дерева, оно все равно раздавит себя, когда станет выше. Это выпадает из приведенного ниже вывода, если вам нужны доказательства.

Математика

Рассмотрим упрощающие предположения, что дерево имеет постоянную площадь поперечного сечения$A$по высоте (например, у цилиндрического дерева было бы$A=\frac{\pi}{4}D^2$куда$D$это диаметр) и что мы можем игнорировать силы ветра и вещи, которые могут опрокинуть дерево, сосредоточившись только на сжатии, испытываемом в нижней части дерева.

Вес дерева будет равен плотности × объем × ускорение свободного падения:

Способность дерева нести нагрузку описывается его «прочность на сжатие», которая в основном является количеством «напряжения», которое дерево может выдержать, прежде чем сломается. Напряжение сжатия у основания дерева равно весу, деленному на площадь основания:

Площадь в числителе и знаменателе сокращается. Теперь мы можем переставить, чтобы найти максимально допустимую высоту:

$H_\text{max} = \frac{\sigma_{allow}}{\rho g}$

Пример

Дуб на Земле может вырасти до максимальной высоты$691\ \mathrm m$, учитывая плотность древесины$600\ \mathrm{kg/m^3}$, сила$4\,070\,000\ \mathrm{N/m^2}$и ускорение под действием силы тяжести$9.81\ \mathrm{m/s}$:

Источники свойств материалов: http://www.engineeringtoolbox.com/wood-beams-strength-d_1480.html http://www.engineeringtoolbox.com/wood-density-d_40.html

Изменить: дополнительная информация

Как упоминалось в других ответах, существуют дополнительные факторы, ограничивающие рост деревьев. В этой статье от Nature довольно подробно описаны ограничивающие факторы. В нем упоминается, что теоретическая максимальная высота переноса воды может быть недостижима, потому что падение давления может привести к эмболиям внутри ксилемы, что может привести к гибели близлежащих ветвей. Деревья могут попытаться уменьшить этот риск, уменьшив размер своих устьиц, но это также уменьшит фотосинтез, а это означает, что верхушке дерева гораздо труднее производить питательные вещества. По их оценкам, это ограничивает максимальную высоту деревьев на Земле где-то около 130 м.

Бассейны с водой Если каждые 300 футов или около того дерево выращивало бассейны с водой для сбора дождя (или, может быть, как место для хранения воды, которую оно уже вытащило снизу?), то более высокие части могли бы брать воду из этих бассейнов, а не прямо из земли.

Это также может способствовать оплодотворению. Если бы эти бассейны были достаточно большими, они могли бы стать небольшими прудами или озерами, в которых могла поддерживаться жизнь. Животные/растения/грибы/все, что мигрирует, живет и в конце концов умирает там, может стать основным источником питания для мирового древа.

Ограничивающий фактор будет сводиться к тому, как высоко вы можете складывать дрова, прежде чем самый нижний блок будет раздавлен весом. Поскольку это инопланетный (магический?) мир, вы всегда можете сказать, что когда дерево стареет, а не просто умирает, оно обугливается в некую структуру из углеродного волокна, которая позволяет ему выдерживать огромный вес самого себя?

• Транспорт: За счет транспирации вода может подниматься вверх по деревьям, однако после определенной высоты напора будет недостаточно. Противостоять этому можно было бы, если бы у дерева было какое-то сердце, которое действовало бы как насос. Кроме того, дерево может поглощать воду извне, поэтому листья на самой вершине все еще могут получать воду. (Вы также можете уменьшить гравитацию в этом мире.)
• Продолжительность жизни: дереву потребуется очень много времени, чтобы вырасти до такой высоты, это невозможно сделать, если оно живет всего 30 лет. Таким образом, дерево должно быть почти бессмертным и быстрорастущим, потому что даже 3000 лет — это слишком мало. Обойти это можно было бы с помощью дерева, потомки которого вырастают из него самого (оно самоопыляемое, и семя остается в дереве). Так что дерево будет продолжать расти.
• Питание: большое дерево нуждается в большом количестве минералов. Который трудно получить, если он застрял в одном месте. Счетчик был бы, если бы существовали бактерии, выделяющие необходимые для дерева минералы, а также в чем-то зависящие от дерева. Также у него могут быть какие-то «тазики», из которых исходит запах, привлекающий насекомых. Жуки падают и растворяются, чтобы обеспечить питание.

