Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

Причина, по которой полотенца изготавливают из хлопка, заключается в том, что хлопок – это в основном клетчатка, то есть длинные цепочки сахар о в, с которыми охотно сцепляются молекулы воды. Вата, кухонное полотенце, дешевая бумага – все это хорошие абсорбенты, поскольку на микроуровне обладают ворсистой структурой, состоящей из водолюбивой целлюлозы. Вопрос в следующем: каковы пределы этой «размерозависимой» физики? Если эти каналы будут настолько малы, насколько это физически возможно, то что можно с ними сделать? Речь идет не только о полотенцах, всасывающих воду вверх по узким каналам из целлюлозы. Природа позаботилась об этом задолго до нас. В качестве впечатляющего примера того, на что способна физика микромира, назову самый большой из живых организмов на планете: гигантское калифорнийское мамонтовое дерево.

В лесу тихо и сыро. Создается впечатление, что так было всегда и изменения здесь – редкость. Земля между стволами деревьев покрыта мхом и зарослями папоротника, и единственные звуки, которые можно здесь услышать, – пение невидимых птиц и глубокое, тревожное кряхтение деревьев, слегка покачивающихся из стороны в сторону. Высоко вверху сквозь переплетение тонких ветвей проглядывают островки голубого неба, а внизу, под моими ногами, повсюду виднеется вода: лужицы, пропитанные влагой клочки почвы и ручейки, устремляющиеся вниз по долине. Каждый раз, гуляя по лесу, я невольно настораживаюсь, замечая далеко впереди подозрительное темное пятно, несколько выбивающееся из общей картины. Нет, это не хищник. Это дерево, один из настоящих гигантов, тысячелетний колосс, скрывающийся за молодой порослью и утверждающий свой особый статус в лесу обширной тенью, отбрасываемой на землю и соседние деревья.

Секвойя вечнозеленая, или калифорнийское мамонтовое дерево ( Sequoia sempervirens ), покрывает обширные участки земли в этом районе Северной Калифорнии. В наши дни когда-то бескрайние леса сократились до нескольких небольших участков, и я нахожусь в одном из самых известных под названием Redwood National Park в округе Гумбольдт. Эти гиганты производят неизгладимое впечатление, поскольку ствол каждого такого дерева совершенно прямой и вертикальный, устремляющийся далеко в небо. Самое высокое дерево на Земле находится именно здесь. Его высота – 116 метров [34]. Во время прогулки мне часто встречаются деревья, диаметр ствола которых составляет 2 метра и более. Однако самое удивительное, что под глубокими морщинами коры этих деревьев формируются все новые и новые кольца. Деревья живут! Крошечные вечнозеленые листья на стометровой высоте улавливают энергию Солнца, запасают ее и вырабатывают материал, из которого строится новое дерево.

Но для жизни нужна вода, и она здесь, где я стою. Таким образом, в окружающем меня лесу вода течет снизу вверх. И ее поток никогда не прерывается – ни разу с того момента, когда семя, упавшее в почву, дало побег. Некоторые из этих деревьев стояли здесь еще во времена падения Римской империи. Они росли в Калифорнии, когда был изобретен порох, написана Книга Судного Дня [35](или Книга Страшного суда), когда Чингиз-хан завоевывал все новые царства в Азии, Роберт Гук опубликовал «Микрографию» и японцы бомбили Перл-Харбор. И ни разу вода не прекращала течь снизу вверх, питая дерево. Причина, по которой мы можем быть уверены в этом, заключается в том, что весь механизм, обеспечивающий жизнь дерева, основан на непрерывности этого потока. Его невозможно перезапустить. Но это очень умная «водопроводная система», и весь расчет ее создателя строится на том, что ее непрерывное действие обусловлено лишь очень маленькой величиной поперечного сечения: буквально несколько нанометров.

Вода проходит по ксилеме – системе микроскопических целлюлозных трубок, тянущихся от корней дерева к листьям. В этом главным образом и заключается понятие «древесины», хотя, по мере того как дерево вырастает, центральный стержень древесного ствола перестает участвовать в его водоснабжении. Капиллярность – механизм, делающий мое полотенце водопоглощающим, – обладает силой, достаточной для того, чтобы поднять воду в водопроводной системе дерева лишь на несколько метров. Для высокого дерева такая система не годится. Корни дерева также могут создавать собственное давление для проталкивания воды вверх по водопроводной системе дерева, но и этого давления достаточно лишь для поднятия воды еще на несколько метров. Б о льшая часть работы не выполняется путем проталкивания воды вверх. Воду приходится тянуть. Такая же система действует во всех деревьях, но самый большой мастер по этой части – калифорнийское мамонтовое дерево.

Я сижу на стволе поваленного дерева, рядом с одним из гигантов, и смотрю вверх. В сотне метров над моей головой крошечные листики трепещут на ветру. Для фотосинтеза им нужен солнечный свет, двуокись углерода (углекислый газ) и вода. Углекислый газ поступает из окружающего воздуха через устьица – крошечные карманы, расположенные на нижней стороне каждого листа. Часть внутренней стенки каждого кармана представляет собой сеть целлюлозных волокон, между которыми находятся каналы, заполненные водой. Это верхушка водопроводных трубок; после них трубки разветвляются и снова разветвляются, каждый раз сокращаясь в размерах до тех пор, пока не достигнут устьица. В этом месте, где водопроводные трубки наконец соприкасаются с воздухом, размер их поперечного сечения составляет примерно 10 нанометров [36]. Молекулы воды прочно сцепляются с целлюлозными стенками каждого канала, а водная поверхность придает им форму нанокувшина. Солнечный свет падает на лист и содержащийся внутри него воздух и иногда придает одной из этих поверхностных молекул воды достаточную энергию, чтобы оторвать ее от толпы других молекул воды, расположенных под ней. Испарившаяся молекула воды вылетает из листа в воздух. Но теперь нанокувшин утратил свою форму – он находится слишком глубоко. Поверхностное натяжение втягивает его внутрь, подтягивая молекулы воды ближе друг к другу, чтобы уменьшить площадь поверхности. Есть множество новых молекул, которые могли бы заполнить образовавшийся зазор, но все они находятся намного дальше в канале. Поэтому вода в нем вытягивается вперед, чтобы заместить потерянную молекулу. А затем воде, находящейся еще дальше в канале, приходится продвинуться вперед, чтобы заменить воду, заместившую потерянную молекулу, и так далее, сверху донизу. Поскольку канал крошечный, поверхностное натяжение способно оказывать огромное вытягивающее усилие на всю воду под ним, достаточное (если учитывать вклад миллиона других листьев), чтобы вытягивать весь столб воды вверх по дереву. Потрясающе! Гравитация тянет всю воду в дереве вниз, но сочетание множества крошечных сил выигрывает сражение [37]. И это не просто битва против гравитации: силам, тянущим воду вверх, приходится также преодолевать силу трения со стороны стенок трубки, когда вода продвигается по чрезвычайно узким каналам.