问题

从能量的观点上来看,为什么竹子长得这么快?

回答
从能量的观点来看,竹子之所以能长得如此之快,主要归结于其高效的能量获取、储存和利用方式,以及其独特的生物学特性。下面我们将从几个关键方面详细阐述:

一、 高效的能量获取:强大的光合作用能力

优化的叶片结构与分布: 竹子的叶片通常较小、狭长且密集。这种结构减少了水分蒸发,同时在一定程度上增加了叶片在单位面积内的总表面积,提高了捕捉阳光的效率。其叶片通常呈螺旋状或互生排列,减少了相互遮蔽,使更多叶片能够充分接触阳光,最大化光合作用的进行。
高光合速率: 竹子(特别是许多竹亚科植物)具有较高的光合速率,能够更有效地将光能转化为化学能(葡萄糖)。这与它们能够适应更广泛的光照条件有关,即使在一定程度的阴影下也能维持较高的光合效率。
光呼吸的抑制(相对而言): 与某些C3植物相比,竹子在一定程度上能够更有效地抑制光呼吸(光照下对葡萄糖的消耗过程),这意味着更多的光合产物可以用于生长,而不是被浪费。

二、 高效的能量储存:淀粉和糖类的快速积累

光合产物的快速转化: 竹子将光合作用产生的葡萄糖非常迅速地转化为淀粉储存在根茎(竹鞭)和幼竹中。淀粉是一种易于储存且可快速被分解为葡萄糖的碳水化合物,为竹子的快速生长提供了充足的能量“后备军”。
竹鞭的储能功能: 竹鞭是竹子地下部分储存能量的关键器官。它们具有发达的薄壁组织,能够储存大量的淀粉和糖类。这些储存的能量在春季竹子出笋和快速生长时被大量动用,为新竹的迅速拔节提供动力。

三、 高效的能量利用:独特的生长机制与资源分配

一次性爆发式生长: 这是竹子生长速度惊人的最直观原因。在适宜的季节(通常是春季),竹子会通过地下竹鞭储存的丰富能量,在短时间内迅速从土中钻出,并在几天到几周内长到最终高度,这个过程被称为“出笋”和“拔节”。
细胞伸长与分裂: 出笋和拔节阶段,竹子体内的细胞能够快速分裂和伸长。细胞伸长需要消耗大量的ATP(三磷酸腺苷),而ATP的生产则依赖于葡萄糖的分解。竹子能够高效地从储存的淀粉中分解葡萄糖,快速提供能量支持细胞的体积扩张和细胞壁的拉伸。
水分的快速运输: 快速生长也需要大量的水分和养分。竹子的维管束系统(木质部和韧皮部)非常发达,能够高效地将水分和养分从根部输送到竹节的顶端生长点,支持细胞的膨胀和生长。水分的进入也对细胞的膨压起关键作用,推动细胞壁的拉伸。
竹节的结构优势: 竹子特有的竹节结构,每节之间由实心的竹节连接,而每节的细胞壁也相对较厚。这种结构既能提供强度,支撑竹子的高大,又在能量利用上具有效率:
能量集中供应: 能量主要供应给顶端的生长点(竹笋),而已经成熟的竹节则相对稳定。这种定向的能量供应机制避免了能量的广泛分散,保证了生长点的快速发育。
水分和养分的储存和传输: 竹节内部也储存了一部分水分和养分,并在生长过程中逐步释放,为持续的生长提供支持。
相对较低的木质化程度(早期): 相较于许多木本植物,竹子在早期生长阶段的木质化程度较低。木质化是一个消耗大量能量的过程,需要合成木质素等物质来加固细胞壁。竹子将能量更多地用于细胞体积的快速增大,而不是过早地进行结构强化,这使得它们能够更快地达到高度。一旦达到一定高度,竹子才会逐渐加强木质化,以增加强度和稳定性。
高效的养分利用: 竹子对养分的利用效率也很高。它们能够在较短的时间内从土壤中吸收并转化大量的氮、磷、钾等元素,这些元素是构成生命物质(蛋白质、核酸等)和能量代谢(如ATP合成)必需的。

四、 节约能量的策略

一次性生命周期的高峰: 许多竹子属于多年生草本植物,虽然它们地下有根茎,但地上部分(竹竿)在某个阶段后基本停止生长,并将能量更多地用于繁殖(开花结籽,虽然周期很长)。这种一次性的生命周期高峰,使得它们能够集中能量在特定的生长期内快速发展。
再生能力: 竹子具有极强的再生能力。一旦竹笋被收获或受损,竹鞭中的休眠芽会很快萌发,形成新的竹笋,这表明其能量储存和调配系统非常高效。

总结来说,从能量的观点看,竹子长得快是因为:

1. 高效的光合作用 提供了充足的原始能量。
2. 强大的能量储存能力(主要在竹鞭中)确保了能量的“储备金”。
3. 一次性的爆发式生长机制 将储存的能量集中用于细胞的快速分裂和伸长,实现短时间内的高速增长。
4. 优化的叶片、竹节和维管束结构 确保了能量、水分和养分的最高效获取、储存和运输。
5. 相对较低的早期木质化程度 使得能量优先用于体积生长。

这些因素共同作用,使得竹子成为植物界中当之无愧的“生长冠军”。

网友意见

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材料力学里有一个现象,叫做:尺度效应

学术表达比较难以说得清。

直观的理解就是:具有微米、纳米尺寸结构的材料,比同等质量的 体材料,强度要高。

什么是 体材料?比如一块实心铁,它就是一种体材料。

大家常听说,碳纳米管的强度比钢还要强,有人说因为碳米管强度足够大,可以用来建一个地面到太空的梯子。

或者再举个例子。

这种内部带网格的材料,单位质量能够承受的载荷,比一块实心的材料要大得多。

(什么是载荷?可以理解为拉、压力)