Если вы значительно ослабите свое понятие «дерево», то рассмотрите это: огромную плавучую «корону», прикрепленную к поверхности с помощью длинного, легкого, гибкого «ствола». На такой планете, как Венера, с ее очень плотной атмосферой из СО2, существует множество газов, которые могли бы обеспечить необходимую плавучесть.

Один газ, который приходит на ум - кислород! Он имеет меньшую молярную массу, чем CO2 , и, кроме того, является естественным продуктом фотосинтеза. Дерево может начать расти на земле, а затем вырастить своего рода пузырь, который улавливает кислород, образующийся в результате фотосинтеза. По мере того, как дерево становится старше, и стебель, и пузырь растут, поднимая его выше в атмосферу.

Что касается воды, ваша атмосфера может иметь разумное содержание водяного пара — не настолько высокое, чтобы сделать атмосферу легче газовых пузырей, но достаточное, чтобы ваши «деревья» могли извлекать необходимую им воду непосредственно из атмосферы. Если ваша атмосфера достаточно хорошо стратифицирована, более плотный СО2 опустится на дно, где он сможет обеспечить большую поддержку, в то время как более легкий водяной пар поднимется наверх, откуда ваш аппарат короны/мочевого пузыря сможет его извлечь. Это дало бы двойной стимул для деревьев расти как можно выше — чем выше вы поднимаетесь, тем больше света и больше воды. Ограничивающим фактором будет точка, в которой атмосфера больше не имеет достаточной плотности.

Потенциальные проблемы

Сила тяжести

Возможно, вам придется поиграть с массой вашего мира, чтобы выталкивающей силы было достаточно для преодоления гравитации.

Дыхание

Растениям нужно дышать так же, как и всем нам — это означает потребление кислорода. Они могут потреблять часть O2, который хранится в их плавучих камерах. Они могут начать немного падать ночью, когда у них пик метаболизма ;-)

Способность дерева поднимать воду была бы квадратичной, если бы гравитация планеты была ниже. Таким образом, на гипотетической планете с половинной земной гравитацией ( g = 5 m/s^2) дерево могло бы достигать высоты в четыре раза больше, чем на Земле .

Если бы ваша планета имела гравитацию Луны, например, дерево могло бы достигать высоты в четыре километра .

Обратите внимание, что BarbalatsDilemma упоминает в своем ответе , что как только мы удалим ограничение на транспортировку воды, ограничивающим фактором роста дерева станет способность древесины выдерживать сжимающее напряжение, которое линейно увеличивается с высотой. На самом деле, самые крепкие деревья получаются от тех деревьев, которые растут самыми высокими. Поэтому, как только ограничение водного транспорта будет снято, у дерева может появиться причина для развития еще более прочной древесины.

Чтобы решить проблемы меньшей гравитации, влияющей на атмосферу планеты, я представляю Титан, спутник Сатурна . Эта луна имеет атмосферу более плотную, чем атмосфера Земли . Чтобы опровергнуть аргументы о том, что атмосфера может быть возможна только из-за более низкой температуры в месте расположения Титана, ведущая теория происхождения атмосферы Титана состоит в том, что она возникает из-за низкого содержания силикатов в коре Титана, поэтому все летучее. Таким образом, более высокая температура фактически увеличила бы скорость сублимации и сгустила быАтмосфера Титана. Более высокая температура расширила бы атмосферу, но пока эта атмосфера остается внутри сферы холма Титана, она будет оставаться и вызывать еще более высокое давление. Сфера холма Титана составляет около 50 000 км, текущая атмосфера достигает около 1000 км над его поверхностью, а объем увеличивается в третьей степени с увеличением радиуса. Обратите внимание, что эти летучие вещества представляют собой органические материалы, в частности углеводороды, поэтому они действительно очень хорошо поддерживают рост растений.

