Феликс Патури

Растения - гениальные инженеры природы

Введение

Нехватка энергетических и сырьевых ресурсов — это та серьезная проблема, с которой обществу придется столкнуться уже в ближайшем будущем. Жизнь — это, в конечном счете, не только обмен веществ и энергии. Вполне естественно, что мы потребляем энергию, расходуем сырье и материалы, причем тем больше, чем «активнее» мы живем. Но суть вопроса в том, почему именно человек разумный, и только он, за свою столь короткую историю, насчитывающую всего 40 тысяч лет, сумел создать энергетическую и сырьевую проблемы. Жизнь на нашей планете зародилась около 2,5 миллиарда лет назад. Высшие растения существуют уже почти 450 миллионов, а позвоночные животные — около 400 миллионов лет. Почему же эти живые организмы на протяжении своего несравненно более длительного времени существования ни разу не оказались в кризисной ситуации? [1] Ведь и они преобразуют энергию и вещество, причем в гораздо больших масштабах, чем это делал и делает человек. Однако перед ними не возникало дилемм. Почему? Можем и должны ли мы учиться у животных и растений, если хотим выжить? Я думаю: можем и должны. И я постараюсь доказать это на ряде примеров.

Цель этой книги не только показать, что растения более «сознательно», чем человек, относятся к своей окружающей среде и поэтому никогда не попадают в критическое положение.[2] Я постараюсь разъяснить, почему и где человек, выступающий в роли конструктора, допустил и все еще допускает серьезные ошибки. Я покажу также, каким образом можно узнать, в самом ли деле хороша созданная человеком та или иная конструкция, то есть соответствует ли она тому мерилу ценностей, которое я считаю главным: оправдывает ли она себя экологически.

Я введу вас с помощью этой книги в мир флоры, и вы увидите, что окружающая среда ставит перед растениями проблемы, которые удивительно схожи с проблемами взаимоотношения среды и людей. Вам станет ясно, что растения более умелые инженеры, чем мы. Знакомство с их «изобретениями» будет полезно читателям. Но мир флоры представляет интерес не только для ботаников и инженеров. Он в состоянии увлечь и восхитить каждого из нас, общение с ним способствует восстановлению тех контактов с природой, которые мы в последнее время во многом утратили.

После того как в 1859 году Чарлз Дарвин опубликовал свой всемирно известный труд «Происхождение видов путем естественного отбора», в корне изменились существовавшие до того традиционные представления о целесообразности в живой природе. Прежде ученые полагали, что все растения и животные — это в высшей степени рациональные «конструкции», в которых каждая деталь изначально хорошо приспособлена к условиям окружающей среды. Эволюционная теория Дарвина доказала, что о такой незыблемой конструкции не может быть и речи. Согласно его теории естественного отбора, природа без какого-либо плана и разумения создает великое разнообразие видов и форм, но выживают из них только те, которые случайно, но наилучшим образом сумели противостоять условиям внешнего мира. Следовательно, можно говорить не о приспособляемости как таковой, а об отборе хорошо приспособившихся видов.

Со времен Дарвина биологи твердо убеждены в том, что природа работает беспланово и неосмысленно, поскольку она не преследует никакой цели на пути создания той или иной конструкции. Но не оказывается ли в наши дни подобное убеждение неким заблуждением? [3] Почему эволюция в том виде, в каком ее открыл и описал Чарлз Дарвин, должна протекать вслепую и бесплановой? Разве авиаконструкторы не работают по тому же принципу эволюционного развития, когда с целью найти наиболее приемлемую форму самолета они испытывают в аэродинамической трубе большое число моделей, конструкция которых определена опытно-статистическим путем? Разве нельзя назвать процессом «естественного отбора» те десятки тысяч вычислительных операций, которые физик-ядерщик производит на быстродействующих ЭВМ только для того, чтобы выяснить, какие конструкционные материалы, или какая их комбинация, или, наконец, какая их внутренняя структура наиболее пригодна для строительства атомного реактора? Иными словами, и инженеры не стремятся к созданию раз навсегда застывших конструкций, то есть не следуют по пути конструктивной приспособляемости, а придерживаются принципа отбора. Но никто при этом не приходит к мысли, что работает неосмысленно и беспланово. Целесообразность конечного результата здесь вполне очевидна, однако путь, ведущий к нему, есть не что иное, как развитие, а не однозначное конструирование.

Примечательно, что биологи и инженеры со словом «эволюция» связывают два разных понятия. Для первых эволюция — это отсутствие планового начала и одновременно наличие возможностей выжить; для других — это правомерное, можно сказать даже, наилучшее средство для достижения цели, поскольку конструкции должны еще пройти проверку практикой, в то время как продукт эволюции доказывает свою жизнеспособность уже в процессе возникновения. Та или иная инженерная конструкция может оказаться ложной. Эволюция же ошибок не допускает. [4]

Следует упомянуть еще об одном важном различии между эволюцией в природе и конструкторской деятельностью человека. Эволюция происходит в полном соответствии с условиями окружающей среды. Она не может идти быстрее, чем изменяются эти условия. Ее продукты всегда приспособлены к объективной реальности. Они не опережают развитие внешнего мира и не заставляют его приспосабливаться к ним. Иные временные масштабы характерны для технического конструирования. Ход этого процесса может быть ускорен практически произвольно. В этом корень зла. Роковые ошибки становятся очевидными тогда, когда технический прогресс намного обгоняет развитие окружающей среды и не оставляет ей времени для адаптации. Так, естественное самоочищение рек происходит намного медленнее, чем их загрязнение промышленными сточными водами. В этом смысле не конструкция, не машина оказывается элементом среды, окружающей человека, а, наоборот, сам человек подчиняется искусственной среде, создаваемой машиной. Теперь человек должен приспосабливаться к машине, возможности усовершенствования которой опережают возможности совершенствования человека. При таком положении вещей прогресс машинной техники может оказаться для человека смертоносным. [5]

Человек был и остается живым организмом, Его конструкцию не изменишь в один миг. И это хорошо, поскольку этим исключается опасность создания дефектной конструкции. В то же время при разработке исключительно смелых технических проектов человек вынужден следить за тем, чтобы «не опередить самого себя». В противном случае он может вступить в конфликт с результатами своего труда.

Итак, эволюция в природе приводит к появлению приспособившихся форм. Этого не происходит при техническом конструировании. Поэтому в будущем нашим инженерам надо больше заниматься «эволюционированием» технических идей, нежели простым конструированием. Им следует всегда помнить о достижении обязательной совместимости творений их рук и природной среды. Это, однако, не означает, что специфический путь технического прогресса — конструирование — необходимо предать полному и окончательному забвению. Но когда мы будем создавать те или иные конструкции, нам следует учитывать два ограничения, присущие эволюционному пути развития: конструирование должно осуществляться при наличии обратных связей с окружающей средой, и оно не должно опережать темпов взаимоприспособляемости природы и человека.

Использовать солнечный свет

Жизнь из воздуха, воды и света

Солнечный свет — наиболее мощный и наименее освоенный человеком источник энергии. За исключением энергии ядра практически вся энергия, прямо или косвенно использовавшаяся когда-либо человеком, представляет собой энергию световых лучей. Гидравлические электростанции преобразуют энергию рек в электрическую. Однако возможность работы ГЭС обусловлена круговоротом воды в природе: нагревание атмосферы солнечными лучами вызывает испарение воды, которая затем выпадает в виде осадков. Тепловые электростанции вырабатывают энергию, используя каменный уголь, нефть, природный газ, то есть органические вещества, которые были созданы зелеными растениями с помощью солнечной энергии миллионы лет назад. Органическое происхождение имеют также бензин, керосин, мазут и прочие виды минерального топлива, получаемые из нефти и каменного угля. Продукты питания, обеспечивающие человеческий организм необходимой энергией (зачастую в больших, чем это требуется, количествах), в конечном счете поставляются растениями, поскольку животные, мясо которых мы едим, питаются либо зелеными растениями, либо травоядными животными. Что касается самих растений, то они вырабатывают органические вещества, непосредственно улавливая и связывая лучистую энергию. Без этого первичного использования света жизнь на Земле была бы невозможна.

Но если растения издавна «умеют» утилизовать энергию солнечного луча без каких-либо промежуточных, посредствующих звеньев, то человек смог это сделать с помощью техники лишь в последние десятилетия, правда, пока в очень незначительных масштабах, которые с точки зрения существующих объемов производства энергии можно вообще не принимать во внимание. Сегодня только одним зеленым растениям природой дано искусство создавать органические вещества из воды и воздуха, используя энергию света. В процессе ассимиляции, или фотосинтеза, в листьях и стеблях растений, при участии хлорофилла, из углекислого газа и воды образуются виноградный сахар (глюкоза), а затем крахмал и другие более сложные органические соединения. Заключенная в этих веществах анергия обязана своим происхождением солнечному свету. Эти факторы широко известны. Но то, что сегодня знает каждый школьник, оказывается пока недоступным для повторения в лабораториях без участия зеленого растения. Если частично прикрыть ассимилирующий лист небольшим кружочком из непрозрачного материала, то можно убедиться в том, что только в освещенной части листа из воды и воздуха будут синтезироваться глюкоза, а затем крахмал. Если в конце дня обработать этот лист раствором йодистого калия, то участки листа, содержащие крахмал, потемнеют и перед вами, словно на фотоотпечатке, сделаном с негатива, окажется точное изображение прикрытой части листа. На фото 1 показан лист тополя, с которым был проделан такой опыт. На снимке отчетливо видны темная зона (здесь на лист падал солнечный свет и образовался крахмал) и круглое светлое пятно (эта часть листа была прикрыта).

Фото 1. Часть листа тополя на протяжении целого дня была укрыта от солнечных лучей (светлое пятно). Проведенный вечером тест с применением йода показал, что лист в темноте не способен к фотосинтезу.

Процесс фотосинтеза стал для нас явлением настолько само собой разумеющимся, что мы уже более не удивляемся всему совершенству подобного способа использования энергии. Я приведу несколько цифр, которые позволят наглядно показать читателю, что в действительности скрывается за понятием «фотосинтез».

Начнем с малого. Один квадратный сантиметр листа сахарной свеклы в течение дня образует из воздуха и воды с помощью солнечного света всего одну тысячную долю грамма глюкозы. Картофель и ячмень продуцируют еще меньше. Однако общее количество углеводов, выработанных всеми листьями растения, уже нельзя недооценивать. Сколько органического вещества может синтезировать Растение из воздуха и воды в течение года, довольно убедительно показывает урожай зерновых, снимаемый с полей. С точки зрения энергетического баланса подобное производство в высшей степени рационально и экономично. Для синтеза 1 килограмма глюкозы растению достаточно затратить около 4,4 киловатт-часа энергии. Примерно такое количество энергии потребляет цветной телевизор, если в течение пяти дней он работает по три часа каждый вечер. Один килограмм виноградного сахара связывает 400 граммов чистого углерода, синтезированного из 0,75 кубического метра углекислого газа. Так как содержание углекислого газа в воздухе составляет всего 0,033 процента, то для того, чтобы получить такое количество углерода, растение должно «обработать» 2250 кубических метров воздуха. Одновременно с этим происходит химическое разложение 0,6 литра воды и выделение 0,75 кубического метра чистого кислорода.

Рассмотрим теперь фотосинтез в глобальном масштабе. Ежегодно наземные растения связывают 17,2 миллиарда тонн углерода, растения морей — 25 миллиардов тонн этого элемента, содержащегося в углекислом газе атмосферы и Мирового океана. В сумме эти 42,2 миллиарда тонн углерода расходуются на образование 105,5 миллиарда тонн виноградного сахара. Для перевозки такого количества сахара потребовался бы железнодорожный состав длиной более чем в 50 миллионов километров, что в 40 раз превышает общую длину всех железнодорожных линий Земли, равно одной трети расстояния от Земли до Солнца и в 130 раз больше расстояния от Земли до Луны. А содержание состава — всего-навсего годовое производство виноградного сахара всей растительностью Земли.

В процессе фотосинтеза растения за год усваивают 467 триллионов киловатт-часов солнечной энергии. Это почти в 170 раз превышает мировую выработку энергии за год (по данным за 1963 год). Из этого количества растения потребляют 189 500 миллиардов киловатт-часов, возвращают в атмосферу 17,1 миллиарда тонн углерода, а оставшиеся 25,1 миллиарда тонн углерода трансформируют в твердое вещество. Помимо того, растительный мир связывает за год 37,8 миллиарда кубических метров воды, а и самих растениях ежегодно накапливается 277 500 миллиардов киловатт-часов энергии. В процессе синтеза, происходящего в столь гигантских масштабах, растения ежегодно перерабатывают 79 триллионов кубических метров углекислого газа, 32 триллиона возвращаются вновь в атмосферу, а 47 триллионов остаются в связанном состоянии. Кроме того, растения выделяют в атмосферу 47 триллионов кубических метров чистого кислорода.

Эти цифры настолько велики, что их уже трудно воспринимать. Однако можно с уверенностью сказать, что в ближайшее время в атмосфере не будет недостатка углекислого газа, а поэтому голодная смерть не угрожает всему живому на Земле. Эта уверенность гарантируется тем, что люди, животные и микроорганизмы, вместе с пищей получающие углерод, при дыхании выделяют в атмосферу углекислый газ. Одни только люди выдыхают за год 140 миллионов тонн углерода. Почвенные микроорганизмы дают несколько больше 24 миллиардов тонн. Огромную роль в этом процессе играют микроскопические, преимущественно простейшие организмы — бактерии. Без подобного «возврата» углерода в атмосферу наземная растительность погибла бы уже через 62 года, а запасов шатания для морских растений хватило бы на 2400 лет. Благодаря жизнедеятельности всех живых существ на Земле кругооборот углерода в природе оказывается сбалансированным. В течение многих миллионов лет создавались некоторые излишки связанного углерода в форме залежей торфа, каменного угля, нефти, природного газа. Но с конца прошлого века человек активно разрабатывает и сжигает эти природные запасы ископаемого топлива. Подсчитано, что в период с 1890 по 1960 год промышленность ежегодно выбрасывала в атмосферу около 1200 миллионов тонн углерода в виде различных продуктов сгорания. За эти 70 лет выбросы составили более 13 процентов веса всей атмосферы планеты. В одном только 1960 году в воздушное пространство Земли было извергнуто 3120 миллионов тонн отходов производства. С тех пор их объем существенно вырос и будет увеличиваться в дальнейшем. По этому поводу некоторые ученые высказывались следующим образом: «Итак, человечество намеревается провести геофизический эксперимент, которого не могло быть в прошлом и который неповторим в будущем. Всего за несколько столетий мы возвратили в атмосферу и океаны углерод, который многие миллионы лет накапливался в осадочных отложениях».

Мы стоим на пороге того, чтобы нарушить равновесие земной атмосферы. Будет ли это иметь решающее значение для развития климата и всего живого на пашей планете? Из-за постоянно растущих потребностей в энергии мы до сих пор вынуждены участвовать в этом в высшей степени сомнительном эксперименте: ведь в отличие от растений человек еще не научился прямо и в больших масштабах использовать энергию света.

Последние достижения в области химии свидетельствуют о том, что для освоения такого источника дешевой энергии, каким является энергия Солнца, вовсе не обязательно разрабатывать столь дорогостоящие проекты, как, например, создание гигантских «солнечных печей» (над этим работают, в частности, американские ученые). Известно, что на свалках скапливаются огромные количества самых разнообразных искусственно созданных человеком материалов, при сжигании которых в специальных установках в качестве побочного продукта горения образуются высокотоксичные газы. В то же время эти материалы могут разлагаться на простейшие элементы практически «бесплатно», быстро и без какого-либо ущерба для окружающей среды непосредственно под воздействием солнечного света, если только в процессе производства в их состав будут добавлены специальные биокатализаторы — биологически активные вещества.

Солнцу навстречу

Потребность в энергии обусловливает необходимость максимального поглощения солнечной радиации. Особую актуальность данная проблема приобретает при решении вопросов, связанных с запуском автоматических межпланетных станций (АМС), искусственных спутников Земли, лунных модулей, космических лабораторий и т. п. Электропитание разнообразной электронной аппаратуры искусственных орбитальных станций осуществляется о помощью так называемых солнечных батарей, которые состоят из большого числа фотоэлементов, непосредственно преобразующих энергию солнечной радиации в электрическую. Значит, космонавтам нет необходимости брать с собой в полет большой запас разного рода «энергетических консервов», в частности, очень тяжелые аккумуляторы, обладающие к тому же небольшим сроком службы.

Если солнечные батареи укрепить жестко на подвижной системе, например на искусственном спутнике Земли, то Солнце будет освещать их периодически: из-за осевого вращения спутника большую часть времени они не смогут производить электроэнергию. Чтобы избежать этого, инженеры по космической технике создали исключительно сложные электронные системы слежения, которые непрерывно фиксируют направление солнечных лучей и посредством прецизионных сервомеханизмов стабилизируют спутник в положении, которое обеспечивает оптимальный режим освещения батарей Солнцем. Цепочка от чисто измерительной аппаратуры (для определения направления инсоляции) через систему расчетно-логической обработки полученных данных до системы очень точного выполнения управляющих операций — путь с технической точки зрения достаточно долгий и сложный; к тому же сама электронно-механическая конструкция, выполняющая все это множество операций, расточительна в своем функционировании и чрезвычайно дорога в изготовлении. Пространственные же возможности для ее размещения исключительно малы, даже если иметь в виду такое достоинство солнечных элементов, как их миниатюрность.

Решение этой проблемы растениями на голову выше технических решений, найденных человеком. В принципе растения также обладают системой следящего управления. Но сколь экономны используемые ими средства, сколь незначительны конструктивные издержки! Прибор для определения направления источника света, механизм обработки полученных данных, сервомеханизм и, наконец, сама управляемая часть растения образуют весьма компактную конструктивную единицу размером, если взять крайний случай — одноклеточную водоросль, около одной тысячной доли миллиметра в поперечнике. Выполняемая всеми этими живыми механизмами работа не ограничивается слежением за источником света: в том же крошечном объеме размещена комплексная «монтажная схема» живого организма, ответственная за выполнение всех его жизненных функций. Впрочем, и у высших растений проблема слежения решена настолько рационально, что исполняющие его механизмы не требуют отдельного места — это лишь одна из многочисленных функций самого растения.

Что же дает подобная система слежения за источником света? В космических полетах прежде всего ориентацию приборов на Солнце; в ботанике — множество видовых особенностей, о которых написаны десятки томов. Здесь будут приведены лишь немногие примеры, иллюстрирующие чисто внешнюю реакцию растений на свет.

Условия освещения играют исключительную роль в жизни растений. Вряд ли стоит описывать, сколь отличаются между собой длинные, тонкие, почти безлистные побеги проросшего в темном подвале картофеля и здоровая, широколистная, темно-зеленая ботва растений, росших в открытом грунте. Это известно каждому. Причины неодинакового развития на свету и в темноте очевидны: растение, развивающееся на свету, потребляет для своего роста солнечную энергию; затененное растение довольствуется запасами энергии, хранящимися в клубне, и стремится с помощью тонких и длинных побегов как можно быстрее и с наименьшими затратами пробиться навстречу Солнцу.

Вот еще один пример управляющего воздействия внешней среды на формирование внешней структуры, правда, воздействия, имеющего обратную направленность. Избыток света, особенно его ультрафиолетовой составляющей в горной местности, может оказаться вредным и привести к солнечным ожогам. В условиях избыточного освещения растения вырабатывают защитные приспособления, которые позволяют им уберечься от чрезмерной инсоляции. Так, альпийское растение эдельвейс — травянистый многолетник — густо опушено белыми волосками. В условиях равнин, где инсоляция слабее, и в частности слабее ультрафиолетовое излучение, образование у растений ворсистого опушения намного меньше. Оно полностью отсутствует у растений затененных местообитаний.

Свет управляет ростом растений: они растут в направлении большей освещенности, их чувствительность к свету столь велика, что побеги некоторых растений, в течение дня содержавшиеся в темноте, реагируют на вспышку света, длящуюся всего две тысячных доли секунды. Реакция наступает спустя 20 минут и достигает апогея примерно через час. Как сильно при этом изогнется стебель в направлении вспышки, зависит от количества попавшего на него света.

Обычно плоскость листа располагается перпендикулярно к падающим на него лучам (исключение составляют растения, растущие под палящими лучами тропического солнца). Если лист затеняет другой, то «обделенный» лист постепенно сдвигается в сторону с таким расчетом, чтобы освещение его было оптимальным. Индивидуальные механизмы регулирования у каждого листа позволяют растению создать из листьев мозаичную картину (листовую мозаику), в которой листья расположены весьма плотно, без каких-либо больших просветов между ними, но при этом не затеняют друг друга. Особенно хорошо видна листовая мозаика на плюще, покрывающем наружные стены зданий. Эффект мозаичности усиливается специфической формой листьев (см. фото 2). Совершенную систему слежения за источником света можно наблюдать у льнянки (Linaria cymbalaria). Ее цветоножка реагирует на световое раздражение таким образом, что цветок всегда оказывается повернутым к свету. После того как околоцветник завянет и на месте цветка образуется плод, «поведение» цветоножки в корне меняется. Растение старается отвернуть плод от луча света и «подыскивает» в стене дома или камне темную расщелину, в которую оно могло бы высеять созревшие семена.

Фото 2. На снимке участок стены, сплошь поросший обыкновенным плющом. Система слежения растения за солнечным светом регулирует рост листвы таким образом, что она образует плотное мозаичное панно. Листья лишь незначительно перекрывают и затеняют друг друга.

«Персональная» оранжерея

Все попытки содержать в открытом грунте в условиях Центральной Европы изнеженные растения флоры тропических лесов кончаются неудачей: довольно быстро «чужеземцы» гибнут. Успешно выращивать такие растения можно лишь в оранжерее, которая позволяет создать более благоприятные, чем на открытом воздухе, температуру, влажность и освещенность. Почвенно-климатические условия тропических лесов с их постоянно высокими температурами и влажностью резко отличаются от природных условий так называемых «умеренных» широт. Например, среднегодовая температура воздуха на Яве равна 25° по Цельсию, средняя температура самого холодного месяца, февраля, достигает 24,5°, а самого теплого, сентября, около 25,5° выше нуля. Для сравнения скажем, что средняя температура января в Мюнхене равна минус 1,5°, а июля — плюс 17,5°. Таким образом, перепад средних температур в экваториальном лесу между самым теплым и самым холодным месяцами года не превышает 1°, в странах же умеренного климата он составляет почти 20°. Аналогичная картина наблюдается и в отношении влажности воздуха, осадков, числа солнечных дней в году. Остается лишь удивляться тому, что мы называем наши средние широты «умеренными».

Таким образом, тропические растения, которые не переносят резких колебаний погодно-климатических условий умеренных широт, могут нормально расти в европейском климате лишь под защитой оранжерей. Но на Земле есть немало мест, где существуют экстремальные условия обитания. Так, в пустынях перепады между дневной и ночной температурами воздуха нередко достигают 50° и более. Относительная влажность воздуха в течение суток изменяется здесь в пределах 70 — 80 процентов. Картину дополняют немилосердно палящие лучи Солнца. Но вот в южноафриканской пустыне Намакваленд обитает небольшое растеньице, сумевшее защитить себя от гибельного климата путем создания «персональной» оранжереи: это фенестрария (Mesembryanthemum rhopalophyllum). Уже само название растения [6] намекает на существование своего рода «тепличной конструкции», и это действительно так. На фото 3 изображен экземпляр растения, выращенного в Европе. Иные, чем на родине, условия освещенности и обогрева несколько изменили внешний облик растения. В естественных же условиях оно почти полностью погружено в почву. На поверхности остается лишь кончик толстого булавовидного листа. Подземное существования превратило этот вид в растение закрытого грунта. Почва, которая окружает фенестрарию практически со всех сторон, предохраняет ее от чрезмерного нагрева, высыхания и прямого воздействия солнечных лучей. Но любое зеленое растение нуждается хотя бы в минимуме света, причем этот минимум должен быть более или менее равномерно распределен по всему растению, а не сосредоточиваться в одном месте. С первого взгляда кажется, что фенестрария избрала именно последний, неблагоприятный вариант: она почти целиком скрыта в земле, лишь кончики листьев поднимаются над поверхностью почвы и оказываются на полном солнечном свету. В действительности же все обстоит иначе, поскольку каждый булавовидный скрытый в земле лист ее — это небольшая «тепличная конструкция». В кончиках листьев фенестрария отсутствует хлорофилл, они прозрачны, как стекло. Лучи света попадают внутрь растения, практически не ослабевая и не нанося ему никаких ожогов. Внутренность листа заполнена прозрачной тканью. Насколько она прозрачна, можно видеть на фото 4. На бумагу с текстом положен продольный срез листа фенестрарии. Сквозь его прозрачную сердцевину можно легко прочитать те буквы, которые находятся под срезом. Солнечные лучи, проходя сквозь водянистую ткань сердцевины листа, достигают изнутри его зеленых, лежащих под землей стенок. Содержащая хлорофилл фотосинтезирующая ткань располагается внутри листа на его непрозрачных стенках. Свет, попадающий в эту ткань из сердцевины листа, равномерно рассеян и ослаблен до оптимальной интенсивности. Кончик листа, «оконце», подобно обычному стеклу, отражает значительную часть ультрафиолетовых лучей. Свет же, попадающий внутрь растения, рассеивается там и довольно равномерно распределяется изнутри по стенкам листа, причем часть световой энергии поглощается прозрачной сердцевиной. Таким образом, фенестрария достаточно умело использует принцип «тепличной конструкции», но, хотя конечный результат один и тот же, все же имеется и существенное различие между оранжереей и растением. Назначение оранжереи — приспособить условия окружающей среды к потребностям растения-чужеземца. Фенестрария же, используя те же средства, приспосабливает свои потребности к окружающим условиям. Иными словами, на одной стороне — конструктивное изменение окружающего мира, на другой — приспособление к нему.

Фото 3. «Оконное растение» фенестрария растет на своей родине, в Южной Африке, почти целиком под землей. Лишь небольшие «окошечки» по краям листа остаются на поверхности почвы. Сквозь них солнечный свет попадает внутрь растения.

Фото 4. Продольный срез мясистого листа фенестрарии положен на лист бумаги поверх напечатанного названия растения. Хорошо видны прозрачные части листа. Яркий солнечный свет проникает; сквозь «окошечко» (на рисунке справа вверху) внутрь растения, где равномерно рассеивается и достигает стенок листа, содержащих хлорофилл, с внутренней стороны.

Проблема отходов

Устранение отходов

Читателю, бесспорно, приходилось читать в газетах сообщения о том, что в каком-то большом городе работники коммунального хозяйства, занимающиеся вывозкой мусора и бытовых отходов, на несколько дней объявили забастовку. В такие дни мусорные баки обычно бывают переполнены, а все, что не попало в них, валяется рядом, захламляя землю. Любое дуновение ветра поднимает в воздух и разносит по сторонам обрывки газет, клочки бумаги и грязные картонки, с грохотом гонит по дороге порожние жестяные банки. Вихрем кружится грязно-сальная пыль. Въедливый, невыносимый смрад гниющих пищевых отходов вызывает тошноту.

Таков частный аспект проблемы отходов. Большую масштабность и остроту она обретает тогда, когда отходы накапливаются в течение не двух-трех дней, а многих месяцев, лет и десятилетий. Трудно представить себе, какое огромное количество вещей имеет самое непосредственное отношение к нашей повседневной жизни, начиная от стержня для шариковой ручки и кончая автомобилем! Какое изобилие самых разнообразных предметов сходит каждую секунду с полностью автоматизированных поточных линий гигантских промышленных предприятий! Все, что сейчас мысленно встает перед вашим взором, — это все потенциальные отходы, отбросы, мусор. Завтра или послезавтра эти вещи придут в негодность или они вам больше не будут нужны, и вы их выбросите за ненадобностью: холодильники и детские коляски, канцелярские бумаги и отработанное масло, обувь и «вышедшие из моды» бронетранспортеры или даже целые здания. Буквально все произведенное нами вчера — сегодня отходы, а то, что мы вырабатываем сегодня, завтра пойдет на свалку. Свалки буквально «пожирают» ландшафт, отравляют грунтовые воды, превращаются в очаги новых эпидемий. Всемирная организация здравоохранения со всей серьезностью обращает внимание на то, что «над человечеством, все более усиливаясь, нависает угроза взрывоподобного распространения чумы», особенно реальная в условиях стремительного в наши дни роста городов. Во многих странах мира, и США не являются здесь исключением, количество крыс превышает численность людского населения. Эликсир жизни этих животных — отбросы. До тех пор пока человек не решит проблему ликвидации отходов, он не покончит с крысами, не устранит вероятность возникновения эпидемии чумы. [7]

Гораздо опаснее тех отбросов, какие свозятся на свалки, другие, вездесущие, но трудноустранимые: пыль, отработанные газы, сточные воды. Это уже не угроза будущему, а бич настоящего. Опасные отходы производства превращают реки, озера, моря в биологически мертвую среду, заражают пахотные угодья и пастбища, отравляют атмосферу. В центральной части Токио уже сегодня установлены специальные колонки, которые дают возможность жителю японской столицы, задыхающемуся в чудовищном смоге, получить за плату глоток свежего воздуха. Неужели подобные колонки станут обыденным явлением в жизни наших детей?

Данные последних лет ошеломляют. Например, в ФРГ ежегодно в атмосферу выбрасывается такое количество пыли и газообразных веществ, которое в расчете на одного жителя страны превышает вес бытовых отходов на душу населения. Чрезмерное загрязнение воздушной среды создают: 8 миллионов тонн высокотоксичной окиси углерода (угарный газ), 4 миллиона тонн не менее опасной для здоровья двуокиси серы, 4 миллиона тонн пыла и копоти, поражающих легкие и гортань, 2 миллиона тонн окислов азота и столько же углеводородов. Объем выброса в атмосферу дыма и копоти растет столь же высокими темпами, как и потребление электроэнергии, поскольку они — продукты сжигания твердого топлива. Почему же мы, люди, изготавливая те или иные вещи, заблаговременно не задумываемся над проблемой уничтожения отходов, проблемой, с которой нам неизбежно придется столкнуться, быть может, уже на следующий день?

Железо легко ржавеет, но предметы длительного пользования не должны покрываться ржавчиной, поэтому мы предпочитаем делать их из алюминия, а не из железа. Это разумно. Повышение долговечности изделия оправдывает более высокие издержки его производства. Но почему повсюду в мире для изготовления консервных банок, на которые прежде шла жесть, все шире начинают применять алюминий? На производство алюминия затрачивается в шесть раз больше энергии, чем на производство черных металлов. Несомненно, что по своему весу консервная банка из алюминия легче жестяной. Но на изготовление последней расходуется вдвое меньше энергии. А как известно, увеличение энергетических затрат в два раза означает не только удвоение темпов потребления энергоресурсов, но и возрастание вдвое объема загрязняющих веществ. Конечный же продукт по своей значимости никоим образом не оправдывает необходимость увеличения массы отходов, с одной стороны, и величины производственных издержек — с другой. Консервная банка сама по себе — предмет крайне эфемерный. На мусорных же свалках алюминиевые консервные банки «живут» едва ли не вечно. И совсем наоборот, ржавчина уничтожила бы нашу добрую старую жестяную банку за весьма непродолжительное время. Почему же, изготавливая те или иные вещи, мы заблаговременно не задумываемся над решением проблемы уничтожения отходов?

Фото 5. Отходы не только обезображивают ландшафт, они еще и опасны. Отработанное масло выброшенных на свалку автомобилей загрязняет и отравляет почвенные воды. Гниющие остатки пищи и нечистоты — благоприятная среда для появления полчищ крыс и источник возникновения эпидемий опасных заболеваний.

По сравнению с людьми растения ежегодно, на протяжении вот уже многих миллионов лет, создают во много раз большее количество отходов. Но их уничтожение происходит незаметно, без применения дорогостоящих вспомогательных технических средств и не загрязняет ни почву, ни воды, ни атмосферу. Отходы ликвидируются бесшумно, неприятные запахи не досаждают людям. В отличие от пластмассовых ведер, старых машин, превратившихся в металлолом, и железобетонных бункеров, которые достались нам в наследие от последней мировой войны, растительные отходы не лежат незыблемо годами, а, наоборот, разлагаются чрезвычайно быстро. И уже очень скоро растения вновь могут использовать возникшие продукты распада. В растительном мире оба процесса — образование отходов и их уничтожение — хорошо уравновешены. Равновесная же система в состоянии функционировать безгранично долго. Человек практически никогда не отдавал себе отчета в том, насколько рационален процесс становления и отмирания в природе. Если бы человек более прилежно учился у природы, он вряд ли создал бы столь несбалансированный механизм промышленного производства. В настоящее время процесс производства, несомненно, организован лучше, нежели процесс устранения отбросов. Даже то, что мы именуем переработкой и использованием отходов, вряд ли достойно называться так. Установки для сжигания мусора лишь превращают твердые отходы в газообразные, а водоочистные сооружения всего только трансформируют жидкие отбросы в твердые. Однако корень зла лежит намного глубже.

Если мы и впредь будем так же активно продолжать изготовлять в массовых количествах необходимые для нас вещи, не задумываясь в каждом конкретном случае над тем, каким образом мы могли бы в нужный момент и безболезненно от них избавиться (то есть устранять вещь вообще, а не отложить в сторону, хотя бы и на свалку), то в длительной перспективе уже никакая, даже самая щедрая, программа по охране окружающей среды не может стать основой радикального решения проблемы отходов в целом. Насколько односторонне наше мышление в отношении проблем производства материальных благ, насколько далеко наше сознание от понимания необходимости установления равновесия между процессами созидания и упразднения, весьма наглядно иллюстрирует тот факт, что до сих пор в нашем языке нет общепринятого термина для процесса «возвращения» созданных руками человека и отслуживших свой век вещей в исходные сырье и материалы, то есть процесса, идущего в направлении, обратном процессу производства. [8] Иная картина наблюдается в растительном мире. Здесь существует устойчивое равновесие между созиданием и разрушением, иными словами, система круговорота веществ, когда все то, в чем растение более не нуждается, немедленно «демонтируется», превращается в первичные элементы, которые тотчас повторно используются. Отходы в том смысле, в каком они знакомы нам, природе неизвестны. В мире растений практически нет резко выраженной границы между процессами становления и отмирания: созидание и разрушение постепенно и неприметно переходят друг в друга. Новообразование органов и распад не нужных более листьев, стеблей и цветков происходят в природе одновременно. Все синтезируемые в природе вещества легко и быстро расщепляются, а продукты распада утилизируются.

У вечнозеленых тропических деревьев и кустарником старые листья опадают после того, как появятся и достаточно окрепнут новые листья, но это не мешает последним хорошо развиваться: черешки стареющих листьев сильно прогибаются, опуская сам лист вниз, что уменьшает затенение молодой листвы. Интересно и другое. Прежде чем опасть, листья прямо на дереве желтеют и выцветают. Это явление характерно также для всех лиственных пород деревьев и кустарников умеренного климата. Выцветание листвы — внешний признак ее отмирания. Перед листопадом наблюдается отток из листьев я ткани стебля наиболее дефицитных соединений, прежде всего соединений, содержащих азот. Иными словами, растение перед тем, как сбросить ненужные листья — а это своего рода «отходы», — забирает из них наиболее пригодные для повторного использования строительные материалы.