尺度效应的根本原因是:材料内部形成了很多表面,比表面积远大于实心体材料,而表面的强度往往要大于实心体材料

(什么是比表面?包含的所有内部表面的面积总和,除以宏观体积)

扯了这么多,回到竹子。

竹子是空心的,竹子的比表面积远大于普通木材。

实际上,竹子不光在肉眼可见的厘米层级可以看到是空心的,在微纳米尺度下,其内部也是空得多。

所以,竹子说白了,它就是一种典型的具有强大“尺度效应”的材料,它具有很高的比表面积。

竹子的生长,不论是从宏观上还是从微观上,都是一堆“表面”在扩大。而不是实体的壮大。

宏观上看它只是一个环形的管子。微观上看,它也是一堆环形的管子

所以,从总质量的增长角度看,竹子未必比别的树木强;但是从高度上,它比别的树木强多了。

正是由于竹子有很大的强度,能够轻易支撑起自重,所以可以用横截面积较小的空心结构,实现将光合作用产生的有限材料,尽量在纵向向上堆叠。

而且,由于竹子在高度上有优势,所以能够不被遮挡,得以享受更多的阳光资源,从这个角度它也可能长得更快一些。

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再补充一点,竹节

如果没有竹节,想像一根很长的吸管,是不是很容易变形,然后一下之就塌了。我们称之为失稳

失稳就是当载荷超过失稳临界点时,材料突然一下全面失效的现象。

越细长的东西越容易失稳。反之,越短粗越不容易失稳。

而竹节的存在,使得竹子由原本一根不稳的长管子,变成了很多段不会失稳的短管子。

很多双子塔都有一道横向连接,可以大大增加建筑物的抗失稳强度(当然,按照设计,建筑物是不会失稳的。但是摩天大厦会摆动)。同时也是为了便利交通。

竹子的竹节也起到这种横向连接的作用。

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-我以前论证过,竹子几乎是我国特有的物种(世界上绝大多数的竹子产于我国)。

-我国古人因为有竹子,容易加工成扁担,这可能是我国古代就具有强大基建能力的原因。别的文明基本都是用头顶,我们是用肩挑。早期工具简单,用木头做成扁担难度挺大的,跟现代社会没法比。

-由于竹子容易加工成片状竹简,可能因此我国古人较早使用了软笔书写文字,早期文化得以较为便利的传播。而世界其他地方只能用不便利的硬物在泥板上刻画(注意:甲骨文是祭祀用的,不是日常书写和记录用的。)相关回答:

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竹子长高的速度比同等尺寸的其他植物快,主要原因是竹子的枝干分成多节、同时生长,同等尺寸的其他植物通常是顶端的分生组织在生长;而且,竹子的空心茎比同等尺寸的木本植物茎要轻得多。

这跟“能量的观点”没什么关系,竹子的光合作用效率并不突出。竹子每茎的光合作用面积约28平方米,每年固碳能力约16千克。有些人不知道竹子是通过竹鞭(地下茎)分生的,以为竹笋独自扩增体积,那自然显得非常惊人——但很多木本植物也有大规模的地下根系、形成克隆群体,其地上部分的长高速度却比竹子慢得多,显然“依托地下构造取得供应”不是竹子让人吃惊的原因。

竹子对土壤当然是有影响的。世界范围内的多项研究表明,竹子在短期内对新种植的土壤状况有一定的改良作用,但由于竹林的生物量大、竹材含有丰富的养分且生产周期较短,经过数个轮伐期,土壤养分输出量大于输入量,会导致竹林的土壤逐渐变得贫瘠。但是,竹子造成的肥力下降可以被人施肥有效地抵消,持久地种植、收获下去。

  • 植物不是从土壤里直接吸取能量变换成“有机质”的,其“有机质”是光合作用的产物,能量来自太阳辐射等光线,材料是大气里的二氧化碳、根部等处吸收的水。
  • 植物生长过程中,从土壤取得氮、磷、钾等必需营养素,会影响土地的肥力。不同的植物需要的营养素含量有很大差异,这与植物的生长速度没有绝对关系。
  • 竹子对土壤的影响变化规律已经被人们深入研究,可以控制其种植密度来减少不利影响。
  • 人为施肥有时候会造成营养素过量,反而引起问题,这点也已经被研究过了,例如:


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@赵泠 回答认为竹子只是长高比较在行但增重不行,这并不确切,联合国粮农组织有份报告说竹子的生物质增速总体而言要高于树木


回到问题,答案很简单,因为竹子生长不是单打独斗,人玩的是举国体制

你能看到的地面上的竹子并不是独立生命体,竹林才是,因为所有竹子都是从同一个地下竹鞭网络抽发出来的,如同一棵树上抽出的不同枝桠——枝桠显然不是独立个体,只不过竹林的本体埋在地下你看不到而已(这也是为啥竹子开花整片竹林都会死)

竹子长成以后是不会再继续长高或长粗的,它光合作用合成的营养基本都被传回地下竹鞭网络,用于扩张本体,以及开春时集中供应给新竹,也就是竹笋,用于快速生长以争夺最宝贵的资源——阳光;其它新生植物只能靠自己那点刚长出的嫩叶一点点积攒营养,怎么可能竞争得过竹笋这种人民币玩家。。。

这个“集中力量重点突破抢占先机”的策略非常成功,以至于竹林下基本没有其它植物的生长空间,生物多样性上差不多可以说是绿色荒漠。。。



与之类似的是蘑菇,其本体也是埋在地下的菌丝网络,而地上的子实体只是用来散播孢子的工具;蘑菇能一场雨过后一夜冒出来,自然靠的也是菌丝网络集中供应营养啦

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