дерево может использовать некоторую форму https://en.m.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_water_generator , которая позволит ему собирать воду из самого воздуха. Он будет получать воду непосредственно из облаков и самого водяного пара. Я предполагаю, что листья могут действовать как сетка, позволяющая воде конденсироваться, а затем поглощаться самими листьями.

С помощью Google https://en.m.wikipedia.org/wiki/Troposphere#Temperature

Я очень сомневаюсь, что дерево сможет пережить более 6000 км в зависимости от того, где оно находится, поскольку температура начнет резко снижаться вблизи тропопаузы, а воздух станет разреженным. Что касается поддержки и веса деревьев, я думаю, что это должно было бы развиться в виде нескольких стволов деревьев, которые извиваются вместе? Туловище, которое скручивается вместе, может быть лучшей опорой для нижней части, но оно будет выпрямляться по мере того, как поднимается выше, чтобы избежать еще большего давления веса. Из-за количества листьев, необходимого для поддержки массивного дерева, ветвям потребуется дополнительная сила либо за счет переплетения каждой ветви [может иметь катастрофические последствия, если нижние ветви сломаются], либо за счет «переплетения ветвей», что должно увеличить вес, который они могут удерживать. .

В противном случае, может быть небольшой обман, чтобы ваше дерево поддерживалось действительно очень высоким крутым утесом [наполовину гора, наполовину дерево]?

Симбиотические формы жизни, такие как маленькие насекомые и птицы, ищут защиты в дереве, дерево получает воду из мочи животных и из влажности воздуха (используя губку, как листья).

Примитивное охлаждение Листья могут иметь форму двойной буквы «U», которая отлично подходит для преобразования энергии ветра в механическую энергию, побочным эффектом этого является то, что ветер становится более прохладным, что позволяет конденсировать воду (даже если в очень небольшом количестве).

Симбиоз II Некоторые формы жизни могли бы на самом деле эволюционировать, чтобы нести воду к дереву и получать взамен маленькие плоды, если дерево такое большое, вероятно, внутри него есть сложная экосистема, которая сделала бы дерево также изолированной системой.

Это для получения воды.

Для получения вместо большой высоты вместо этого у нас больше проблем, дерево будет иметь форму, напоминающую перевернутый конус (основание на земле и вершина вверх).

Древесина легкая, но слабее железа, поэтому максимально достижимая высота (во избежание механического разрушения дерева) должна быть немного выше или ниже самого высокого здания, так что не ожидайте, что она будет выше километра, однако вы можете частично обмануть, если дерево растет на самой высокой горе в вашем мире.

РЕДАКТИРОВАТЬ: поскольку защитники тегов становятся все более скучными, вот научная часть:

Symbiosys: неизвестные микроорганизмы имеют такое поведение, однако есть паук, который может перемещать пузырьки воздуха ниже уровня воды, чтобы создать гнездо. Поскольку уже существуют формы жизни, которые перемещают где-то воздух, правдоподобно предположить, что возможны формы жизни, которые перемещают где-то воду. Кроме того, у улиток есть защитное покрытие, чтобы избежать обезвоживания во время сна, дерево и его формы жизни могут использовать аналогичный механизм для сохранения воды.

Что касается охлаждения: простой закон физики, если воздух выполняет какую-либо работу, он тратит на это энергию и, следовательно, снижает свою температуру, а также определенные формы (двойная буква «U») действительно помогают отводить тепловую энергию и преобразовывать ее в кинетическую энергию.