Проследим за дальнейшей судьбой сброшенной листвы. В летнезеленых широколиственных лесах средней полосы опавшая листва довольно равномерным слоем устилает землю в течение всей зимы и первых весенних месяцев. Но это вовсе не бесполезный мусор, а ценнейшее средство защиты растений от неблагоприятных условий среды. Как садовник укрывает на зиму молодые растения соломенными матами или мешковиной, чтобы защитить их от холодных ветров и сильного теплового излучения, так и опавшая листва служит защитой травяному покрову. Но вот наступает весна, и растения возобновляют свой рост. Пришло время убирать маты с грядок. А что же происходит в природе? Разумеется, не в ее силах свернуть ковер из опавшей листвы, которым были на зиму покрыта земля в лесу. Но это и нежелательно, поскольку опад позволяет почве удерживать влагу и тепло в той мере, в какой это необходимо для прорастающих семян. Однако для роста молодых растений требуется освещение, и прошлогодние листья ведут себя так, как будто знают об этом: листва становится полностью проницаемой для лучей света, особенно той части его спектра, которая необходима для фотосинтеза. Максимальной проницаемости листья достигают в марте — апреле, как раз ко времени прорастания семян. Используя современную терминологию, мы можем сказать, что опавшие листья — это полезнейшие для окружающей среды отходы. Лишь после того как эти «отходы» выполнят; свою последнюю задачу — обеспечат всходы необходимой влагой в почве, — они будут окончательно переработаны почвенными бактериями, этими мельчайшими организмами, которым растительный опад служит пищей. В итоге образуется плодородный гумус (перегной). Трудно себе представить иной способ, который позволил бы с большой эффективностью использовать отходы.

Растения — гениальный потребитель отходов вообще, а не только тех отходов, которые тесно связаны с производством ими органического вещества. Исключительно быстро и без остатка бактерии перерабатывают животные отходы: экскременты, падаль. Так, полностью утилизируют птичий помет и многократно его используют поселяющиеся в кронах деревьев растения-эпифиты. Эпифитов особенно много во влажных тропических лесах. То из них, чьи семена не имеют приспособлений к распространению ветром, «упаковывают» свои семена в сладковатую мякоть плодов, охотно поедаемых птицами, и они совершают путешествие по воздуху «зайцем», в желудке у птиц. Однако птичий желудок не в состоянии переварить семена с их твердой оболочкой, и они выводятся из организма птицы вместе с ее экскрементами. Не будь птичьего помета, семена не смогли бы удержаться на гладкой коре деревьев. Помет же надежно приклеивает семя к стволу и одновременно обеспечивает его необходимой влагой. Но и это еще не все. Молодое растение использует птичий помет в качестве очень ценного азотного удобрения. Таким образом, природа «умеет» в высшей степени рационально распорядиться своими отходами.

Как мы видим, отходы — это ценный, а в отдельных случаях даже жизненно необходимый продукт. В рубрике «Практическая охрана окружающей среды» международный журнал «The Plain Truth» («Горькая истина») поместил краткую статью о том, как небольшой городок Санти, расположенный на Тихоокеанском побережье США, решил проблему сточных вод. Один из разделов статьи озаглавлен: «Сточные воды — жизненно важное сырье». Вот что писал журнал по этому поводу:

«Комплексная обработка сточных вод, будь то путем естественного разложения их содержимого в почве или путем применения промышленных способов очистки, в конечном счете дает регенерированную воду плюс твердые компоненты, которые могут быть употреблены как питательные вещества, стимулирующие рост растений. Если природа перерабатывает содержащиеся в сточных водах примеси биологическим путем и возвращает их в почву, то в Санти применяются технические средства, которые позволяют выделить из воды весь плавающий мусор и любые взвеси.

На первых порах перед муниципалитетом города стоял вопрос: допустимо ли вообще в больших количествах очищать сточные воды с целью сделать их пригодными для повторного использования? В ходе тщательного изучения всей имевшейся информации выяснилось, что сточные воды не столь уж и бесполезный продукт. Содержащиеся в них твердые вещества оказались ценным средством для восстановления структуры почвы и неплохим удобрением, пользующимся спросом у фермеров. Разумеется, прежде сточные воды должны быть освобождены от тяжелых металлов и некоторых других промышленных отходов. Однако даже самая современная технология очистки пока не в состоянии удалить из воды подобного рода загрязнители. Поэтому сточные воды, содержащие примеси, которые биологически неразложимы, должны проходить специальную обработку.

Поскольку, с одной стороны, ухудшение биологического состояния окружающей среды вынуждает предпринимать определенные шаги, а с другой — существует опасение увеличения стоимости мер по обработке сточных вод, большинство современных городов проводят лишь предварительную механическую очистку, а оставшуюся воду сбрасывают затем в близлежащие ручьи, реки и крупные водоемы, где за счет чистой воды концентрация загрязнений в стоках уменьшается. Такой метод очистки сточных вод называют способом первичной обработки. В подавляющем числе городов применяется именно этот метод.

Весьма немногочисленны общины, учитывающие то последствия, которые для других людей может иметь их деятельность. В таких обыденных делах, как удаление сточных вод, человек очень редко следует золотому правилу, почерпнутому из кладезя народной мудрости: „Не делай ничего плохого другим, если не хочешь, чтобы тебе причинили то же самое“. К большому сожалению, очень часто человек придерживается иного правила: „Если тебе причиняют зло, отвечай тем же“.

В наши дни с подобным подходом приходится сталкиваться почти повсеместно. Например, Нью-Йорк, этот переполненный людьми город-гигант, насчитывающий миллионы домашних хозяйств и огромное число крупных промышленных предприятий, сбрасывает свои сточные воды через Гудзон в открытое море. Могучая Миссисипи выносит в Мексиканский залив десятки и сотни тонн гниющих, зловонных промышленных и бытовых отбросов. Впрочем, европейские реки и водоемы ненамного чище американских, несмотря на многочисленные кампании в защиту окружающей среды. Как видим, загрязнение окружающей среды отходами производства и быта оказывается той жестокой реальностью, с которой вынуждено считаться все человечество.

Какими же достоинствами обладает проект Санти?

Во-первых, он запрещает загрязнение водной среды и делает все для того, чтобы люди, живущие ниже по течению, не мирились более с тем, что ухудшается качество используемой ими воды и наносится ущерб их здоровью. Во-вторых, он предусматривает снабжение города регенерированной водой, что особенно важно, поскольку в мире все более остро ощущается нехватка чистой воды.

Проект Санти считается сегодня образцом для подражания при создании очистных сооружений. Каждый день здесь обрабатывается почти 8 миллионов литров сточных вод. В городе устранена всякая вероятность загрязнения природных водоемов, а регенерированная вода используется в самых разнообразных целях. И последнее, обработка сточных вод означает одновременно производство воды требуемого качества.

С проектом Санти познакомились специалисты из более чем 40 стран. Он действительно достоин подражания и может заинтересовать любой город или общину, которые поставили перед собой задачу улучшить качество водоснабжения и искоренить причины загрязнения окружающей среды».

То исключение из общих правил, которое столь высоко оценивается в данной статье, в растительном мире представляется делом само собой разумеющимся: любое естественное загрязнение водной среды ликвидируется тоже естественным путем. Водные растения и бактерии осуществляют биологическую обработку чуждых для водоема загрязняющих веществ. Продукты разложения попадают в почву. Образцы того, как должны быть организованы подготовка воды и ее повторное использование, природа демонстрирует нам на примере тропической лианы дисхидии, с которой читатель может познакомиться поближе в разделе «Губки, вакуумные насосы и электростатика».

Растения - химики

В 1000 раз быстрее, чем в лаборатории

Смешав две части водорода и одну часть чистого кислорода, мы получим гремучий газ. Если теперь эту смесь поджечь, то начинается химическая реакция и произойдет, наконец, сильный взрыв. Но та же самая реакция может идти уже при комнатной температуре и протекать гораздо спокойнее, стоит лишь ввести в сосуд мелкораздробленную платину. Реакция сопровождается выделением значительного количества тепла, химическая же природа металла остается без изменений. Как видим, достаточно одного присутствия платины, чтобы произошло взаимодействие одних веществ с другими. Это напоминает ситуацию, когда водитель автомашины, заметив дорожного инспектора, в тот же миг начинает весьма аккуратно соблюдать правила ограничения скорости. Вещества, которые изменяют скорость химической реакции, называют катализаторами. Специалисты используют их, чтобы ускорить химические промышленные или лабораторные процессы либо чтобы вообще сделать возможным их протекание. Платина — лишь один из многих катализаторов, без которых в настоящее время не может обойтись техническая химия. В частности, катализирующим действием обладает и самый обыкновенный пепел от сигарет. Если, например, кусочек сахара-рафинада обвалять в пепле и поджечь, сахар будет гореть красивым голубым пламенем. Без пепла сделать это не удается.

Разложение перекиси водорода (Н_2О_2) при нагревании на кислород и водород происходит в течение определенного промежутка времени. Добавление губчатой платины тысячекратно убыстряет этот процесс. Очевидно, что благодаря применению катализаторов во много раз повышается эффективность химических превращений.

Каждое мгновенье в живом организме протекают химические реакции. Подобно людям, растения также пользуются «услугами» целого ряда высокоактивных посредников. Но в отличие от применяемых в технике большинство растительных катализаторов узко специализировано. К тому же подобная избирательность сопровождается исключительной эффективностью каталитических веществ. Если технический катализатор (платина) уменьшает время разложения перекиси водорода в 1000 раз, то каталаза, вещество, вырабатываемое растениями, ускоряет этот процесс еще в 1000 раз. Иными словами, продолжительность реакции сокращается в 1 000 000 раз!

Мы уже обращали внимание читателя на то, что своим умением растения во многом превосходят специалистов-химиков (напомним лишь о способности растений, используя воздух и воду, синтезировать виноградный сахар и крахмал). Но примеры с катализаторами свидетельствуют также и о том, что даже там, где растения, казалось бы, делают решительно все то, что делают специалисты-химики, их преимущество перед людьми остается бесспорным.

Все началось со скороспелых яблок

Как правило, яблоки поздних сортов снимают прежде, чем они поспеют. Собранный урожай затем тщательно упаковывают. При хранении и транспортировке яблоки, дозревают. Однако было замечено, что если поздние сорта хранить вместе со скороспелыми, то процесс дозревания намного ускорится, очевидно, благодаря столь благоприятному соседству. При этом яблокам вовсе не нужно соприкасаться между собой. Как же в таком случае один сорт яблок влияет на другой?

Многие любители комнатных растений знают, что растущие вместе разные экземпляры одного вида растений открывают свои бутоны в один и тот же день и что позднее сформировавшиеся бутоны одного цветка в своем росте догоняют более развитые бутоны другого, и поэтому те и другие раскрываются обычно одновременно. Такое развитие событий полезно растениям, поскольку синхронное распускание цветков обеспечивает их одновременное опыление насекомыми. Но каким же образом находящиеся в разных горшках растения передают друг другу необходимую информацию?

В сухих степях и полупустынях борьба растений за воду — вопрос жизни и смерти. Свободного пространства в таких местообитаниях достаточно для развития большого числа растений, однако влаги в почве хватает лишь немногим. Поэтому в условиях засушливого климата растительные организмы постоянно ведут между собой настоящую войну. Своему соседу, который мог бы пользоваться водой с участка земли, расположенного рядом, они «осложняют жизнь», тормозят его рост, замедляют или вовсе прекращают прорастание его семян в непосредственной близости от себя. Какие невидимые нашему глазу средства используются в этой борьбе?

Во всех трех случаях (дозревание яблок поздних сортов, синхронное распускание бутонов, конкурентная борьба обитателей степей и полупустынь за воду) полностью исключается воздействие путем прямых контактов. Не может быть речи и о каких-либо оптических, акустических, электрических или подобных им методах «оповещения». Следовательно, его природа должна быть химической. Однако в первых двух случаях, когда отсутствует связующий субстрат (почва), нет и никаких оснований говорить о возможном содействии веществ, находящихся в почвенной влаге, в почве. Вероятно, в роли посредников, «виновников» столь удивительных явлений тут должны выступать газы. И действительно, опытным путем удалось обнаружить, что поспевающие яблоки выделяют в атмосферу этилен, который ускоряет созревание плодов. В его присутствии, например, яблоки поздних сортов дозревают много быстрее. А вот рост бобовых в «яблочной атмосфере» замедляется, хотя сами растения становятся более крепкими. В настоящее время известен целый ряд растений-конкурентов, оказывающих влияние друг на друга. Определенную роль в этих процессах наряду с этиленом (его следы, кстати, можно обнаружить в светильном газе, Который сгорает в наших газовых кухонных печах) играют и многие другие биоактивные соединения. К сожалению, пока изучена лишь малая часть их.

Растения степей и полупустынь, оспаривающие друг у друга почвенную влагу и питание, выделяют в почву через корневую систему биологически активные вещества в жидком состоянии. В данном случае жидкие выделения по сравнению с газообразными имеют то преимущество, что их не могут развеять частые в пустынной местности ветры. Более того, корни степных растений необычайно длинны, что, вне всякого сомнения, увеличивает радиус действия «химического оружия». Растения, высота которых едва достигает 50 сантиметров, нередко имеют корни длиной более 15 метров.

Человек также изобрел химическое оружие: к сожалению, военное искусство в своем развитии нередко опережало развитие других сфер деятельности человека. Искусство же использования мизерных доз безвредных химических веществ для мирных целей взаимного обмена информацией остается для человека пока что утопией. [9] Тем не менее, исключительно важно и в дальнейшем продолжать тщательно изучать механизмы управляемого химического воздействия растений друг на друга. Здесь прежде всего имеются в виду, помимо процессов роста, процессы опадения листвы, изменения внешнего облика растения, контакты между высшими растениями и микроорганизмами, а также другие еще не известные нам явления. Человек здесь может многому научиться.

В поисках пищи

Наиболее примитивными растительными организмами являются одноклеточные: бактерии, жгутиковые споры водорослей и грибов, половые клетки мхов и папоротников. [10]

Понятие «примитивный», употребленное здесь, весьма спорно, если принять во внимание исключительные способности этих крохотных созданий. По своему к.п.д. механизм их передвижения (если взять только этот показатель) оставляет далеко позади все технические средства, созданные человеком (об этом рассказывается в разделе «Через реки, озера, моря»). Но куда и зачем движутся одноклеточные? Перемещаются ли они в определенном направлении, к определенной цели? Или их движение в воде более или менее хаотично? Один английский исследователь, занимающийся изучением проблем поведения, не без иронии заметил, что любое действие в природе тем или иным образом служит одной из двух целей: питанию или размножению. В отношении одноклеточных это высказывание особенно справедливо. Перемещаясь, они ориентируются на химическое либо световое раздражение. Так, определенные вещества помогают мужским половым клеткам найти клетки противоположного пола. Споры водорослей и водных грибов с максимальной для них скоростью спешат туда, где согласно полученной химической «информации» имеются благоприятные условия обитания. С высокой степенью надежности бактерии находят места наивысшей концентрации питательных веществ. О том, насколько совершенен механизм химической ориентации этих мельчайших организмов, которых в одном грамме влажной почвы насчитывается около 25 миллиардов особей, говорит сам за себя такой пример. Обладающая самостоятельным движением половая клетка одного из видов папоротников, обнаружив присутствие яблочной кислоты, тотчас начинает двигаться в нужном направлении. Для того чтобы она могла «взять след», в почве должно находиться всего лишь 0,000 000 028 миллиграмма искомого элемента, то есть такое количество, которое с трудом обнаруживает специалист-химик, располагающий самой современной и дорогостоящей аппаратурой. Но если прибор, сконструированный человеком, способен выявить присутствие только яблочной кислоты, то наши «примитивные» одноклеточные различают множество веществ. Они в состоянии, например, безошибочно распознавать кислород, сероводород, белковые и аммиачные соединения. Более того, они различают изомеры — вещества, одинаковые по составу, но различающиеся по строению и по химическим и физическим свойствам.

Некоторые виды аэробных бактерий по своим «аналитическим» способностям заметно превосходят промышленные анализаторы, с помощью которых фиксируется наличие кислорода. Это обстоятельство используется в тех случаях, когда необходимо обнаружить присутствие этого газа: можно быть полностью уверенным, что в местах скопления этих бактерий непременно имеется кислород.

Впрочем, не только одноклеточные сумели выработать в себе умение отыскивать места сосредоточения питательных веществ. Клетки корневого чехлика у всех высших растений обладают свойством реагировать на полезные для растения элементы. Наблюдая за развитием комнатных растений, высаженных в глиняные и синтетические горшочки, можно видеть, что их корни растут в направлении наибольшей концентрации питательных солей в почве. В посуде из синтетических материалов земля равномерно пронизана корешками растений. Напротив, в гончарном горшке корни сосредоточиваются по краям земляного кома, а мельчайшие из них проникают даже в поры стенок сосуда. Именно по этой причине при пересадке растений, росших в глиняных горшках, многие корешки рвутся: в таких горшках часть влаги, содержащейся в почве, просачивается через стенки наружу и медленно испаряется, в порах же накапливаются растворенные в воде соли, за которыми и «устремляются» корни. Поэтому комнатные растения целесообразнее разводить в синтетической посуде, но поливать их надо менее обильно, так как потери воды здесь будут намного меньше. В противном случае корни начнут гнить.

Совершенно другой механизм химического поиска питательных веществ существует у семян некоторых паразитирующих растений. Они трогаются в рост лишь тогда, когда в непосредственной близости от себя обнаружат присутствие растения-хозяина или же когда, подобно семенам омелы, тем или другим способом окажутся на ветвях деревьев, где приклеиваются и прорастают.

По-иному оценивает питательные вещества, сообразуясь с их химическими свойствами, «плотоядная» росянка. Ее округлые листья сплошь усеяны железистыми волосками с капельками клейкого вещества на концах. Коснувшись листа, насекомое прилипает к волоскам. Механическое раздражение, вызванное попаданием живого существа на лист, передается остальным волоскам, расположенным по периметру листа. Они наклоняются к насекомому и прижимают его. В то же время волоски, расположенные по центру листа, остаются недвижимыми. Они начнут приближаться к добыче только тогда, когда станет известно, что попавший на лист предмет может быть переварен. Иными словами, растение в мгновенье ока определяет химический состав своей жертвы. Если будет обнаружен белок или ценные соединения азота, волоски немедленно примутся за работу. Создавая дополнительное раздражение, они побудят и остальные железистые волоски, прямо не контактировавшие с добычей, изогнуться в направлении к жертве. Выделяемая растением особая жидкость быстро переваривает пойманное насекомое.

Растения - архитекторы, строители, механики

Как был создан Хрустальный дворец

Когда во второй половине прошлого века первые исключительно смелые инженерные сооружения из стекла, стали и бетона начали постепенно вытеснять постройки традиционных архитектурных стилей, то их появление ознаменовало глубокий переворот в зодческом искусстве. Успехи в строительной технике позволили создать новые, ранее неизвестные архитектурные формы и конструкции. Провозвестниками новомодных тенденций в зодчестве явились здания вокзала в Ливерпуле (1852 год), Парижская библиотека (1861 год) и Эйфелева башня, открытие которой было приурочено к Всемирной выставке 1889 года в Париже. Однако первым по-настоящему гениальным монументальным сооружением новой архитектуры был Хрустальный дворец в Лондоне, огромное здание павильонного типа, построенное целиком из стекла и металла.

Создатель Хрустального дворца Джозеф Пакстон, в молодости страстный любитель-садовод, принял участие в конкурсе на разработку проекта ярмарочного павильона для Всемирной выставки в Лондоне (1851 год). Честолюбие Пакстона, присущее ему чувство новизны, горячее желание затмить конкурентов — все побуждало его искать эпохальные решения. Ему виделось сооружение, которое, несмотря на свои гигантские размеры, не воспринималось бы как нечто тяжелое и неуклюжее, а напротив, казалось бы почти невесомым. Это должна была быть конструкция, которая позволила бы экономно расходовать строительные материалы и широко применять стекло, стекло и еще раз стекло. В то же время она должна была быть достаточно прочной, с тем чтобы полностью соответствовать требованиям, предъявляемым статикой сооружений.

В архитектуре не было аналогов для подобного проекта, ибо новое не имеет образцов для подражания. Правда, инженеры, строители мостов, уже в течение почти целого столетия на практике демонстрировали конструктивные преимущества и высокую несущую способность стальных конструкций. Сам Пакстон построил в 1837 году крупнейшую для того времени оранжерею из стекла и стали. Но подобные инженерные решения нельзя было безоговорочно переносить в область создания крупных сооружений павильонного типа. Если бы при возведении таких зданий стали использовать лишь тяжелые фермы, какие применяются при строительстве мостов, то здания получились бы чересчур массивными и громоздкими. Творению же Пакстона надлежало быть изящным и легким. И тут бывший садовод-любитель вспомнил о некоей растительной конструкции, которая сочетала в себе, с одной стороны, малые затраты строительных материалов, а с другой — высокую устойчивость и столь же высокую грузоподъемность. В молодости Пакстону часто приходилось любоваться гигантскими плавающими листьями Виктории регии. Ее округлые листья достигают в диаметре 2 метров (фото 6). Несмотря на незначительную толщину, они достаточно прочны, чтобы выдержать тяжесть взрослого человека. Своей столь высокой прочностью листья обязаны тому, что их нижняя поверхность усилена своего рода балками (фото 7). Из центра листа лучами, напоминающими спицы в колесах, расходятся во все стороны толстые, сильно выдающиеся жилки, которые по мере приближения к краю листа становятся все более и более плоскими. Из-за того, что жилки многократно, до пяти раз, ветвятся, расстояние между ними у кромки листа остается небольшим. В результате из одной крупной жилки в центре листа у его периферии образуется до 32 жилок, скрепленных друг с другом более плоскими поперечными связками.

Фото 6. Гигантские плавающие на поверхности воды листья Victoria regia с их высоко приподнятыми краями — прекрасный пример ботанической «лодки». Подъемная сила этих листьев необычайно велика. Юная девушка, изображенная на фотографии, весит почти 40 килограммов.

Фото 7. Совершенная конструкция «распорок» на нижней стороне листа Виктории регии обеспечивает ему очень высокую прочность.

Фото 8. Ажурную конструкцию своего Хрустального дворца архитектор Джозеф Пакстон заимствовал у листьев тропических водяных лилий.

Решение было найдено. Именно таким образом должен конструировать свой Хрустальный дворец и он, Джозеф Пакстон. Основу составят немногочисленные крупные силовые балки, от них отойдут менее крупные распорки, которые соединят между собой многочисленные тонкие связи. Более изящной конструкции он создать не мог (фото 8). Пятнадцатого июля 1850 года королевская комиссия телеграфом подтвердила выбор его проекта. Но если быть справедливым до конца, то истинным победителем в этом конкурсе надо считать не Джозефа Пакстона, а тропическую лилию. Заслуга Пакстона лишь в его наблюдательности, в том, что он сумел воплотить в стекле и металле строительные принципы, какие существуют в растительном мире уже очень много лет.

Когда техническая мысль приходит к тем же результатам, какие дает биологическая эволюция, или же когда в качестве образца она использует инженерные решения, найденные природой, мы можем быть полностью уверены в том, что созданная ею конструкция окажется целесообразной.

Гофрированный лист

Существуют две возможности, позволяющие придать тонкому листу со значительной площадью поверхности, а именно таковы листья многих тропических растений, дополнительную жесткость.

С одной из них мы уже познакомились. Это — образование ребер жесткости. Для водных растений, как Виктория регия, этот метод вполне пригоден. Здесь практически не имеет никакого значения то обстоятельство, что дополнительные конструкции в форме многочисленных распорок утяжеляют лист. Вода, на поверхности которой плавают листья гигантских лилий, хорошо выдерживает их вес.

Иное дело крупные и очень крупные листья наземных растений, и прежде всего тех, которые произрастают в тропических районах Земли с их частыми ураганными ветрами и сильными ливнями.

Длина листьев некоторых видов веерообразных пальм достигает 5—10 метров, в отдельных случаях — 15 метров при ширине 3—4 метра. Площадь поверхности таких листьев-гигантов колеблется от 15 до 60 квадратных метров. Само собой разумеется, что при столь огромных размерах сам лист должен быть предельно легким, с тем чтобы не создавать чрезмерной нагрузки на черешок. Черешок должен не только выдерживать вес листа-гиганта, но и суметь оказывать сопротивление всем воздействующим на него силам. На островах Малайского архипелага почти ежедневно во второй половине дня разражаются тропические ливни. Они сопровождаются ураганными ветрами, подвергающими листья пальм и других растений жесточайшим испытаниям на прочность. Одновременно с неба всего за несколько часов на землю низвергается колоссальное количество воды, какого не может дать даже знаменитый зальцбургский ливень, даже если бы он длился целый месяц. Поэтому крупные листья тропических растений, чтобы противостоять всем превратностям непогоды, должны быть, с одной стороны, исключительно легкими, с другой — в высшей степени прочными. Суметь конструктивно увязать такие характеристики, как легкость и прочность, — чрезвычайно сложная техническая проблема. Растениям удалось успешно решить ее, использовав принцип гофрирования. Хорошо известно, что жесткость на изгиб тонкого листа стали повышается, если сделать на нем ряд параллельных волнистых складок. Сколь значительным может быть при этом увеличение прочности, показывает простой пример. Возьмем лист машинописной бумаги и сложим его гармошкой по длине с таким расчетом, чтобы ширина каждой складки составляла один сантиметр. В итоге мы получим лист гофрированной бумаги. Если теперь лист обычной бумаги положить на две опоры, установленные по его краям, то он прогнется под собственной тяжестью (6 граммов). Этого не произойдет с гофрированным листом, даже если на него поместить значительный груз. На фото 9 такой лист опирается концами на две рюмки, отстоящие друга от друга на 23 сантиметра. В середину пролета поставлен наполненный вином бокал, вес которого равен 230 граммам. Бумага, сложенная гармошкой, выдерживает этот вес. Нагрузку продолжают увеличивать, и лишь когда она достигла 700 граммов, гофрированный лист бумаги прогнулся. Таким образом, соответствующее профилирование поверхности бумажного листа позволило увеличить его прочность, без установки промежуточной опоры, более чем в 100 раз.

Фото 9. Если сложить лист обыкновенной бумаги гармошкой, его прочность возрастет более чем в 100 раз!

Фото 10. Своей прочностью гигантские листья многих видов пальм обязаны все тому же принципу гофрирования «строительного материала». На снимке — лист южнокитайской ливистонии.

Фото 11. На снимке изображена свободнонесущая конструкция перекрытия, установленного над въездом в тоннель под Монбланом. По своей форме она напоминает гигантский лист пальмы.

Метод по-гениальному прост. Его с успехом использует природа, создав листья, имеющие в поперечном разрезе зигзагообразную форму (фото 10). Любопытно, что лист не становится менее прочным даже тогда, когда он оказывается, как это хорошо видно на снимке, надорванным по каждому второму сгибу. Частичное разрушение листовой пластинки ни в коей мере не отражается на его биологической функции, ибо оно «запланировано» природой. У многих видов растений лист, если только он не несет особой нагрузки, в процессе роста самопроизвольно, без какой-либо видимой причины надрывается. Еще в 1893 году такие листья были описаны профессором Г. Хаберландтом, ботаником, художником, исследователем тропической растительности и прекрасным натуралистом:

«Если бы кто-нибудь пожелал написать трактат о нерациональных творениях в царстве растений, тому, несомненно, показалось бы очень заманчивым рассказать о банановом дереве (Musa sapientum), чьи гигантские листья разрезаны дождем и ветром до серединки пластинки на многочисленные узкие полоски. Однако при более тщательном рассмотрении становится ясно, что пример выбран крайне неудачно. Листья, края которых никак не защищены от механических повреждений, легко надрываются; разрыв происходит параллельно вторичным жилкам листа вплоть до самой крупной срединной жилка. Раны листа заживают легко и быстро, а обвисшие, казалось бы вялые, сегменты продолжают нормально функционировать. Сильные ветры превращают чересчур крупные цельные листовые пластинки в лохматую бахрому. Это обстоятельство позволяет растению экономить „строительные“ материалы, иначе для того, чтобы предотвратить разрыв листьев большой площади, потребовалось бы применить мощные механические конструкции. Вместе с тем многократно разорванная листовая пластинка дает растению еще одно преимущество. Свободно висящие узкие сегменты листа жестко не закреплены, и это предохраняет их от повреждений сильными тропическими ливнями и защищает от палящих лучей высоко стоящего тропического солнца: на сегменты по сравнению с неповрежденной поверхностью лучи солнца падают под более острым углом. Итак, буквально „измочаленный“ ветрами и ливнями лист банана являет собой поучительный пример того, как в мире растений из, казалось бы, полностью нерациональных начал формируется нечто целесообразное. Это, далее, напоминание о том, что в области приспособления природе ничто так не чуждо, как ничем не оправданное, упорное сохранение одних и тех же, хотя бы и проверенных практикой схем».

Принцип гофрирования широко применяется в технике для повышения прочностных свойств конструкционных материалов. Этим исключительно простым путем добиваются повышения прочности многих вещей: кровли, стенок металлических гаражей, фюзеляжей самолетов, кузовов автомашин (для чего используется гофрированная листовая сталь), балконов (с этой целью их облицовывают гофрированными асбоцементными или полиэфирными плитами), картона, идущего на производство упаковки, и даже плиссированных бумажных юбок для рождественских карнавалов. Однако к мысли искусственно создавать в рукотворных структурах разрывы, подобные тем, какие наблюдаются у многих видов пальм (фото 10), инженеры пришли сравнительно поздно. Впервые эта идея была реализована в 1965 году при сооружении свободнонесущей конструкции защитного навеса при въезде в один из самых длинных и глубоких современных тоннелей — тоннель под Монбланом (фото 11).

«Арматурная сталь»

Одним из важнейших архитектурных элементов, применяемых с очень давних времен, является колонна. Известна она и в растительном мире. На протяжении более чем четырех тысяч лет архитекторы создают ее с однородной внутренней структурой. В то же время природа испокон веков выращивает колонны, которые в принципе сконструированы столь же рационально, как и те армированные сталью бетонные опоры, с которыми человек знаком на протяжении чуть более 100 лет. Бетон хорошо сопротивляется сжатию, но плохо переносит значительные растягивающие нагрузки, что обусловливает его повышенную восприимчивость к изгибающему напряжению. Вспомним наш опыт с листом гофрированной бумаги и положим бетонную плиту концами на две опоры. Как и в первом случае, нагрузим плиту. Какое-то непродолжительное время ее нижняя часть будет испытывать растяжение. Затем плита треснет, поскольку бетон неэластичен. Однако если бетон армировать сталью, которая устойчива к растягивающим нагрузкам, то вся конструкция обретет ту высокую прочность и долговечность, какие присущи, например, большепролетным автодорожным мостам. Разумеется, стальная арматура в железобетонной конструкции должна располагаться там, где возникают наибольшие напряжения на растяжение. В той бетонной плите, о которой шла речь выше, армировать следует ее нижнюю часть. Напротив, в случае свободнонесущего балкона арматура должна быть помещена в верхнем слое бетонной плиты, поскольку балкон, у которого один конец не закреплен, а свободен, прогибается в направлении, обратном тому, в котором изгибалась бетонная плита, положенная на две опоры.

А что же происходит с колонной? Поскольку она совершенно симметрична, напряжение на изгиб может возникать в любом направлении. Поэтому колонну нужно армировать таким образом, чтобы продольные стальные стержни располагались в ней по всему периметру, в непосредственной близости от поверхности и по всей высоте колонны. Для того чтобы до и в момент заливки бетоном прутковая основа не распалась, стержни связывают Друг с другом мягкой проволокой. В середине колонны, где напряжения не возникают, ставить арматуру нет необходимости.

На фото 12 показан идеальный арматурный каркас, или «короб», как его называют специалисты. Каркас уже построен, остается возвести опалубку и начать заливку бетоном.

Фото 12. Стальной арматурный каркас железобетонной опоры будущего автодорожного моста внутри полый. Он будет располагаться по периферии готовой опоры.

Читателю должно быть известно, что изобретатель железобетона не был ни инженером, ни архитектором. Им оказался французский садовник Ж. Монье. В 1867 году, пытаясь изготовить для своих цветов кадки из цементного раствора, он впервые применил каркас из металлической сетки. Но и он не «изобрел», а скорее «открыл» железобетон, ибо, будучи садовником, Ж. Монье не мог не видеть, каким образом растения усиливают свои несущие конструкции.

Без открытия Ж. Монье были бы просто немыслимы многие современные сооружения из бетона: мосты, небоскребы, телебашни, свободнонесущие конструкции зданий аэропорта и даже навесы автозаправочных станций.

Принцип армирования известен растениям на протяжении уже более 250 миллионов лет. У некоторых видов кактусов, в частности у цереусов, напоминающих своей формой гигантские канделябры, мягкие ткани после отмирания полностью разрушаются, открывая взору внутренний скелет растения (фото 13). Как и в железобетонной конструкции (фото 12), арматура кактуса располагается в непосредственной близости от поверхности ствола, вся же внутренняя часть тела растения свободна от каркаса. Иная, решетчатая форма расположения механических тканей характерна для другой разновидности кактусов — опунции (Opuntia bigelowii) (фото 14). Но и здесь эти ткани находятся близ поверхности, в самом же теле опунции арматурные элементы отсутствуют.

Фото 13. Арматурная структура отмершего канделябровидного кактуса похожа на стальной каркас железобетонной опоры автодорожного моста: она располагается вблизи поверхности «живой» колонны и внутри полая.

Фото 14. Решетчатый остов опунций внутри также пустой.

Но не только оптимальное расположение механических тканей обусловливает совершенство растительных конструкций. По прочности на разрыв и изгиб некоторые растения могут успешно конкурировать со стальной проволокой. Так, стебель злака, диаметром не более 3—5 миллиметров, а высотой до 1,5 метра, выдерживает вес тяжелого колоска и, не ломаясь, сгибается под напором ветра почти до земли, а затем эластично выпрямляется.

На плато Колорадо в североамериканском штате Аризона колония отмерших 15-метровой высоты кактусов-канделябров (разновидность цереусов) представляет собой весьма причудливую, фантастическую картину: словно гигантские кисточки для бритья, принадлежащие какому-то исполину, стоят они, скрашивая собой в высшей степени монотонный пейзаж пустыни. Как видно на фото 13, лишь в нижней части кактуса несущие структуры арматурного каркаса связаны между собой, выше в стволе они располагаются совершенно свободно. Как только мягкие ткани разрушатся, арматурные связки под напором ветра отходят друг от друга, распадаются, и растение приобретает сходство с расплетенным, «размочаленным» концом веревки или каната. Стволы некоторых лиан почти целиком сложены многочисленными механическими тяжами, которые при сгибании растения могут легко перемещаться относительно друг друга. Этим они напоминают тросы, сплетенные из большого числа стальных проволочек.

Вьющиеся и лазящие канаты

Чем экстремальнее условия обитания, тем гениальнее и разнообразнее приспособляемость растений к превратностям окружающей среды. Нередко приспособление заходит столь далеко, что внешняя среда начинает полностью определять форму растения. И тогда растения, относящиеся к различным семействам, но обитающие в одних и тех же суровых условиях, часто становятся внешне столь похожими друг на друга, что это может ввести в заблуждение в отношении истинности их родственных связей. Например, в пустынных областях для многих видов, и, прежде всего, для кактусов, наиболее рациональной оказалась форма шара. Однако не все то, что имеет шарообразную форму и утыкано шипами-колючками, — кактусы. Столь целесообразная конструкция, позволяющая выжить в тяжелейших условиях пустынь и полупустынь, возникла и в других систематических группах растений, не принадлежащих к семейству кактусовых (фото 71).

И наоборот, кактусы не всегда приобретают форму шара или колонны, усеянных колючками. Один из самых известных в мире кактусоведов Курт Баккеберг в своей книге «Чудесный мир кактусов» рассказывает о том, как могут выглядеть эти растения, помещенные в те или иные условия обитания. Вот что он пишет:

«Ночь на Кубе полна таинственных шорохов и звуков. Крупные летучие мыши, словно тени, бесшумно проносятся мимо нас в полной темноте, лишь светится пространство вокруг старых, умирающих деревьев, в котором мириады светлячков исполняют свой огненный танец. Непроглядная тропическая ночь с ее давящей духотой плотно окутала землю. Длительный путь, проделанный нами верхом, отнял у нас последние силы, и теперь мы, забравшись под москитные сетки, пытаемся хотя бы немножко отдохнуть. Конечная цель нашей экспедиции — край изумительно красивых зеленых кактусов группы рипсалиевых.

