Губки, вакуумные насосы и электростатика

В среднем растение на 80 процентов состоит из воды. У типичных ксерофитов^* содержание влаги ниже, у растений, запасающих воду впрок, оно нередко достигает 95% общего веса. Как это вообще свойственно живой природе, вода играет большую роль в жизни растений. Она регулирует прочностные свойства их тканей; является растворителем для питательных солей, которые затем разносятся по всему растению; оказывает прямое воздействие на электрические процессы, протекающие в растении. При обязательном участии воды в живом организме осуществляются все химические реакции, и, наконец, без нее невозможен синтез твердых неводных растительных веществ. Поэтому для растения регулярное снабжение его водой составляет одну из жизненно важных проблем вообще. Водным растениям в этом отношении намного легче: они могут вбирать всю столь необходимую для их существования влагу всей своей поверхностью. Наземные растения, как правило, усваивают воду из влажной почвы с помощью сосущих корней. Корневая система растений устроена в высшей степени рационально и даже у одного и того же растения обладает очень высокой приспособляемостью. Например, если растение пересадить в водный питательный раствор, в котором полностью отсутствует почва, то структура его корневой системы изменится исключительно быстро. Образуется широко разветвленная сеть дополнительных корневых волосков, которая дает возможность корням выполнять их основную функцию - активно всасывать воду и направлять ее под давлением в проводящую систему растения.

^* (Ксерофиты - растения засушливых областей (пустынь) или безводных почв. - Прим. перев.)

Возможности подобной системы лучше всего проявляются в экстремальных ситуациях, на переходе от еще возможного к уже невозможному. Необходимость - мать изобретений. Поэтому нас не должно удивлять, что там, где растения испытывают острую потребность в воде, мы обнаруживаем наиболее интересную и самую совершенную технологию ее получения.

Крайнюю нехватку воды растения ощущают прежде всего в тех местообитаниях, где они непосредственно не соприкасаются ни с водой, ни с почвой. В подобных условиях произрастают эпифиты, в частности большинство видов тропических орхидей. Они живут в кронах высоких деревьев девственных лесов, но не пользуются ни их влагой, ни их питательными веществами, а лишь прикрепляются к ним. У этих растений нет и корней, которые бы спускались до самой почвы, а стволы и листья деревьев-опор бывают нередко настолько гладкими, что дождевая вода беспрепятственно тотчас же стекает по ним на землю. Проточной водой орхидеи не имеют возможности постоянно пользоваться, или же ее нет в достаточном количестве. Но существенно то, что воздух в дождевых тропических лесах очень влажен. Частые ливни и интенсивная в условиях высоких температур транспирация листьев способствует созданию тепличной атмосферы, когда необходимая для жизни вода буквально висит в воздухе. Орхидеи добывают ее сравнительно традиционным способом. Для этой цели они обзавелись корнями, правда воздушными, которые свободно висят в пространстве, сильно ветвясь и плотно сплетаясь между собой. Но для того чтобы корни не высыхали и могли бы безотказно поглощать воду, им недостает совсем немного: влажной почвы. Растения поступают здесь просто и эффективно: они сами для себя создают искусственную "почву". Воздушные корни орхидей покоятся в веламене, представляющем собой относительно толстый слой рыхлой ткани. Эта ткань состоит из отмерших клеток и очень похожа на пористую губку. В сухую погоду "губка" сжимается и становится совершенно белой из-за большого числа пустот, наполненных воздухом. Но уже при самой незначительной влажности воздуха она, словно промокательная бумага, начинает жадно впитывать атмосферную влагу. Если чересчур влажно и все поры заполнены водой, ткань приобретает сероватый оттенок. Корни могут свободно забирать воду из веламена и направлять ее в систему водоснабжения растения.

Некоторые представители ластовневых, также обитающих высоко в кронах деревьев-хозяев, выработали технологию сбора воды, которая с функциональной точки зрения похожа на технику, применяемую орхидеями. Однако конструктивно их механизм отличен. Как и орхидеи, эти растения "защищают" свои корни от высыхания и в то же время "заботятся" о том, чтобы в непосредственной близости от корней постоянно находился воздух, насыщенный парами воды. Особой губчатой ткани у ластовневых нет. Вместо того они своими листьями, создающими густую тень, заслоняют от солнечных лучей плотно прилегающие к стволу дерева-опоры корни. Чем теснее прижимаются листья к коре, тем более влажным становится находящийся между ними и стволом дерева воздух. Исключительно ярко выражено это защитное приспособление у весьма распространенного на Яве Conchophyllum imbricatum. Его утолщенные хрящевидные листья имеют форму створки раковины и своими краями вплотную проникают к коре дерева, по ней же стелется корень растения. Под каждым листом образуется наполняемая влажным воздухом полость, в которую, ветвясь, врастает корень, выпущенный стеблем. Остается лишь восхищаться тем, как рационально взаимоувязаны между собой местоположения листа и корня.