Поскольку большая форма жизни очень подвержена смерти от любой болезни (одиночная ДНК), более реалистично, если дерево на самом деле представляет собой составную форму жизни, так что у него достаточно разнообразия ДНК, чтобы не умереть полностью из-за болезней. У нас уже есть доказательства того, что это возможно (мох на самом деле создан совместными усилиями двух разных форм жизни), также возможно делать прививку овощей (прикреплять ветку растения к чужому растению, чтобы получить новый тип фруктов), еще одно доказательство того, что вполне возможна растительная форма жизни, которая в действительности создана другими формами жизни.

Ветер - убийца. Есть причина, по которой самые высокие деревья имеют мало ветвей под кроной. Водосборные бассейны будут действовать как паруса и разорвут дерево на части. Извините, что дождь на вашем параде. Самое высокое здание в мире имеет высоту 830 метров, и я сомневаюсь, что матушка-природа могла бы сделать с живым организмом более чем в два раза больше, но я просто предполагаю...

Просто проходил мимо и решил оставить свои мысли на эту тему...

Взгляните на последнюю (последнюю) книгу Терри Пратчетта и Стивена Бакстера из серии «Долгая Земля» «Долгий космос». В одном из миров есть гигантские деревья. Транспирация воды к верхним ветвям осуществляется за счет того, что деревья захватывают / вырабатывают водород и используют его для подъема мешков с водой на верхние уровни.

Конечно, древесина деревьев была легко воспламеняющейся, она была битком набита водородом. О существовании такого мира и таких любопытных деревьев никогда не сообщалось, вероятно, потому, что любой путешественник, который вошел и остался достаточно долго, чтобы заметить размер деревьев, вероятно, остался достаточно долго, чтобы собрать немного дров и разжечь костер... БУМ. !

Нет. Как деревья сегодня, это невозможно. В деревьях вода поднимается вверх по дереву пассивно. Чтобы получить такую ​​высоту, которую вы ищете, дерево должно качать в него воду. Я не понимаю, как дерево может производить достаточно энергии посредством фотосинтеза, чтобы привести в действие активный метод транспортировки воды на такой высоте. Кроме того, если бы дерево росло слишком высоко, воздух был бы слишком разреженным для фотосинтеза или дыхания. Чтобы выжить, нашему дереву пришлось бы питаться другими растениями для получения достаточного количества энергии и закачивать кислород в верхушку дерева.

Возможна версия меньшего размера, особенно если она адаптирована для такого рода вещей: у нее может быть очень толстое основание и более тонкая вершина (чтобы она не сломалась), и очень длинные корни, растопыренные (чтобы она не ломалась). получить полезные ископаемые).

Если рядом с рекой, в относительно безветренной местности, то может вырасти до большой высоты. Это решает проблему питания (отходы в воде обеспечивают питание, а также другие вещества, заявленные KingOfSnakes , и у него может быть сердце, которое создает дополнительное давление, чтобы притягивать воду к его листьям.

Это зависит от вашего определения «дерева».

Во-первых, здесь есть несколько ответов, которые предлагают сердце — это не решает проблему, заключающуюся в том, что подъем воды требует больше энергии, чем дает фотосинтез. Это означает, что либо мы получаем необходимую воду непосредственно из атмосферы (что означает влажный климат), либо нам нужна какая-то радикально другая химия. Поскольку мы хотим что-то похожее на дерево, давайте начнем с фотосинтеза, но молекулы с высокой энергией не отправляются вниз по дереву, а только сбоку к стволу, где они преобразуются в электричество. Продукты отправляются обратно на листья, чтобы снова объединиться — вам нужно поднимать их только для роста или утечки, а не для производства энергии.

Теперь нам нужно очень прочное дерево — вместо дерева давайте сделаем сердцевину из металлической пены. Как только корни находят подходящие залежи руды, они выращивают сердцевину из металлической пены в каждом стволе. Ради прочности вам нужно несколько стволов с множеством поперечных соединений. Посмотрите, как построены антенные башни, как это должно делать дерево.