Но вот наступил час седлать лошадей. И хотя эту несложную операцию мы проделываем ранним утром, пот буквально заливает нам глаза. Вскоре наш небольшой караван вновь отправляется в путь.

После нескольких часов дороги зеленоватый мрак девственного леса начинает постепенно рассеиваться. Нашим глазам до самого горизонта открывается полная солнца местность, сплошь покрытая кустарником. Лишь кое-где над ним возвышаются вершины низкорослых деревьев, да иногда можно видеть одиночные мощные стволы, увенчанные громадными кронами.

Однако до чего странно выглядят ветви деревьев! На них как бы двойная вуаль: покачиваясь от дуновений теплого приземного ветерка, с веток почти до земли свисают длинные нити-стебли одного из видов бромелиевых (Tillandsia usneoides), чем-то похожие на длинные, усыпанные серебром седины сказочные бороды. Между ними висит масса тонких, сплетающихся в клубки растений-веревок: это — место обитания колоний безлистных эпифитов, кактусов, родственных рипсалиевым. Точно спасаясь бегством от буйной наземной растительности, они стремятся забраться повыше в кроны деревьев, поближе к солнечному свету. Какое многообразие форм! Здесь тонкие нитевидные стебли либо громоздкие покрытые нежным пушком мясистые выросты, там — сильно разросшиеся побеги, напоминающие по виду ребристые цепочки. Сложное переплетение вьющихся растений самых причудливых форм: спиральных, зазубренных, витых, волнистых — кажется причудливым произведением искусства. В период цветения вся эта зеленая масса увешана изящными венками или изукрашена разноцветьем мельчайших крапинок. Позже растения надевают на себя пестрые ожерелья из ярко-белых, вишневых, золотисто-желтых и темно-голубых ягод».

Кактусы, которые приспособились жить в кронах лесных великанов и стебли которых, подобно лианам, свисают до самой земли, широко распространены в тропических лесах Центральной и Южной Америки. Некоторые из них обитают даже на Мадагаскаре и Цейлоне.

Лазящие кактусы — это ли не поразительный пример способности растений приспосабливаться к новым условиям жизни? Но он не единственный из многих сотен других. Обычными обитателями тропических джунглей являются вьющиеся и лазящие растения, а также растения-эпифиты, поселяющиеся в кронах древесных растений. Все они стремятся как можно скорее выбраться из вечных сумерек густого подлеска девственных тропических лесов. Они находят путь наверх, к свету, не создавая при этом мощных стволов и опорных систем, требующих огромных затрат строительного материала. Они спокойно карабкаются вверх, пользуясь «услугами» других растений, выступающих в роли опор. Для того чтобы успешно справиться с этой новой задачей, растения изобрели разнообразные и довольно совершенные в техническом отношении органы: цепляющиеся корни и черешки листьев с выростами на них, шипы на ветвях, цепляющиеся оси соцветия и т. д. В распоряжении растений имеются петли-арканы; специальные диски, с помощью которых одно растение своей нижней частью прикрепляется к другому; подвижные усиковидные крючочки, вначале впивающиеся в ствол растения-хозяина, а затем разбухающие в нем; разного рода сдавливающие приспособления и, наконец, весьма изощренный аппарат захватывания.

Выше мы приводили описание структуры листьев банана, данное Г. Хаберландтом. Не менее красочно описывает он и ротанг — одну из разновидностей лазящих пальм:

«Если сойти с пешеходной дорожки Ботанического сада в Богоре (остров Ява) и несколько углубиться в заросли, то уже через несколько шагов можно остаться без головного убора. Десятки разбросанных повсюду крючочков будут цепляться за наши одежды и многочисленные царапины на лице и руках станут призывать к большей осторожности и вниманию. Оглядевшись вокруг и присмотревшись к аппарату „хватания“ растений, в зоне действия которого мы оказались, мы обнаружили, что черешки грациозных и весьма сложных листьев ротанга имеют длинные, до одного-двух метров, исключительно гибкие и эластичные отростки, усеянные многочисленными твердыми и к тому же полуподвижными шипами, каждый из которых представляет собой согнутый и наклоненный назад крючок-зацепку. Любой лист пальмы снабжен таким наводящим страх крючкообразным шипом, не так-то просто расстающимся с тем, что зацепилось за него. Предел упругости „крюка“, состоящего почти целиком из прочных лубяных волокон, чрезвычайно высок. „На него можно подвесить целого быка“,— шутя заметил мой спутник, обратив внимание на мои попытки хотя бы приблизительно определить вес, который в состоянии выдержать подобная „леска“. У многих родственных ротангу пальм в такие орудия захвата превратились удлиненные оси соцветий. Ветер легко бросает гибкие соцветия из стороны в сторону до тех пор, пока на их пути не окажется ствол дерева-опоры. Многочисленные крючки-зацепки позволяют им быстро и надежно зацепиться за кору дерева.

Прочно закрепившись с помощью разросшихся листьев на нескольких стоящих рядом друг с другом деревьях (нередко дополнительными средствами удержания служат шипы в нижней части черешка листа или даже в листовом влагалище), совершенно гладкий, змееподобный ствол ротанга, подобно вьюну, взбирается вверх, продираясь сквозь многочисленные ветви, порой перекидываясь на кроны соседних деревьев, с тем чтобы, в конце концов, пробиться молодыми листьями к свету и подняться над кроной дерева-опоры. Дальше ему дороги нет: напрасно его побеги будут искать опору в воздухе. Стареющие листья постепенно отмирают, и пальма избавляется от них. Лишенные „якорей-крючков“, побеги пальмы под тяжестью собственного веса скользят вниз до тех пор, пока самые верхние листья своими шипами вновь не зацепятся за какую-либо подпорку. У подножия деревьев нередко можно видеть многочисленные побеги пальмы, свитые в петли, совершенно голые, без листьев, часто толщиной с руку взрослого человека. Создается впечатление, что побеги, словно змеи, расползаются по сторонам в поисках новой опоры. В Ботаническом саду Богора наибольшая длина ствола ротанга достигает 67 метров. В труднопроходимых дебрях влажных тропических лесов встречаются ротанги длиной 180 метров, а иногда даже и до 300 метров!»

Технически совершенен и едва ли нуждается в улучшении механизм лазания у многих видов тыквенных. Сочетание в единой комбинации специальных органов поиска и захвата, с одной стороны, и весьма хитроумной системы «осязания» и регулирования — с другой, представляет собой в высшей степени изящное решение довольно-таки непростой задачи. Созданные человеком техника автоматического управления промышленными процессами или оборудование для точного регулирования работы механизмов уступают растениям в своей эффективности. Растение при этом решает задачу тройственного характера. В первую очередь ему нужно найти подходящую опору, затем прочно закрепиться на ней и, наконец, позаботиться о том, чтобы механические нагрузки, создаваемые ветром либо движением самой опоры, не нарушали обретенной устойчивости. Реализация «технического задания» происходит в три этапа. Для того чтобы отыскать необходимую точку опоры, надо, прежде всего, провести систематическую и тщательную рекогносцировку окружающего пространства. Ее обеспечивает у растения специальный хватательный нитевидный орган — усик. Сразу же после появления усик растет строго вверх, но затем изгибается и, заняв горизонтальное положение, начинает, подобно часовой стрелке, совершать круговые движения (фото 15). У бенинказы (Benincasa hispida), фотографию которой вы только что видели, усики, совершающие поиск, имеют небольшую длину, всего 15 сантиметров. Но в тропических лесах можно встретить растения, у которых длина подобных структур достигает уже 1—2 метров. Каждый час меняя свое положение, этот рукообразный отросток в поисках места прикрепления буквально ощупывает пространство, ограниченное кругом диаметром 2—4 метра. Найдя подходящую опору, усик тотчас же при помощи вращательных движений обвивает ее и плотно к ней прижимается.

Фото 15. Пятнадцатисантиметровый усик бенинказы (Benincasa hispida) совершает медленные кругообразные движения в поисках опоры.

Фото 16. После того, как усик бенинказы (Benincasa hispida) найдет подходящее место для прикрепления, он начинает скручиваться, напоминая этим винтовую пружину. Так образуется прочное и одновременно очень эластичное соединение растения с опорой.

У вьющихся тропических растений, испытывающих механические нагрузки уже под действием своей собственной тяжести, позже происходит утолщение усика в месте его прикрепления к какой-либо поверхности. Это еще более упрочивает его контакт с ней. Закрепившись, усик, словно винтовая пружина, многократно завивается вокруг опоры в процессе дальнейшего роста (фото 16). Будучи жестко закреплен с двух сторон, усик закручивается в своей средней части, причем он может виться и направо и налево. В конечном счете образуется прочное, эластичное и к тому же подпружиненное соединение растения со своей опорой.

Но этим далеко не исчерпываются технические возможности усиков тыквенных растений. Ко всему прочему они обладают исключительным «чутьем» распознавать места, где можно или, напротив, нельзя надежно закрепиться. Эксперименты показали, что опора с очень гладкой поверхностью, например стеклянная палочка, оставляется растением без внимания. Оно не в состоянии здесь прочно и надолго удержаться. Усик предпочитает шершавую поверхность. Но если позволить усику на одно мгновение коснуться ее, а затем предмет убрать, то он вначале самопроизвольно реагирует на касание изгибом, но уже очень вскоре автоматически выпрямится и продолжит поиск. Феноменальный технический талант усиков в полной мере может оценить только специалист в области автоматического регулирования и следящих систем. Ему хорошо известно, что при столь незначительных издержках практически невозможно создать техническую систему, которая была бы столь же совершенна, как и системы, наблюдаемые у растений.

И еще: если усик не находит опоры, он свертывается и увядает — растение не нуждается в органе, который более не выполняет своей функции. Но те усики, которые смогли за что-то ухватиться, со временем утолщаются и в конце концов одревесневают. Старые, одревесневшие отростки с трудом можно оторвать от предмета-опоры. Они в высшей степени прочны, а благодаря пружинной связи с опорой одновременно и необычайно эластичны. Весь процесс развития усиков протекает прямо у нас на глазах, в течение каких-нибудь нескольких дней: усики вырастают и начинают искать точку опоры. Если они не выполнят своей «миссии», их судьба печальна: они быстро увядают, а растение забирает заключенные в них ценные вещества. Напротив, в те усики, которые сумели найти опору, растение инвестирует добавочный материал. Природа не допускает создания расточительных или ошибочных конструкций.

Под каким бы углом зрения мы ни рассматривали лианы, нас не может не поразить их оптимальная приспособленность к условиям среды обитания. Для того чтобы обрисовать с такой же подробностью, с какой велся наш рассказ о тыквенных, все поистине гениальные средства приспособления, позволяющие растениям выжить, потребовалось бы написать толстенный том. Практически на каждом шагу можно встретить знаки безраздельной победы растений над окружающей средой, победы, подготовленной умением организмов приноровиться к противоречивым условиям существования.

Свайные постройки в природе

Когда нескольким более 4 тысяч лет назад люди каменного века, обитавшие на берегах Цюрихского, Боденского, Женевского и Невшательского озер, на низких морских побережьях, в пойме реки По и в других столь же сырых местах, стали переходить к оседлой жизни, им пришлось столкнуться с проблемой сооружения жилищ в условиях постоянного или временного затопления.

О том, как люди эпохи неолита решали эту проблему, рассказывает древняя наскальная живопись, о том же повествуют и более поздние сочинения римского историка Геродота: они возводили свайные постройки.

В 1854 году чрезвычайно низкий уровень воды в швейцарских озерах обнажил хорошо сохранившиеся забитые в грунт деревянные опоры древних строений, что побудило историков продолжить активные поиски следов свайной культуры. Профессор X. Райнерт реконструировал одно из ранних береговых поселений, которое располагалось близ Ульдинга на берегу Боденского озера (фото 17).

Фото 17. Реконструированная свайная постройка бронзового века. Сваи обеспечивают прекрасную вентиляцию и предохраняют строение от гниения и затопления. Одновременно — это прочная опора на влажном грунте.

Фото 18. Свайным «фундаментом» пользуются мангровые растения. Здесь изображена система ходульных корней Pandanus utilis.

Тот факт, что найденные деревянные сваи пробыли под водой около четырех тысячелетий, свидетельствует прежде всего о долговечности подобных построек. Но наряду с прочностью свайный фундамент обладает еще двумя достоинствами. Во-первых, он обеспечивает свободную циркуляцию воздуха непосредственно под жилым помещением и предохраняет его тем самым от гниения. Во-вторых, сваи поднимают сооружение на такой уровень над водой или влажной почвой, который гарантирует их безопасность при высоких паводках. Свайная конструкция полностью оправдывает себя. И в наши дни ее широко используют в болотистых местностях тропической зоны или там, где существует угроза частых наводнений. Не без успеха этот метод строительства применяется также при ведении буровой разведки на нефть в шельфовых зонах.

В природе столь рациональный метод строительных работ известен на протяжении многих миллионов лет. Остановимся на одном примере. Ходульные корни у пандана и мангровых растений (фото 18), произрастающих в тропических болотах и в прибрежной полосе тропических морей и океанов, выполняют те же функции, что и сваи в свайных постройках. Однако в техническом отношении эти природные конструкции более совершенны, чем творения рук человеческих.

Для того чтобы забить сваи в землю, человек должен затратить массу усилий. В то же время ходульные корни мангровых растений внедряются в почву и прочно укореняются в ней без посторонней помощи. При этом «подготовительные работы» по укоренению всходов мангровых растений уже заранее «запрограммированы» в процессе созревания плодов и семян на материнском растении. Если бы семена мангровых просто падали в илистое мелководье затопляемой морем прибрежной полосы, то уже ближайший прилив неизбежно смыл бы их отсюда, поскольку очевидно, что за столь короткий промежуток времени семена не смогли бы укрепиться в почве. Вот почему с веток мангровых растений на землю падают не семена, а уже готовые проростки. Они имеют длину от 60 до 100 сантиметров и обладают солидным весом. Таким образом, мангровые — это своего рода «живородящие» растения. Еще до того, как проросток покинет материнское растение, он успевает обрести все те свойства, которые необходимы для успешного укоренения в илистой почве, периодически заливаемой приливной волной. Чем-то похожие по внешнему виду на колышки для крепления палаток, свешиваются с веток некоторых видов мангровых крученые, округлые проростки толщиной до 2 сантиметров. Нижний конец их заточен, как у копья. Несколько выше острия колышек имеет утолщение, что придает ему дополнительную тяжесть. Поэтому проросток всегда надает нижним концом вниз и, с силой ударившись о поверхность, довольно глубоко уходит в ил.

На дорогу юное растение получает солидный запас питательных веществ, который позволяет ему после столь неожиданно быстрого «высева» столь же неожиданно быстро начать расти. Уже через несколько часов проросток выпускает боковые корни и успевает за время одного отлива настолько прочно закрепиться в почве, что ему уже не грозит гибелью идущий вслед за отливом прилив.

Позднее растение развивает целую систему ходульных корней, так напоминающих свайные постройки, и с их помощью поднимается выше уровня приливной волны. Главный же корень, как правило, вскоре отмирает.

Как это часто случается в мире растений, корни-опоры во многом превосходят искусственно созданные человеком родственные конструкции и, прежде всего, тем, что обладают высокой аккомодационной способностью. В отличие от конструирования процесс эволюционного развития никогда не бывает завершенным из-за существования обратной связи во взаимоотношениях эволюционирующего объекта с окружающей средой. Одной-единственной мощной прибойной волны (к счастью, на Боденском озере их не бывает), по-видимому, было бы достаточно, чтобы серьезно повредить изображенные на фото 17 свайные постройки. Мангровые растении с их гораздо более тонкими опорами выдерживают натиск мощных прибойных волн: ходульные корни обладают высокой эластичностью, позволяющей им после спада волны занимать первоначальное положение. Это свойство они обретают в процессе своего роста. На первых этапах развития ходульные корни растут параллельно поверхности земли, то есть горизонтально, и лишь позднее начинают по дуге опускаться вниз. Ствол дерева как бы покоится на хорошо развитой системе эластичных подпорок высотой в 2—3 метра. Приняв на себя удар волны, ходульные корни прогибаются со стороны поправления удара и выпрямляются с противоположной стороны; при отступлении волны нагрузки действуют в обратном направлении.

Техника каркасного строительства

Тяжелым конструкциям, если к тому же они обладают сравнительно небольшой площадью основания, присущи свои собственные статические закономерности. По этой причине их следует либо выполнять массивными, либо они должны иметь каркас, состоящий из вертикальных и горизонтальных элементов и раскосов, с тем, чтобы все сооружение в целом приобрело необходимые жесткость и прочность. Именно по этому принципу в наши дни строятся стальные решетчатые опоры высоковольтных линий электропередачи.

На протяжении многих столетий каркасную (иначе, фахверковую) конструкцию широко применяли в жилых постройках. При этом стены здания не являлись несущими элементами. Они лишь оберегали жилище от воздействия плохой погоды. И тем не менее их делали в достаточной степени толстыми. В последние десятилетия метод каркасного строительства переживает свой «ренессанс». Правда, сегодня мы почти не строим из дерева и не применяем раскосы. И может быть, поэтому мы не употребляем больше выражения «фахверковая конструкция», а говорим о «каркасном строительстве». Но принцип остается прежним: прочная решетчатая конструкция обеспечивает строению необходимую устойчивость, а стены, как и прежде, лишь защищают от холода, дождя и ветра, хотя и стали более тонкими.

Но как бы то ни было, современные каркасные здания много экономичнее прежних массивных построек. Однако это не всегда влечет за собой снижение общей стоимости строительства. Нередко построить здание со стальным каркасом бывает дороже, чем возвести обычный кирпичный дом или даже дом из железобетонных конструкций. Но в длительной перспективе при этом достигается существенная экономия строительных материалов. Сегодня, когда мы в состоянии достаточно точно предсказать сроки полного истощения некоторых видов сырьевых ресурсов, именно это обстоятельство следует принимать во внимание в первую очередь. В течение многих столетий человек безрассудно расточал природные богатства. Не менее опрометчиво поступает он и сейчас. Повсюду, где недра земли богаты строительным песком и гравием, ежегодно вырубаются под корень многие десятки квадратных километров лесов, разрушается тонкий слой плодородной почвы, интенсивно разрабатываются песчано-гравийные карьеры (фото 19). Необходимо положить конец столь хищнической эксплуатации природных ресурсов. Иначе наши дети, хотя и будут жить в дешевых домах, но в окружении пустырей и нагромождений шахтных отвалов, которые нельзя будет вновь засадить лесом, ибо уничтожить плодородный слой земли — это значит одновременно уничтожить и те запасы воды, которые так необходимы для развития наземной растительности. [11]

Фото 19. Еще год назад жители этого небольшого западногерманского городка могли гордиться тем, что их домики стоят на опушке леса. Ныне сразу же за заборами садовых участков взгляду открывается иная картина. Вырубаются большие площади лесов, с тем, чтобы уступить место активно разрабатываемым гравийным карьерам.

Сама природа всегда исключительно экономно расходует свои строительные материалы. И так было и 200 миллионов и более лет назад, когда о какой-либо нехватке того или иного ресурса не могло быть и речи. Деревья с их бесчисленными сучьями, ветками и веточками представляют собой подобие ювелирной филиграни, в которой заполнен большой объем пространства при минимальных затратах строительных материалов.

Итак, речь пойдет о каркасных конструкциях. Наиболее отчетливо они выражены у близких родственников обычных комнатных фикусов — у мощных старых экземпляров Ficus rumphii. Ветви этих гигантов растут не только «центробежно», но и «центростремительно». Они переплетаются и сращиваются между собой самым причудливым образом. Возникает крупноячеистая решетчатая конструкция, которая придает дереву необычайно высокую прочность, позволяющую растению иметь могучую крону (фото 20).

Фото 20. Каркасная конструкция обеспечивает необычайную прочность как тропическим фикусам (Ficus rumphii)...,

Фото 21. ...так и современным многоэтажным каркасным постройкам..,

Фото 22. ...и в виде ажурного переплетения плоду физалиса (тонкая прозрачная оболочка плода здесь удалена).

Исключительно умелыми строителями каркасов показали себя фикусы-удушители, которые, не будучи истинными паразитами, избрали другие деревья лишь местом своего обитания. Семена этих фикусов заносятся в кроны деревьев, где они прорастают и закрепляются с помощью цепляющихся корней. Затем растение образует несколько питающих корней, которые спускаются свободно вдоль ствола дерева-опоры, пока, наконец, не достигнут почвы, где и укореняются. От вертикальных питающих корней отрастают горизонтальные воздушные корни. Они не только крепко оплетают ствол «хозяина», но и многократно срастаются друг с другом. Так возникает прочный живой каркас, который душит дерево, давшее приют фикусу, и оно в конечном итоге погибает. Сетчатая конструкция, образованная корневой системой фикуса-душителя, настолько прочна, что выдерживает его собственный вес и тогда, когда ствол-опора полностью сгнивает. Решетчатая структура ствола этого фикуса очень напоминает арматурный каркас железобетонных опор (фото 12) с той лишь разницей, что здесь арматура не заполняется сплошь материалом.

Выше приводились немногие примеры, взятые в основном из жизни тропических растений, и, прежде всего, семейства фикусовых, лишь потому, что каркасные структуры наблюдаются здесь в масштабах, приближающихся к принятым у людей. Но этот принцип можно видеть у растений и в миниатюре: практически каждый лист двудольных растений имеет каркасную конструкцию. Жилки листа образуют правильную решетку, придающую нежной поверхности листа прочность, аналогичную той, которую в современных небоскребах обеспечивает сравнительно тонким наружным стенам и внутренним перегородкам стальная арматура (фото 21). Очень отчетливо решетчатая структура видна также в плоде физалиса (Physalis alkekengi) (фото 22).

Стебель травы и «сэндвич»

Крепление распорками, придание волнистой формы строительным материалам, применение свай и сооружение арматурных каркасов — все это методы строительства с использованием легких и облегченных конструкций.

Поскольку они имеют прямое отношение прежде всего к солидным по своим размерам объектам, будь то огромные здания, большие растения или какие-то крупные части растений, их присутствие всегда легко заметить. Однако аналогичные структуры известны и в растительном микромире.

Дитя XX века — конструкция типа «сэндвич», или просто «сэндвич». При этом я имею в виду не традиционный английский сэндвич, существующий не одно столетие, а многослойные элементы строительной конструкции, сочетающие в себе малый вес с высокой прочностью. Что это такое? Представим себе две тонкие и весьма прочные опорные плиты, между которыми находится толстый слой легкого, но восприимчивого к механическим нагрузкам конструкционного материала. В большинстве случаев в качестве последнего используют жесткие пенопласты или ячеистые плиты, которые, подобно содержимому английских сэндвичей, склеиваются, прессуются или свариваются с опорными панелями. Наряду с большой экономией исходных материалов и легкостью такие конструкции отличаются очень высокой прочностью.

Технические «сэндвичи» нашли широкое применение лишь благодаря развитию таких современных производств, как, например, индустрия пластических масс, легких сплавов и т. д. Что касается природы, то «сэндвич» — основной принцип организации структур, наблюдаемых у травянистых растений. Рассмотрим поперечный срез стебля злака (фото 23). Пространство между внешней и внутренней стенками трубки стебля заполнено крупноячеистой очень легкой сотовой структурой. При столь незначительном весе конструкции вряд ли можно создать более прочный «сэндвич». Правильные шестиугольники наилучшим образом противостоят воздействию внешних сил. Это отлично «понимают» пчелы и сооружают свои соты с ячейками именно такой формы.

Фото 23. Микроскоп раскрывает тайну трубчатого стебля травы. Сотовый «сэндвич» — основная причина необычайной прочности стебля, толщина стенок которого всего лишь 0,6 миллиметра. (Здесь изображен поперечный срез соломины ячменя.)

Фото 24. В самолетостроении небольшой вес и высокая прочность достигаются тем же способом, какой использует стебель травы, то есть с помощью конструкции типа «сэндвич».

Тот же принцип «сэндвича» был применен в авиационной промышленности при создании исключительно прочных и легких металлических оболочек-стенок с совершенно ровной поверхностью (фото 24). Большая заслуга в деле изучения «технических» возможностей растений и животных и использования их для нахождения принципиально новых инженерных решений принадлежит авиаконструктору Генриху Хертелю. Результаты очень точных математических исследований полета колибри и передвижения в воде быстроплавающих рыб он перенес в сферу решения аналогичных проблем при конструировании, например, несущих винтов вертолета или движительных устройств корабля. Хертель не раз показал, в какие тупики может завести ту или иную отрасль промышленности, и, прежде всего, самолетостроение, применение лишь традиционных методов конструирования без внесения в них элементов развития.

Сверхпрочные тканые и нетканые материалы

Прочность конструкционных материалов, изготовляемых из пластических масс (маты, панели, пленки), можно повысить путем армирования их стекловолокном. Исследователи многих стран приложили немало усилий, чтобы определить, все ли виды стеклянных волокон и способы скрепления их между собой в нити и в ткани разного плетения одинаково хороши для эффективного армирования и нет ли здесь каких-либо существенных различий. Если различия существуют, то как создать идеальную волокнистую структуру? Результат ошеломляет: стеклянные волокна тем прочнее, чем они тоньше. Но это вовсе не значит, что более тонкое волокно труднее рвется, просто при уменьшении диаметра волокна вдвое прочность на разрыв уменьшается в гораздо меньшей пропорции. Чтобы повысить долговечность пластмасс, целесообразнее применять стеклоткани, в которых тонких стекловолокон содержится больше, чем толстых. Но это лишь одно чрезвычайно важное открытие. Другое не менее важное знание состоит в том, что наиболее благоприятное соотношение длины и толщины стеклянной нити составляет 200:1. Большая длина уже не будет способствовать дальнейшему повышению прочности изделия, к тому же возникают технологические трудности, связанные с необходимостью равномерно распределить волокна в массе пластика. Лабораторные исследования привели к созданию промышленных стеклопластиков различных типов. Таков итог эволюционной разработки идеи, выдвинутой в противоположность приемам жесткого конструирования (фото 25).

Фото 25. Армирование с помощью нетканого стекловолокна повышает прочность листовых и панельных изделий из синтетических смол.

Фото 26. Использование растениями волокнистых материалов обеспечивает высокую прочность клеточной оболочка (на снимке — структура клеточной стенки у Valonia ventricosa).

Как же решили растения в процессе эволюционного развития проблему создания прочной клеточной оболочки? Ответ не будет неожиданным: эволюция дала такой же результат, как и разработка идеи стеклопластика. Структура стенки растительной клетки практически не отличается от структуры синтетических материалов, армированных стекловолокном (фото 26). Для нас, людей, этот факт служит доказательством правильности наших научных изысканий.

В тех случаях, когда прочность, создаваемая путем использования короткого неориентированного стекловолокна, оказывается недостаточной, промышленность вместо стекломатов применяет тканые стекловолокнистые материалы (фото 27). Вполне оправдывает себя на практике стеклянная ткань с простым, крестовым переплетением нитей, например ткань саржевого плетения. Аналогичная картина наблюдается и в природе: структуру, похожую на крестовое плетение, имеют клеточные оболочки тех тканей, которые подвергаются значительным механическим нагрузкам (фото 28).

Фото 27. Там, где недостаточно запаса прочности, создаваемого армированием пластмасс нетканым стекловолокном с неупорядоченной структурой волокон, применяются тканые стекломатериалы разных видов плетения.

Фото 28. Аналогичные структуры можно найти и в растительном мире. Перед нами клеточная стенка у Alstonia spathulata.

Математика с точностью до одной тысячной процента

Золотое сечение

Растения — подлинные рационалисты. И именно это их свойство объясняет, почему представители разных семейств растений неизменно «применяют» одни и те же оказавшиеся наиболее удачными архитектурные принципы. Особенно широко распространен в мире растений принцип наиболее рационального использования пространства, в первую очередь при закладке тех органов растения, которые затем развиваются в огромном количестве. При этом безразлично, идет ли речь о листьях на стебле, о чешуйках на шишках хвойных деревьев, об изобилии цветков, а затем семян в крупных корзинках подсолнечника или о пучках колючек на бородавчатых выростах у кактусов. Все они в процессе своего развития размещаются в пространстве таким образом, чтобы занять в нем минимальный объем. Подобно тому, как умелые руки винодела создают в винном погребе строгий геометрические конструкции из укладываемых на хранение бутылок с вином, так и полностью сформировавшиеся органы растений располагаются по отношению друг к другу в строго определенном порядке.

Постоянно повторяющаяся в природе и все же каждый раз по-новому воспринимаемая картина целесообразного размещения ее элементов в пространстве не могла не обратить на себя внимание человека.

Вольно или невольно человек берет за образец окружающий его мир, когда он стремится воспитать в себе эстетические чувства, суждения и вкусы. Художественное восприятие формы человеком возникает, развивается и обогащается в процессе постоянного, непрерывного общения его со всем тем, что его окружает. Испокон века все здоровое и естественное является для нас красивым, гармоничным, все противоестественное, аномальное, нездоровое воспринимается как нечто уродливое, безобразное и диссонирующее. И если один и тот же архитектурный принцип, тысячекратно варьирующий в царстве флоры, вновь и вновь оказывается в поле зрения человека, вечного ученика окружающего его мира, то это не проходит бесследно. В 1958 году один из английских специалистов в области бихевиористики провел с группой лиц небольшой эксперимент. Из набора прямоугольников (фото 29) он предложил выбрать те, которые испытуемых сочтут самыми красивыми по форме. Большинство опрошенных (35 процентов) без промедления указали на фигуру, стороны которой соотносятся между собой в пропорции 21:34. Соседние фигуры также были оценены высоко, соответственно 20 процентов верхняя фигура, а 19 процентов — нижняя. Все остальные прямоугольники получили не более 10 процентов голосов каждый. Этот тест — не только чисто, статистический эксперимент, он отражает реально существующую в природе закономерность. Известно, что в мире растений наиболее часто наблюдаются те же самые пропорции. Впрочем, причины здесь уже не эстетического порядка.

Фото 29. Набор прямоугольников с различным соотношением сторон, использованных английским специалистом в области бихевиористики при проведении эксперимента. Более трети опрошенных сочли за самую «красивую» фигуру с пропорцией 21:34, которая известна как золотое сечение.

Математикам и людям искусства соотношение 21:34, а точнее 0,618034... :1 (математически это число имеет вид: , хорошо известно как золотое сечение). Художники, начиная с эпохи Возрождения, использовали в своих картинах золотое сечение, которое они считали идеальным выражением пропорциональности и которое они могли повсюду наблюдать в природе. Но, по-видимому, в изобразительном искусстве и прежде подсознательно руководствовались этим правилом. При этом нередко брались приближенные значения, например 3:5 (=0,600) или 5:8 (=0,625). В природе в большинстве случаев наблюдается намного более строгое соответствие. Так, в корзинках подсолнечника отклонение от золотого сечения составляет всего лишь четыре тысячных доли процента. [12]

Как проявляется золотое сечение в природе, можно видеть на фото 30 и 31. На первом из них изображен шаровидный кактус Mammillaria lanata, снятый сверху. На снимке хорошо различимо спиралевидное расположение скоплений колючек — так называемых ареол. Начало спиралей приходится на верхушечную часть кактуса. Новые ареолы зарождаются именно здесь. По мере роста и развития они строго по спирали оттесняются к краям. Если внимательно вглядеться в фотографии, то можно увидеть, что спирали идут в двух направлениях: по часовой стрелке (таких спиралей 34) и против часовой стрелки (их ровно 21). Опять 21:34. Это соотношение сторон того прямоугольника, который участники вышеописанного эксперимента назвала самым эстетичным, самым красивым по форме. Золотая пропорция (0,618034... :1) выдерживается здесь с точностью до 0,0065 процента (0,617647:1).

Фото 30. Ареолы (скопления колючек) кактуса Mammillaria lanata располагаются строго по спиралям.

Фото 31а. Тот же кактус, снятый сбоку. На этом небольшом участке его поверхности хорошо видны прямые линии, но которым располагаются ареолы. На предыдущей фотографии они имели вид спиралей.

Фото 31б. Растровая сетка в точности воспроизводит прямые линии, изображенные на фото 31а. «Сконструирована» в соответствии с золотым сечением.

Если смотреть на тот же кактус со стороны (фото 31а), то обнаруживается, что спирали на сравнительно небольшом участке поверхности кактуса выглядят как прямые линии, идущие по диагонали сверху вниз и слева направо или снизу вверх и справа налево. На фото 31б отображена построенная мною растровая сетка, в точности передающая диагональное расположение прямых оригинала. Хорошо видно, что прямые, идущие в одном направлении, имеют меньший наклон, чем прямые, идущие в противоположном направлении. При атом линии с различным наклоном располагаются на сетке так, что если вдоль горизонтальной прямой, проведенной от точки 0/0, начать считать диагонали, то в целом окажется что на 0,618... диагональ, наклоненную вправо, приходится одна диагональ с левым наклоном. Читатель вправе задать вопрос: а так ли это на самом деле? Ведь не может быть дробных прямых, которые могли бы быть сосчитаны. Но на рисунке отчетливо видно, что вначале примерно на две диагонали, имеющие наклон вправо, приходятся три, наклоненные влево (2:3=0,666), затем приблизительно на три с наклоном вправо — пять, имеющих наклон влево (5:8=0,625), и т. д. При этом точка пересечения диагоналей будет лежать тем ближе к горизонтальной прямой, чем точнее оказывается приближение к числу 0,618...

Если можно было бы дать аналогичную панорамную развертку растровой сетки, которая охватила бы целиком все растение, то обнаружилось бы, что на 21 диагональ с правым наклоном приходится 34 диагонали, у которых наклон в левую сторону, и что конечная точка нашей развертки точно совпала бы с ее началом (точка 0/0). Созданная таким образом сеть линий оказывается в эстетическом отношении столь же оптимальной, как и прямоугольник, построенный по принципу золотого сечения. Комплекс линий, имеющих вполне определенный и в то же время различный наклон, придает полю изображения эмоциональное внутреннее напряжение и одновременно строгую уравновешенность. Эти принципы композиционного построения художественного произведения присущи многим полотнам старых мастеров живописи.

Мы наложили растровую сетку на репродукцию картины Тициана «Вакх и Ариадна» (фото 32). Все основные линии перспективы совпадают с растром. Даже множество второстепенных для сюжета деталей и форм художник поместил в то поле внутреннего напряжения, на котором и построена вся картина. Обратите внимание на виднеющийся на горизонте небольшой холм в правой стороне полотна рядом с церковной колокольней, на ветви большого дерева, на очертание кучевого облака, лежащего под созвездием, на задние лапы и линию живота крупной дикой кошки, на направление оси опрокинутой вазы, на воздетую правую руку сатира в венке из виноградных лоз в правом углу холста и, наконец, на поднятую ногу лошади.

Фото 32. Растровая сетка наложена на картину Тициана «Вакх и Ариадна». Принципы золотого сечения лежат в основе многих произведений художников прошлого.

Тому, кто посчитает это делом случая или полагает, что картина Тициана является исключением, мы рекомендуем перенести растровую сетку на прозрачную бумагу и затем наложить ее на репродукции некоторых художественных полотен. Он будет изумлен тем, насколько часто композиции картин станут повторять динамику золотого сечения вплоть до ее зеркального отражения.