Фото 55. Урнообразные листья яванской дисхидии (Dischidia rafflesiana) по внешнему виду напоминают сплющенные по продольной оси клубни. Они желтовато-зеленоватого цвета и внутри полые

Истинную изобретательность в использовании принципа корневой полости проявил еще один вид лиан, относящийся к тому же семейству. Речь идет об обитающей там же на Яве дисхидии (Dischidia rafflesiana). Ее стебель выпускает листья двух видов: обычные листья зеленого цвета и пустотелые, мешковидной формы и линялой желтовато-зеленой окраски образования, напоминающие по внешнему виду сплющенные по продольной оси клубни (фото 55). Там, где эти урнообразные листья отходят от стебля растения, имеется отверстие, края которого заметно подогнуты внутрь. Изнутри "урны" выстланы толстым слоем растительного воска черно-фиолетового цвета. Через располагающиеся в восковом налете микроскопические устьица растение транспирирует. В тех местах, где формируются урнообразные листья, стебель пускает корни, проникающие сквозь узкое отверстие в полость урны. В полной темноте корни плотно прилегают к ее стенкам и усиленно ветвятся (фото 56).

Фото 56. На поперечном разрезе урнообразного листа дисхидии видны проникшие внутрь 'мешочка' сильно разветвленные корни. Перенасыщенные пары воды конденсируются внутри листа, а вода-конденсат поглощается корнями. Более экономную систему водоснабжения трудно придумать

Обобщим наши наблюдения.

Во-первых, конструкция в целом со многих точек зрения представляет собой великолепное техническое решение проблемы накопления, хранения и использования воды. В результате перепада температур, обусловленного сменой дня и ночи, чередования яркого освещения и затенения на внутренних стенках листа-урны легко конденсируются пары воды, которую без труда поглощают проникающие сюда снаружи корни растения. Заметим, кстати, что водой-конденсатом, полученной за счет разницы температур, пользуются жители некоторых островов вулканического происхождения (например, Канарских). Крестьяне покрывают свои поля 20-сантиметровым слоем грубозернистого пемзового песка или вулканического пепла. При понижении температуры в ночное время в порах этих материалов скапливается конденсационная влага, усваиваемая затем сельскохозяйственными растениями. Без такого пористого покрытия было бы немыслимо ведение сельского хозяйства в районах, где осадки выпадают не чаще одного раза в три года.

Во-вторых, даже в засушливые периоды относительная влажность воздуха внутри урнообразного листа остается все еще настолько высокой, что корни растения не высыхают.

В-третьих, объем испаряемой этими листьями воды сводится до минимума, поскольку внутри них постоянно имеется влажный воздух и царит полный "штиль" - два обстоятельства, которые резко ограничивают интенсивность транспирации.

И наконец, в-четвертых, взамен израсходованной влаги может быть незамедлительно сконденсирована новая, которая опять же будет поглощена корневой системой. В целом это весьма напоминает механизм снабжения водой крупного промышленного центра, когда происходит многократное использование потребленной и регенерированной воды.

Но там, где человек осуществляет водоподготовку с помощью химии, дисхидия применяет дистилляцию, метод, не вызывающий практически никаких возражений с точки зрения физиологии. Более эффективного способа получения воды для ее повторной утилизации трудно придумать. Если воспользоваться терминологией из области охраны окружающей среды, то можно сказать, что в урнообразных листьях тропической лианы происходит настоящая рециркуляция водного ресурса (иными словами, повторное включение воды в существующий круговорот ее потребления).

Мы, люди, должны научиться тому, что в состоянии делать дисхидия, и как можно скорее, поскольку уровень загрязнения водной среды на нашей планете все возрастает.