Когда дерево становится достаточно большим, мы можем снять с него часть нагрузки. Дерево вырастает над собой прозрачным, но герметичным навесом. Листья находятся внутри этого навеса. Навес действует как оранжерея — внутри теплее, чем окружающий воздух, что хорошо, так как там становится холодно, и у вас получается гигантский воздушный шар. Если он достаточно большой, сжимаются только те элементы, которые удерживают талию пузыря, а все остальное находится в напряжении, и поэтому его гораздо легче поддерживать.

Дерево должно иметь полную способность к регенерации, иначе разрушительное действие времени убьет его, прежде чем оно достигнет размера мирового дерева.

Я могу придумать несколько вариантов, некоторые из которых будут просто дополнительными примечаниями к существующим ответам:

1. Капиллярное действие

Капиллярное действие, возможно, могло бы обойти гравитацию — оно уже делает это в небольших масштабах во всех возможных ситуациях реального мира. В основе капиллярного действия лежат поверхностные свойства и поверхностное натяжение жидкостей, позволяющие им подниматься (или опускаться) по чрезвычайно узким каналам. Перьевая ручка — отличный тому пример. Если вы возьмете пустую перьевую ручку и поместите перо в чернильницу, чернила будут медленно подниматься через перо в канал подачи чернил.

2. Бассейны для сбора воды

У дерева могут быть естественные бассейны для сбора, похожие на клубничный горшок . Это позволило бы дереву естественным образом собирать запасы воды в любом месте на своей поверхности. Это можно было бы сделать даже (благодаря некоторому повороту эволюции) в каждом месте, где ветвь встречается со стволом. На самом деле, я почти удивлен, что нет земных деревьев (насколько я знаю), которые делают это. Или, возможно, его листья могут быть предназначены для подачи воды в такую ​​систему. Хосты работают так, но в гораздо меньших масштабах — втягивают воду в основание растения.

3. Атмосфера

Если ваша планета не совсем похожа на Землю, а дерево достаточно высокое, постоянная или почти постоянная паровая база (облака) на кроне дерева или вблизи нее может обеспечить достаточное количество воды, особенно если дерево имеет адаптированные структуры, которые помогите захватить и направить воду. Это может быть даже такое простое, как интересные структуры, похожие на кору, улавливающие и конденсирующие воду из пара.

Все остальные ответы предполагают, что дерево растет в гравитационном колодце. Это не обязательно так, однако будут применяться другие ограничения (прочитайте «Интегральные деревья» Нивена).

Есть еще вопрос масштаба. Совершенно нормальное дерево может считаться «мировым деревом» очень-очень маленькой разумной расы.

Дерево могло получить «помощь» от других организмов волей-неволей. Люди могли бы накормить его (им нужен был бы мотив). Или он может потреблять другие растения. Тогда у него будет доступ к большему количеству энергии и различных материалов, чем у обычного дерева.

Очень рекомендую прочитать повесть Джека Вэнса «Сын дерева ». Также есть мировое древо. Его схемы питания могут быть... поучительными.

Он также мог бы что-то делать с солнечной энергией, чтобы генерировать энергию, либо нагревая воду в бассейнах с помощью отражающих листьев, либо используя металлы, которые улавливают свет и преобразуют его в электроэнергию. Это может быть надуманным, но это может сработать в романе.

Другая идея заключается в том, что мировое дерево могло бы получать питательные вещества из продуктов жизнедеятельности животных, которые на нем живут.

Я считаю, что для того, чтобы сделать дерево возможным, дерево должно быть построено из генетически модифицированной ткани вертикально с помощью восходящей команды 3D-принтеров, как если бы паук ткал свою ткань вверх, и это должно было бы иметь в качестве основной цели «живое дерево». «Чтобы укрыть человеческую жизнь, как жизнь в биологическом небоскребе, я считаю, что со всеми текущими и будущими технологиями и самыми блестящими умами в области инженерии и дизайна можно было бы построить дерево, которое могло бы достигать 40 000 футов, хорошо, нет :P.