Такие произведения, как «Ливийская сивилла» Микеланджело, «Поклонение пастухов» Тинторетто, «Мадонна с длинной шеей» Пармиджанино, «Азия» Тьеполо (зеркальное отражение!), «Вакханалия» Пуссена, «Драка крестьян при игре в карты» Брауэра или «Праздник любви» Ватто (зеркальное отражение!), — это немногие примеры, которые лишь подтверждают общую закономерность.

Во все времена художники, осознанно или неосознанно, учились постигать законы эстетического восприятия, наблюдая природу. Живописцев всегда пленяла простая и одновременно рациональная геометрия форм биологического роста.

Класс точности, как у сапфировой иглы

«Математически точно, геометрически правильно» — это лучшие оценки, которые можно дать той или иной технической конструкции. Выше уже приводились примеры того, с какой экономностью растения используют пространство. Не менее удивительна прецизионная точность геометрических форм растений.

На фото 33, 34, 35 показаны три совершенно различные иглы. Две из них созданы руками человека, одна — ботанического происхождения. Все три настолько малы, что их можно детально разглядеть только под микроскопом: длина каждой из игл менее 2 миллиметров. На снимке они изображены в 50-кратном увеличении.

Фото 33. Сильно увеличенное изображение верхнего, длиной всего два миллиметра, отрезка прецизионной иглы. Под микроскопом можно видеть, сколь грубо обработан самый ее кончик.

Фото 34. Выполненное в том же масштабе изображение колючки кактуса Soehrensia sp., напротив, демонстрирует исключительную степень точности ее «обработки».

Фото 35. Лишь такие изготовляемые с большой тщательностью микроструктуры, как изображенный на атом снимке кончик сапфировой иглы, могут сравниться по точности исполнения с колючкой кактуса.

На первой фотографии мы видим кончик прецизионной иглы высшего класса, применяемой в медицине для наложения швов. При разглядывании ее невооруженным глазом создается впечатление, что игла равномерно утончается к своему острию. В действительности же игла спереди заточена. Заточка, однако, проведена грубо и асимметрично, а самый кончик острия даже загнут. Загнутые концы не единичный случай, а практически норма в производстве прецизионных игл.

Напротив, игла, которую мы видим на фото 34, с технической точки зрения выполнена безупречно: сама игла сужается в высшей степени равномерно, а ее острие заканчивается аккуратным закруглением. Перед нами самый кончик колючки кактуса, общая длина которой достигает нескольких сантиметров. Безукоризненность ее внешней формы, включая мельчайшие детали, ничем не уступает точности обработки сапфировой иглы, применяемой в радиотехнике (см. фото 35). Технологически же колючку кактуса было бы гораздо труднее изготовить, поскольку она вдвое тоньше иглы пьезоэлектрического звукоснимателя. С помощью этой колючки проигрывались граммофонные пластинки, и что же — воспроизведенный звук оказался лучшего качества.

У читателя, однако, может возникнуть вопрос, а как, собственно, все то, о чем он только что прочитал, сочетается с тематикой книги в целом. И в самом деле, настало время рассказать о том конструкционном материале, используя который растение решает все свои проблемы. Велико многообразие форм, громадных и микроскопически малых, которые выработал растительный мир за тысячелетия своего эволюционного развития. И все они построены из одного и того же материала — из живых клеток.

Там, где мы, люди, применяем сталь и стекло, бетон и асбоцемент, бумагу и картон, полиэфирные смолы и стекловолокно, проволоку и стальные канаты, дерево, песок и гравий, жесткие пенопласты и легкие металлы, сплавы и сапфир, растения имеют в своем распоряжении лишь один-единственный конструкционный материал — ткани, состоящие из клеток. Но при этом они так же хорошо, как и мы, а вероятно, даже лучше справляются со множеством технических и экологических проблем.

Молодые клетки разнообразных растительных тканей похожи друг на друга как две капли воды. Лишь позднее, в процессе роста, клетки дифференцируются, все более и более изменяясь, пока их строение не станет полностью соответствовать той функции, которую им предстоит выполнять. Одновременно различные клетки оптимально взаимодействуют друг с другом. Разделение труда и координация усилий — это два понятия, которые в представлениях людей, к сожалению, часто исключают друг друга. Напротив, в мире растений оба принципа наилучшим образом реализованы на пути приспособления к окружающему миру.

Можно предполагать, что именно ограниченность в выборе конструкционного материала, по-видимому, вынуждает растение использовать его наиболее рационально, приводя в каждом конкретном случае к оптимальному решению благодаря постоянной обратной связи с окружающей средой. В этом допущении, быть может, скрыта одна из возможностей, которой человек должен воспользоваться уже в ближайшем будущем. По мере того как будут истощаться запасы природных материалов, мы будем вынуждены укрощать присущий нам дух расточительства. Нам следует серьезнее задумываться над тем, как можно, довольствуясь немногими средствами, решать многие стоящие перед нами задачи.

Решение транспортных проблем

Через реки, озера, моря

Освоить Землю. Не почву, глину, песок, горные породы и так далее, а земной шар как таковой. Но известно, что около двух третей поверхности нашей планеты покрыто водой. В таком случае освоить Землю означает также освоить и водную стихию. Человек пытался делать это по-своему, растения — по-своему. Человеку «удалось» многое: он сумел загрязнить ручьи, реки и даже моря и океаны до размеров, угрожающих самой жизни, и стал причиной опасного снижения запасов растворенного и воде кислорода. Американские ученые полагают, что если и впредь реки Земли будут продолжать сбрасывать в Мировой океан все увеличивающиеся количества отбросов и ядовитых веществ, то может оказаться, что к концу столетия в его водах нельзя будет поймать ни одной рыбешки, что погибнут водоросли — главные поставщики кислорода в атмосферу Земли, и тогда наземная растительность окажется не в состоянии одна восполнять израсходованные количества кислорода. Вот такими методами человек пытается «осваивать» водную стихию! Напротив, растения не только приспособились к обитанию в воде, но научились при этом очищать и осветлять воду и даже обогащать ее кислородом. Человек нередко разрушает окружающую среду, с тем чтобы поставить ее себе на службу. Растения же всячески сохраняют и поддерживают ее ради той же цели.

Разумеется, было бы неразумно упрекать человека в том, что он не превратил водные просторы Земли в место своего обитания. Человек — не водное растение и не рыба, а технические возможности имеют свои рациональные пределы. К тому же нельзя быть полностью уверенным в том, что грядущие поколения из-за нехватки места на суше все же не будут вынуждены переместить свои жилые и производственные постройки под воду или по крайней мере освоить с той же целью поверхность морей и океанов.

Но сегодня эта вероятность всего лишь предполагается. [13] Здесь же я намереваюсь сравнивать лишь сравнимое. В области использования водной поверхности — это в первую очередь проблемы судоходства. Человек бороздит просторы морей с доисторических времен. Люди каменного века уже умели строить суда, выдалбливая их из цельного ствола дерева, сплетая лодки и плоты из стеблей тростника или сшивая их из шкур убитых животных. За 1500 лет до нашей эры мужественные финикийцы отваживались выходить далеко в открытое море.

История гибели судов столь же стара, как и история самого судоходства. Огромные сокровища навсегда погрузились вместе с затонувшими кораблями в морскую пучину. За прошедшие столетия и тысячелетия океан поглотил целые флоты. Еще и сегодня не проходит недели, дня, чтобы в море не гибли суда, а вместе с ними не исчезали бы безвозвратно ценности, созданные трудом человеческих рук. Статистические службы крупных международных страховых компаний утверждают, что в среднем ежегодно гибнет от 300 тысяч до 500 тысяч регистровых тонн, приходящихся на суда водоизмещением более 500 брутторегистровых тонн. А сколько пропадает без вести судов и суденышек меньших размеров?

Много путешествуют по воде и растения: по ручьям, рекам, морям, океанам. Но сколь совершенные меры безопасности предусмотрела для них природа! Их «суда» практически непотопляемы, выдерживают серьезные столкновения с плывущими по воде предметами, умеют противостоять силе прибоя и вовремя уклониться от встречи с торчащими из воды утесами.

В принципе растения «освоили» ту же технику плавания, какую освоил и человек. Им знаком и челн, то есть полый и открытый сверху поплавок; и понтоны, тот же полый поплавок, только полностью закрытый (фото 36); и плот, держащийся на воде не за счет связанных вместе понтонов, а исключительно благодаря свойствам материала, из которого он выполнен.

Фото 36. Плавательные пузыри водяного гиацинта (Eichhornia crassipes), родина которого — тропики Южной Америки. Наглядная иллюстрация использования растением принципа понтона.

С примером использования растениями принципа челна читатель уже познакомился в первом разделе книги, где говорилось о Виктории регии. Но ее листья, которые легче воды, обладают также способностью держаться на воде, подобно плотам (молодые растения Виктории используют именно этот принцип). Высокие борта листьев превращают их одновременно и в превосходные «челны», которые очень прочны и в состоянии выдержать солидный груз. На фото 6 снят лист Виктории регии с сидящей на нем молодой девушкой. Ее вес составляет почти 40 килограммов, и тем не менее нет опасения, что лист потонет или что его может залить водой. Гигантский лист площадью около 3 квадратных метров погружается в воду всего на 2 сантиметра. Поэтому при обычных условиях лист Виктории регии практически не может затонуть.

Претендовать на высокий уровень обеспечения прочности может и один из самых лучших мореплавателей в мире растений — кокосовый орех. Если в технике обычно принято устанавливать пятикратный запас надежности, то в данном случае этот запас намного больше. Плод кокосовой пальмы — кокосовый орех имеет прекрасную оснастку, которая позволяет ему, используя течение, беспрепятственно пересекать бухты и заливы, моря и даже океаны в поисках нового места обитания. Этот вид пальмы предпочитает всем другим краям морские побережья и имеет склонность к дальним морским путешествиям. Кокосовый орех использует два принципа плавания: принцип плота и понтона. Твердая скорлупа ореха покрыта сверху толстой оболочкой из жесткого, эластичного и в то же время рыхлого волокнистого материала. Оболочка настолько легка, что в состоянии одна удержать кокосовый орех на плаву. С внешней стороны ее ограждает от возможных повреждений гладкая кожура. Если орех попадает в полосу прибоя и кожура разорвется из-за трения о песок и камни, оболочку защитят от истирания кокосовые волокна. Они необычайно крепки и поэтому являются излюбленным материалом для изготовления местными жителями красивых циновок. Но даже если долгое, порою продолжающееся многие месяцы морское путешествие в конце концов разрушит оболочку-плот, семя не погибнет. Остается еще крепкая скорлупа ореха, предохраняющая внутреннюю полость от проникновения в нее морской воды, и орех продолжит плавание уже в качестве понтона.

Таким образом, основная задача — уберечь находящееся внутри ореха мясистое семя от возможных повреждений на протяжении всей длительной и многотрудной одиссеи — решается наилучшим образом.

Однако этим не исчерпываются меры безопасности, без которых невозможна успешная «колонизация» заморских стран. Когда в конце долгого пути кокосовый орех наконец прибьется к берегу, он, разумеется, не найдет там себе «удобного гнездышка» с влажной плодородной почвой. Скорее всего, прибой занесет его в какую-нибудь соленую лагуну с песчаным дном. Но путешественнику это не страшно, ибо весь нужный ему провиант у него с собой. Питательная сочная мякоть плода содержит в больших количествах растительные жиры и белки, столь необходимые для развития будущего проростка. Не забыты и запасы пресной воды, без которой не могут обойтись молодые всходы, — это знаменитое кокосовое молоко.

У растений — обитателей морских побережий — можно наблюдать большое разнообразие семян и плодов, умеющих плавать, подобно кокосовому ореху. Все они по своим размерам достаточно велики и в то же время плавучи, что благоприятствует их распространению при помощи морских течений.

Весьма интенсивное «судоходство» поддерживают и растения внутренних водоемов, и среди них самые обыкновенные кувшинки. Их плавающие семена, доверившись волнам и течениям, гонимые ими, в конце концов пристают к новым берегам.

Но, расселяясь при помощи воды, сами растения остаются при этом пассивными. Они лишь используют морские течения и, не тратя собственной энергии, переносятся ими на большие расстояния. Но есть в мире растений и настоящие пловцы, которые передвигаются в воде достаточно активно. Движительные аппараты, которые они используют при этом, по своим характеристикам намного превосходят технические системы, применяемые в наши дни на водном транспорте. Совершаемые ими движения подобны движениям хвостового плавника рыбы. Активно плавают в воде бактерии, одноклеточные Жгутиковые, половые клетки многих водорослей, грибов, мхов, папоротников. Большинство из них перемещается посредством довольно сложных гребных движений, производимых жгутиками. На фото 37 показаны три различных типа движений, которые совершают жгутики одного и того же растительного микроорганизма. Возможность имитировать удар хвостового плавника рыбы или взмах крыла птицы представляет для конструктора весьма заманчивую цель. Орган передвижения у живых организмов, будь то жгутик, плавник рыбы или крыло птицы, в каждой отдельной фазе движения непостижимо верно адаптируется к складывающимся условиям обтекания внутри водного или воздушного потока. Существующие технические системы не в состоянии пока достичь этого даже в первом приближении.

Фото 37. Движения жгутиков одноклеточного растительного организма из рода Monas удивительно точно соответствуют господствующим условиям обтекания. Поэтому к.п.д. подобного весьма гибкого механизма движения приближается к 100 процентам. В технике добиться такого показателя практически невозможно. На схеме а и б — два вида возвращения жгутика в исходное положение;в, г и д — различные виды направляющего движения жгутика.

Создание гребных и авиационных винтов с переменным углом атаки лопастей — первая и весьма слабая попытка конструкторов создать гибкие движительные устройства. В этой области уже на протяжении многих лет проводит опыты профессор Хертель, который, работая в авиастроении, стремится в своих поисках брать за образец природу. В Высшей технической школе Берлина он испытывает модели судов, которые оснащены установками, в общих чертах копирующими движения хвостового плавника рыб или жгутика одноклеточных организмов. Первые полученные результаты сам Хертель характеризует как «поразительно хорошие». По его словам, коэффициент полезного действия этих пока еще довольно жестких конструкций достигает 50—60 процентов. Можно предполагать, что механизм, полностью имитирующий движение жгутика и несравненно более приспособленный к условиям обтекания, будет иметь к.п.д. почти 100 процентов. Следовательно, этот механизм практически без потерь станет использовать энергию движения по ее прямому назначению. Но сегодня во многих областях техники такого рода конструкция все еще продолжает оставаться недостижимой мечтой.

Мирные стрелки

Существует мнение, что лишь систематическая разработка средств разрушения якобы позволяет науке и технике добиваться крупных успехов. Но совершенно очевидно, что стимулировать таким путем технический прогресс чересчур дорого и опасно. К тому же это окольный путь. Согласно другому суждению, появление некоторых видов новой техники, используемых ныне в мирных целях, было бы вообще немыслимо, если бы они вначале не предназначались только для военных нужд, поскольку, мол, возможности их мирного применения выявляются значительно позднее. На это можно возразить, что последнее следует отнести на счет неумения человека правильно распознавать и конструктивно, гибко решать проблемы повседневной жизни. Любопытно, что растения также имеют в своем арсенале изобретенные когда-то людьми катапульты, рычажные метательные аппараты, пневматические ружья и прочие взрывные устройства, хотя они никогда и ни на кого не нападали, и что растения сами являются прекрасными баллистиками, хотя они никогда и ни на кого не сбрасывали бомб. Растения осуществили то, что иной человек сочтет за невозможное: они научились стрелять не воюя.

Из громадного числа хитроумных способов того, как стреляют растения, мы подробнее остановимся лишь на трех. Принцип действия пневматического ружья напоминает способ, каким плодовые коробочки некоторых видов сфагновых мхов разбрасывают свои споры. Почти зрелые коробочки этих растений лишь вдвое больше булавочной головки и имеют сферическую полую внутри форму. На последней стадии созревания эти крошечные образования сильно усыхают, примерно на одну четвертую своего первоначального размера, шаровидная форма полностью утрачивается, и коробочка трансформируется в миниатюрное подобие ружейного ствола, верхняя часть которого плотно прикрыта откидывающейся изнутри крышкой. Поскольку содержащийся в коробочке воздух в процессе ее усыхания не может выйти наружу, его давление возрастает, достигая в конечном счете около 4 атмосфер. Для сравнения скажем, что давление воздуха в покрышках легковых автомобилей вдвое меньше. Непосредственно за крышкой, словно заряд картечи в охотничьем патроне, располагаются споры мха. В самый критический момент сморщивания спороносной коробочки крышка отскакивает, а сжатый воздух, расширяясь, с силой выбрасывает наружу содержимое (споры). При этом можно услышать легкий шум, создаваемый выходящим под давлением воздухом, и визуально наблюдать движение опустевшей коробочки под воздействием силы отдачи. Микроскопические снарядики летят на 40 сантиметров вверх и, если коробочка наклонена, на расстояние более 2 метров в сторону. Для орудия, размеры которого едва ли превышают один миллиметр, это превосходный результат. Но здесь гораздо большее значение имеет высота, а не дальность стрельбы, поскольку спорам необходимо прежде всего покинуть зону приземного слоя воздуха, а обо всем остальном позаботится ветер. Именно поэтому стволы миниатюрных орудий направлены почти всегда вертикально вверх.

Широко распространенный в средиземноморских странах бешеный огурец, напротив, не может рассчитывать на помощь ветра. Поэтому он стреляет не легкими, как пыль, спорами, а семенами, которые крупнее и тяжелее, чем все только что описанное нами орудие. К тому же растение стреляет не вертикально вверх, а под наиболее благоприятным для дальней стрельбы углом возвышения, величина которого колеблется в пределах 50—55 градусов. Читатель, обладающий познаниями в области физики, вправе возразить, что, мол, наибольшей дальности полета снаряда можно достичь при угле возвышения 45 градусов. С математической точки зрения дело обстоит именно так, но бешеный огурец, ведя «огонь», должен учитывать помехи, создаваемые листьями, которые встают на пути его семян, если те летят по более плоской траектории. Угол «обстрела», несколько превышающий 50 градусов, позволяет успешно миновать эти препятствия.

Бешеный огурец стреляет по принципу работы пистолета-распылителя, который применяется для распыления красок при нанесении их на какую-либо поверхность. Сам плод формой и размерами напоминает продолговатую сливу и имеет очень прочные стенки. При отделении зрелого плода от плодоножки в месте отрыва образуется отверстие, через которое почти в то же мгновение выбрасывается смесь из клейкого сока и семян (фото 38). Это вызвано тем, что содержимое плода находится под высоким давлением (почти 6 атмосфер). К тому же стенки плода создают дополнительное давление в момент выстрела. Дальность стрельбы исключительно высока: расстояния, превышающие 12 метров, совсем не редкость. Скорость полета семян достигает почти 10 метров в секунду.

Фото 38. Момент отрыва зрелого плода бешеного огурца от плодоножки. Клейкая смесь из сока и семян «выстреливается» на расстояние 12 метров и более.

Совсем по-иному стреляет циклантера (Cyclanthera explodens), принадлежащая к семейству тыквенных. Ее плод размером 2—3 сантиметра состоит, подобно ракушке, из двух находящих друг на друга створок. Между ними зажат слегка изогнутый, эластично напряженный рычаг, один конец которого накрепко прирос к телу плода, а на другом, свободном, непрочно прикреплены семена, которым предстоит отправиться в дальний путь.

Вся конструкция находится в состоянии динамического напряжения под давлением в 14—16 атмосфер, что почти в 10 (!) раз превышает давление в автомобильных покрышках. При легком касании или небольшом сотрясении створки «ракушки» моментально распахиваются, рычаг выпрямляется и, подобно праще, посылает семена на расстояние до 3 метров.

Некоторые другие растения (например, виды дорстении) столь же успешно работают при более низких давлениях. Они расселяют свои семена, используя тот же принцип, который применяют наши дети, когда стреляют косточками вишен, зажимая их между большим и указательным пальцами. Дальность стрельбы подобных «отжимных» орудий равна 5 — 7 метрам.

Ветряные мельницы, парашюты и планеры

На обочине зеленой — одуванчик — славный воин,

захватил он все вокруг: сад и рощу, поле, луг...

Пока тихо, он — молчит, но лишь ветер налетит,

шлет в воздушный океан парашютный свой десант.

Смельчаки-парашютисты лезут в траву, воду, листья,

а вчера я спас из супа двух отбившихся от группы.

Веселые четверостишия юмориста Хайнца Эрхардта приписывают безобиднейшему одуванчику довольно воинственные намерения. Вот он — типично человеческий подход к явлениям природы! Впрочем, в стихах содержится и доля истины. Во-первых, и в самом деле одуванчик посылает своих «парашютистов», только дождавшись хорошего ветра. Во-вторых, «отбившиеся от группы» десантники у одуванчика скорее правило, чем исключение. То и другое совершается вполне преднамеренно, ибо растение стремится заселить как можно больше новых земель. Его крохотные летающие плодики-парашютики необычайно легки и приспособлены для переноса их ветром (фото 39). Однако, созрев, они не отправляются тотчас же в полет с первым веянием ветерка. Они, подобно многим другим воздухоплавателям из мира растений, терпеливо ожидают того момента, когда потянет хороший ветер. И лишь тогда, когда будет достаточно сухо, когда станет в меру тепло и когда, наконец, воздух вокруг придет в движение и это будет не мгновенное легкое дуновение, а ровно и энергично дующий ветер, только тогда плоды-парашютисты рискнут покинуть отчий дом и отправиться в далекое воздушное путешествие. Для того чтобы не пропустить этот благоприятный момент, само растение регулярно «оценивает» состояние погоды: относительную влажность воздуха, температуру и силу ветра. Точно так же многие деревья, прибегающие к услугам воздушных потоков как к транспортному средству, выбрасывают десант из пыльцы или семян преимущественно в первые, как правило, ветреные послеполуденные часы. В этих случаях дальность полета бывает наибольшей.

Фото 39. Хорошо известный нам с детских лет одуванчик освоил планирующий полет при помощи парашюта. Два последних «воздухоплавателя» ожидают доброго ветра.

То, что плоды одуванчика столь удивительно похожи на миниатюрные парашюты, факт отнюдь не случайный. С одной стороны, ветер в состоянии далеко унести подобные легковесные создания. С другой, конструкция с висящим под парашютом плодом обеспечивает такую посадку, при которой плод опускается вертикально вниз, то есть находясь в наиболее благоприятном для прорастания положения. Удлиненная форма и крючочек-зацепка на его верхнем конце позволяют плоду сохранять это отвесное положение после его приземления в какую-нибудь расщелину в почве или в низкий и густой травяной покров,

Многие растения, в том числе и относящиеся к разным семействам, имеют, подобно одуванчику, своих «парашютистов». Независимо от своего систематического положения различные растения одинаковыми способами решают одну и ту же транспортную проблему.

Но, как известно, полеты на парашютах не исчерпывают всех возможностей аэронавигации. Подняться в воздух позволяют также воздушные шары и крылатые летательные аппараты, использующие подъемную силу крыла либо винта. Человек освоил все эти виды передвижения в воздушном пространстве. Быть может, в этой области он опередил растения? Отнюдь нет, ибо растениям уже давно знакомы перечисленные выше способы. К тому же растения успешно применяют и некоторые другие, весьма необычные способы полета, до сих пор еще не освоенные человеком.

В тропиках высоко в кронах дерева-опоры обитает один из видов лиан Zanonia macrocarpa. Ее красивые свободно свешивающиеся с ветвей ярко-зеленые гирлянды неизменно привлекают внимание путешественников. Крылатые семена лианы дают нам один из интереснейших примеров растительной аэронавтики (фото 40).

Фото 40. Одним из самых выдающихся покорителей воздушного пространства в мире растений является семя тропической лианы занонии, размах крыльев которого достигает 15 сантиметров. В начале нашего века пионеры воздухоплавания брали его за образец при создании первых летательных аппаратов.

«Между ветвями, высоко вверху, словно гигантские абажуры, висят коричневые плоды. Нужно немного подождать, пока порыв ветра не колыхнет их, и тогда вдруг перед глазами замелькают мириады крупных отливающих атласом „бабочек“. Крупный, похожий на тыкву плод диаметром 20—24 сантиметра внезапно лопается, и на внешнем конце образуется большое треугольное отверстие с разворачивающимися по его краям плодолистиками. Раскрывшись, плод становится похожим на колокол, внутри которого множество крылатых семян расположены плотными параллельными рядами. Плоское желто-коричневое семя очень напоминает крупное тыквенное семечко. Ширина каждого из обоих слетка изогнутых в профиле крыльев равняется 5 сантиметрам, а длина 7—8 сантиметрам, что позволяет этому летательному аппарату иметь размах крыльев 14—16 сантиметров. Ткань крылышек просвечивает, словно вуаль, блестит, как шелк-сырец или атлас, и эластична, как листочки слюды. И, хотя хрупкие крылышки легко надрываются по краям, их размеры и незначительный вес самого семени, едва достигающий одной трети грамма, дают возможность крыльчатке даже в поврежденном состоянии сохранять превосходные летные качества. Слегка покачиваясь, описывая в воздухе большие круги, семя медленно, словно против своей воли, опускается на землю. Но уже при следующем дуновении ветра оно нарядной легкокрылой бабочкой вновь продолжает свой неторопливый полет».

Столь поэтично описывает ботаник Хаберландт свою встречу с летающими семенами занонии. Впрочем, планирующий полет семян этого растения произвел сильное впечатление не только на ботаников.

В 1898 году, то есть спустя пять лет после появления в свет книги Хаберландта, пионеры воздухоплавания Игнац и Иго Этрихи приобрели два летательных аппарата: планер и орнитоптер. Их прежний владелец Отто Лилиенталь был первым, кто начиная с 1891 года регулярно совершал планирующие полеты дальностью в несколько сот метров на аппаратах собственной конструкции. В 1896 году 48 лет от роду он погиб во время очередного полета. Его трагическая гибель не могла не бросить тени на достигнутые им успехи. Тем не менее это не повернуло колесо истории воздухоплавания вспять. Уже два года спустя отец и сын Этрихи, фабриканты из Богемии, решили продолжить дело, начатое Отто Лилиенталем. Прежде всего следовало искать пути обеспечения максимальной надежности летательных аппаратов. И все же их первый планер (1899 год) не смог выдержать своего первого непродолжительного полета. Неудача не обескуражила конструкторов. Стало ясно, что необходимо искать, находить и тщательно изучать уже имеющиеся образцы надежности. В технике подобных примеров не существовало. На протяжении ряда лет Этрих изучал анатомию и законы движения летающих животных. Долгое время приемлемой моделью для подражания он считал летучих мышей, поскольку с технической стороны казалось нетрудным создать нечто похожее на их летательные перепонки. Однако невозможность достичь столь же высокой, как у летучих мышей, подвижности геометрии крыла привела к краху радужных надежд. Это вынудило Этриха для создания модели планера искать в природе образец, который имел бы жесткую, неподвижную конструкцию.

И тут ему на помощь пришел случай. Некто Альборн, преподаватель из Гамбурга, только что обнаружил исключительные летные качества семян Zanonia macrocarpa. В статье «Устойчивость летательных аппаратов» он указал на то громадное значение, которое летные характеристики семян занонии могли бы иметь для развития воздухоплавания. Статья попала в руки Этриха. Не откладывая дела в долгий ящик, он вместе со своим сотрудником Вельсом отправился в Гамбург, где и получил от автора статьи модель семени и подробное описание его свойств.

Летательный аппарат семян тропической лианы представляет собой планер типа «летающее крыло», то есть планер без хвостового оперения. В последующие годы (1904—1909) Этрих строил планеры только этого типа, которые в точности копировали свой оригинал (фото 41), Самый первый из них имел размах крыльев 6 метров и мог нести 25 килограммов полезной нагрузки (фото 42). Второй планер имел размах крыльев уже 10 метров, но, как и первый, представлял собой беспилотный летательный аппарат, который поднимал в воздух 70 килограммов полезного груза. Дальность его полета достигала 300 метров. В 1906 году Иго Этрих построил аналогичную модель, на которой совершил полет уже человек. В 1909 году на планере был установлен двигатель мощностью 40 лошадиных сил. Трудности полета аппарата с двигателем и с человеком на борту создавались неточностью его центровки, от чего и зависела устойчивость аппарата в полете. Что касается семени лианы, то здесь подобных проблем не возникает, поскольку центр тяжести семени не перемещается. Любое же изменение позы человека влечет за собой перемещение и центра тяжести. По этой причине на следующей модели планера Этриха был установлен стабилизатор, форму которого позаимствовали у голубя. В мае 1910 года новый летательный аппарат успешно поднялся в воздух. Его прототипом было летучее семя тропической лианы.

Фото 41. Конструкторы первых летательных аппаратов строили планеры типа «летающее крыло», которые в точности копировали устройство семени тропической лианы.

Фото 42. Первая модель планера имела размах крыльев, равный 6 метрам. Она была в состоянии поднимать в воздух 25 килограммов полезного груза и обладала, как и ее прообраз из мира растений, хорошими характеристиками планирующего полета.

Энциклопедический словарь дает следующее определение термина «воздухоплавание»: «Воздухоплавание — перемещение в воздушном пространстве при помощи летательных аппаратов. В соответствии с международным воздушным правом к числу последних относятся: 1) летательные аппараты, подъемная сила которых создается заключенным в оболочке газом, это, например, воздушные шары, дирижабли; 2) летательные аппараты, подъемную силу которых создают потоки воздуха, обтекающие крылья, например самолеты (в том числе планеры, вертолеты и ракетопланы), а также парашюты и воздушные змеи». С парашютами в мире растений мы уже познакомились. Известен нам и наиболее интересный по своей конструкции планер (в природе имеется целый ряд существенно различающихся между собой вариантов летательных аппаратов этого типа). С принципом реактивного движения, аналогичным тому, который находит применение в ракетной технике, мы встретились, когда вели рассказ о способах распространения плодов и семян. Я не останавливаюсь на нем более подробно, так как в ботанике он играет второстепенную роль: для растений его применение в широких масштабах было бы неэкономно. Растения предпочитают использовать силу ветра, и здесь они — мастера своего дела.

Для того чтобы наиболее эффективно подключиться к такому древнейшему источнику энергии, каким является ветер, требуется создать наибольшую несущую поверхность. В этом направлении и работала мысль человека-конструктора (планеры, сферические и змейковые аэростаты, дирижабли). Сходным путем шли в этой области и растения. Так, например, у многолетнего травянистого растения физалиса (Physalis alkekengi) [14] после отцветания образуются вздутые, очень крупные кораллово-красные чашечки с плодом внутри них. Обтянутые тончайшей кожицей-пленкой, они становятся игрушкой ветра, как только оторвутся от материнского растения (фото 22). Но не все воздухоплаватели из царства растений разрастаются до столь больших размеров. Семя мака сомнительного имеет множество крошечных пустот, уменьшающих его удельный вес; в целом оно весит всего лишь одну тысячную долю грамма при диаметре 0,7 миллиметра. За счет же ячеистой структуры существенно увеличивается площадь доступной ветру внешней поверхности.

Для более крупных тел, у которых использование принципа воздушного шара означало бы чересчур высокую скорость их снижения, природа изобрела нечто иное. В интересах сокращения веса путешествующих по воле ветров природа вынуждена экономить конструкционные материалы. Уже одним применением тончайших оболочек, которыми одеваются все мелкие и мельчайшие ребра жесткости, достигается весьма заметный эффект, который удается еще более повысить с помощью весьма искусного приема. Летательные аппараты растений, построенные по типу «несущего винта», способны имитировать наличие дополнительной поверхности. На фото 43 изображен плод клена остролистого (Acer platanoides). Площадь его поверхности равна 2 квадратным сантиметрам. В сухом состоянии вес его едва достигает одной восьмой доли грамма. Оторвавшись от дерева, плодик, падая, начинает быстро кружиться из-за сопротивления воздушной среды и вследствие собственной эксцентрической конструкции. Крылатка вращается при этом вокруг своего центра тяжести, который располагается на одном из концов крыла, там, где находится семя. Удалось сфотографировать винтовую траекторию снижения крылатки клена (фото 44). Подобно тому, как ветер вращает крылья ветряной мельницы, так и встречный поток воздуха заставляет плодик описывать круговые движения. Эффект же тот, что и у вертолета, снижающегося с отключенным двигателем: вращающиеся под действием набегающего потока воздуха лопасти винта позволяют ему успешно планировать. Обращение крылатки вокруг центра тяжести создает видимость замкнутой круговой поверхности, на которую может воздействовать ветер и площадь которой для плодика, изображенного на фото 43, составляет около 20 квадратных сантиметров. Таким образом, почти десятикратного мнимого увеличения площади растение добивается самым простым путем. В результате скорость снижения крылатки уменьшается в восемь и более раз. Легкого порыва ветра, едва колышущего ветви дерева (сила ветра 4 балла), вполне достаточно, чтобы падающую с высоты 10 метров крылатку клена унести на расстояние до 100 метров. Заметим, что в данном расчете не учтено влияние воздушных завихрений или восходящих потоков воздуха, которые во много раз увеличивают дальность полета.

Фото 43. Покрытый белой краской плод-крылатка клёна позволяет хорошо различить ребра жесткости («нервюры»).

Фото 44. В полете крылатка клёна работает точно так же, как лопасти несущего винта вертолета, опускающегося с выключенным двигателем.

Не будь такого поистине гениального приспособления, плоды падали бы с дерева более или менее отвесно. В результате они прорастали бы в тени кроны материнского дерева, и молодые побеги вынуждены были бы вести между собой конкурентную борьбу за свет и жизненное пространство.

С конструктивной точки зрения роторные летательные аппараты растений, использующие принцип «несущего винта», имеют идеальную форму. Иного, впрочем, нельзя ожидать от объекта длительного эволюционного развития. Скорость снижения такого аппарата едва ли выше, чем у оптимально рассчитанного «несущего крыла», и всего в полтора раза больше, чем у полусферического парашюта с общей поверхностью свыше 40 квадратных сантиметров.

Фото 45 познакомит читателя с еще одним летательным аппаратом типа «несущий винт». Это плод ясеня обыкновенного (Fraxinus excelsior). Его «лопасть» односторонне не утяжелена, как это наблюдается у крылатки клена, а, подобно лопасти пропеллера самолета, несколько изогнута (фото 46). На фото 47 совмещены контуры плода ясеня и лопасти воздушного винта. Масштаб изображения плода увеличен. Отчетливо видно, что основные технические характеристики обеих конструкций полностью совпадают: отношение ширины к длине в том и другом случае практически одинаково 1:4,2; угол атаки во всех соответствующих точках обеих лопастей также один и тот же. И тем не менее по двум параметрам имеются существенные расхождения. Во-первых, самое широкое место у плода крылатки ясеня лежит намного дальше от центра вращения по сравнению с инженерной конструкцией. Во-вторых, «лопасть» крылатки, исключая первую треть ее длины (отсчет и здесь ведется от центра вращения), в пропорции значительно тоньше лопасти воздушного винта. Большая ширина лопасти там, где скорость ее вращения выше (то есть ближе к противоположному от точки вращения концу), обеспечивает увеличение площади поверхности, на которую воздействует встречный поток воздуха. В целом же более тонкая лопасть означает ощутимую экономию веса — факт, крайне важный при создании летательных аппаратов. Почему же в таком случае наши инженеры не воспользуются этими достоинствами летательной техники растений? Разумеется, они могут это сделать, но лишь принеся и жертву необходимую устойчивость конструкции, которая столь важна в авиации и которая не требуется растению.

Фото 45. Симметричная «лопасть» плода ясеня несколько изогнута, подобно лопасти воздушного винта самолета.

Фото 46. На снимке — лопасть воздушного винта спортивного самолета. Верхний и нижний концы ее несколько развернуты относительно оси винта.