В комплексе неотложных мер по предотвращению возможной катастрофы одна из наиболее важных - это организация производства по принципу рециркуляции природных ресурсов. Запасы питьевой воды у человечества столь же ограничены, как и у дисхидии с ее урнообразными листьями. Поэтому мы должны обходиться с водой столь же бережно и рационально. Приступать к регенерации воды нам следует не тогда, когда мы вновь ощутим потребность в ней, а уже в тот момент, когда мы производим промышленные и бытовые стоки. Заметим попутно, что растение никогда не выделяет загрязненной воды, в процессе испарения оно расстается с уже очищенной влагой. Итак, только практика возврата воды в круговорот ее потребления (рециркуляция) позволит обеспечить нас достаточным ее количеством.

В тех случаях, когда урнообразные листья дисхидии висят среди ветвей строго вертикально, отверстием вверх, они дополнительно играют роль цистерн и резервуаров для сбора воды и питательных веществ. В них скапливается дождевая вода, а также продукты разложения попавших внутрь и погибших там насекомых.

Если же учесть, что эти растения предпочитают более сухие и более открытые солнечному свету места обитания в отличие от эпифитных орхидей с их тканью, способной впитывать влагу воздуха, словно губка, то не трудно понять, почему дисхидии стремятся крайне экономно расходовать воду.

В климатически сходных условиях растут многие американские виды семейства бромелиевых. Они также предпочитают селиться в кронах высоких деревьев, где они полностью открыты горячим лучам тропического солнца и одновременно воздействию жарких ветров. Ввиду скудости дождевых осадков в этой местности бромелиевые вынуждены покрывать все свои потребности в воде за счет атмосферной влаги, содержащейся в воздухе, в первую очередь влаги, приносимой столь частыми здесь ночными туманами. Именно по этой причине они выработали совершенно иную, чем у орхидей и ластовневых, технологию получения воды. Одни из них вовсе отказались от корней, другие используют их лишь в качестве прикрепительных органов, которые нередко выдерживают на себе значительный по весу груз (фото 89).

Большинство же избрало самый прямой путь получения воды: непосредственно из воздуха в листья. Для этого, разумеется, необходимы специальные приспособления. И они есть. Это - микроскопические чешуйки, постоянно поглощающие воду из воздуха.

Фото 57. Эхмея (Aechmea chantinii) - одно из комнатных растении, принадлежащее к семейству бромелиевых. Узкие длинные листья растения украшены белыми поперечными полосками

На фото 57 изображена эхмея (Aechmea chantinii), одно из комнатных растений семейства бромелиевых. Ее узкие, длинные и сочные листья украшены белыми поперечными полосками. Если рассматривать эти полоски в лупу, можно заметить, что они образованы множеством мельчайших круглых пластиночек, диаметр каждой из которых едва достигает одной четверти миллиметра (фото 58). И лишь под микроскопом становится видно, что пластинки на самом деле имеют форму крошечных воронок, серединой своей уходящих в глубь листа (фото 59). Их края свободно лежат на поверхности листа, не прирастая к нему, но при этом они многократно перекрывают друг друга. В свою очередь каждая из воронок состоит из отдельных клеток. Наиболее крупные из них, располагающиеся ближе к центру воронки, хорошо различимы на фотографии.

Фото 58. Если рассматривать белую полоску под лупой, то можно увидеть, что она образована множеством круглых белых пластинок (ширина изображения оригинала 11 миллиметров)

Диаметр этих микросозданий природы составляет одну сотую миллиметра, и их с полным правом можно считать самыми маленькими в мире вакуумными насосами. Это пустотелые, сжимающиеся в сухую погоду клетки. При увлажнении их стенки быстро набухают и распрямляются; вся клетка вытягивается, и внутри нее образуется разрежение, проявляющее по отношению к внешней среде всасывающий эффект. Клетка жадно впитывает влагу из воздуха. Разница в концентрации клеточного сока в клетках воронки заставляет поглощенную воду передвигаться внутрь листа. Очень часто воронки располагаются на поверхности листа чрезвычайно плотно, и тогда растение способно вобрать в себя огромное количество влаги, приносимой туманом или росой. Сухая воронка может всосать целиком каплю воды.

Фото 59. Лишь микроскоп позволяет выяснить истинную структуру белых полосок. Они состоят из многих сотен крошечных воронок, величина которых не превышает одной четверти миллиметра. В свою очередь каждая из воронок состоит из мельчайших клеток, представляющих собой самые миниатюрные вакуумные насосы в мире

Некоторые виды бромелиевых (например, тилландсия Tillandsia usneoides), свисающие, словно бороды великанов, с ветвей дерева-опоры, в сухом состоянии настолько легки, что можно предположить, что они не тонут в воде. На самом же деле стоит им оказаться на поверхности водоема, как их воронки начинают весьма быстро вбирать воду. Вес растения возрастает, и оно идет ко дну. В засушливых районах тропиков тилландсии, используя только воздух и воду, производят огромное количество растительного вещества, которое местные жители применяют в качестве упаковочного материала.

