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

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.

Помимо взрослых деревьев в лесу много молодой поросли – возрастом не более года. Их водяные столбы только начинают формироваться. По мере роста молодого деревца его водопроводная система удлиняется, но никогда не ломается, поэтому верхушка водяного столба всегда увлажняет внутреннюю часть устьица. Когда деревце продолжает расти, вода просто подтягивается к воздуху. Дерево не сможет снова заполнить водопроводную систему, если она опустеет, поэтому ему все время приходится поддерживать ее бесперебойную работу. Каким бы высоким ни было дерево, этот водяной столб не должен сбоить. Самые высокие экземпляры калифорнийского мамонтового дерева растут у океанского побережья именно потому, что прибрежные туманы помогают сохранять влагу на их листьях [38]. Меньшему количеству воды приходится подниматься от корней до вершины, поэтому такая система в целом может действовать медленнее, а деревья могут быть выше.