Фото 47. На снимке справа совмещены в масштабе контуры крылатки ясеня (штриховая линия) и лопасти пропеллера крупного пассажирского самолета (сплошная линия). Слева даны контуры поперечного разреза лопастей, сделанные на различных участках общей их длины. Отчетливо видно, что основные технические характеристики обеих конструкций (отношение ширины к длине и величина угла атаки) совпадают.

Еще о двух типах летательных аппаратов я просто упомяну, не вдаваясь в детали. Это, во-первых, — дископланы, своего рода «летающие тарелки» в растительном мире. Они представляют собой исключительно легкие и хрупкие образования, по форме напоминающие диски, в центре которых находятся семена или плоды. Во-вторых, «воланопланы», названные так за их внешнее сходство с мячом для игры в бадминтон (заметим, что последние не столь уж и хорошие летуны). Волан в данном случае играет скорее роль парашюта, задача которого уменьшить скорость снижения семени и не допустить его повреждения при ударе о землю. Короче говоря, нет ни одного сколько-нибудь достойного внимания принципа воздушного полета, который не наблюдался бы в мире растений.

Если вы, читатель, приметесь рассуждать о возможностях использования силы ветра для целей передвижения, то, помимо своей воли, прежде всего вспомните о воздушных шарах, самолетах, парашютах, иными словами, о разного рода летательных аппаратах. Но ветер содействует не только тем, кто находится в воздухе. Он помогает также добиваться высоких скоростей, например, на буерах, поставленных на колеса. Там, где на побережье моря имеются обширные песчаные пляжи и где дуют благоприятные ветры, гонки на буерах становятся одним из видов спорта. Растения, обитающие в сходных условиях, прибегают к тому же способу передвижения. Но для них, гонимых ветром по песчаным дюнам, это уже не развлечение, а способ и путь к освоению новых пространств.

В Индии с началом сухого и продолжительного периода муссонных ветров дюнная растительность морских побережий начинает чахнуть. Растения вянут, засыхают и, наконец, полностью сбрасывают свои листья. И вот именно тогда голубовато-зеленая жестколистная трава Spinifex squarrosus отправляет своих «потомков» на поиски новых земель. У этой травы в течение года образуются крайне необычные, диковинные соплодия величиной с голову человека. Они представляют собой легкую, как перышко, конструкцию правильной шарообразной формы, в центре которой находится множество плотно прижатых друг к другу колосков. Проносящийся над побережьем муссон без труда срывает этот шар и гонит его по земле с большой скоростью. Дети охотно играют в этот упругий, хорошо скачущий от удара «мяч». «Парусные гонки» обеспечивают растению идеальные условия для расселения: катясь по земле, оно высевает свои семена на большой площади. Подобный метод передвижения наблюдается и у травянистых растений степных районов, где их называют «перекати-поле».

Подобно пыли, вздымаемой ветром

В первые дни мая 1934 года на острове Гельголанд появился некто Ремпе, молодой биолог, работавший над своей докторской диссертацией. Он намеревался найти на этом клочке земли, затерявшемся в просторах Северного моря, пыльцу сосны, ели, дуба и березы. На первый взгляд эта задача казалась столь же неразумной, как и желание обнаружить в Африке следы обитания там австралийского кенгуру, поскольку в те годы на Гельголанде не было ни сосен, ни елей, ни берез. Единственными деревьями на острове, распустившими ко времени приезда Ремпе свои немногочисленные цветки, были несколько ив и одинокий вяз, росший у подъема на холм. Самая ближайшая точка материка находилась на расстоянии 51 километра. До ближайшего острова (Шаргорн) было 44 километра пути. Но молодой ученый хорошо знал, чего он хочет. В северо-западной оконечности острова, на высоте 53 метров над уровнем моря, прямо на скалах, круто обрывающихся к воде, он установил двухметровый шест. На нем он укрепил предварительно смазанную вазелином и ничем не защищенную от дождя и ветра ролик-ловушку диаметром 14 миллиметров и длиной 45 миллиметров и принялся ждать. Каждые 12 часов Ремпе менял ловушку. И так повторилось семь раз. Результат превзошел все ожидания: по истечении трех с половиной суток на каждом квадратном сантиметре поверхности ловушки будущий доктор насчитал 955 пыльцевых зерен дуба. Это почти 10 зерен на 1 квадратный миллиметр! Такого количества было бы вполне достаточно для опыления дерева, сплошь усеянного распустившимися женскими цветками.

Откуда же взялась на Гельголанде пыльца? На этот вопрос возможен был один-единственный ответ: ее принес с собой ветер с материка, пролетев над морем по меньшей мере 60—70 километров.

На острове оказалась также пыльца всех перечислявшихся выше древесных пород, правда в гораздо меньшем количестве. Однако и ее хватило бы для опыления росших там деревьев. Ремпе писал позже: «За время эксперимента, продолжавшегося 84 часа, на Гельголанд через рамку-счетчик площадью 1 квадратный метр было занесено ветром около 27 миллионов пыльцевых зерен. Только за 12 дневных часов 4 мая 1934 года здесь можно было насчитать 15 миллионов пылинок».

Итак, растения в состоянии преодолевать по воздуху значительные расстояния. Для них не редкость полеты дальностью в несколько сотен километров. Пыльца березы, занесенная восходящими потоками воздуха на высоту 2000 метров, благодаря своему крайне малому весу и относительно большой поверхности будет снижаться настолько медленно, что уже чуть веющий ветерок, который лишь слегка колышет листья дерева и оставляет недвижимыми ветви (сила ветра 3 балла, скорость — 18 километров в час), сможет унести ее на расстояние 400 километров, прежде чем планирующая пылинка окончательно опуститься на землю. Чтобы преодолеть этот путь ей потребуется несколько дней. Но вряд ли можно надеяться на то, что все эти дни будет дуть ровный попутный ветер. В то же время в этих расчетах не приняты во внимание ни восходящие потоки воздуха, ни сильные ветры, которые способствуют переносу пыльцы на большие расстояния. При хорошей летной погоде нет ничего необычного в том, что пылинки совершают свое воздушное путешествие на высотах 6000 метров и более. А это уже почти крейсерская высота современных пассажирских воздушных лайнеров. С такой выси пыльца березы даже при абсолютно неподвижной атмосфере будет опускаться на землю целых 66 часов, настолько она миниатюрна и легка. Напомним, что крылатке клена, чтобы пролететь 6 километров, потребуется нескольким более двух часов. Если же говорить о парашютисте, который раскрыл свой парашют на высоте 6000 метров, то его снижение должно показаться нам поистине падением, ибо он коснется ногами земли уже через 20 минут.

Итак, исключительная способность пыльцы долгое время парить в воздухе очевидна. Причина же кроется в микроскопических размерах этого летательного аппарата. Пыльцевое зерно пихты имеет диаметр всего каких-нибудь 0,15 миллиметра, диаметр пылинки розового конского каштана и большинства видов ивовых в 10 раз меньше! Подлинными карликами являются также разносимые потоками воздуха пыльцевые зерна некоторых видов орхидей. Полмиллиона таких карликов весят всего один грамм. Но и они кажутся настоящими гигантами в сравнении со спорами грибов, диаметр которых составляет лишь 0,005 миллиметра. На один грамм веса приходится 20 миллиардов этих крошечных созданий. Скорость их снижения в атмосфере, разумеется, намного меньше, чем у пыльцы. В свободном падении с высоты 6000 метров и до земли, при абсолютно неподвижном воздухе, они пробудут в полете не менее полумесяца. Но кто скажет, сколько раз на этом пути их может подхватить и увлечь с собою восходящий поток воздуха?

И последнее. Ошибается тот, кто полагает, что кружащаяся в воздухе пыльца растений, парящие в поднебесье пыльцевые зерна и преодолевающие громадные расстояния споры грибов — это всего лишь «пыль», поднятая ветром в воздух. Правильнее будет представить себе, что за бесценный груз столь отважно и на столь далекие расстояния несет с собою каждая такая крупинка. А ведь речь идет не более и не менее как о весьма подробной наследственной программе развития и поведения для каждого конкретного растения, будь то гриб, орхидея или дерево. По воздуху, часто на больших высотах, невидимые для человека, транспортируются мириады микро-ЭВМ, которые по своим характеристикам во многом превосходят самые современные запоминающие устройства, созданные руками человека. В одной из последующих глав мы более подробно остановимся на этом вопросе.

Но нет особого труда в том, чтобы с помощью ветра разослать по белу свету крохотные пылинки. Поражает другое. Как растениям удается создать компьютеры, столь миниатюрные по размеру и в столь немыслимо громадных количествах? Каким образом эти конструкции с успехом выдерживают экстремальные условия транспортировки их неустойчивыми воздушными массами. Как вообще растения сумели освоить эту дешевую и «экономически» выгодную систему перевозок на дальние расстояния. Попутно заметим, что здесь природа поступает отнюдь не беспланово и не занимается расточительством конструкционных материалов. [15]

Цветущие деревья не распыляют свою пыльцу равномерно в течение суток. Для опыления они предпочитают использовать первые послеполуденные часы, наиболее благоприятные для возникновения восходящих токов воздуха.

Пассажиры с билетом и «зайцы»

Я неоднократно обращал внимание читателя на то, что растения при решении той или иной задачи обычно используют все представляющиеся для этого возможности. Применительно к тем транспортным средствам, с помощью которых происходит их расселение, сказанное означает, что растения должны, помимо путешествий по воздуху и воде, попытаться в тех же целях прибегнуть к помощи летающих или бегающих животных. Что может быть для растения более заманчивым, чем полет по воздуху с птицей или странствие по земле с животными, ни одного дня не проводящими на одном и том же месте? Растения научились использовать открывающиеся здесь возможности и полностью приспособились к ним.

В зависимости от вида «транспортного средства» растения перевозятся либо за определенное вознаграждение, либо бесплатно. Читателю, наверно, хорошо известно, насколько трудно попасть незамеченным на самолет: если хочешь лететь, плати. Другое дело — наземный транспорт. Порой здесь не представляет особого труда прокатиться «зайцем». Нечто похожее можно наблюдать и у растений. Если воздушный полет оплачивают, то путешествие в компании с наземными животными они совершают «безбилетниками», прицепившись к их шерсти. Сладкая и вкусная мякоть, которую имеют почти все ягоды и косточковые плоды, — своего рода стимул и плата птицам за то, что они разносят семена растений. Птицы охотно поедают сочные плоды, но их желудки не в состоянии переварить прочные и в большинстве случаев одревесневшие оболочки семян, находящихся внутри плода. Поэтому птицы «ссаживают» своего пассажира где-то в пути, вдали от родных мест. Многие островные растения обеспечили расселение своего вида именно путем наведения воздушных мостов между клочками суши, затерянными в морских просторах.

Для многих эпифитов, которые не принадлежат к паразитным растениям и используют деревья в качестве опоры или места прикрепления (фото 89), распространение семян при помощи ветра и особенно птиц оказывается жизненной необходимостью. Иным способом их семена не смогли бы попасть в кроны дерева-хозяина, чтобы там прорасти.

Некоторые тропические растения разработали, по-видимому, самый изощренный способ пользования услугами, предоставляемыми птицами. Если бы в подобных «поступках» растений мы пожелали бы усмотреть какой-либо умысел, то нам следовало бы считать их мошенниками, которые не оплачивают счета. Вот что пишет по этому поводу Хаберландт:

«B тропиках птицы и крупные животные гораздо чаще, чем в средних широтах, участвуют в распространении семян растений. Способы приспособления растений в этом направлении весьма многочисленны и разнообразны, но нам известны лишь немногие из них. Здесь же мне хотелось бы обратить внимание на некоторые виды бобовых, чьи плоды в целях приманивания птиц выработали явно подражательную окраску тем ягодам, которые охотно поедаются пернатыми. Наиболее известен в этом отношении чёточник (Abrus precatorius). Очень приметны и сразу бросаются в глаза блестящие, броские по цвету, багрово-красные семена Adenanthera pavonina. Они резко выделяются на фоне глянцевой, палевого цвета внутренней стороны перекрученной по спирали и вывернутой наизнанку створки стручка. Но пожалуй, великолепнее всего выглядят крупные, длиной до 10—11 сантиметров и шириной до 6 сантиметров, стручки Pahudia javanica: громадные, иссиня черные бобовины с их ярко-красными кровельками живописно контрастируют с серебристыми изнутри створками стручка. Трудно представить себе более эффектное сочетание цветов. Это, по-видимому, и вводит в заблуждение и приманивает зерноядных птиц, которые либо заглатывают неперевариваемые семена целиком, либо по меньшей мере разбрасывают их по сторонам. Любопытно, что семена не опадают тотчас после раскрытия створок, а еще некоторое время продолжают прочно удерживаться на них».

Свои путешествия на животных семена, плоды и даже целиком отдельные части растений совершают, не прибегая к цветовым обманам, но также не оплачивая свой проезд. Они просто повисают на шкуре животных когда те, задевая растения, проходят мимо. Нередко животное песет их на себе многие километры, пока низкая растительная поросль не смахнет их на землю. Такой способ путешествий потребовал разработки специальных приспособлений, с помощью которых плоды и семена могли бы быстро, прочно и надежно прикрепиться к движущемуся предмету и столь же быстро отцепиться от него. Лишь совсем недавно человеку впервые удалось создать подобную систему подвижного соединения. Ее элементы легко соединяются между собой и так же легко разъединяются. Речь идет о специальной ленте-застежке, действующей по принципу репейника. С ее помощью, например, прикрепляются часто сменяемые чехлы, которыми покрывают верхнюю часть кресел в современных самолетах. Крупные универмаги рекомендуют использовать ее для навески легких гардин. Швейная промышленность в некоторых случаях заменяет ею хорошо всем известные застежки-молнии. В фотоделе она дает возможность без особого труда фиксировать в нужном месте специально изготовленные кармашки для хранения фотопринадлежностей. Перечислять области практического применения столь универсальной и простой системы сочленения можно до бесконечности. С тем, как устроена эта система, знакомит фото 48. В полоску ткани шириной до 15 миллиметров заделано большое число мелких пластмассовых крючочков, которые при соприкосновении с ворсистой тканью крепко цепляются за волоски, но при некотором усилии легко, не повреждая ткани, отцепляются. Мне неизвестно, подражал или нет изобретатель этого прежде незнакомого человеку и одновременно очень простого способа соединения образцам, созданным природой. Однако уже само название нового изделия — застежка-репейник—отсылает нас к растению, которое использует тот же самый принцип действия. Это — репейник (лопух). На фото 49 изображены его крючочки-зацепки. Хорошо заметно, что стерженьки крючочков растения существенно длиннее. Это объясняется тем, что материал, за который им предстоит ухватиться, намного прочнее и грубее, чем техническая ткань. А сами крючочки? Разве точность и чистота исполнения их, а тем самым и соответствие предназначаемой цели не выше, чем у творения рук человеческих?

Фото 48. Застежка-«репейник» представляет собой полоску ткани, в которую заделано большое число мелких пластмассовых крючочков. Изображение кусочка ткани дано в 7-кратном увеличении.

Фото 49. Плод растения, давшего название техническому изделию, при том же увеличении показывает сходную структуру. Правда, стерженьки его крючочков-зацепок существенно длиннее. Это объясняется тем, что материал, за который им приходится цепляться, гораздо грубее, чем ткань.

Фото 50. Размеры плода череды невелики, всего 8 миллиметров, но его концы оснащены четырьмя исключительно эффективными «острогами».

Соцветия лопуха приспособлены к тому, чтобы разноситься животными с шерстным покровом. Они легко, целиком, ничуть не повреждаясь, отделяются от растения, как только шипики плодиков зацепятся за шерсть пробегающего мимо животного. Позднее они стряхиваются на землю и распадаются на отдельные семянки. Нередко происходит так, что отрывается не целиком вся корзинка, а только часть ее. В результате плодики лопуха, находящиеся внутри корзинки, освобождаются и успевают во время бега животного рассеяться по огромной площади.

Такого рода «зайцев», которые, чтобы пуститься в путь, используют самые различные крючочки и зацепки, в мире растений имеется великое множество. Особый интерес представляет плод череды из рода Bidens, обладающий микроскопическими, размером в несколько миллиметров, «острожками». На фото 50 можно видеть в полную величину семянку Bidens cerulus, длина которой составляет всего 8 миллиметров. Размеры остей, усеянных крючочков, не превышают 3 миллиметров. Тот, кто хоть раз свел с ними знакомство, не скоро забудет эти небольшие и необычайно настырные создания. Лишь с превеликим трудом и с помощью очень жесткой щетки удается очистить от них одежду. На фото 51 дано сильно увеличенное изображение верхней части одной из четырех остей. Разве не напоминает оно конец намного более крупной в натуре костяной остроги, которую наши далекие предки из палеолита применяли при охоте на водных животных и рыб (фото 52).

Фото 51. Сильное увеличение показывает, насколько точно и чисто обработана поверхность крошечной, имеющей длину всего 3 миллиметра «остроги».

Фото 52. Костяные остроги наших далеких предков из палеолита очень напоминают растительную структуру, изображенную на предшествующей фотографии. Те и другие имеют одно и то же назначение — как можно надежнее зацепиться за какую-либо поверхность.

Примеры с застежкой-репейником или острогой свидетельствуют о том, что при разработке простых механических конструкций человеку трудно найти новые формы, которые не встречались бы в мире растений. Но сколько еще есть у природы секретов, которые нам предстоит раскрыть и применить на практике! Неужели и в самом деле должны были пройти тысячелетия, прежде чем человек смог овладеть нехитрыми приемами, «известными» репейнику, тому самому репейнику, с которым каждую осень играют миллионы ребятишек. Какие простые и эффектные решения стародавних проблем сразу открылись бы нашему взору, будь мы немного наблюдательнее. Если мы станем серьезнее, глубже, а главное, систематически задумываться над подобными вещами, то эти наши усилия окупятся сторицей.

Впрочем, не только семена и плоды распознали благоприятные возможности путешествий на животных. Нередко в далекий путь отправляются «зайцами» целые части растений. В первую очередь это можно видеть у растений степей, полупустынь и пустынь, «умеющих» долгое время обходиться без воды. В Америке обитают членистые кактусы эпифиллюмы, каждый из члеников которых усеян множеством крючочков, цепляющихся практически за все, что попадается на их пути. Даже прочная, отполированная до блеска кожа не представляется им чересчур гладкой. В периоды затянувшейся засухи одиночные членики или их группы особенно легко отделяются от растения и уносятся животными прочь. Может быть, они попадут туда, где не столь сухо и где у них появится реальнейший шанс пережить суровое время. В том месте, где животное стряхнет зацепившиеся за его кожу плоды на землю, последние тотчас же пускают корни и начинают быстро расти. «Прыгающий» кактус Мексики проявляет чудеса ловкости, стремясь отправиться в путешествие «зайцем». Даже если проходящее мимо животное непосредственно не заденет кактуса, тот все же оказывается на его шкуре, совершив предварительно настоящий прыжок (быть может, благодаря действию сил электростатического притяжения?). Поэт писал о растении: «Ты никогда не кидаешься на людей и животных». На эти слова один из крупнейших знатоков и давний собиратель кактусов Курт Беккеберг возразил: «Кактус Cylindropuntia tunicata всегда охотно „набрасывается“ на людей и животных». Это растение в шутку называют небритым, нахальным бродягой-скитальцем. Мы должны отдать ему должное как непревзойденному мастеру приспособления к условиям окружающей среды, владеющему техникой, которая дает ему возможность в суровой и враждебной жизни пустыни выстоять в, казалось бы, безнадежной борьбе за существование.

Монокультуры нежелательны

Независимо от того, о чем идет речь: о совершающих ли морские путешествия кокосовых орехах, о гонимых ли ветром по песчаным дюнам морских побережий соплодиях Spinifex или о степных растениях шарообразной формы «перекати-поле», во всех случаях мы имеем дело с ярко выраженным стремлением растения колонизовать новые территории и тем самым обеспечить как можно более широкое расселение своего вида. Сказанное в полной мере относится и к дальним полетам по воздуху пыльцы растений. На первый взгляд может показаться, что в последнем примере расселение практически исключено, поскольку анемофилия, или ветроопыление, предполагает наличие в конечном пункте воздушного путешествия, помимо пыльцы, хотя бы одного экземпляра цветущего растения того же вида. Однако посредством скрещивания с родственными видами, а позднее и возвратного скрещивания (бэккросса) возможно реальное увеличение ареала.

Но чего, собственно, добиваются растения, проявляя своего рода «миграционный инстинкт»? Разве для них не все равно, где им расти? Разве там, где цветет и плодоносит материнское растение, не самые подходящие условия для развития молодых всходов? Ведь по логике вещей вероятность нахождения благоприятной среды обитания должна уменьшаться по мере удаления семени, плода или целых частей растений от места произрастания их родителя. В принципе дело обстоит именно так. Однако два чрезвычайно важных обстоятельства объясняют стремление растений проникнуть на новые земли.

Во-первых, «мигрируя», растения колонизуют те регионы, где они могут выжить даже в таких условиях, в которых они на своей прежней родине, где существует конкурентная борьба за жизненное пространство, не имели бы никаких шансов на продолжение рода. Так, например, многие виды альпийской флоры не погибли в продолжительные по времени ледниковые периоды только потому, что их отдельные представители переселились в более теплые долины или даже в равнинные местности. Впрочем, не только наступление нового ледникового периода означало бы настоящую катастрофу и гибель большинства растений. Для многих видов реальной угрозой их дальнейшему существованию явилось бы уже устойчивое повышение среднегодовой температуры воздуха всего на полградуса при одновременном незначительном увеличении количества осадков. Например, колоннообразные кактусы погибли бы от чрезмерного поглощения ими влаги из воздуха даже при столь несущественном изменении климата. В условиях избытка влаги кактусы буквально переполняются водой, их оболочка не выдерживает и лопается.

Во-вторых, — и, возможно, это наиболее веский довод в пользу самого активного, самого интенсивного расселения — растения плохо растут в монокультурах. Если бы все семена прорастали и развивались в непосредственной близости от материнского растения, тогда на Земле существовало бы мною районов с бедной однообразной растительностью. В этом случае не происходило бы смешения растительных форм, которое является необходимой предпосылкой для образования естественного биоценоза и дальнейшего выживания всех составляющих ого видов. Вместо него появились бы монокультуры, которые в длительной перспективе оказываются нежизнеспособными. Эпидемические заболевания, массовое размножение насекомых-вредителей за короткий срок превратили бы такие однообразные ландшафты в пустыни, лишенные всякой растительности. Ветер и вода разрушили бы плодородный слой почвы, что весьма затруднило бы возобновление здесь жизни. В монокультурах не образуется достаточных запасов почвенной влаги, и это обстоятельство иногда обрекает на гибель целые лесные массивы. Ураганные ветры легче опустошают одновидовые древостой. Поваленные деревья — благодатная пища для жуков-короедов, которые, быстро размножившись, принимаются за уничтожение уцелевших деревьев. Но природа эффективно противостоит подобным катастрофам благодаря преобладанию в растительном покрове Земли смешанных насаждений, преимущества которых перед монокультурами вполне очевидны. Их, однако, не только не замечает, но полностью игнорирует человек, занимающийся лесным хозяйством.

Любое более или менее подробное описание острова Мадейра непременно содержит серьезные упреки в адрес первопоселенцев, почти полностью уничтоживших с помощью огня густые обширные леса острова. В книгах о странах, расположенных вдоль северных берегов Средиземного моря, можно встретить аналогичные обвинения, но уже относящиеся к «безответственным» европейцам, которые-де сплошь вырубили леса, когда-то покрывавшие среднегорья, и которым, несмотря на прилагаемые колоссальные усилия, никак не удается вновь облесить их.

Но где те, кто не только говорили бы в поучительном тоне о прошлом, но и принимали бы уже сегодня безотлагательные меры но предотвращению ущерба, который систематически наносится нашему будущему во всех странах умеренной зоны? Напротив, лесное хозяйство во все нарастающих масштабах культивирует то, чего всеми средствами стремится избежать природа: монокультуру. Ветровал, эпидемии, массовое засыхание деревьев на корню — все это явления, присущие монокультурным посадкам. Это уже не грозящая опасность, а реальная действительность. Тринадцатого ноября 1972 года сильный ветер всего за каких-нибудь несколько часов нанес громадный урон монокультурным лесным посадкам ФРГ. На площади 100 тысяч гектаров можно было насчитать около 40 миллионов вывернутых с корнем, поваленных и покореженных стволов, что в пересчете составило 18 миллионов кубических метров древесины. И все это — бросовый лес. На его перевозку потребовался бы железнодорожный состав длиной 9000 километров.

Чтобы как можно скорее убрать эти нагромождения валежника и бурелома, западногерманское правительство было вынуждено воспользоваться услугами лесорубов и рабочих лесного хозяйства, приглашенных из Тироля (Австрия) и даже из Канады. Действовать надо было без промедления, ибо гибнущие деревья могли стать причиной массового размножения жука-короеда и тем самым причиной гибели живых, уцелевших древостоев. Работа велась быстро и тщательно. И тем не менее даже спустя полгода многие площади все еще несли на себе следы происшедшей катастрофы. На фото 53 можно видеть состояние участка леса в Хохшпессарте в мае 1973 года. Но снимок запечатлел еще одну сторону ущерба, причиненного ураганными ветрами. Как видно, большая часть стволов покорежена и расщеплена, а это означает, что вся взращенная ценой долгого и тщательного ухода деловая древесина в течение немногим более часа была превращена ветром в обыкновенные дрова.

Можно ли было предвидеть и предотвратить эту катастрофу? Недалеко от тех мест, где пострадал лес в 1972 году (фото 53), еще в 1958 году сильные ветры «прорубили» широкую просеку в сосновом лесу. Что же сделали лица, ответственные за ведение лесного хозяйства? Вдоль поврежденных участков леса местные органы проложили своего рода учебную тропу и выставили на ней щит, на котором перечислялись все те меры, которые необходимо предпринимать во избежание повторения подобных случаев: «Защитные полосы закладывать перпендикулярно к основному направлению ветров. Осуществлять смешанные посадки глубоко- и мелкоукореняющихся деревьев (ель), а также тех культур, которые успешно противостоят сильным ветрам: европейской лиственницы, сосны, пихты, дуба, липы». Но сколь бы похвальным ни был факт установки этого щита, сегодня он сам представляет собой весьма мрачную иллюстрацию привычки человека забывать уроки прошлого. Позади щита, на том самом участке леса, которому уже однажды ветер нанес значительный урон, растет новая поросль, и опять же чистая монокультура. А еще дальше можно видеть немых, печальных свидетелей урагана 1972 года (фото 54). Следует ли ожидать, что и на этом пустыре вновь вырастят монокультуру, которая, быть может, через 20, 30 или 40 лет снова станет жертвой урагана? Перед лицом полного несоответствия между умными словами, написанными на щите, и молодым еловым лесом, растущим за ним, едва ли можно надеяться на что-либо иное, «ибо люди часто не делают того, о чем они осведомлены и что им следует делать».

Фото 53. Монокультуры мелкоукореняющихся пород деревьев не выдерживают натиска сильных ураганных ветров.

Фото 54. Прокомментировать этот снимок можно с помощью всего лишь одной фразы: «Ибо люди часто не делают того, о чем они осведомлены и что им следует делать». Специальная табличка в назидание потомству напоминает о том, что ущерба от ураганных ветров можно избежать, если высаживать разные породы деревьев. Однако непосредственно за щитом видны свежие и опять же монокультурные посадки ели.

Монокультуры — нездоровое явление. Природа всячески противится их возникновению. Мы же, люди, не перестаем противодействовать ей в этих ее устремлениях. Так стоит ли удивляться тому, что мы вынуждены вновь и вновь сетовать на последствия нашей же неосмотрительности и недальновидности?

Мастера гидравлики

Ежедневно 20 ведер воды на шестой этаж

Если вы, читатель, живете на шестом этаже, проделайте один хотя и утомительный, но в высшей степени интересный эксперимент. Возьмите десятилитровое пластмассовое ведро, спуститесь с ним во двор и наберите там воды из водопроводного крана. С полным ведром поднимитесь к себе на шестой этаж и опорожните ведро. Всю эту операцию повторите 20 раз. Пользоваться лифтом не нужно, иначе эксперимент потеряет свою наглядность. Закончив его, вы в итоге поднимите 200 литров воды на высоту примерно 15 метров, иными словами, выполните работу, которую совершает в теплый солнечный день взрослое дерево березы.

В свою очередь я приведу здесь еще несколько любопытных цифр. Через листву небольшой (100 метров x 100 метров) буковой рощицы, где насчитывается около 400 деревьев высотой 25 — 30 метров, каждые летние сутки испаряется в среднем 20 тонн воды, то есть такое количество, которое вмещает в себя крупная автоцистерна. Но до того, как вода испарится, она по стволу и веткам дерева будет поднята в среднем на высоту 20 метров. Ради интереса можно подсчитать, какому количеству ведер и скольким этажам будут соответствовать эти цифры. В любом случае окажется, что произведена значительная работа. Но самое удивительное здесь то, что на ее выполнение деревья вообще не затрачивают собственной энергии. Рациональная конструкция делает этот процесс автоматическим. Испарение воды с поверхности листьев обусловливает непрерывный подсос снизу. Подсасывающая сила распространяется от листьев через ветви и ствол непосредственно к корням растения. Испарение происходит через устьица — микроскопические поры листьев. В погожий солнечный день, когда относительная влажность воздуха не превышает 45 процентов, величина силы всасывания равна растягивающему усилию, которое испытывает стальной тросик диаметром 3 миллиметра под действием нагрузки, равной весу взрослого человека (70 килограммов). Испарение буквально вытягивает воду из листьев, и она устремляется снизу вверх по водопроводящей системе растения. Движущей силой здесь, в конечном счете, является солнечная энергия. Именно ее используют растения для того, чтобы транспортировать воду. Здесь мы вновь видим, насколько просто и эффективно в растительном мире используется этот практически неиссякаемый источник энергии.

Наличие у растений водопроводящей системы, состоящей из большего числа микроскопических трубочек-капилляров, диаметр каждой из которых не превышает нескольких тысячных долей миллиметра, позволяет ему с необычайной легкостью совершать то, чего не в состоянии сделать ни один из созданных человеком вакуумных насосов: поднять самотеком воду на отметку более 10 метров. [16] Не будь «изобретены» эти мельчайшие в мире капилляры-трубы, высота растений не могла бы превысить и 10 метров. Только благодаря им стали возможны деревья-великаны высотой более 100 метров. Самое высокое в США дерево, калифорнийская секвойя, имело в 1967 году высоту 119 метров. Некоторые виды австралийских эвкалиптов еще выше. В долине река Латроб был обнаружен 170-метровый эвкалипт, у которого самые нижние ветки располагались на уровне 100 метров над поверхностью почвы. [17] В 1950 году в штате Квинсленд лесорубы свалили гигантскую каури. После удаления кроны и всех ветвей длина ствола дерева составляла все еще 90 метров. Ствол имел в обхвате 7 метров и весил 24 тонны.

При снабжении водой кроны дерева, имеющего высоту 150 метров, внутри отдельных капилляров действует, с учетом сил тяжести и сопротивления трения, растягивающее усилие большой величины. В результате внутри микроскопических сосудов древесины возникают столь значительные силы всасывания, что стенки сосудов втягиваются. Но в стволе дерева проходит бесчисленное множество сосудов, поэтому можно предположить, что толщина ствола должна заметно уменьшаться в полуденные часы, когда в сравнении с прошедшей ночью величина испарения резко возрастает. И действительно, удалось замерить суточные изменения диаметра ствола у калифорнийских секвой (Sequoiadendron giganteum) и сосны Монтерея (Pinus radiata). В 14 часов пополудни испарение достигает своего максимума. В это время суток диаметр; ствола наименьший. И наоборот, около 4 часов пополуночи дерево транспирирует минимальное количество влаги, поэтому толщина его ствола — наибольшая.

Из-за микроскопических размеров капилляров вода и растворенные в ней вещества поднимаются вверх по стволу сравнительно медленно. У хвойных пород скорость подъема составляет всего 1—2 метра в час. Интересен тот факт, что низкорослые растения, которые могут позволить себе роскошь иметь более крупные водопроводящие сосуды, не замедлили воспользоваться этим: вода в сосудах движется вверх намного быстрее. Так, в листьях ржи скорость «водного потока» может достигать 40— 50 метров в час.

После нашего небольшого экскурса в мир больших цифр, имеющих самое непосредственное отношение к теме водообеспечения, мне остается назвать читателю еще одну цифру. В лесистой местности транспирация (испарение) влаги через листья позволяет возвратить в атмосферу 60—70 процентов годового объема выпавших осадков. Трудно переоценить то благотворное воздействие, какое оказывает лес на климат, умеряя и регулируя его. Так вправе ли мы продолжать необдуманно вырубать каждый год многие сотни тысяч квадратных километров лесных угодий, для того чтобы на их месте строить новые дороги, поселки, промышленные предприятия, для которых было бы совсем нетрудно отыскать более подходящее месторасположение? Вправе ли мы и дальше год за годом сводить на нет леса на площади во многие десятки тысяч квадратных километров только ради того, чтобы разрабатывать здесь отнюдь не крупнейшие месторождения песка и гравия (см. фото 19)? Тот, кто задумывается не только о функции леса как погодно-климатического фактора, но и о той, быть может, даже более важной роли, которую играет растительность в очистке загрязненного воздуха и обогащении атмосферы кислородом, и о том, сколь большое значение имеют леса для обеспечения полноценного отдыха многих миллионов жителей крупных городов, тот не затруднится в выборе ответа.

Губки, вакуумные насосы и электростатика

В среднем растение на 80 процентов состоит из воды. У типичных ксерофитов [18] содержание влаги низко, 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.

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 всею 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. Частью 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 немногого: 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, а 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.

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

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 использовании воды. В результате перепада температур, обусловленного сменой дня и ночи, чередования яркого освещения и затенения на внутренних стенках листа-урны легко конденсируются нары 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 она 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.

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

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

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.

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.

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 летяг 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. [19]

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 так же заряженные шипы 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 но 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 надает ни капли дождя.

Энергия повсюду

Из школьной программы по физике нам хорошо известно, что дли того, чтобы нагреть 1 литр воды, имеющей температуру 14,5° по Цельсию, до температуры 15,5°, необходимо затратить 1 килокалорию. Килокалория относится к числу устаревших единиц измерения, и поэтому мы постараемся в нашей книге отказаться от использования ее в качестве меры тепла, но прежде укажем, что одна большая калория эквивалентна 1,16 ватт-часа электрической энергии. Чтобы вскипятить 1 литр воды комнатной температуры (14°), то есть нагреть ее на 86°, нужно затратить около 0,1 киловатт-часа. Это как раз то количество анергии, которое расходуется горящей в течение одного часа электролампочкой мощностью 100 ватт или же потребуется для нагревания 86 литров воды на один градус. И наоборот, того количества энергии, которое выделяется при охлаждении 86 литров воды на один градус, достаточно для работы той же лампочки в течение одного часа. Правда, при том условии, что превращение одного вида энергии в другой будет происходить без потерь. Но даже при их наличии общий поток полезной энергии окажется довольно значительным. Если бы, например, можно было остудить всю воду Боденского озера на один градус, то потеря тепла была бы эквивалентна 75 миллиардам киловатт-часов электроэнергии. Применительно к 60-м годам эта величина составила бы половину суммарных потребностей в электроэнергии такой страны, как ФРГ. Даже если к.п.д. преобразования тепловой энергии в электрическую был бы равен лишь 50 процентам, энергии, высвобожденной при охлаждении всей водной толщи Боденского озера на четыре градуса (предполагается, что охлаждение происходит равномерно на протяжении года), все же хватило бы для снабжения Федеративной Республики Германии электричеством в течение целого года. Но здесь читатель вправе спросить; не может ли подобное охлаждение нанести серьезный урон экологии рек и озер? Ни в коем случае. Напротив, воды не только Боденского озера, но почти всех других водоемов в промышленно развитых странах нуждаются в безотлагательном понижении их температуры. Горячие отработанные воды промышленных предприятий, сбрасываемые в водоемы, приводят к недопустимо опасному их нагреву. В свою очередь это может стать причиной сокращения запасов растворенного в воде кислорода и, как следствие, массовой гибели рыбы. Одновременно снижается способность текучих вод к самоочищению. В стоячих водоемах происходит бурное развитие водорослей, они интенсивно зарастают, дно их покрывается толстым слоем ила, а вода нередко заражается отходами нефтепереработки. Лишь одно это обстоятельство делает неотложной борьбу с термальным загрязнением рек и озер. В противном случае они окончательно превратятся в безжизненные и зловонные сточные канавы, возродить жизнь в которых вряд ли когда удастся. Почему же мы не стремимся сочетать необходимое с целесообразным, не превращаем зло в добро, иными словами, не пытаемся использовать излишки тепла для производства электричества? С технической точки зрения эта мера вполне осуществима.

