Феликс Патури - Растения - гениальные инженеры природы
Движения, обусловливаемые колебаниями влажности атмосферного воздуха, используются семенами и плодами не только для того, чтобы перемещаться. Весьма интересная комбинация гигроскопических движений поиска и прикрепления к опоре наблюдается у плодов виноградолистного ломоноса (Clematis vitalba). Они добились оптимального использования естественных особенностей окружающей среды, привлекая для этого минимум подручных средств. Ломонос принадлежит к числу вьющихся растений, поэтому в период созревания его небольшие плоды, находящиеся на усиках, зачастую оказываются высоко над землей в кроне дерева. Плоды-семянки имеют изогнутый, густо опушённый отросток длиной до 3 сантиметров. Один-единственный технический принцип позволяет этому «приспособлению» наипростейшим образом решать сразу четыре задачи. Специальная съемка показывает, как этот отросток реагирует на изменение влажности воздуха (фото 64, а). Аппарат запечатлел совершенно мокрую семянку ломоноса, высыхающую под лучами солнца. Для того чтобы картина была наглядной, один и тот же плодик был снят на один кадр пленки с небольшими интервалами во времени. Мокрый плодик на фотографии получился крайним справа. Опушение отростка прижато к ости. По мере высыхания тончайшие волоски распрямляются, а сама ость изгибается. Крайнее левое изображение семянки получено, когда она полностью высохла. Таким образом, мы имеем здесь дело о двойным механизмом: один приводит в движение волоски, другой — сам отросток. Этот единственный в своем роде гигроскопический механизм многоцелевого назначения, как я уже говорил выше, выполняет четыре функции.
1. Дождливая погода препятствует распространению опушенных плодиков ломоноса с помощью ветра. Поскольку при дожде волоски прижимаются к ости, ветер не может подхватить плоды-семянки и унести их подальше от материнского дерева.
2. В сухую солнечную погоду, которая обычно приносит с собой и благоприятный ветер, волоски распрямляются и вся семянка, в целом имеющая очень небольшой вес, превращается в превосходный летательный аппарат. В такие дни ее легко может сорвать и увлечь с собой ветер.
3. Опустившись где-то на землю, плод начинает в согласии с колебаниями влажности воздуха попеременно то сгибаться, то разгибаться. Поскольку перистый отросток легко цепляется за траву или неровности почвы, весь плодик совершает движения вправо и влево (фото 64, б). Таким путем он «ищет» расщелинку в почве, в которую можно без труда проникнуть и в которой будет достаточно влаги для прорастания.
4. Но вот обнаружено подходящее для закрепления место. Ко всему прочему и отросток за что-то основательно зацепился. Посредством гигроскопических колебаний весь небольшой аппарат приводится в движение, и семянка начинает вращаться на месте. Острая головная часть, усаженная щетинками-зацепками (фото 65), подобно сверлу, ввинчивается в почву, в которой плодик и укореняется.
Фото 64а. Опушённый отросток плода ломоноса (Clematis vitalba) активно реагирует на колебания влажности воздуха. Если плод влажен, волоски плотно прижимаются к ости. Как только он высыхает, волоски распрямляются, а сам отросток сильно изгибается.
Фото 64б. Гигроскопический механизм дает возможность плоду ломоноса осуществлять самые настоящие поисковые движения. Таким путем оно находит в почве расщелинку, вполне подходящую для его прорастания.
Фото 65. Передняя часть плода-семянки ломоноса заострена и усажена щетинками-зацепками. Благодаря движениям опушённого отростка семянка легко проникает в найденную расщелинку и там укореняется.
Гидростатическое давление как в морских глубинах
Итак, причиной гигроскопического движения, в частности тех его видов, которые рассмотрены нами в предыдущем разделе, являются колебания влажности атмосферного воздуха. В технике в различного рода гидравлических установках необходимое давление создается почти всегда с помощью компрессоров или насосов. Это могут быть либо целые агрегаты, монтируемые на мощных гидравлических прессах, молотах, землеройных машинах, либо бытовые ручные насосы, например самый обычный автомобильный гидравлический домкрат. Рабочее давление, при котором работают все эти механизмы, составляет 70—200 атмосфер, что равнозначно давлению морской воды на глубине 700—2000 метров.
