Всё о науке за 60 минут - Марти Джопсон

Цвета осени

Одна из самых больших радостей осени – это прогулка по разноцветному лесу, когда вокруг переливаются желтые, оранжевые и красные оттенки, а под ногами шуршит опавшая листва. Любопытно, что это знакомо каждому из нас, однако нам до сих пор не до конца ясно, почему так происходит.

Первым делом стоит отметить, что листья опадают вовсе не потому, что умирают. Скорее, это само дерево инициирует активный процесс умного избавления от затратного ресурса, что в целом выглядит как старение. Дерево, например дуб, рискует сильно пострадать или даже погибнуть в суровую зиму, если сохранит свою крону из листьев. С приближением зимы продолжительность дня сокращается, температура падает, и растения, в том числе деревья, могут улавливать эти изменения. Они сигнализируют ветвям, что пришло время сбрасывать листья. Но сначала деревья тщательно высасывают из них все полезные питательные вещества, а затем с хирургической точностью блокируют все пути утечки ресурсов в листья. Это ослабляет стебли последних прямо у основания, так что ветер теперь легко может оторвать листья, и они упадут на землю.

Одним из ключевых веществ, которые деревья извлекают из листьев, является хлорофилл, дающий листьям зеленый цвет. Он содержит ценный магний, так что стоит того, чтобы дерево его спасало. Хлорофилл позволяет растениям улавливать энергию солнечного света, но это не единственный пигмент, который можно обнаружить в листьях деревьев. Они также часто полны желтых и оранжевых пигментов, называемых каротиноидами. Да, именно они делают морковь оранжево-желтой. А также каротиноиды помогают хлорофиллу поглощать солнечный свет, хотя обычно их и скрывает зеленый цвет. Однако, поскольку они не содержат никаких полезных минералов, деревья не утруждают себя «вытаскиванием» каротиноидов из листьев. И когда последние освобождаются от хлорофилла, то постепенно превращаются из зеленых в желтые или оранжевые.

Это объясняет, почему осенью мы видим желтые листья на березах, однако не дает ответа на вопрос, почему листья на клене становятся красными. За красный цвет ответственны пигменты антоцианы, которые не присутствуют в зеленых листьях. Деревья вырабатывают их одновременно с извлечением из листьев хлорофилла. Это кажется странным, ведь на производство красных пигментов тоже тратится определенное количество энергии, а они довольно быстро теряются вместе с листьями. Значит, дерево должно получать какую-то пользу от антоцианов.

Существует три теории, объясняющие выработку красных пигментов. Первая опирается на антиоксидантные свойства антоцианов. По иронии судьбы для растений нет более серьезной проблемы, чем солнечный свет. Зеленым листьям хлорофилл позволяет хорошо улавливать солнечную энергию, но с его уходом энергия фотонов сеет в клетках листьев хаос. Кванты света выбивают электроны из молекул, превращая их в свободные радикалы. Эти химически очень активные молекулы вызывают всевозможные повреждения внутри растительных клеток, и именно их и нейтрализуют антиоксиданты. Красный цвет, который мы видим на листьях, действует как солнцезащитный крем, позволяя им оставаться полезными вплоть до конца срока их службы.

Однако эта теория не объясняет, почему в Северной Америке, к примеру, бушуют огненно-красные расцветки, тогда как в Европе преобладают оранжевые и желтые тона. Исследования осенних садов показали, что деревья, которые становятся красными, меньше страдают от тли, чем те, что пожелтели. Возможно, красные листья неаппетитны для тли потому, что они насыщены неприятными на вкус антоцианами. В рамках этой, второй, теории предполагается, что во время последнего ледникового периода популяции насекомых были захвачены и уничтожены ледяными щитами, которые надвигались с севера и с альпийского юга. И в результате европейские деревья эволюционировали без того количества зимующих насекомых, от которого им в противном случае пришлось бы защищаться антоцианами. В Америке же подобной ледяной катастрофы не было, и поэтому красный цвет остался.

И, наконец, третья существующая в настоящее время теория выглядит особенно зловеще. В одном из своих исследований ботаники обнаружили, что антоцианы, произведенные и затем выброшенные деревом под свою крону, оказывают токсическое действие на близлежащие саженцы. Похоже, великолепные красные оттенки кленов могут означать, что последние активно травят своих конкурентов.

Сегодня мы действительно пока не знаем всех причин появления осеннего многоцветия, которых, вероятно, довольно много. Но у нас определенно нет ни одной причины не наслаждаться этим великолепным зрелищем каждый год.

«Лунатики» и звук грома вдалеке

Моим самым любимым научным героем был врач XVIII века, поэт, натурфилософ и эрудит Эразм Дарвин, который также приходился дедушкой Чарльзу Дарвину. Эразм Дарвин жил в Личфилде, к северу от Бирмингема, в Англии, и его дом там стал центром свободного мышления и научных исследований. Среди мероприятий, в которых Дарвин принимал участие, были заседания так называемого Лунного общества Бирмингема. Этот интеллектуальный клуб получил такое название лишь потому, что его собрания проводились исключительно в ночи полнолуния, когда было светло и экипажи членов общества могли вернуться домой. Если внимательно изучить состав Лунного общества, можно составить полную энциклопедию «Кто есть кто» в научном мире XVIII века. В него входили, скажем, такие светила, как прославившийся изобретением паровоза Джеймс Уатт или первооткрыватель кислорода и изобретатель газированных напитков Джозеф Пристли, а периодически на заседания приходил даже Бенджамин Франклин. Эти великие люди собирались за ужином, чтобы обсудить актуальные темы натурфилософии, выпить портвейна и, что особенно важно, провести эксперименты.

Нам достоверно известно об одном из таких экспериментов. Они попытались его провести, изучая явление, о котором я и сам часто размышляю, когда слышу его. Почему гремит гром? После вспышки молнии, как правило, есть пара секунд, чтобы подготовиться к раскатам грома. В это время стоит сосредоточить свое внимание на точной природе звука. То, что вы обычно слышите, это громкий треск, сопровождающийся грохочущим шумом. Последний может длиться десятки секунд и быть таким же громким, как и начальный треск.

Еще в XVIII веке Эразм Дарвин и остальные «лунатики» решили исследовать природу грохота грома. Они знали, что этот звук вызывается вспышкой молнии, хотя и не совсем понимали, как именно и почему это происходит. Они придумали схему по созданию искусственного взрыва высоко в воздухе. Один из членов группы, промышленник из Бирмингема Мэттью Болтон, сконструировал огромный бумажный шар диаметром 1,5 м. Его заполнили более легкой, чем воздух, и очень взрывоопасной смесью водорода и кислорода. К этой парящей бомбе прикрепили взрыватель, затем зажгли его и запустили воздушный шар в вечернее небо.

К несчастью, фитиль горел гораздо медленнее, чем «лунатики» рассчитывали, так что, пока эти великие умы