Предположим, мировые деревья действительно могли бы существовать на земле, им понадобилась бы огромная вода, чтобы поддерживать себя. Я думаю о природной чистой и теплой родниковой воде под ними, которая течет вверх под более высоким давлением, создаваемым под землей, помогая дереву накачивать воду выше в себя. и чтобы предотвратить его разрушение под собственным весом, части его стебля / ствола и корневой системы должны были кристаллизоваться под давлением его веса вместе с минералами в родниковой воде по мере того, как она росла с течением времени (как некоторые из этих свидетельств обнаружены в пнях/стволах деревьев на этом сайте https://secretenergy.com/news/are-these-giant-prehistoric-trees/ )

Посмотрев на все комментарии, я пришел к такому личному выводу относительно окончательного «мирового древа».

Листья с очень короткими волосками. Эти листья будут не только производить энергию посредством фотосинтеза, но и поглощать воду, как корни, где волоски действуют как корневые волоски. При несколько иной физиологии это, безусловно, возможно.

Расположение в долине, обеспечивающее относительное укрытие от ветров. Дерево также было бы очень толстым внизу и постепенно становилось бы тоньше, чтобы не сломаться.

Не более 2000 метров (2 км) в высоту, чтобы избежать постоянных сверхнизких температур, но при этом иметь огромные размеры. Это также устранило бы необходимость делать невероятно прочную древесину или другие, более сложные и/или нереалистичные элементы.

Легкая, но относительно прочная древесина. Дерево также (как и большинство растений) будет иметь высокое содержание лигнина, из которого оно каким-то образом будет производить собственное углеродное волокно и внедрять его в свою собственную структуру в больших количествах, значительно укрепляя дерево, чтобы оно не взорвалось.

Бассейны с водой из переплетающихся ветвей и/или листьев над уровнем земли, привлекающие тварей и обеспечивающие запасы энергии, если это необходимо. Микробы, насекомые, мелкие млекопитающие и другие организмы будут привлечены к относительной безопасности/укрытию дерева, а с водой они, скорее всего, захотят укрыться там. Они могут поставлять минералы и другие питательные вещества в виде своих отходов и даже могут формировать какие-то более сильные симбиотические отношения (используйте свое воображение). Бассейны также будут работать как хранилища энергии, где вода может быть сохранена, а затем использована водопоглощающими листьями.

Очень тонкие каналы в дереве. Вода и другие питательные вещества могут перемещаться по всему дереву, просто основываясь на поведении жидкостей в очень маленьких каналах (более подробное описание см. в ответе Джесси Уильямса).

Большая корневая система, способная приносить другие питательные вещества и поддержку/стабильность.

Несколько «стволов», скручивающихся вместе. Среди прочего, это позволило бы более равномерно распределить собственное давление деревьев.

На мой взгляд, мировое древо было бы невозможно сделать, если бы ствол состоял только из одной части. Но если мы примем во внимание некоторые деревья, такие как баньян или гораздо более известный в нашей стране как балете , я думаю, что он может вырасти и стать мировым деревом, при условии, что у него будет достаточно питательных веществ для его поддержки.

Баньян на самом деле маленькое дерево, если оно стоит отдельно. Однако он образует несколько воздушных корней. И эти корни разрастаются до тех пор, пока не становятся похожими на материнский ствол. Его воздушная корневая система позволяла ему становиться все больше и больше, не опасаясь падения под действием силы тяжести.

Итак, это все. Если наше мировое древо имеет несколько воздушных корней, оно может поддерживать себя и не бояться свирепой руки гравитации. И он будет расти все выше и выше, но будет расширяться все больше и больше, занимая больше места, чем нам хотелось бы.