На протяжении уже нескольких десятилетий в Цюрихе за счет энергии, высвобождающейся при охлаждении вод реки Лиммат, успешно отапливаются жилые здания и предприятия, принадлежащие муниципалитету. Почему же в таком случае это не происходит в крупных масштабах? Как правило, здесь ссылаются на ряд якобы объективных причин, которые, впрочем, при тщательном рассмотрении не выдерживают никакой критики. Указывают, в частности, на то, что в сравнении с получаемым результатом уровень затрат оказывается очень высоким. Однако надо помнить, что уже в ближайшие годы каждая страна будет вынуждена расходовать миллиардные суммы на охрану водной среды от загрязнения. Обращается, далее, внимание на тот факт, что традиционные методы выработки электроэнергии (в том числе и на атомных электростанциях) более совершенны и, следовательно, более экономичны. Но последнее означает лишь то, что мы слишком привыкли к ним и чересчур инертны в том, чтобы своевременно и последовательно овладевать и другими способами получения энергии.

Но той же самой причине население промышленных городов мира страдает в паше время от выброса в атмосферу большого количества отработанных газов. Если бы мы были более предусмотрительны, то уже сегодня имели бы автомобиль, который был бы оснащен водородным двигателем и имел бы отходы не в виде токсичных выхлопных газов, а в форме практически безвредной для окружающей среды жидкости (воды). Более того, ведущие автомобильные концерны располагают полностью готовой документацией на производство такого рода двигателей. Но они по молчаливому согласию не делают этого по причине якобы чересчур высоких расходов, связанных с переналадкой производства. Однако не слишком ли велика цена подобной экономии — рост смертности от смога? Вправе ли мы во главу угла всех наших действии ставить принцип сиюминутной прибыли? Разве должны мы предпочитать дальнейшее строительство тепловых и атомных электростанций разумному использованию энергии тепла за счет охлаждения перегретых промышленных стоков, создающих уже сегодня угрозу термального загрязнения среды, лишь только потому, что сжигать каменный уголь, нефть или уран представляется более рентабельным, хотя здесь не учитывается то обстоятельство, что запасы ископаемого топлива отнюдь не вечны? Разве мы должны делать это единственно по той причине, что строить тепловые электростанции по старым, испытанным рецептам оказывается дешевле и прибыльнее, чем устанавливать преобразующие системы с тепловыми насосами, разработка которых на первых порах обходится во много раз дороже? Разумеется, конкуренция промышленных предприятий и законы рыночной экономики, по-видимому, не позволяют осуществить инвестиции, целесообразность которых выявится по прошествии более или менее продолжительного периода времени и которые в ближайшей перспективе могут привести к финансовому краху целые отрасли промышленности. Однако истинные причины неправильного, ошибочного планирования на долгий срок лежат гораздо глубже. Их следует искать в двойственном поведении человека. С одной стороны, человек вообще не в состоянии мыслить перспективными категориями и поступать сообразно с заранее намеченным, к тому же он никогда до конца не обдумывает последствия своих поступков. [20] С другой стороны, человек скрупулезно придерживается однажды найденного технического решения, не обращая своего внимания на возможные варианты, до тех пор, пока окончательно не оказывается в тупике, когда уже поздно искать выход из создавшегося положения. Это — типичное следствие чисто конструктивистского образа мышления, которому чуждо знание анионов эволюционного развития окружающей среды и необходимости установления с ней обратных связей.

Как отмечалось выше, цюрихский эксперимент — это первая и притом робкая попытка промышленной утилизации избытков тепловой энергии. Однако большое количество дешевых и практически неиссякаемых источников энергии не находит сегодня применения лишь только потому, что мы закрывали глаза на необходимость планомерной и систематической разработки технических средств их освоения. Трудно себе представить то колоссальное количество энергии, которое сулит нам прямое использование перепада температуры воздуха при смена дня и ночи. А какие огромные гидравлические силы, которые можно было бы направить на производство электричества, заключены в процессах, связанных с колебанием относительной влажности воздуха! И уж поистине фантастические потоки энергии изливает день за днем на нашу планету само Солнце! Даже силу притяжения Луны человек, вооруженный современной техникой, способен поставить себе на службу, создавая приливные гидроэлектростанции. И как ни была поразительной и неожиданной сама идея строительства подобных ГЭС, ей уже не один десяток лет. И тем не менее до сих пор еще но построено ни одной сколько-нибудь значительной гидроэлектрической станции, использующей энергию приливов, работа которой была бы экономически выгодной. Крайне невелико сегодня число установок, непосредственно утилизирующих солнечную энергию. Среди них в первую очередь назовем солнечные батареи, который обеспечивают питанием узлы, поддерживающие связь космических кораблей и лунных станций с Землей. Совсем мало используется энергия, высвобождаемая и процессах, которые связаны с перепадами температур и относительной влажности воздуха. Ее применяют в основном для автоматического регулирования положения вентиляционных форточек в зданиях оранжерей (характерно, что этим изобретением мы обязаны тем немногим ботаникам, которых можно встретить среди многочисленной группы технических работников). Список новых, нетрадиционных источников энергии можно продолжить. К сожалению, на пути их практического освоения сделаны лишь первые шаги.

Иная картина наблюдается в растительном мире. В процессе синтеза органических веществ из воздуха и воды растение преобразует солнечную энергию с такой высокой эффективностью, о которой мы можем пока только мечтать. Вся древесина и нефть, весь торф и уголь, весь природный газ и бензин, короче говоря, все то, что мы, люди, сжигаем на Земле или потребляем каким-либо другим образом, в конечном счете есть не что иное, как один-единственный гигантский аккумулятор лучистой энергии, накопленной с помощью растений. Я уже рассказывал о той роли, какую играет солнечный свет в жизни растений, и о том, как используют растения силу ветра и морские течения для расселения своего вида. Сейчас же пойдет речь о том, каким образом растительные организмы преобразуют колебания относительной влажности воздуха в полезную энергию.

В южной части Северной Америки, в американских штатах Нью-Мексико и Техас, а также в Мексике произрастает селагинелла (Selaginella lepidophylla), небольшое растение, которое из-за его удивительной реакции на изменение влажности воздуха нередко продают на рынках в качестве необычного сувенира. В пустынной местности на своей родине селагинелла вынуждена приспосабливаться к частым и очень продолжительным (нередко более года) засухам. Растение научилось различать влажные, благоприятные для его роста периоды и периоды засушливой погоды, когда условия существования становятся исключительно суровыми. Поскольку различие между ними проявляется прежде всего в неодинаковом содержании влаги в воздухе, то требовалось использовать данное обстоятельство для создания таких технических средств, которые помогали бы растению выстоять в условиях засухи.

При нарастании сухости воздуха селагинелла сворачивается в клубок (фото 61). Все жизненные функции растения почти полностью приостанавливаются. Даже хлорофилл незамедлительно перемещается в глубь клетки, из-за чего сухой комочек приобретает желтовато-коричневую окраску. Складывается впечатление, что растение погибло. Но это не так. Его шарообразная форма обеспечивает наименьшую площадь внешней поверхности, что позволяет свести потери воды до минимума. Едва только пройдет дождь, будь то через несколько недель, месяцев или даже через год, растение начнет столь же быстро разворачиваться, и уже через каких-нибудь четверть часа на земле будет лежать плоская по форме и отливающая яркой зеленью розетка растения (фото 62). Как же растение осуществляет этот комплекс жизненно важных движений? Ту самую сухость, от нехватки которой растение вынуждено защищаться, оно использует для того, чтобы сжаться в неприметный комочек, и та самая влага, которая делает возможными нормальную жизнедеятельность и рост растительного организма, поставляет ему энергию, столь необходимую для раскрытия розетки. Принцип, применяемый селагинеллой, удивительно прост. На внешней поверхности ее веточек находятся крошечные чешуйки (фото 63), которые способны легко и быстро впитывать воду и при этом сильно растягиваться. Напротив, нижняя сторона веточек никак не реагирует на увлажнение. По этой причине при колебаниях влажности воздуха растение соответственно либо свертывается, либо развертывается, возобновляя свой рост. Этот механизм работает исключительно надежно: даже после гибели растения он не перестает функционировать. На фото 61, 62, 63 показан взятый из гербария экземпляр, биологическая смерть которого наступила как минимум 15 лет назад.

Фото 61. В засушливые периоды один из видов селагинелл, обитающих в Мексике, сворачивается в сухой клубок, чем-то напоминающий птичье гнездо. Отсюда и его название — «гнездовый мох».

Фото 62. В дождливое время селагинелла быстро разворачивается. Вместо клубка мы видим уже плоскую розетку растения, лежащую на поверхности почвы. Эти жизненно важные движения растение осуществляет с помощью гигроскопического механизма.

Фото 63. Крошечные «веточки» селагинеллы покрыты бесчисленным множеством чешуек, способных быстро впитывать воду.

Впрочем, не только среди селагинелл можно встретить растения, способные «воскресать из мертвых». Своим поведением иерихонская роза, растущая в пустынях Северной Америки и Ближнего Востока (ареал обитания от Ирана до Марокко), напоминает селагинеллу. Но она является одним из представителей семейства крестоцветных, а родина ее лежит на другом конце Земли. И том не менее сходные условия окружающей среды привели и к сходным результатам.

Найденное техническое решение — гигроскопическую форму движения — растения используют также и для других целей. Многие семена и плоды оснащены самыми настоящими миниатюрными гигроскопическими механизмами, источником энергии для которых служит вода, содержащаяся в атмосфере.

Плоды синего василька могут удаляться от материнского растения, совершая движения пресмыкающегося. Каждый плод имеет венчик из жестких и очень коротких щетинок. В сухую погоду щетинки раскрываются, словно веер. Во влажное время «веер» складывается. Эти попеременные колебания, вызываемые изменением влажности воздуха, позволяют семянке перемещаться по земле, поскольку острые волоски каждый раз при смене положения вонзаются в почву. Аналогично «ползают» и плоды пашенного клевера (Trifolium arvense). Применяя все тот же принцип, плоды, а если говорить точнее, то ложные плоды овсюга (Avena fatua), научились передвигаться «вприпрыжку».

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.

С помощью осмоса растения создают довольно большие давления. Внутриклеточное давление придает жесткость тем растениям, ткани которых не древеснеют. Когда осмотическое давление падает, например у срезанных и поставленных в вазу цветов, растение увядает. Осмос же — главный источник самостоятельных движений растительного организма. Многие растения обзавелись для этих целей самыми настоящими сочленениями, работающими по тому же принципу, по которому действуют гидравлические сочленения в технике. На фото 66 изображено подвижное колено стрелы экскаватора. Манипулирование ковшом осуществляется за счет движения поршня в цилиндре (на снимке это блестящая деталь, расположенная сверху стрелы). Давление в цилиндре управляемо меняется, из-за чего поршень совершает возвратно-поступательное движение, которое передается ковшу. Ту же картину можно наблюдать и в растениях. Когда черешок листа мимозы стыдливой опускается вниз (фото 67), то это означает, что в нижней части сочленения [24] внезапно упало давление, в верхней же части оно не изменилось. В результате лист почти мгновенно никнет.

Фото 66. Передняя часть стрелы экскаватора приводится в движение гидравлической системой, в которой создаются управляемые перепады в давлении жидкости.

Фото 67. Комбинированная съемка позволяет увидеть, как функционирует гидравлический механизм у мимозы. Стрелка показывает движение, совершенное черешком листа спустя несколько секунд после того, как на лист подействовало внешнее раздражение (касание). Одновременно сложились мелкие листочки. В месте, в котором черешок листа отходит от стебля, заметно небольшое утолщение — гидравлическое сочленение.

Каким же образом растение добивается внезапного падения давления? Причина в том, что оно в состоянии менять размеры пор в полупроницаемой мембране клеток. При увеличении размера пор раствор, находящийся под давлением в клетке, выходит наружу, и давление понижается. В течение считанных минут клеточная оболочка возвращается в прежнее состояние, и процесс может повториться вновь.

В предыдущем разделе я рассказал о растениях, которые используют колебания влажности атмосферного воздуха в целях перемещения. Здесь же я намереваюсь привести еще ряд примеров, которые показывают, как растения совершают те или иные движения посредством изменения осмотического давления. Одновременно я постараюсь объяснить, почему они делают это.

«Чувствительность» помогла мимозе стыдливой войти в поговорку. О легко ранимом человеке мы обычно говорим: «Он чувствителен, как мимоза». И в самом деле, перистые листочки мимозы реагируют на каждую попытку притронуться к ним. Стоит лишь слегка коснуться растения, как мелкие листочки сложного листа складываются, и черешок опускается вниз. При достаточно сильном раздражении аналогичная реакция наблюдается я у соседних листьев, правда, в обратном порядке. Очень многие ломали себе голову над тем, что же, собственно, означает столь необычное поведение растения. Написано об этом чрезвычайно много. Мне лично наиболее достоверными представляются объяснения профессора Хаберландта, долгое время изучавшего мимозу на ее второй родине. Вот что он пишет по этому поводу:

«В Сингапуре, на Яве и в Шри Ланке мне пришлось иметь дело с мимозой стыдливой как одним из самых распространенных и невзыскательных сорняков. Родина растения — Бразилия, откуда его завезли в тропические страны Старого Света. В наших оранжереях мимоза — в большинстве случаев прямостоячий кустарник. На свободе она стелется по земле, и это позволяет большей части листьев, на которые подействовало раздражение встряхиванием, „уйти“ под защиту усеянного шипами стебля. В этом, по-видимому, и состоит биологический смысл столь заметных для глаз движений растения под влиянием раздражения. Оно стремится спасти себя от диких травоядных животных. [25] Правда, в Сингапуре я не раз видел, как крупные зебу спокойно поедали ветви Mimosa pudica, несмотря на многочисленные шипы и двигательную реакцию растения. Но из этого вовсе не следует думать, что на родине растению не доставляют никакого беспокойства крупные и менее прихотливые травоядные животные. Впрочем, вовсе не исключено, что внезапная двигательная реакция растения на внешнее раздражение является средством отпугивания насекомых-вредителей, которые при каждой попытке сесть на лист буквально „теряли почву под ногами“. Я не припомню случая, когда мне пришлось бы видеть листья, поврежденные насекомыми. Наконец, не вызывает сомнения и тот факт, что листья, складывающиеся под влиянием внешнего раздражения, в меньшей степени испытывают механические повреждения, которые могут быть вызваны столь частыми здесь тропическими ливнями... У стыдливой мимозы, растущей в тропиках под открытым небом, чувствительность листьев нередко выше, чем у постоянно болеющих экземпляров из оранжерей. Очень часто, когда мне приходилось в совершенно спокойной обстановке делать наброски того или иного дерева либо зарисовывать с натуры окрестный пейзаж, я в какое-то мгновенье вдруг обнаруживал в сплошной стене густой зелени мимозы зияющую пустоту. Без всякой на то причины неожиданно поникают вначале несколько листьев. Но вот затрепетала соседняя листва, а затем подергивающееся движение стало все дальше и дальше распространяться по кусту, сопровождаемое едва уловимым шорохом трущихся друг о друга при опускании листьев. Такое их поведение вызвано тем, что в густом переплетении стеблей и ветвей дерева любой поникший лист касается другого листа, вызывая и у него рефлекторное движение. И только очень сильный импульс, например повреждение самого растения, передается от листа к листу по стеблю».

Совершенно однозначно надлежит рассматривать активное движение тычинок некоторых цветков. Насекомое, опустившись на цветок, чтобы забрать капельку нектара, слегка задевает за тычинки. Под влиянием раздражения они наклоняются в сторону «гостя» и опрокидывают на его спинку или брюшко облако ароматной пыльцы, которую он понесет к следующему цветку.

Движением своих листьев реагирует на касание и венерина мухоловка. Но ее поведение не столь безобидно. Это уже не безвредное «опудривание» пыльцой. Когда насекомое садится на один из листочков растения, он мгновенно складывается посередине. Впечатление такое, будто закрылась раскрытая прежде книга. Края половинок листа имеют загнутые кверху зазубрины, заходящие плотно одна за другую. Прежде чем насекомое успевает взлететь, оно оказывается в ловушке, выхода из которой для него нет. После того, как ловушка захлопнется, растение, сдвигая половинки, прижимает насекомое к выделительным железам. Начинается процесс пищеварения: выделяемый железками фермент переваривает пойманное насекомое. Богатый питательными веществами раствор всасывается постепенно поверхностью листа. Пример венериной мухоловки наглядно показывает, сколь стремительными могут быть гидравлические движения растений.

Однако растения реагируют не только на прямые касания, отвечая на них защитными, ловческими или какими-либо другими движениями. Источниками возбуждения могут быть перепады температуры и колебания влажности воздуха, воздействия света или электрического тока. Каждый из этих факторов вызывает специфическое движение, но всякий раз оно управляется посредством изменения внутриклеточного давления. Смена дня и ночи вызывает никтинастические движения листьев. [26] Изменения температуры и влажности регулируют процессы распускания и закрытия цветков у подснежника и у крокуса. Электрическое или тепловое раздражение влечет за собой ту же реакцию у мимозы, что и механическое касание. Иными словами, факторы, провоцирующие ответную реакцию у растения, могут быть самыми различными, но принцип движения всегда остается один и тот же: исключительно рационально функционирующий гидравлический механизм.

Прикладная термодинамика

Хлопчатобумажная одежда и современные теплоизоляционные материалы

Если вы пожелаете защитить от холода или сильного перегрева свой дом, автомобильный прицеп-дачу, отопительные трубы, какую-либо чувствительную аппаратуру или даже самого себя, то сделать это в наши дни совсем нетрудно. Торговые фирмы предложат вам богатый ассортимент теплоизоляционных материалов для самых различных целей: асбокартон и кизельгур, торфяные плиты и стекловойлок, минеральную вату, пробку и стекломаты, синтетические пенопласты и вермикулит, перлит и профилированный лист, двойные оконные рамы и стеганые поролоновые куртки. Выбор товаров исключительно широк, многообразие технических решений кажется безграничным. Однако при ближайшем рассмотрении выясняется, что по принципу действия различные изоляционные материалы походят друг на друга как две капли воды. В ключевой рубрике «Теплозащитные материалы» «Справочник инженера» дает четкое и краткое определение: «В основу действия всех технических изоляционных материалов положено свойство низкой теплопроводности газов, и в первую очередь воздуха. Мелкоячеистая структура самого материала призвана уменьшать конвективный и лучистый теплообмен. Различают изоляционные материалы пористые (пробка, кизельгур, пенопласты), волокнистые (минеральная вата, минеральная шерсть) и пленочные с воздушной прослойкой». Это определение действительно охватывает все теплоизоляционные материалы, но отнюдь не все теплозащитные, к числу которых принадлежат также средства, использующие принцип отражения, а не изоляции. Тот, кому хоть раз приходилось в разгар лета путешествовать по жарким странам в автомобиле, окрашенном в черный цвет, сразу поймет, о чем идет речь. Кузов такого автомобиля слабо отражает тепловое излучение не знающего пощады южного солнца. Внутри же автомобиля, окрашенного в белый цвет, температура в тех же условиях нередко оказывается на 10° ниже. Таким образом, полная палитра теплозащитных материалов выглядит следующим образом: пористые, волокнистые, пленочные с воздушной прослойкой и отражающие.

Я уже неоднократно упоминал о том, что при решении своих технических проблем растения обычно проигрывают все возможные варианты, доводя при этом каждый из них до полного совершенства. [27] Посмотрим же, как обстоит в царстве растений дело с теплозащитой.

Рассмотрим прежде всего пористые материалы. Пожалуй, единственный пример обращения человека к природным теплоизоляционным материалам растительного происхождения — это пробка. Не всегда пробковый слой у растений бывает ярко выражен. Наиболее мощный слой пробки образуется на стволах и старых ветвях пробкового дуба, в диком виде произрастающего в странах Средиземноморья. Именно из его коры делают самые обыкновенные бутылочные пробки. Вообще пробковый покров формируется на всех деревьях — березе, платане, бузине и т. д., однако здесь он во много раз тоньше, и поэтому его нецелесообразно использовать в промышленности. [28] Жизненно важный слой ствола дерева — камбий, лежащий между древесиной и корой, находится всего в нескольких сантиметрах, а у молодых растений даже в нескольких миллиметрах от поверхности ствола. Пробка коры надежно защищает нежные клетки камбиального слоя от механического повреждения, высыхания и резких температурных колебаний. Нередко мне приходилось видеть, как пробковый дуб более или менее благополучно переносил тяжелые последствия лесных пожаров. Даже высокая температура не могла окончательно убить в нем жизнь: уже на следующий год после перенесенного ожога дерево давало молодые побеги. Выручал толстый — с несколько сантиметров — слой пробки. Но термоизоляционным свойствам пробка не уступает минеральной вате и получившим столь широкое распространение стекломатам. Обожженный кизельгур, или инфузорная земля (диатомит), в том виде, в каком его используют строители, по эффективности теплоизоляции может сравниться с пробкой только в том случае, если защитный слоя из него будет в три раза толще.

Лишь у двух видов теплоизоляционных материалов коэффициент теплопроводности всего на 25% ниже, чем у пробки. Это — пепопласты, изготовляемые на основе синтетических смол, и слоистые пластики, в которых наполнителем является воздух. На фото 68 в сильно увеличенном виде показана структура жесткого пенопласта, разработанного на базе полистирола специально для целей теплоизоляции. На снимке хорошо различимы мелкие и мельчайшие ячейки, заполненные воздухом (зачернены). Размер самой крупной из них едва достигает одного миллиметра. Замкнутая структура и чрезвычайно тонкие стенки ячеек в комплексе существенно понижают теплопроводность материала.

Короче говоря, пенопласты — идеальный теплоизоляционный материал, появившийся на свет лишь в нашем столетии и, следовательно, технологически еще очень юный. Природа же знакома с ними с древнейших времен. На фото 69 изображена структура природного пенопласта, основная функция которого состоит в том, чтобы предохранить плоды цитрусовых от заморозков или чрезмерного перегрева. Перед нами микрофотография губчатой ткани кожуры апельсина. Темные пятна на снимке — это не живые клетки растения, а межклеточные пустоты, заполненные воздухом. С полным правом о них можно сказать, что это также идеальный теплоизоляционный материал. Собственно губчатая ткань сильно растянута и имеет разрывы в очень тонких стенках клеток. Остается только удивляться исключительной похожести изображений на фото 68 и 69.

Фото 68. Микрофотография структуры технического теплоизоляционного материала (жесткий пенопласт на основе полистирола). На снимке хорошо различимы мелкие и мельчайшие ячейки (темные участки), заполненные воздухом, и их сверхтонкие с многочисленными разрывами стенки. Сочетание этих особенностей структуры и обусловливает низкую теплопроводность материала.

Фото 69. В принципе структура природного теплоизоляционного материала та же, что и изображенная на фото 68. На снимке губчатая ткань кожуры апельсина под большим увеличением. Ее функция — предохранять плод от перегрева и охлаждения.

Материалы, обладающие замкнутой, ячеистой структурой, не находят применения там, где наряду с теплозащитой должен осуществляться и газообмен. Примеры из техники — установка стенных панелей и перегородок в строительстве, а также пошив одежды. Это — основные сферы широкого применения волокнистых материалов: стекловолокна, минеральной ваты, асбоплит, текстильного волокна. У растений также имеется большой набор самых разнообразных приспособлений: от короткого, но чрезвычайно густого опушения желтоватых цветков эдельвейса до весьма длинного, 10 сантиметров и более, «волосяного» покрова высокогорных кактусов; от мягкой серебристой как бы меховой оболочки сережек вербы, появляющихся ранней весной, до густой поросли многочисленных тончайших побегов у подушечных растений. Как правило, все эти волоски, щетинки, войлокообразные покровы и т.п. имеют белый или серебристый цвет. Их отражательная способность создает дополнительную тепловую защиту.

И, наконец, в борьбе против тепла и холода известную роль в технике играют многослойные пленочные материалы и алюминиевая фольга. Аналогичная форма изоляции известна и в растительном мире. Многослойные чешуйчатые оболочки почек можно сравнить с многослойными полимерными материалами, а высохший и сморщившийся верхний слой кожистой оболочки растения, именуемого «живым камнем» (различные виды Conophytum), напоминает нам профилированную теплоизоляционную пленку (фото 70). Высокогорные растения защищают свои молодые побеги, укрывая их несколькими слоями отмерших листьев. Эту оболочку специалисты в шутку называют «соломенной туникой».

Фото 70. Поперечный разрез мясистых листьев южноафриканского растения, именуемого «живым камнем» (Conophytum sp.), позволяет видеть, как небольшое листовое образование неплотно окутано остатками старых листьев. Такой метод теплоизоляции специалисты называют «пленочным».

Спасающиеся от жары в собственной тени

«И каждое растение радостно тянется к свету». Эта или подобная ей фраза принадлежит какому-то из немецких поэтов. Но вряд ли позволил бы себе высказать подобную мысль, хотя и в поэтической форме, известный путешественник-естествоиспытатель XIX века Александр Гумбольдт. Тот, кто знаком с тропическими лесами и пустынями, хорошо знает, сколь жгуче испепеляющими и опасными для всего живого могут быть лучи экваториального солнца. В этих районах никакое растение не тянется с радостью к свету. Напротив, флора пытается любыми путями укрыться от знойных солнечных лучей. Все живое ищет избавительной прохлады, стремится уйти в тень. Растения таких регионов вынуждены спасаться от жары в собственной тени. Они могут создавать ее самым различным образом: либо, например, с помощью плотной оболочки-мантии из серебристо-белых чешуек, как это делают песчаные розы (виды Anacampseros), растущие на сверкающих под лучами жаркого солнца гнейсовых и кварцитовых плато Южной Африки; либо посредством густого и длинного волосообразного опушения белого цвета, как у растения с поэтическим названием «живой снег» (Tephrocactus floccosus), образующего в горных пустынях Южной Америки обширные колонии; либо, наконец, путем выработки в процессе длительной эволюции наиболее рациональной внешней формы. Многие кактусы имеют ребристую поверхность тела (фото 73). При косом освещении ребра создают тень для большей части растения. В полуденные же часы, когда лучи солнца падают откосно, освещены бывают лишь верхушки этих живых колонн или шаров. Уже сама по себе шарообразная форма в сравнении с листостебельными конструкциями растений наших широт лучше приспособлена к существованию в жарком климате, поскольку половина шара постоянно находится в тени (фото 71). Хорошо известно, что из всех геометрических фигур шар обладает наименьшей поверхностью относительно собственного объема. Шарообразная форма тела растения существенно уменьшает испарение им воды в условиях жаркого климата и предохраняет внутренние части растения от излишнего перегрева. Не по той ли же причине в странах Востока столь охотно возводят куполообразные сооружения? (фото 72).

Фото 71. Шарообразная форма растений полностью оправдала себя в пустынных местностях. Из всех геометрических фигур шар обладает наименьшей поверхностью относительно собственного объема. Это существенно уменьшает испарение воды и тепловое облучение растения. Кроме того, с какой бы стороны ни освещался шар, половина его всегда будет находиться в тени. На снимке изображен представитель молочайных (Euphorbia obesa).

Фото 72. Архитектура стран, лежащих в зоне пустынь, всегда широко применяла в своих сооружениях купол, эту весьма рациональную, особенно в условиях жаркого климата, конструкцию (мавзолей Марабу в Нефте, городке, лежащем на юго-западе Туниса).

Весьма занимателен и тот факт, что растения, относящиеся к разным семействам, одинаковые задачи решают одним и тем же способом, отчего они внешне становятся очень похожими друг на друга. Неспециалист вряд ли возьмет на себя смелость утверждать, что оба изображенных на фото 73 и 74 канделябровидных растения не имеют ничего общего между собой и что они такие же родственники, как, скажем, фиалка и банан или заяц и слон. Оба растения принадлежат к совершенно разным семействам. Одно из них — кактус (Neoraimondia gigantea) — родом из северного Перу, другое — представитель многочисленного семейства молочайных (Euphorbia canariensis), распространенный на Канарских островах. Внешне похожими их сделали лишь одинаковые климатические условия. Впрочем, и шарообразное растение, о котором шла речь выше (фото 71), отнюдь не кактус, а обитающий в южноафриканских пустынях молочай.

Фото 73. Ребристая форма растений пустынь, создающая спасительную тень, также полностью оправдала себя в экстремальных условиях обитания. На снимке — кактус Neoraimondia gigantea.

Фото 74. Неспециалист едва ли отличит изображенное здесь растение (один из представителей молочайных Euphorbia canariensis) от растений, которые изображены на предыдущем фото. Однако они относятся к совершенно разным семействам и обитают на разных континентах. Внешне похожими друг на друга их сделала необходимость приспособиться к одинаковым условиям окружающей среды.

Самая чувствительная зона у кактуса — его верхушка. Здесь находится ткань, обеспечивающая рост растения. От прямого воздействия солнечных лучей ее защищает густая поросль колючек, дающих обильную тень. Формой колючки нередко напоминают самые настоящие, правда очень миниатюрные, зонтики от солнца. Располагаясь плотно друг к другу, они в то же время свободно пропускают сквозь себя воздух (фото 75).

Фото 75. Там, где не помогает ребристая или сходная с ней форма, растение использует другие методы создания столь необходимого ему затенения. От прямого воздействия солнечных лучей чувствительную верхушку кактуса Mammillaria herrerae защищает густая поросль колючек-зонтиков.

Итак, в тропических пустынях чувствуют себя как дома растения, имеющие форму шара или колонны. Выработанная ими в процессе эволюции биоморфа предохраняет их от чрезмерного перегрева и испарения. В противоположность этому в дождевых тропических лесах произрастают листостебельные растения, которым необходимо иметь большую транспирирующую поверхность. Но, как и жители пустынь, они также вынуждены защищать себя от чересчур интенсивного солнечного облучения. Жизненная форма растений влажных тропиков — деревья. Однако внешне они сильно отличаются от тех деревьев, которые мы привыкли видеть в наших лесах. Для европейца крона тропических деревьев выглядит крайне необычно и к тому же нередко в высшей степени неэстетично, ибо она производит впечатление полнейшей путаницы и страшного беспорядка. На первый взгляд кажется, что листья безжизненно обвисли и что они распределены по веткам, как им заблагорассудится: большинство веток почти целиком голые, а все их листья собраны в одну-единственную розетку на самом конце побега. Сквозь темно-зеленую листву проступают светлые серебристые ветви и сучки, то беспорядочно извивающиеся, подобно змеям, то растущие строго горизонтально и вдруг резко изгибающиеся вниз или вверх. У листьев нет той прозрачности, которая столь характерна для листвы наших лесов, освещаемой умеренным солнечным светом. Листья тропических деревьев плотные, имеют темную окраску и практически не пропускают света. Можно подумать, что они сделаны из жести, окрашенной в зеленый цвет. Их поверхность обычно гладкая, словно они покрыты воском, и обладает хорошей отражательной способностью. Бесчисленные световые блики, отбрасываемые листвой, кажутся еще более яркими. Все эти резкие переходы от света к тени слепят глаза европейца, привыкшего к рассеянному освещению под пологом лесов умеренных широт. Кто хоть раз пытался фотографировать самый обыкновенный фикус при ярком солнце, тот, несомненно, получил какое-то представление о световых контрастах, с которыми можно столкнуться в тропических лесах.

Что же делает столь различными, столь непохожими друг на друга тропические леса и леса умеренных зон? Конечно, солнечный свет. Умеренное освещение в средних широтах растения вынуждены использовать полностью. Листья здесь располагаются почти горизонтально, с тем чтобы поглотить как можно больше света; к тому же они равномерно распределены по всему дереву и поэтому мало затеняют друг друга. [29] Но жаркие дни с избыточным солнечным освещением бывают и в умеренных широтах. В таких случаях лист спасает себя от перегрева усилением трапспирации: испарение, как известно, отнимает тепло. Солнечное излучение в тропиках исключительно интенсивно, свет ярок. Тропическое солнце не столько греет, сколько обжигает. От перегрева спасти может только тень, которую и должно само для себя создавать растение. Поэтому не приходится удивляться тому, что обычно листья плотной розеткой сосредоточиваются на концах побегов, перекрывая, а следовательно, затеняя друг друга. Нередко листья просто висят на своих черешках, отчего создается впечатление полного увядания растения. При таком положении листьев лучи солнца падают на них не перпендикулярно, а под большим углом и лишь скользят по листовым пластинкам. Ко всему прочему гладкая блестящая поверхность листьев отражает значительную часть световой и тепловой радиации.

За образец «самозатеняющихся» растений можно взять так называемое «дерево путешественников» (Ravenala madagascariensis), которое, как о том говорит его ботаническое название, произрастает на Мадагаскаре. Все его листья, собранные в своеобразный «веер», створки которого расходятся симметрично на две стороны, сосредоточены на вершине стройного многометрового ствола. Самые молодые листочки располагаются в середине и растут вертикально вверх, отчего солнечные лучи падают на них под очень острым углом. Стареющие листья отклоняются в сторону, причем, чем больше возраст, тем больше их наклон. Самые старые листья уже расположены горизонтально. Скученность листьев в «веере» настолько велика, что они перекрывают друг друга. Некоторые авторы отмечают, что эти веера-опахала ориентированы в направлении с востока на запад — это обеспечивает наибольшее взаимное затенение листьев. По-видимому, такая «ориентация по компасу» и дала повод назвать растение «деревом путешественников».

Однако рациональное расположение листьев еще не гарантирует растениям низких широт полной победы в борьбе против светового и теплового облучения. Мы имеем здесь в виду своеобразную проблему противоречия между светом и тенью. В плотных сумерках тропических джунглей все живое стремится ближе к свету, чтобы затем, когда цель будет достигнута, стараться защитить себя от него.

В летние месяцы эта проблема доставляет много забот и людям. Мы предпочитаем работать в больших просторных комнатах с громадными окнами. Однако тот, кто хотя бы раз провел в жаркий солнечный день все 8 часов служебного времени в таком помещении, оценит в полной мере достоинства жалюзи. Они позволяют уменьшить нежелательную яркость освещения, а также смягчить тепловой нагрев помещения. Но жалюзи необходимо обслуживать. Ранним утром они лишь помеха в работе, следовательно, их надо поднять. Около 10 часов утра, когда на ваш письменный стол попадают еще только первые лучи солнца, достаточно установить створки жалюзи под небольшим углом и несколько приспустить сами жалюзи. Через час их следует опустить полностью, оставив створки в прежнем положении. Между 13 и 14 часами пополудни солнце ярко светит в окна. Настало время укрепить створки вертикально и тем самым полностью закрыть солнцу доступ в помещение. Однако ничто не стоит на месте. Где-то около 15 часов небо начинают заволакивать тучи: вот-вот разразится гроза. В помещении заметно потемнело; стало трудно работать. Пора поднимать жалюзи. Но не проходит и часа, как с неба вновь беспрепятственно льются жаркие лучи солнца. Все повторяется сначала. Поэтому неудивительно, что промышленность, выпускающая подвижные солнцезащитные шторы для окон, начинает рекламировать «полный комфорт», предлагая для продажи такие системы, которые автоматически регулируют положение шторы в зависимости от степени освещенности.