Совершенно иную систему утилизации атмосферной влаги выработали некоторые растения пустынь и полупустынь. Чтобы сделать описание этой системы более наглядным и понятным для читателя, я вначале вкратце расскажу о технологии лакокрасочного покрытия, которая активно используется в последние годы в промышленности. Речь идет о методе нанесения краски распылением в постоянном электростатическом поле высокого напряжения. Этот метод позволяет, применяя специально сконструированный для подобных целей пистолет-распылитель, покрывать краской или лаком изделия либо его детали буквально из-за угла. При этом полет мельчайших частичек краски происходит не по произвольной траектории, а таким образом, что все они подлетают к предмету, который необходимо покрасить, с нужной стороны: спереди, с боков и даже сзади. Это хорошо видно на фото 60. В рекламных текстах столь соблазнительные для пользования достоинства электростатического метода покрытия расхваливаются весьма назойливым образом, но, тем не менее, без излишнего преувеличения. В них, в частности, говорится о том, что частички краски летят вдоль "силовых линий электрического поля". А это в свою очередь означает, что они, подобно маленьким магнитам, притягиваемым крупной металлической деталью, испытывают притяжение со стороны окрашиваемой поверхности. Поэтому они не пролетают мимо нее по прямой линии, как это происходит при наиболее распространенном способе нанесения краски распылением ее сжатым воздухом, а приобретают в пистолете-распылителе сильный электромагнитный заряд, который и направляет их к окрашиваемой детали. Попав на нее, частички краски теряют свой заряд.

Фото 60. Мельчайшие частички краски, вылетающие из пистолета-краскораспылителя, летят по траектории, соответствующей силовым линиям магнитного поля. Аналогичным образом некоторые растения пустынь и полупустынь притягивают к себе частички влаги, содержащейся в воздухе. [Заметим, что эта аналогия очень и очень условна. - Ред.]

В сравнении с традиционной технологией метод покрытия в электростатическом поле позволяет сберечь до 60 процентов распыляемого красителя. Его применение приносит народному хозяйству значительную экономическую выгоду. Что касается растений, то им этот метод известен с древнейших времен. Желательную для них ситуацию, несколько изменив суть дела, можно описать таким образом: если бы удалось взвешенные в воздухе мельчайшие частички влаги с помощью электростатических сил доставить растению, иными словами, притянуть их к растению как бы магнитом, то тогда появилась бы возможность во много раз повысить эффективность использования атмосферной влаги. Полезный эффект был бы здесь намного больше тех 60 процентов, о которых шла речь выше. Но эта цифра рассчитана, исходя из допущения, что предварительно вся система была тщательно отрегулирована, то есть оптимально определены диаметр струи распыла и ее направление на окрашиваемую поверхность. Разумеется, на предварительную "наладку" растения рассчитывать не могут. Самое большее, что в их силах, - это случайное соприкосновение с водяными парами. Тем не менее и они научились электростатическим способом "распылять" на себя влагу, содержащуюся в атмосфере, например, влагу туманов. В отличие от пистолетов-распылителей растения не в состоянии придать частицам воды электрический заряд, поскольку последние для них вначале попросту недосягаемы. Но и здесь выход был найден: растения заряжают самих себя! Происходит это следующим образом. На одревесневевших колючках и волосках кактусов и других растений пустынь в ветреную погоду накапливаются электрические заряды. Этот процесс аналогичен тому, с которым мы сталкиваемся, когда расчесываем свои волосы пластмассовым гребешком. Наэлектризованный гребень начинает притягивать волосы, при этом слышится легкое потрескивание, а в полной темноте можно видеть даже небольшие искорки. Точно также заряженные шины кактусов притягивают к себе из воздуха капельки воды. Более того, они способствуют конденсации водяного пара в атмосфере. Насколько мне известно, никто еще не пытался определить то количество влаги, которое растения могут добыть из воздуха, используя подобную "технологию". Но оно, несомненно, должно быть значительным. В тех климатических зонах, в которых по ночам отмечается активное образование туманов (например, прибрежные пустыни Чили), кактусы, на 95 процентов состоящие из воды, в состоянии успешно развиваться, даже если годами с неба не падает ни капли дождя.