Столь высокие значения давления объясняются тем, что гидравлические установки, имея небольшие габаритные размеры, должны создавать в то же время громадные усилия. Существуют механизмы, развивающие усилие в 100 тонн; с их помощью поднимают не только автомобили, но даже крупные суда. Гидравликой оснащаются также системы управления различных машин. Гидравлика помогает нам управлять автомобилями, элеронами самолетов на взлете и при посадке, двигателями больших мощностей и т. д. Давление жидкости в подобных гидравлических системах может превышать 200 атмосфер.
У растительного организма решение задач, связанных с выполнением различного рода движений, в том число и управляющих, не требует приложения столь больших усилий. Тем не менее и они решаются при помощи законов гидравлики, но при значительно более низких давлениях. Однако и здесь можно встретиться с величинами, которые вполне сопоставимы с техническими характеристиками промышленных механизмов. Например, давление внутри живой клетки сахарной свеклы превосходит 50 атмосфер. У некоторых пустынных растений измерено давление клеточного сока порядка 200 и более атмосфер.
Итак, автономные движения растительного организма управляются с помощью гидравлики. А не является ля это автономное колебание предпосылкой для получения необходимого давления подобно тому, как это происходит в насосе? В технике конструкторы создают высокое давление за счет сжатия: какая-либо подвижная деталь, например поршень, давит на жидкость. Для растения использование такой технологии означало бы прямое расточительство, ибо потребовало бы больших затрат энергии и создания специальных и к тому же сложно устроенных приспособлений. Поэтому они применяют с конструктивной точки зрения намного более простой, а с точки зрения расходования энергии более эффективный метод. Речь идет в данном случае об осмосе. [21] Такой способ создания гидравлического давления связан с естественной способностью солей притягивать воду, растворяться в ней и уменьшать насыщенность раствора. Положим столовую ложку соли в кастрюлю с водой (соль можно заменить питьевой содой, сахарным песком и т. д.). Соль постепенно растворяется в воде, и вскоре вместо твердых кристалликов образуется концентрированный солевой раствор, который за счет воды, находящейся в кастрюле, все более и более разбавляется до тех пор, пока жидкость в посуде не будет иметь одинаковую концентрацию. Опыт с солью можно провести иначе. Для этого соль насыпают в мешочек из фильтровальной ткани, который и помещают затем в воду. В зависимости от вида фильтра возможны три варианта.
1. Фильтр настолько плотен, что внутрь мешочка молекулы воды попасть не могут. Разумеется, в этом случае ничего не произойдет.
2. Поры фильтра достаточно крупны. В этом случае вода проникает внутрь и растворяет соль. Если же поры очень крупные и частицы растворенной соли могут выходить наружу, то эффект будет тот же, как если бы фильтра вовсе и не было. Спустя некоторое время насыщенность солевого раствора становится одинаковой во всем объеме кастрюли.
3. Можно подобрать фильтр, который бы пропускал внутрь молекулы воды и не выпускал наружу более крупные ионы соли. Такой фильтр химики и физики называют полупроницаемым. Концентрированный солевой раствор [22], образующийся внутри полупроницаемого фильтровального мешочка, обладает способностью притягивать воду. Итак, все большее количество молекул воды проникает внутрь фильтра. В обратном же направления раствор не проходит. Постепенно наполняясь, мешочек я буквальном смысле слова раздувается. В нем создается избыточное гидростатическое давление, которое тем выше, чем концентрированнее раствор.
Подобный фильтр-мешочек, наполненный солевым раствором и окруженный со всех сторон полупроницаемой мембраной, имеется в каждой растительной клетке. Как только клетка попадает в воду, она, а вернее, содержащиеся в ней растворы [23], начинают энергично всасывать воду. Через полупроницаемую мембрану молекулы воды поступают в клетку. Возьмем для очередного опыта высохший и размягчившийся корнеплод сахарной свеклы и положим его в воду. Через некоторое время благодаря осмосу он вновь обретет упругость. Можно наблюдать и обратную картину. Для этого нужно опустить сочное, мясистое растение не в воду, а в концентрированный солевой раствор, концентрация которого выше концентрации клеточного сока. Сок начнет диффундировать через полупроницаемую оболочку, насыщенность внешнего раствора несколько уменьшится. Что произойдет в итоге, можно наглядно видеть на примере засолки огурцов. Крепкий очищенный огурец быстро теряет в солевом растворе свою упругость и становится мягким.