Однако то, что представляет для нас дорогой и современный комфорт, своего рода техническое «достижение», для растения является делом само собой разумеющимся. Бобовые растения, широко представленные в тропиках как деревьями, так и кустарниками, особенно эффективно решают проблемы света и темноты. Подобно самым совершенным жалюзи, они самостоятельно регулируют уровень теплового и светового облучения, по мере надобности плавно изменяя положение своих листьев от горизонтального к строго вертикальному. При наиболее благоприятной для них умеренной освещенности растения располагают свои опущенные листья горизонтально. При ярком же освещении они поднимают листья вертикально вверх, иногда даже складывая их попарно. Равным образом они ведут себя и в темноте. Но если днем при солнце эти движения обеспечивают защиту от чрезмерного нагревания, то ночью они позволяют уменьшить излучение тепла в пространство. Растения средней полосы в подобной солнцезащитной системе не нуждаются. Впрочем, никтинастия, наблюдающаяся у некоторых видов, например у обыкновенной фасоли или растущей во влажных лесах кислицы (фото 76, а и б), является в известной мере также средством предохранения от излишней потери тепла.

Фото 76а и 76б. Никтинастия кислицы предохраняет растение от избыточного теплового излучения.

Зимовать, как земляные белки

В этой книге мне приходится довольно часто упоминать о кактусах. Вот уже на протяжении почти двух десятилетий я не перестаю снова и снова удивляться этому необыкновенному семейству и с большим интересом нанимаюсь его изучением. Окружающая среда, в которой Обитают кактусы, нередко требует от всех этих колонно-, шаро-, цилиндро- и клубнеобразных творений природы такой жизнестойкости, которая находится буквально на пределе возможностей растительного организма.

Множество самых причудливых по форме кактусов обитает на пустынных нагорьях Мексики. Некоторые из них выработали в высшей степени несвойственный растениям способ зимовки. Подобно мексиканским сусликам, родственникам альпийских сурков, которые устраивают под землей норы и с наступлением зимнего засушливого периода впадают в глубокую, продолжительностью 6 или 7 месяцев, спячку, под землю на зимний покой уходит и лофофора (вид кактуса). [30] В земле тепло, и сюда не могут проникнуть холодные иссушающие ветры высокогорья. В феврале — марте с первыми весенними дождями серо-зеленый кожистый шар покидает свое «земляное гнездо» и выходит на дневную поверхность.

Механизм зимнего «самопогребения» растения функционирует удивительно просто. Лофофора, как и некоторые другие виды кактусов, закрепляется в почве с помощью длинного и мощного стержневого корня (фото 77). Осенью в местах ее произрастания наступает засушливый период. Растение сморщивается и ужимается настолько, что нередко теряет почти половину своего прежнего объема. Но стержневой корень продолжает крепко удерживаться в земле, поэтому верхняя часть растения с силой втягивается в землю. И вот уже ветер заносит песком то место, где прежде находилось растение. Кактус «переехал» на зимнюю квартиру. Весной сморщенное тело начинает быстро впитывать воду и в течение немногих дней вырастает до своих первоначальных размеров. В тепле и при хорошем освещении рост продолжается, и вскоре растение зацветает.

Фото 77. Лофофора (вид кактуса) закрепляется в почве с помощью мощного и длинного стержневого корня. С наступлением зимы верхняя часть растения сильно усыхает, и корень легко «утаскивает» ее под землю. Вскоре ветры заносят песком и пылью то место, где прежде находилось растение.

Техника информации: от сигнальных флажков до компьютера

Сигнальные флажки, светофоры, запахи и тепло

Растения добились многого в области статики сооружений, они успешно передвигаются по суше, по воде и по воздуху, являются мастерами своего дела в гидравлике и прикладной термодинамике, научились использовать энергию света, прекрасно чувствуют время и могут проводить точные химические анализы. И во всех перечисленных областях они достигли истинного совершенства. Если перелистать справочник инженера или ознакомиться с перечнем факультетов в техническом вузе, то можно обнаружить, что все рассказанное в этой книге о необыкновенных возможностях растений имеет свои параллели в различных областях науки и техники. Но до сих пор ничего еще не говорилось ни об измерительной технике, ни о технике передачи информации. Задача этих двух направлений знаний — помочь человеку ориентироваться в окружающем мире, научиться распознавать события, уметь излагать свои мысли так, чтобы они стали понятны другим. Это круг тех проблем, с которыми очень часто приходится сталкиваться и растениям. Каким же образом они решают их?

Под информационной техникой в узком смысле слова понимают передачу информации, а в широком — также ее получение, обработку и накопление. Но где же растениям приходится решать подобные задачи? Разумеется, там, где они вынуждены сотрудничать с другими живыми существами. Сказанное относится в первую очередь и опылению растений с помощью насекомых или других животных. Для того чтобы насекомые могли с наибольшей пользой для обеих сторон (для себя — получить как можно больше сладкого нектара, для растений — эффективно опылить их) перелетать от цветка к цветку, процесс опыления должен быть организован очень рационально. Это становится возможным только посредством применения тех или иных методов передачи информации. Растения, например, должны выставить сигналы, которые делали бы их цветки особенно заметными. Такой прием позволит намного уменьшить число разведывательных полетов. Особую маркировку надлежит иметь тем цветкам, которые не достигли еще зрелости, то есть не могут быть опылены и не в состоянии предложить насекомому сладкую взятку за его труд. Важно также каким-то образом отметить цветки, которые уже опылены и не содержат более нектара, ибо им уже успел полакомиться кто-то ранее. Это избавит насекомое от напрасной работы. От вида опылителя зависит выбор растениями соответствующего сигнала. Для пчел и жуков должны существовать одни сигналы, для мух — другие, а для колибри или летучих мышей — третьи. Цветок, опыляемый только птицами, не должен привлекать насекомых. На открытой территории предпочтение следует отдавать оптическим средствам сигнализации. Напротив, для плохо просматриваемой местности надо найти другие методы связи.

Каталог существующих у растений приемов передачи информации можно сравнить с программой работы технолога, занятого в промышленности. Объем стоящих перед растениями в этой области задач чрезвычайно велик. В связи с этим палитра найденных ими решений настолько богата, что до сих пор человеку удалось тщательно изучить лишь незначительную часть их. На эту тему написана не одна толстая книга. Как и в других случаях, нам остается лишь одно: ограничить наш рассказ несколькими примерами.

В качестве одного из самых важных средств приманивания насекомых или других животных природа широко использует оптическую сигнализацию. «Если бы люди не догадались еще раньше сравнить эти знаки приманивания с вывешенными напоказ флагами, то даже самый бесстрастный наблюдатель сделал бы это, едва только увидел цветки Musaenda», — писал еще в конце прошлого века кто-то из ботаников об одном из лазящих растений Малайских островов. Небольшого пятилепесткового венчика цветка растению, по-видимому, недостаточно для привлечения опыляющих его бабочек. Обычный прицветник трансформировался у него в большой вертикально посаженный лист молочно-белого цвета с размерами 5 сантиметров на 10 сантиметров. Это яркое светлое пятно хорошо заметно издали. Его воздействие как сигнального флажка усиливается его окраской, создающей эффект «светофора». Белый или чуть-чуть желтоватый оттенок избран растением не случайно, поскольку на чистые и светлые тона реагируют прежде всего бабочки. В тех же случаях, когда растения нуждаются в помощи мух, преобладают телесно-грязные, пестрые темно-коричневые краски или неприятные для человека черно-красные тона. Нередко цветки насекомоопыляемых растений источают сильные гнилостные запахи, например запах гниющего мяса, разлагающегося белка или казеина. Цветовая гамма, пятнистый рисунок, неприятный запах, значительные, как правило, размеры этих цветков (растение-паразит раффлезия имеет, по-видимому, самые крупные в мире цветки — более одного метра в поперечнике!) довольно убедительно для своих посетителей имитируют разлагающуюся, кровоточащую тушу погибшего животного, суля мухам богатую поживу.

Итак, наряду с формой и цветом, выступающих в качестве сигнала приманивания и различающихся в зависимости от того, на кого они рассчитаны, мы в данном случае столкнулись и с запахами как средством передачи информации. Но поговорим еще немного об окраске. Особый интерес представляют цветы, окрашенные в ярко-красные тона. Вообще существует крайне мало насекомоопыляемых растений, цветки которых были бы однотонно алыми. Хорошо известно, что насекомые не могут различать красный цвет спектра. По способности распознавать цвета их можно сравнить с дальтониками, которые не воспринимают красный и зеленый оттенки. И в самом деле, пока не удалось обнаружить ни одного растения, цветки которого были бы окрашены в чистый красный цвет и опылялись бы насекомыми. И все же такая расцветка у растений встречается. Но опыляют их не пчелы, мухи, жуки или бабочки, а птицы, например крошечные колибри, обитающие на Южноамериканском континенте, или столь же миниатюрные медососы, живущие в тропических частях восточного полушария. Глаза этих птиц чрезвычайно чувствительны ко всему красному. Но особенно привлекает их пурпурно-красный цвет, который они в состоянии различать с большого расстояния.

Для тех летучих мышей, которые питаются сочными плодами и нектаром цветов и кормятся обычно в сумеречные часы, светлые тона оказываются особенно притягательными. Лепестки цветков одного из видов тропических лиан (Freycinetia), опыляемого только крыланами, или «летучими собаками» [31], имеют светлую розовато-красную окраску. Сочные, с кислым привкусом, они являются для этих весьма прожорливых животных обычным кормом.

Цветки, сигнализация которых рассчитана на приманивание птиц, обладают характерным только для них строением. Как правило, это трубчатые цветки. Нектар спрятан глубоко в цветке. Достать его могут лишь птицы с помощью своего тонкого и длинного клюва и языка. Иногда колибри идут на хитрость, чтобы облегчить себе труд: они проклевывают цветок с другой, нижней, стороны, стремясь добраться до сладкого блюда более коротким путем. Но такое поведение птиц отнюдь не в интересах растения. Ведь, отдав нектар, они должны получить свое: опыление. Один южноамериканский кустарник (Jochroma macrocalyx) успешно борется с подобными уловками колибри. Едва только пичужка пробуравит своим острым клювом чашечку цветка, как ее с «ног до головы» обдает струйкой воды. Это вынуждает колибри надолго запомнить полученный урок и отказаться от намерения похитить нектар с «черного хода».

Бесполезно подлетать к цветкам, которые еще не раскрылись. Это хорошо известно и насекомым и птицам, а потому они и не совершают такие ненужные полеты. Однако у некоторых растений цветки хотя и полностью раскрыты, но, поскольку они не созрели, не содержат в себе ни капли нектара: попытка опылять их была бы просто бессмысленной. Человеку пока еще не удалось разгадать, каким образом цветок сигнализирует насекомому: «У меня еще ничего нет, поэтому не трудись, не ищи напрасно нектара, а лети лучше сразу к другому цветку». Можно лишь предположить, что здесь существуют какие-то чрезвычайно мелкие оптические знаки, которые человеческий глаз не в состоянии различить, но которые дают насекомому или птице соответствующую информацию. А в результате насекомые бывают избавлены от излишних визитов и получают возможность за то же время посетить большее число цветков, что опять же оборачивается пользой для опыляемых растений. Сигналы подают и те цветки, которые уже опылены и у которых предшествующий посетитель забрал уже всю сладкую добычу. В большинстве случаев они быстро и резко меняют свою окраску или столь же быстро увядают. Вот почему те, кто содержит оранжереи с орхидеями, никоим образом не допускают насекомых в помещение: опылившись, орхидеи тотчас увянут.

В качестве приманивающего средства, помимо цвета, растения используют ароматические вещества, эффективность которых особенно высока в тех случаях, когда в густой растительности визуально трудно обнаружить цветок. Состав приспособительных признаков здесь столь же разнообразен, как и в системе оптической сигнализации. Мухи обладают исключительно топким обонянием, но применительно лишь к немногим пахучим веществам, имеющим непосредственное отношение к их образу жизни. Все остальное они просто не воспринимают. По этой причине цветы, опыляемые мухами, издают обычно резкий запах падали. В данном примере не следует недооценивать того, что создается химической лабораторией растения: они имитируют те пахучие соединения, которые в обычных условиях выделяются совершенно иными субстанциями. В свою очередь у пчел чувство обоняния сходно с нашим, поэтому неудивительно, что для нас весьма приятен запах цветов, с которых пчелы собирают нектар, одновременно опыляя их. Особенно хорошо развито обоняние у некоторых видов бабочек и жуков. Они реагируют на вещества, не воспринимаемые человеком даже в большой концентрации, и тогда, когда их концентрация составляет менее 0,0000005 миллиграмма в одном кубическом метре воздуха. Они в состоянии за несколько километров распознать запах одного-единственного цветка и безошибочно определить путь к нему: информация получена ими с минимальными затратами материалов и энергии. С какого же расстояния привлекает их в таком случае интенсивный запах цветущих живых изгородей или деревьев?

Тройная система эффективной сигнализации имеется у обыкновенного аронника — травянистого растения, обильно цветущего весной во влажных лесах речных пойм. В период цветения растение выпускает большое, напоминающее нос ладьи покрывало соцветия. С внешней стороны беловатое, иногда красноватое или зеленоватое, внутри оно фиолетово-коричневое. Если наклониться к цветку, то можно почувствовать навязчивый и неприятный запах гниения, ставящий в известность всех мух в округе о том, что здесь им есть чем поживиться. Более того, цветок аронника, как и многие виды его тропических сородичей, приманивает насекомых, излучая тепловые лучи, к которым мошкара и мелкие мухи в прохладные апрельские дни довольно чувствительны. Расходуя на интенсивное дыхание накопленный в организме крахмал, початочек действует подобно отопительному элементу, нагревая нижнюю сосудообразную часть обвертки соцветия до температуры 40°, что создает резкий контраст по сравнению с наружной температурой. Растение как бы предлагает насекомым теплое пристанище внутри соцветия, которое те охотно посещают, тем более что им там приготовили и хороший стол. Но попавшее туда насекомое прежде используется растением в своих корыстных интересах. Через кольцо тончайших волосков, которые могут сгибаться лишь в одну сторону, мелкие мушки проникают в цветок и становятся на время пленниками растения. Насекомое должно вначале опылить женские цветки, расположенные в самом низу «сосуда», той пыльцой, которую оно принесло с собой, затем над ним раскрываются мужские цветки, которые осыплют его свежей пыльцой, и только тогда волоски на входе свернутся в пружину, освобождая насекомому путь наружу. Как видим, помимо тройной системы сигнализации, аронник реализует еще один элемент техники связи: обработку поступающей информации. Функционирование механизма опыления у аронника напоминает нам управление производственным процессом в промышленности с помощью ЭВМ.

Совершенные компьютеры

Самый последний и самый одаренный ребенок информационной техники — электронная вычислительная машина. В течение нескольких минут ЭВМ сделает те расчеты, на проведение которых математику потребовалось бы почти полгода. Она позволяет на небольшом пространстве хранить громадное количество данных и в любое время готова предоставить их в наше распоряжение. Систематизация данных научных исследований, ведение банковских счетов, автоматизированная продажа авиабилетов, обработка статистической информации, прогноз результатов предстоящих выборов, точнейшие математические расчеты — вот краткий перечень практически безграничных возможностей электронной вычислительной техники.

Принцип действия ЭВМ удивительно прост. Она может лишь сказать «Да» или «Нет», «Больше» или «Меньше», «Равно» или «Не равно» и считать от 0 до 1. Все более крупные числа необходимо разложить и представить в форме определенного сочетания нулей и единиц. На языке ЭВМ число 3 записывается как 00011, число 13 как 01101, а число 23 как 10111. Для запоминания каждого из этих чисел ЭВМ нужно 5 ячеек памяти. Если взять число 23, то в первой ячейке будет храниться цифра 1, во второй — цифра 0, в третьей и четвертой — опять 1 и в последней — вновь 1. Поскольку ЭВМ накапливает в своей памяти громадное количество цифровой информации, ячейки памяти по своим размерам должны быть небольшими. На практике они представляют собой миниатюрные, обладающие магнитными свойствами ферритовые сердечники, помещаемые внутри рамки из проволочного материала (фото 78). Каждый из этих сердечников — накопителей информации имеет диаметр чуть больше одного миллиметра и может запоминать 1 бит информации. [32]

В одном магнитном оперативном запоминающем устройстве (МОЗУ), который представляет собой конструктивный элемент ЭВМ, может насчитываться большое число ферритовых матриц (проволочная решетка, в узлах которой помещается от 50 тысяч до 100 тысяч ферритовых сердечников). Следовательно, МОЗУ в состоянии запомнить от 50 тысяч до 100 тысяч битов информации.

В последние годы электронная вычислительная техника добилась больших успехов. Размеры ЭВМ уменьшаются. Одновременно они становятся все более быстродействующими. В современных ЭВМ применение находят мельчайшие ферритовые сердечники. Отверстие в них настолько мало, что сквозь него с трудом проходит человеческий волос. Внешний диаметр сердечников составляет всего одну пятую миллиметра. В углублении самой обыкновенной мятной таблетки, увеличенное изображение которой дано на фото 79, находится более 4 тысяч таких сердечников, которые способны запомнить более 4 тысяч битов информации. Но промышленности этого мало. Были созданы микроскопические ячейки памяти. В центре фото 78 можно видеть небольшую ферритовую плату квадратного сечения. Размеры стороны квадрата 2,5 миллиметра. На этой плохо различаемой простым глазом поверхности укреплены мельчайшие проводники и кремниевые блочные элементы, всего 664 коммутирующих элемента. Поистине ювелирная работа! Каждый комплекс в состоянии нести 64 бита информации. На той же фотографии изображены 24 ферритовых сердечника, каждый диаметром 1,2 миллиметра, использовавшихся в прежних ЭВМ. Один такой сердечник способен запоминать 1 бит информации.

Фото 78. Часть ферритовой матрицы запоминающего устройства с плоской выборкой информации (сильно увеличено). В действительности размер ферритового сердечника равен всего 1,2 миллиметра. В центре фотографии для сравнения помещен элемент памяти современной ЭВМ.

Фото 79. Снимок позволяет сопоставить размеры мятной таблетки и ферритовых сердечников. В этой небольшой кучке их насчитывается более 4 тысяч штук. Микроскопические размеры сердечников позволяют создать в запоминающем устройстве ЭВМ большое число ячеек памяти.

Появление нового поколения ЭВМ связано с широким внедрением микроэлектроники, бурному развитию которой способствовал прогресс в области космических исследований. Размеры неудобных и громоздких прежде установок в последние годы существенно уменьшились. И все же современная электронно-вычислительная машина, состоящая не только из оперативного запоминающего устройства, но также систем ввода и вывода, дополнительных блоков памяти и другой аппаратуры, занимает довольно большое пространство (фото 80). Однако количество ячеек памяти в ней огромно. В зависимости от конструкции центральное устройство может регистрировать от 50 тысяч до 2 миллионов битов. Для техники это исключительно высокий показатель. Представляется невероятным, что на столь небольшом пространстве возможно было бы разместить еще более значительный объем информации.

Фото 80. Так выглядит помещение, в котором установлена современная ЭВМ. На переднем крае справа — основное оперативное запоминающее устройство. В зависимости от конструкции в нем может быть размещено от 50 тысяч до 2 миллионов ячеек памяти.

Имея в виду все сказанное, можно предположить, что в области создания накопителей информации человек обошел природу. Для подтверждения (а быть может, опровержения?) подобного допущения попытаемся найти аналогичные устройства в растительном мире. Сделать это будет нетрудно, поскольку мы сталкиваемся с ними каждый день, правда, не на лоне природы, поскольку в большинстве своем мы городские жители. Но тем не менее из повседневной жизни мы знакомы и с зерном, из которого изготовляют наш хлеб, и горчичным семенем, делающим столь пикантными паши колбасы, и, наконец, с маком, которым обсыпаются наши любимые булки. Иными словами, речь идет о семенах растений. В каждом из семян содержится подробнейшая информация о внешней форме растения, которому следует появиться из него. В нем хранятся подробные данные о величине, окраске и форме листьев и цветков, а также информация о том, как следует реагировать растению на холод или тепло, кислую или известковую почву, нехватку или избыток влаги, свет или его отсутствие.

Давайте немного посчитаем вместе и попытаемся определить, какое количество битов информации потребуется для того, чтобы запрограммировать с помощью технической ЭВМ только одну окраску цветка любого растения. Сделать это точно практически невозможно. Тем не менее даже приближенный анализ покажет, в чем, собственно, заключается проблема. Нам хорошо известно, что все оттенки цвета получаются за счет комбинирования трех основных цветов: синего, зеленого и красного. Плотность того или иного оттенка определяется содержанием каждого из трех компонентов в их общей смеси. Чтобы упростить наши расчеты, допустим, что содержание каждого из основных цветов будет изменяться на 1 процент. В реальной действительности этого нет, ибо комбинации могут быть самыми различными. Наше допущение означает, что в одной комбинации доля синего цвета будет равна 1 проценту, в другой — 2 процентам, в третьей — 3 процентам и так далее до тех пор, пока доля синего цвета не составит 100 процентов. Те же самые соотношения справедливы для двух остальных основных цветов. Даже при столь грубом упрощении в сумме получается около 5151 оттенка цвета. Для того чтобы заложить в память ЭВМ любую из этих цветных комбинаций, необходимо иметь 13 ячеек памяти. Кроме того, еще 10 ячеек потребуется для запоминания информации, из которой вытекает, что здесь речь идет именно о цвете, а не о чем-то другом. Нужна также информация о величине, форме, жесткости или каком-либо еще отличительном признаке из тысячи других. Как видим, только для «запоминания» машиной окраски цветка требуется 23 ячейки памяти. Далее, говоря о цвете, важно установить, а что, собственно, должно быть окрашено в растении: корни, стебель, листья, плоды или цветок. Исключительно сложно в данном случае ответить на вопрос о количестве битов информации, необходимых для хранения в «памяти» растения этих сведений. Будем руководствоваться тем, что у растения возможными объектами окрашивания являются 24 вида растительной ткани. Таким образом, нам нужны еще 5 запоминающих элементов. В целом же только для хранения информации о цвете уже необходимо иметь 28 таких элементов. Если мы выберем цветок с тройной окраской (например, у очень скромного по расцветке цветка маргаритки корзинка желтая, лепестки в целом белые, а их кончики розоватые), то число требуемых ячеек памяти увеличится до 84 (3х28). Столь же важна информация о том, как протекает изменение окраски, во-первых, на протяжении всей жизни цветка вообще, во-вторых, в зависимости от уровня освещенности, в-третьих, в зависимости от колебания температуры окружающей среды, в-четвертых, в зависимости от содержания минеральных веществ в почве и так далее и тому подобное. Предположим далее, что для наших расчетов будут иметь силу только эти 4 фактора и что в зависимости от эффективности их воздействия наша цветовая шкала, насчитывающая 5151 оттенок цвета, может изменяться не более чем на 500 дополнительных оттенков. Это потребует запрограммировать дополнительно 6 тысяч вариантов (3x4x500), на что понадобится 13 ячеек памяти. Что касается каждого из четырех факторов воздействия, то чрезвычайно важно знать, какой из многих тысяч химических и физических показателей здесь вообще имеется в виду. В этой связи на каждый цвет необходимо иметь 40 ячеек, а всего — 120. Становится очевидным, что для помещения в вычислительную машину всей необходимой информации о раскраске цветка требуется 217 ячеек памяти. И это только для части самой элементарной информации, касающейся будущего растения.

У кого не отпало желание продолжать вычисления и кто обладает навыками и знаниями в области электронной обработки информации, тот может аналогичным путем запрограммировать и другие отличительные признаки растения. Вне всякого сомнения, он впадет в отчаяние, решая данную задачу, поскольку сразу же возникнет вопрос об окраске корней, ствола, ветвей, листьев, самых разнообразных шипов, волосков, плодов, семян и т. п. Затем наступит очередь информации, описывающей размеры органов растения, структуры их поверхности, а также множества других характеристик. Одно лишь математическое описание внешней формы дерева, системы ветвления его корней и строения кроны, соотношения между диаметром ствола и толщиной ветвей, точной геометрической формы листьев, почек, цветков, плодов, структуры коры потребует нескольких миллионов бит информации. За описанием внешнего облика растения последует описание внутреннего строения: характера расположения основных тканей в растении, формы, размеров и строения клеток специализированных тканей и так далее. Наконец, нельзя обойтись без данных о химическом составе клеточного сока, о процессах роста и развития растения, об их поведении во всех возможных взаимосвязях с окружающей средой, о способе и времени размножения.

Для запоминания всей информации, касающейся растения, не хватит объема памяти крупной современной ЭВМ, к примеру такой, какая изображена на фото 80. Растение же хранит эту колоссальную массу сведений в крохотном семени: у некоторых видов бромелиевых (например, Pitcairnia maidifolia) на один грамм веса приходится не менее 25 тысяч семян. [33]

Еще миниатюрнее в роли запоминающего устройства, изобретенного природой, споры грибов, но и они содержат всю исчерпывающую информацию о строении и поведении того гриба, который их породил. Для того чтобы, например, соблюсти масштабность оригиналов и получить снимок споры гриба в том же увеличении, в каком изображены ферритовые сердечники на фото 79, нужно использовать фотобумагу размером 3,6 метра на 4,8 метра. Это площадь жилой комнаты размером 17 квадратных метров. Нельзя забывать, что размеры оригинала не превышают пяти тысячных долей миллиметра. В сравнении с микроскопическими размерами запоминающего устройства растения память современных сверхминиатюрных ЭВМ выглядит подобно вулкану, сравниваемому со спичкой. Вы считаете, что это преувеличение? Отнюдь нет. Высота вулкана в 3000 метров превышает длину спички в 70 тысяч раз. Объем пространства, занимаемого некрупной, длиною 5 метров, ЭВМ, в миллионы раз больше объема, занимаемого спорой гриба. Ко всему прочему, спора не только и не просто запоминающее устройство, но и одновременно хранитель тех веществ, из которых в будущем разовьется растение.

Ошибается и тот, кто утверждает, что ЭВМ с ее гигантскими размерами не столь восприимчива к посторонним помехам, как «память» семени растения. Для безотказной работы запоминающего устройства ЭВМ необходимы чистый воздух, постоянные влажность и температура воздуха. А что же растения? Семенам некоторых растений и спорам большинства грибов не могут причинить вреда ни низкие температуры, ни температура почти кипящей воды. Они успешно переносят и абсолютное отсутствие влаги и «всемирный потоп». Не страшны им ни песок пустынь, ни чистый, лишенный даже пыли воздух. Иными словами, они готовы ко всему, что может предложить им окружающая среда.

Рекорды измерительной техники

Растения ставят рекорды

Приспособиться к окружающей среде — это прежде всего означает уметь ориентироваться в ней. Мы, люди, используем для этих целей наряду с органами чувств измерительную технику. Не имея под рукой соответствующих приборов, мы не смогли бы воспринимать нашими органами чувств многие явления окружающего нас мира либо воспринимали бы их с большим трудом. Выявить наличие токсичных веществ в воздухе, который мы вдыхаем, или в воде, которую мы пьем; определить оптимальную освещенность рабочего места или правильную выдержку при фотосъемках; обнаружить следы присутствия какого-либо вещества; измерить содержание влаги в ценных породах древесины, предназначенной для изготовления музыкальных инструментов, — вот лишь немногие из практически бесконечного перечня тех задач, которые мы не в состоянии решить, не обращаясь к помощи созданных нами высокочувствительных приборов.

Жить в полной гармонии с окружающей средой — значит постичь ее законы и поступать, сообразуясь с полученными знаниями. Ту же мысль можно выразить иначе: организм, который живет в полной гармонии с окружающей средой, правильно реагирует на происходящие в ней изменения. Именно так ведут себя растения. Они ни в чем не уступают людям, когда дело касается приспособления к условиям местообитания. Во многом они даже опережают нас. Означает ли сказанное, что растения в состоянии «познать» реальный мир лучше, чем люди, вооруженные самой современной техникой? В общем и целом положительно ответить на этот вопрос нельзя. С помощью радиотелескопов человеку удается, например, улавливать электромагнитные волны, всходящие от сверхудаленных или даже давным-давно взорвавшихся и прекративших свое существование звезд. Человек в состоянии зарегистрировать сейсмические волны взрыва за многие тысячи километров от него, умеет точно определить то количество энергии, которое получают от Солнца Марс или любая другая планета Солнечной системы. Но что дают ему эти необычные рекорды измерительной техники? Качество его жизни они не улучшают. [34] Что касается растений, то они не в состоянии делать ничего подобного. Да им это и ни к чему. С точки зрения системы, ориентирующейся на крайний рационализм, приобретение подобных свойств представляется нецелесообразным отклонением от конкретных условий жизни. Познать окружающий мир для растения вовсе не значит получить информацию о каких-то удаленных созвездиях. Для них достаточно, например, уметь измерять лунный цикл, то есть следить за перемещением Луны на небосводе, с тем чтобы иметь возможность выжить в изменчивых условиях приливной зоны. Как можно точней распознать источник раздражения светом ли, силой ли тяжести или прикосновением, оценивать влажность воздуха, постоянно определять химический состав почвенных растворов — все это находится в самой тесной связи с жизненными функциями растения. И растение овладело техникой измерения разнообразных природных характеристик не хуже, если не лучше, человека, который с той же целью поставил себе на службу большое число самых чувствительных прецизионных приборов.

Я уже рассказывал о том, сколь чувствительны к содержанию химических веществ растущие кончики корней растений и некоторые одноклеточные организмы. Например, половые клетки папоротника реагируют на присутствие 0,000000028 миллиграмма яблочной кислоты. Упоминал я и о способности некоторых бактерий обнаруживать ничтожнейшие следы кислорода, на которые не реагирует промышленная аппаратура. Химическую природу имеет, по-видимому, механизм распространения раздражений внутри растения, для его функционирования достаточны уже самые ничтожные количества химически активных веществ. Так, оксикислота, получаемая из выжимки листа мимозы, если ее разбавить в пропорции 1:100 000 000, уже вызывает заметную реакцию растения. Раствор такой концентрации соответствует содержанию 25 капель оксикислоты в объеме воды, которой заполнен бассейн размером 5 метров х 20 метров и глубиной 1,5 метра. Технические анализаторы химического состава окажутся здесь просто бессильными.

Растения настолько точно измеряют время [35], что изготовители всемирно прославленных швейцарских часов могли бы с полным правом отнести их к разряду «хронометров», отличающихся, как известно, исключительной точностью хода (об этой способности растений мы расскажем несколько далее).

Для вьющихся растений чрезвычайно важно уметь определять характер поверхности опоры. Когда их усики, совершающие в поисках подходящей подпорки круговые движения, касаются какого-либо предмета, они в состоянии тотчас распознать его природу и столь же быстро соответствующим образом отреагировать на него. Тактильная чувствительность специализированных цепляющихся органов растения во много раз превосходит остроту осязания у человека и оказывается намного выше чувствительности аптекарских весов. Микроаналитические весы позволяют взвешивать вещества с точностью до одной сотой миллиграмма. Усик же растения реагирует на раздражение, которое вызывает, например, небольшой шерстяной волосок весом всего 0,00025 миллиграмма, спустя уже несколько секунд после прикосновения и изгибается при этом столь энергично, что его движение можно наблюдать даже невооруженным глазом. В отличие от технических приборов даже очень незначительное раздражение дает возможность растению различать фактуру материала. Падающая капля воды или стеклянная палочка с абсолютно гладкой поверхностью, за которую нельзя уцепиться, не вызывают у растения никакой реакции.

Столь же удивительна способность растения реагировать на самое ничтожное количество света. Кончики побегов мышиного горошка (Vicia villosa) реагируют на свет электрической лампочки мощностью 25 ватт с расстояния 30 километров, а лампочки мощностью 100 ватт — с расстояния 70 километров. (Заметим, что в этом чисто теоретическом примере сила света составила бы всего 23•10-9 люкс.) С помощью технических средств совсем не трудно запеленговать 100-свечовую лампочку, находящуюся на удалении 70 километров. Астрономические телескопы, оснащенные соответствующими светоизмерительными приборами, могут обнаружить пламя свечи даже на расстоянии 29 тысяч километров, что соответствует силе света, поступающей от звезды 23-й величины. Но принцип, применяемый здесь, состоит в том, что вначале телескоп увеличивает изображение источника света, а тем самым и наблюдаемую силу света настолько, что ее уже можно измерить инструментально. Однако этой технике не под силу проводить подобные измерения в отношении очень слабых неточечных источников излучения. С большим трудом она лишь может подтвердить наличие такого источника, растение же, например все тот же мышиный горошек, при длительной экспозиции в состоянии реагировать на него. Надо сказать и о другой стороне этой проблемы: если на сверхчувствительный астрономический прибор упадет прямой луч света, иными словами, если освещенность мгновенно возрастет в четыре триллиона раз (4 000 000 000 000!), то он тотчас же выйдет из строя. Оптическая система измерений, присущая растениям, спокойно выдерживает столь колоссальные перепады в уровнях освещенности, которые не в силах вынести даже человеческий глаз, обладающий, в общем-то, очень высокой адаптационной способностью.

Они знают день и час...

Цветочные часы

Предисловие к книге Эрвина Бюннинга «Биологические часы» открывается следующими словами:

«Уже давно биология изучает пространственные аспекты приспособления растений и животных к окружающей среде. В гораздо меньшей степени изучены ею временные аспекты той же проблемы, хотя результаты многочисленных наблюдений показывают нам, сколь поразительными могут быть порой приспособления такого рода».

Односторонний интерес ученых к пространственным характеристикам присущ и нашему времени. Человек создал для себя искусственную окружающую среду, в которой практически нет больше места для естественных ритмов жизни. Несомненно, более всего от смены дня и ночи, от чередования времен года зависит сегодня крестьянин: попробуй не накормить свиней тогда, когда это им положено, или вовремя не убрать урожай, то есть не убрать его в самый подходящий момент — не раньше и не позже. Напротив, для промышленного рабочего нет большой разницы в том, в какое время суток или года он станет производить на конвейере пищевые консервы, телевизоры, медикаменты или, наконец, автомобили: днем или ночью, зимой или летом. Его больше занимают пространственные, а не временные аспекты приспособления. Подобный образ мышления стал причиной широко распространенного безразличия к природному временному циклу жизни. Иначе нельзя объяснить, почему, например, вечерние развлекательные передачи телевидение показывает в то время, когда для человека было бы естественнее пойти лечь спать, или почему при определении ритма работы на производстве не принимаются во внимание ритмы работоспособности каждого отдельно взятого индивидуума, выявленные специалистами по бихевиористике? В наши дни мы, к сожалению, далеки от мысли, чтобы в полной мере учитывать необходимость рационального использования индивидуальных возможностей и способностей каждого из нас. Впрочем, столь нерационально работает не только отдельно взятый человек. Не решены пока также проблемы наиболее оптимальной организации работы людей в коллективе. Между 9^30 и 11^30 часами утра все узловые станции телефонной связи ФРГ оказываются настолько перегруженными, что можно почитать за счастье, если соединение с абонентом удастся с третьего раза. В другое же время суток станции расходуют не более чем одну четвертую своих мощностей. Между 16^30 и 18^30 часами пополудни интенсивность движения городского транспорта резко увеличивается, в связи с чем уровень концентрации выхлопных газов в атмосфере города достигает опасных значений. А ведь всего за полтора часа до или после этого феномена может возникнуть впечатление, что в сравнении с наблюдаемой плотностью движения транспорта дорожная сеть неоправданно велика. Перечислять подобные несуразности можно до бесконечности.

В условиях бурного развития техники человек создал искусственный суточный ритм своей деятельности, который плохо учитывает особенности окружающей среды. То, что мы еще в какой-то мере принимаем во внимание естественный 24-часовой ритм жизни, объясняется периодичностью физиологических функций человеческого организма. Нам может казаться, что мы уже практически независимы от колебаний температуры воздуха или от того, что сейчас за окном: день или ночь. Но подобное суждение обманчиво. О том свидетельствует появление профессиональных заболеваний у лиц, длительное время работающих в ночную смену или по скользящему графику.

Растения исключительно точно соблюдают все жизненные ритмы. Это позволяет им нормально развиваться, экономить энергию и строительные материалы. Так, светящиеся морские водоросли или светящиеся грибы, о которых пойдет речь в разделе «Свет в полном мраке», лишь ночью выделяют люминесцентное вещество, вызывающее столь удивительное холодное свечение. Днем они «отключают» свет. Это в высшей степени рационально, так как их слабое свечение в дневные часы не давало бы никакого эффекта.

Особенно любопытно «соглашение о режиме работы», какое существует между насекомыми и растениями. Последние распускают свои цветки и приготавливаются отдать пыльцу и нектар точно в то время, когда прилетают опыляющие их пчелы, осы или другие насекомые. Эти взаимосвязи еще в 1933 году были подробно описаны Э. Клебером. Некоторые результаты его наблюдений представлены здесь в графической форме (фото 81). В организме как растений, так и насекомых существуют биологические часы, функционирующие независимо от погодных факторов. Вне всякого сомнения, они идут синхронно. Это позволяет насекомым в поисках корма не совершать лишние вылеты. Такое поведение насекомых можно сравнить с поведением домашней хозяйки, которая хорошо знает часы работы ближайшего магазина и поэтому не торопится идти туда в неурочное время. Для растений же эта синхронность означает рациональное производство нектара и пыльцы: то и другое должны быть готовы к моменту прилета гостей.

Фото 81. Четверо часов, показывающих дневное время (с 6 утра до 17), дают наглядное представление о том, сколь синхронно работают растения и опыляющие их пчелы. Черный цвет во внутреннем круге показывает время, когда растение активно вырабатывает пыльцу, а во внешнем круге— время интенсивного посещения цветка пчелами. Заштрихованные области — это часы слабого производства пыльцы и редкого посещения цветков пчелами. Белые области соответствуют времени отсутствия и пыльцы и полетов насекомых, (a) Мак самосейка, (b) коровяк скипетровидный, (c) вербена лекарственная, (d) вьюнок трехцветный.

Внутренние, биологические, часы работают надежно даже в том случае, если на несколько дней искусственно устраняются внешние признаки суточного ритма, например восход и заход солнца или колебания температуры воздуха. Цветки раскрываются как по команде, точно в «условленное» время, а насекомые не менее точно соблюдают эту «договоренность». Но мы пока не знаем, каким образом растения и насекомые могут столь правильно определять время. Эту жизненно необходимую для них проблему они решили с помощью средств, о которых мы можем пока лишь с большей или меньшей достоверностью догадываться.

В XVIII веке жил выдающийся шведский естествоиспытатель Карл Линней, который детально изучил ритм раскрытия бутонов у различных видов цветковых растений. Используя свои знания, он построил настоящие цветочные часы. Циферблат часов был разбит на ряд секторов, в каждом из которых высаживался строго определенный вид растений. Они подбирались по времени своего распускания. В течение дня ботанические часы безошибочно показывали время: каждый час раскрывало свои цветки какое-нибудь одно растение, другие же оставались в это время закрытыми.

Явлением никтинастии, которое я описал в разделе «Спасающиеся от жары в собственной тени» и которое помогает растению предупредить излишние потери тепла ночью, фактически управляют биологические часы, а не мгновенная смена темноты и света. [36] Деревья и травы рассеивают свою пыльцу и семена в строго определенное время дня, именно тогда, когда, как показывает благоприобретенный опыт, следует ожидать наиболее интенсивных перемещений воздушных масс, создающих благоприятные условия для путешествий семян по воздуху. Многие грибы и водоросли отправляют в путь свои мужские и женские половые клетки лишь в те часы суток, когда те и другие будут взаимно готовы к встрече, обеспечивающей продолжение рода. Механизм фотосинтеза, с помощью которого растение на свету синтезирует виноградный сахар, ночью не работает: растение «отключает» его подобно тому как мы, экономя энергию, выключаем по окончании передач радиоприемник или телевизор. [37]

Полуночные свидания бурых водорослей

В июне 1964 года английский журнал «Природа» поместил статью Хокинза с сенсационным заголовком «Стонхендж — счетная машина времен неолита». Стонхендж — памятник деятельности человека каменного века, обитавшего 3500—4000 лет назад на территории современного графства Солсбери, в 130 километрах юго-западнее Лондона. Он представляет собой крупное сооружение, строительный материал для которого — каменные глыбы высотой почти 8 метров и весом 50 тонн — доставлялся из каменоломни с расстояния 230 километров. Ученые назвали Стонхендж «крупнейшей загадкой Старого Света». Однако в наши дни астрономам и археологам удалось раскрыть ее. Доисторические ритуальные постройки связаны, вероятно, с культом Солнца и Луны. Они строились с таким расчетом, чтобы с помощью вертикально стоящих камней можно было определять важнейшие точки положения обоих светил на небосводе. Размещение камней выбрано не случайно, ибо все сооружение в целом есть не что иное как доисторическая пеленгационная установка. Стонхендж — это исключительно точный лунный и солнечный календарь, позволявший предсказывать не только время летнего и зимнего солнцестояния, но и определять на длительный период часы восхода и захода Луны. Кроме того, этот каменный календарь давал возможность исчислить промежуток времени между двумя полнолуниями, проследить 18,6-летний лунный цикл, предугадать с точностью до одного дня наступление солнечных и лунных затмений.

Древние лунные календари можно встретить и в других местах планеты. В частности, на северо-западе Франции, в Бретани, можно увидеть большие скопления камней, расположенных в строго определенном порядке. Они привлекают внимание не только любопытствующих туристов, но и ученых (фото 82). Подобные археологические памятники имеются в ряде европейских стран.

Фото 82. Гигантские каменные календари, подобные изображенному на этой фотографии (местечко Лагатьяр в Бретани), наши предки возвели во многих местах побережья стран Западной и Северной Европы.

Нередко ученые высказывают мысль, что ориентированное размещение каменных глыб лишь случайно совпадает с положением основных точек небесной сферы. Они не верят в существование у создателей древних календарей астрономических знаний, без которых нельзя было бы выполнить такую точную работу. Однако вероятностные расчеты показали, что человек каменного века был в состоянии разумно сооружать подобные постройки. Рольф Мюллер, астроном, занимающийся изучением древних памятников культуры, пишет по этому поводу:

«Но мы вправе задать вопрос: а является ли вообще знанием то, что открывается нам здесь. Да, несомненно. Знание — это то, что было присуще как нечто само собой разумеющееся наблюдателю, жившему в тесном единении с природой. Это, в частности, наблюдения за небосводом, которые учили человека каменного века определять движение звезд на небе и фиксировать их взаимное расположение. Он использовал эти знания, чтобы измерять время и создавать календари, столь необходимые в жизни оседлых земледельцев».

На наш взгляд, в этих словах кроется не только разгадка тайн каменных календарей, но и ключ к решению общего вопроса об измерении времени. Последнее крайне необходимо для разумной организации любой деятельности, для того, чтобы задолго до наступления события можно было бы подготовиться к нему. Так, цветки растений раскрываются не одновременно с восходом Солнца, а несколько раньше, ибо их биологические часы заблаговременно определили, что наступает день. Мы, люди XX века, полностью разучились измерять время в его изначальном смысле. Когда мы записываем в свои памятные книжки какие-либо конкретные даты и сроки, соблюдение которых контролируется нами по календарям и часам, то почти всегда выбор этих чисел никак не зависит от сущности ожидаемых событий. Если, к примеру, страховой агент договорился встретиться с клиентом на предмет подписания страхового полиса на 10^30 утра 27 апреля, то это вовсе не означает, что встречу следовало назначить именно на этот день и час, а не на, допустим, 14 сентября в 15^45. Для самой сделки это безразлично. Но если древним земледельцам-египтянам предстояло обработать свои участки земли, им нельзя было произвольно выбирать время для этого. Они жили в долине Нила. Ежегодные разливы реки обильно удобряли глинистую почву их полей. Поэтому крестьянам важно было заранее подготовиться к следующим за половодьем посеву или высадке рассады. И поэтому они должны были измерять время не независимо от содержания ожидаемого события, а в прямой связи с ним. И доисторический человек изобрел методы исчисления времени, поскольку это было для него вопросом жизни и смерти. Сейчас же мы нередко упускаем из виду то обстоятельство, что измерение времени отнюдь не самоцель, а необходимое условие приспособления к порядку, господствующему в окружающей среде. Для специалистов по космическим исследованиям, вынужденных посылать космические корабли точно в установленный срок, ибо даже малейшие отклонения означают неуспех экспедиции, точное измерение времени также представляется делом само собой разумеющимся. Очевидно, что биологи, которые до последнего времени мало занимались проблемами приспособления человека, животных и растений к естественному временному распорядку в мире и больше уделяли внимания пространственным аспектам приспособления, утратили понимание всего значения этого процесса. [38]

То, что растения, подобно доисторическим астрономам, умеют точно измерять время, стало известно не так уж давно. Столь же мало мы до сих пор знаем о том, что их биологические календари способны учитывать движение Солнца и Луны по небосводу и что сами они систематически реагируют на продолжительность светлого времени суток.

Мне хотелось бы в связи с этим еще раз вернуться к примерам, в которых речь шла о страховом агенте и египетском крестьянине. Первый ограничивается относительным измерением времени. Если у него и его клиента есть часы, идущие синхронно, то он может назначить встречу, допустим, через 24 дня и 7 с половиной часов. В этом случае совершенно безразлично, с каким днем недели соотносится момент встречи. Это может быть и понедельник, и вторник, и среда и т. д. Для древнего земледельца и современного космонавта относительного измерения времени уже недостаточно. Им нужно измерить время абсолютно. Здесь важно не только то, чтобы их часы шли синхронно. Важно, чтобы их показания соотносились с какой-то единой отправной точкой, существующей в окружающем их мире. С подобной необходимостью приходится сталкиваться и растениям. Их биологические часы должны не только относительно измерять время, но и абсолютно верно «показывать», в какой именно момент взойдет солнце.

С какой удивительной точностью растения в состоянии определять время и насколько разумно [39] в этой связи они ведут себя, демонстрирует одна из бурых водорослей (Dictyota dichotoma), обитающая в прибрежных мелководьях морей. В полном соответствии с 24-часовым циклом, заданным растению от рождения, эти водоросли в строго определенное время суток выбрасывают в воду мужские и женские половые клетки. Как предписывает им солнечный календарь, они расстаются с ними не в любой выбранный ими по своему желанию день, а всегда в определенный день в конце лета. Однако этим процессом управляет также и лунный календарь: половым клеткам дозволено лишь дважды в течение лунного цикла выходить на «свободу», то есть каждые 14—15 дней. Разумеется, все три перечисленных условия совпадают между собой чрезвычайно редко, в силу чего водоросли этого вида могут рассеивать свои половые клетки в течение всего лишь нескольких часов в году. Возможность встречи женской и мужской клетки и оплодотворения в этот точно зафиксированный природой короткий промежуток времени в 1000 раз больше, чем если бы их высев происходил не столь гармонично и был бы растянут во времени. Иными словами, женские и мужские половые клетки бурой водоросли имеют четко означенные астрономические часы выхода во внешнюю среду, и они их исключительно пунктуально соблюдают.

Процесс же оплодотворения произойдет только в период отлива и притом не в любой, а в так называемый квадратурный отлив, когда уровень воды оказывается самым низким и когда условия для размножения наиболее благоприятны. Очевидно, бурые водоросли пользуются лунным календарем [40], поскольку, как известно, движение Луны по орбите вокруг Земли воздействует на периодичность наступления приливов и отливов. Лабораторные эксперименты свидетельствуют о том, что растению вовсе не нужно визуально наблюдать то или другое светило, ожидая того момента, когда свет, идущий от Луны или Солнца, сообщит растениям о наиболее выигрышном для них расположении небесных тел. Они обладают внутренними биологическими часами и календарем, с помощью которых они точно определяют время даже тогда, когда небо покрыто тучами.

Точное соответствие биоритмов растений суточным колебаниям света и темноты свидетельствует об их способности определять продолжительность дня. Тот, кто пожелает измерить, например, долготу дня и ночи в течение суток и на этой основе сделать заключение о времени года, должен, с одной стороны, иметь часы, точно идущие по 24-часовому циклу, а с другой — обладать способностью сопоставлять внешние приметы времени (например, продолжительность дневного освещения) с ходом биологических часов. Растения научились делать это с большой точностью. Убедительный пример тому дает нам один из сортов яванского риса. Остров Ява расположен в зоне экватора, поэтому разница в долготе дня на протяжении всего года составляет здесь не более 48 минут. Незначительных долей этого отрезка времени яванскому рису вполне достаточно для опознания времени года. И в самом деле, экспериментальным путем было доказано, что разница в продолжительности дневного освещения всего в одну минуту убыстряет или тормозит развитие растения более чем на один день. Умение выявить это минутное расхождение — изумительное достижение измерительной техники растений. Ошибка составляет здесь всего 0,07 процента. Ошибку менее чем 0,05 процента допускают бурые водоросли, когда выявляют те несколько часов в году, которые наиболее благоприятны для размножения.

Биологический календарь у растений не редкость. Многие семена сохраняют всхожесть на протяжении нескольких лет или даже десятилетий, но дают ростки, тем не менее, в строго определенное время года. Всхожесть семени погремка (Rhinanthus alectorolophus) начинает проявляться через пять месяцев после созревания в самом начале зимы. В течение нескольких последующих месяцев способность к прорастанию сохраняется. В апреле следующего года она временно исчезает и точно через 5 месяцев вновь возобновляется. Это пример прекрасного приспособления растения к временным ритмам окружающей среды. Всхожесть восстанавливается только тогда, когда для прорастания семени складываются благоприятные климатические условия. Но не эти условия сами по себе управляют всхожестью, а внутренний календарь, который действует независимо от того, при какой температуре или при каких-либо других условиях произошел высев семян в почву. Будь это по-иному, семена могли бы неправильно прореагировать на те или иные аномалии погоды и прорасти, например, летним влажным месяцем. В таком случае основной период развития растения пришелся бы на зиму. Внутренний календарь растения эффективно препятствует этому. Нередко передаваемые по наследству календари продолжают функционировать даже годы спустя.

Но каким образом растения измеряют время? Пока мы этого не знаем. Но чтобы выжить, это было крайне необходимо, и поэтому растения, подобно людям каменного века, научились это делать. [41]

Предупреждение инцухта

Брак между близкими родственниками нежелателен

Биологическое решение проблемы может состоять исключительно в предупреждении условий, вызывающих процесс вырождения. Затрагиваемая тематика стоит несколько в стороне от технических аспектов настоящей книги. Поэтому я ограничусь приведением только одного примера из великого множества их. Я расскажу лишь о том, какие средства применяют растения для профилактики дегенеративного развития в результате близкородственного скрещивания (инцухта).

У семенных растений инцухт столь же нежелателен, как и браки между родственниками у людей. Его последствия — дегенерация. Но инцухт, то есть оплодотворение женских половых клеток цветка его собственной пыльцой, у многих цветковых растений просто невозможен по чисто техническим причинам. Само строение цветков у некоторых растений исключает самоопыление. Наблюдения за орхидеями, у которых инцухт иногда отмечается, показывают, что проростки растений, получившихся от перекрестного опыления, по всем параметрам превосходят проростки, появившиеся на свет в результате самоопыления, и что самоопыление весьма отрицательно сказывается на жизни даже одного поколения растений. На это обстоятельство обращал внимание еще Чарлз Дарвин. «Природа самым энергичным и настойчивым образом показывает, что ей крайне чужда практика самооплодотворения». Эта краткая формулировка получила в среде естествоиспытателей название закона Дарвина — Найта. Каждое растение по-своему решает проблему аутогамии. Но в основе широкого многообразия вариантов лежат всего два принципа. Первый сводится к следующему. Когда при опылении пыльца попадает на рыльце пестика (фото 83), она прорастает. Полая внутри, пыльцевая трубка проходит сквозь пестик, стремясь достичь яйцеклетки, чтобы оплодотворить ее. Это происходит даже тогда, когда пыльца попадает на пестик своего же растения, то есть происходит аутогамия. Но материнское растение в этом случае не дает развиваться оплодотворенной яйцеклетке — она или развившийся из нее зародыш отторгаются растением.

Фото 83. Уже чисто внешне различаются между собой два цветка одного и того же вида примулы (Primula kewensis). Это прекрасное профилактическое средство для защиты от близкородственного скрещивания.

Во втором случае пыльцевая трубка вовсе не достигает яйцеклетки собственного растения, поскольку последнее всячески — химически или механически — препятствовало его росту. Цветки, у которых профилактика инцухта осуществляется по второму принципу, легко отличить по внешней форме. Так, примула и некоторые виды других растений распускают два различающихся друг от друга вида цветков: один обладает длинным (фото 83, слева), а другой, наоборот, коротким пестиком (фото 83, справа). Если пыльца попадает на длинный пестик своего же растения, размера ее пыльцевой трубки не хватает для того, чтобы она могла внедриться в яйцеклетку. Успешное оплодотворение возможно только в том случае, если пыльца короткопестикового цветка попадет на длиннопестиковый цветок, или наоборот (см. стрелки на фото 83). Профилактика инцухта в данном случае дает отличные результаты. [42]

Совершенство приспособления

Объединение интересов

Рациональное существование в конкретной окружающей среде возможно лишь при условии оптимального приспособления к ней. Но приспособление — это прежде всего специализация, а специализация невозможна без разделения труда. Все виды приспособлений, встречающиеся у растений, представляют собой образцы дифференциации функций: корни, стебель, листья — каждый из вегетативных органов выполняет свои конкретные и очень важные для растения в целом функции. Ходульные, воздушные и цепляющиеся корни, листья-ловушки для насекомых, защищающие растения шипы и колючки, запасающие воду урнообразные листья, способные планировать семена — это только некоторые примеры дифференциации обязанностей в растительном мире. Иногда разграничение функций может выходить за рамки отдельного растения. В таких случаях, которые мы можем рассматривать как особенно сложные формы приспособления, происходит объединение растений разных видов или даже растений и других организмов в одно неделимое целое.

Девятнадцатый век был, в частности, веком охоты за орхидеями. На первых норах эти исключительно нежные цветы были в Европе большой редкостью и стоили очень дорого. По этой причине в то время находилось немало любителей приключений, готовых без всякого оснащения и с большим риском для жизни отправиться в тропические джунгли. Там с помощью подручных средств они сваливали деревья-гиганты, в раскидистых кронах которых, высоко над землей, чаще всего и росли эти драгоценные растения. Помимо обычных опасностей, поджидавших охотников за орхидеями в подобных экспедициях, существовал, реальная угроза погибнуть во время обратной дороги домой. Нередко единственно возможным путем доставить ценный груз на побережье океана оказывался спуск по незнакомым рекам на примитивных лодках-долбленках. Если лодка опрокидывалась, груз погибал. Та же участь постигала порой и людей. Поэтому неудивительно, что уже тогда в Европе предпринимались попытки искусственно выращивать орхидеи. Но все усилия оканчивались неудачей еще на стадии прорастания семян. Лишь в 1904 году, то есть почти 200 лет спустя после появления в Европе первых экземпляров экзотических орхидей, французскому естествоиспытателю Ноэлю Бернару удалось раскрыть тайну их развития. Оказалось, что на свободе орхидеи прорастают только с помощью одного из видов почвенного гриба, который продолжает сожительствовать и со взрослым растением. Запасы питательных веществ в собственном семени орхидеи настолько малы, что проросток для своего дальнейшего развития нуждается в няньке-кормилице. И вот тут-то на помощь приходит обитающий в корнях орхидеи микоризный гриб. Его мицелий (грибница) проникает в почву и поглощает из почвы питательные вещества, которыми и пользуются орхидеи. Взамен они снабжают гриб углеводами, поскольку он самостоятельно не может синтезировать этот продукт. Итак, растение и гриб вступают в тесные взаимоотношения друг с другом и образуют то, что экономисты называют объединением на основе общности интересов, а биологи именуют симбиозом. Подобное сожительство позволяет орхидеям лучше приспособиться к условиям своего обитания в кронах деревьев-великанов, нередко на высоте до 50 метров над поверхностью почвы. [43]

Аналогичная, но еще более тесная связь существует между микроскопическими зелеными водорослями и грибами. Симбиоз между ними привел к возникновению нового типа своеобразных комплексных растений, называемых лишайниками. О том, насколько взаимно полезной оказывается подобная форма взаимоотношений для обоих партнеров, свидетельствует характер тех мест на Земле, которые заселяются лишайниками. Там, где порознь не могут существовать ни зеленые водоросли, ни грибы, живет и развивается их общее дитя: на голых камнях, на отвесных скалах, на высохшей древесной коре или чистом песке, в исключительно неблагоприятных погодно-климатических условиях, высоко в горах и в Арктике.

Как же сотрудничают партнеры? Тело лишайников, слоевище, образуется из нитей грибов и из клеток или волокон зеленых водорослей. Грибы в состоянии химически разлагать даже скальную горную породу. За счет этого они получают и поставляют водорослям необходимые минеральные вещества. Кроме того, они хорошо удерживают влагу воздуха. Зеленые водоросли на свету синтезируют органические вещества и снабжают ими грибы. Этот практически единственный в своем роде тип сотрудничества в природе делает того и другого участника в высшей степени независимыми от воздействия большинства факторов окружающей среды. Перед нами исключительно эффективная форма приспособления к крайне суровым условиям жизни.

Симбиоз возможен также между растениями и животными, в частности насекомыми. В тропических лесах Старого и Нового Света произрастает целый ряд так называемых мирмекофильных растений. В их строении имеются некоторые особенности, которые делают возможным их симбиоз с муравьями. Ветви одного из видов тропических акаций (Acacia sphaerocephala) усажены многочисленными массивными черно-коричневыми колючками, длина которых достигает 4 сантиметров. На первый взгляд они воспринимаются как надежное средство защиты. Но это первое впечатление обманчиво. Внутри колючки полы, а их стенки настолько тонки и хрупки, что их легко раздавить пальцами руки. И все же они функцию защиты выполняют. Если сломать шип, то наружу выскочит множество муравьев, укусы которых заставят обратиться в бегство любого противника. Именно таким образом акация активно защищает себя от поедания травоядными животными. Данный симбиоз является обоюдовыгодным, то есть приносит пользу и растениям и муравьям: растение предоставляет насекомым жилье, защищенное от половодья, а внутренние ткани колючек акации служат муравьям пищей.

Сожительство с муравьями, правда несколько иной природы, известно также для некоторых видов южноамериканских бромелиевых. В пойменных лесах Амазонки и ее притоков уровень паводковых вод поднимается на несколько метров, что исключает возможность обитания муравьев непосредственно на земле. Каждый год они миллионами гибли бы во время разлива рек. Это обстоятельство заставило их переселиться на не заливаемые водой «верхние этажи» тропического леса. Они строят свои гнезда на деревьях. Для этих целей муравьи снизу поднимают кусочки почвы и приклеивают их к стволу с помощью специальных выделений. Сюда попадают и семена бромелиевых. Растения развиваются очень быстро и со временем охватывают своими корнями ствол дерева-опоры. В итоге вся постройка оказывается весьма прочной. Вот в таких своеобразных висячих садах и обитают муравьи. Пользу от совместного проживания получают также растения, ибо муравьи-садовники высаживают их там, где наводнения не могут угрожать их существованию (фото 84). Итак, перед нами вновь пример совместного приспособления организмов к окружающей среде, характеризуемого четким разделением функций, которое и делает данный симбиоз исключительно высокоорганизованной формой приспособления к неблагоприятным условиям жизни.

Фото 84. «Муравьиный сад» в тропических заболоченных лесах бассейна Амазонки. Высоко в кронах деревьев муравьи устраивают свои «гнезда-сады». Симбиоз насекомых и растений защищает тех и других от наводнений.

Маскировка — основа процветания

В пустынях и полупустынях Южной Африки, в области Высокий Велд, произрастает множество растений, которые стремятся слиться с окружающим каменистым рельефом местности. Рольф Раве, известный естествоиспытатель, коллекционер растений и прекрасный знаток флоры южноафриканских пустынь, неоднократно бывал в Велде и написал очень интересную книгу о его обитателях. В ней более ста фотографий, на которых изображены в большинстве своем довольно миниатюрные растения в их естественном окружении. Тот, кто привык иметь дело с роскошно изданными книгами, в которых идет речь о комнатных, садовых или дикорастущих европейских растениях, найдет фотографии, сделанные Раве, просто невыразительными. На более чем половине снимков он будет долго искать изображенное здесь растение, прежде чем с большим трудом обнаружит его. Но причина здесь отнюдь не в неумении фотографа или плохом полиграфическом исполнении. Она в самих растениях. По форме и окраске растение так уподобилось той каменистой почве, на которой растет, что его нелегко различить даже с расстояния одного метра.

В пустынях Малое Карру и Намакваленд обширные площади растрескавшейся земли нередко бывают сплошь усеяны кварцевой галькой. В таких местах можно обнаружить крошечные мясистые растеньица необычного белого цвета, формой напоминающие разбросанную вокруг гальку. Растения принадлежат к разным семействам и тем не менее очень похожи друг на друга в условиях необходимости замаскироваться под окружающий рельеф.

В других частях Малого Карру, например вблизи поселка Принс-Альберт и в Сирес-Карру, встречаются участки каменистой пустыни, окрашенные с поверхности в темные, мрачные тона. Здесь обитают растения совершенно иного вида. Они не белесые и круглые, как светлая галька, а либо темно-серые и неправильной формы, как те обломки породы, на которых они растут, либо сморщенные, высохшие, похожие внешне на разрушенную водой и ветром горную породу.

На карстовых породах селятся растения небольшие по размерам, с толстыми опушёнными и бородавчатыми листьями. Всем своим видом они напоминают выветренную породу. Поэтому неудивительно, что только с большим трудом их можно различить на естественном фоне.

Еще одним широко известным растением Южной Африки является так называемый «живой камень» (Lithops), насчитывающий около 50 видов, произрастающих исключительно на каменистой почве. По своей расцветке и внешней форме они сумели самым невероятным образом замаскироваться под гальку, гравий, щебенку и скальную породу, в окружении которых они растут и развиваются в естественных условиях. На фото 85, помимо небольшого растения в верхнем правом углу снимка, относящегося к совершенно иному роду, можно насчитать 12 экземпляров «живого камня». Действительно, нужно приложить определенные усилия, чтобы обнаружить их все. Они маскируются весьма умело и по тому же принципу, что и горный стрелок, фотография которого расположена ниже (фото 86). Сходство по окраске и форме с окружающими предметами делает их практически незаметными.

Фото 85. По форме и окраске «живые камни» Южной Африки почти неотличимы от их естественного окружения. Благодаря маскировке растения становятся незаметными для своих врагов — травоядных животных.

Фото 86. Приемы маскировки широко применяются и в армии. Здесь сфотографирован хорошо замаскировавшийся под окружающие его предметы солдат.

Но какой толк растениям в такой изумительной маскировке? Для них она означает то же самое, что и для солдата: она делает их невидимыми для врага. В бедных растительностью пустынях немногочисленные растения вынуждены опасаться — прежде всего в засушливые периоды — голодающих травоядных животных. Будь растения заметны, они быстро оказались бы на грани полного истребления. Умелая маскировка позволяет им избежать такой участи. «Живые камни» Южной Африки хорошо заметны издали всего лишь в течение нескольких влажных дней в году, в период их цветения. Но в сезон дождей вся пустыня зеленеет и расцветает яркими красками. Животные могут находить в это время года в достаточных количествах другую пищу.

Горящие кусты

В библейских сказаниях нередко идет речь о неопалимой купине, кусте, который горит, но чудом не сгорает. Что же могло привлечь внимание древнего библейского народа: чудо или реальность?

Такой куст существует и в наши дни. Для того чтобы познакомиться с ним, совсем не обязательно идти на «священную» гору Хореб (сейчас Рас-эс-Сафсафех). В лесах Южной Европы на сухих и богатых известью почвах произрастает травянистое растение ясенец (Dictamnus alba). Ясенец, подобно мифологической неопалимой купине, в жаркие безветренные дни выделяет в больших количествах летучие, легко воспламеняющиеся эфирные масла. Если поднести к растению горящую спичку, оно может мгновенно вспыхнуть синим пламенем, не наносящим никакого вреда самому растению.

Биологический смысл растительных эфирных выделений науке пока точно неизвестен. Можно предположить, что эти летучие вещества являются эффективным средством защиты травянистых растений от перегрева. Энергия, затрачиваемая на испарение эфирных масел, снижает температуру листьев. [44]

Пионеры безжизненных пространств

Песок, песок, до самого горизонта один лишь песок. Так обычно представляем мы себе пустыню. Пустыни встречаются на нашей планете на всех континентах. Однако большинство из них вовсе не соответствует распространенному представлению. Даже самая классическая из всех песчаных пустынь — пустыня Сахара — отнюдь не сплошные песчаные дюны. Обширные скалистые массивы перемежаются здесь плоскими, словно гигантские сковороды, глинистыми пространствами, монотонными галечниковыми равнинами либо блюдцеподобными солончаками. Глубокие ущелья сменяются высокогорными плато. Местами причудливой формы каменные останцы возвышаются над равниной, над которой уже в течение многих столетий ежедневно неистовствуют затмевающие солнечный свет пыльные бури, а затем вновь взгляду открываются громадные, насколько хватает глаз, галечниковые поля, сплошь усеянные, словно сдобный обсыпной пирог, красноватыми, черными и ярко-белыми сверкающими камешками. Разумеется, есть и знакомые нам еще по детским книжкам пустыни с поющими подвижными дюнами. Однако все это — пустыни тропических зон Земли. Но с полным правом пустынями могут именоваться и обширные необжитые пространства полярных регионов, и малоприветливые суровые районы высокогорий, и безжизненные вулканические ландшафты, и тянущиеся далеко под землей пещеры.

Растения, избравшие ареной своей жизни пустынные ландшафты планеты, получили от естествоиспытателей почетное название пионеров-первопоселенцев за их способность осваивать самые суровые, какие только существуют на Земле, местообитания. Жара, в считанные часы сжигающая дотла обычные растения; безжалостные пыльные бури, перед которыми не могут устоять даже скалы; кинжальные струи песка, уничтожающие все встречающиеся на их пути; многолетняя засуха; перепад температур при смене дня и ночи, достигающий 50—60 градусов; крепчайшие морозы до минус 50 градусов; глубокие снежные покровы, не тающие порой несколько лет подряд; горячие вулканические источники, в которых почти кипит разбавленная серная кислота; отвесные бесплодные скалы без каких-либо признаков гумуса (фото 87); многометровые каменные осыпи, мгновенно впитывающие дождевую влагу и медленно, погребая под собой все живое, сползающие вниз по склону; соляные болота, в воде которых можно буквально засаливать сельдь, или, наконец, абсолютная темнота пещер — вот краткий перечень тех терний, которые удалось преодолеть растениям-первопоселенцам благодаря их исключительному умению приспосабливаться к экстремальным условиям окружающей среды.

Фото 87. Дорога, соединяющая города Сан-Висенти и Портодо-Мониц (остров Мадейра), почти на всем протяжении окружена отвесными скалами. На лишенных почвы, но хорошо увлажненных благодаря сочащимся родникам каменных стенах обитает плотное сообщество мхов, эндемичных аэоний и различных трав.

В самых засушливых районах Сахары, на бесплодных щебнистых равнинах, где порой годами не выпадает ни капли дождя, растет серо-зеленое растение подушковидной формы Anabasis aretiodes (фото 88). Оно плотно прижимается к земле и всем своим видом напоминает подстриженного ежа.

Фото. 88. Обширные наводящие уныние глинистые и каменистые пространства — характерный пейзаж северных и центральных районов Сахары. Обитающая здесь подушковидная Anabasis aretioides демонстрирует возможности выживания растений в крайне суровых условиях жизни. Эта фотография сделана в окрестностях оазиса Тафилалет.

Структура растения, сходная с губкой, не дает погибнуть ему в крайне суровых условиях обитания. В жаркий полдень каменистая почва нагревается до 70 градусов, до такой температуры, которая убивает корневую шейку большинства растений. С нашим «ежом» этого не происходит. Под подушкой все время относительно прохладно: живой является лишь внешняя ее сторона. Внутри отмершие части растения образуют комок плодородной почвы, который длительное время хранит в себе скудные запасы влаги и одновременно сберегает для растения органическое вещество, которое вначале было синтезировано растением, а позднее отмерло. Таким образом, анабазис со временем создает сам для себя самый настоящий цветочный горшок с плодородной землей. Растение разрастается вокруг «горшка» и своими побегами предохраняет его от разрушительного действия песчаных бурь.

В тропических районах Америки встречается еще одно растение, которое также обладает собственным цветочным горшком, правда несколько другого рода. Растение обитает в еще более суровых условиях, чем серо-зеленый «еж» из Сахары. Там, где растет Tillandsia dasylirifolia, нет ни глины, ни каменистой почвы. Ее местообитание — совершенно гладкая и жесткая поверхность гигантских колоннообразных кактусов. Экземпляр, изображенный на фото 89, пустил корни именно в таком необычном месте. За несколько лет он превратился в крупное растение, которое регулярно цветет. Тилландсия выросла как бы из ничего, ибо кактус не снабжает ее никакими питательными веществами. Откуда же она берет их? Из воздуха. Вогнутые внутрь «цветочного горшка» листья улавливают находящуюся в воздухе пыль, в которой содержатся и минеральные вещества. Периодические дожди и туманы дают растению необходимую влагу. В умении выжить в столь суровых условиях это растение, казалось бы, вряд ли можно превзойти. И все же подобную форму приспособления можно встретить не только у бромелиевых. Аналогичным образом ведут себя многие орхидеи и крупные тропические древовидные папоротники (фото 90).

Фото 89. Проросшая на совершенно гладкой поверхности гигантского колоннообразного кактуса Tillandsia dasylirifolia превратилась за несколько лет в крупное цветущее растение. Все это возникло как бы из ничего, ибо растение-хозяин не снабжает тилландсию питательными веществами — они поступают прямо из воздуха.

Фото 90. Крупные листья этого древовидного папоротника образуют как бы гигантский «цветочный горшок», в котором накапливается пыль и гумус.

В каменистых пустынях высокогорий осадки хотя и имеются, но, выпав на землю, быстро стекают с отвесных скал или столь же быстро впитываются рыхлыми моренными наносами. Поэтому растения, чтобы выжить в таких условиях, должны приспособиться прежде всего к нерегулярному снабжению их жизненно необходимой влагой. Кроме того, как и жителям тропических пустынь, им нужно еще суметь противостоять убийственным бурям. Подобно растениям жарких и сухих поясов Земли, они довольствуются в году всего несколькими неделями, в течение которых они растут, развиваются, цветут, дают плоды и высевают семена. Одни из них затем надолго замирают и не подают никаких признаков жизни в период засухи, другие впадают в столь же продолжительную «спячку» при сильных морозах. В районах вечных снегов нет ни весны, ни осени, а лето длится всего несколько недель или его вовсе не бывает. И вот за столь короткий отрезок времени лютик ледниковый успевает пройти весь свой годовой цикл развития. Среди цветковых растений этот вид, пожалуй, наиболее высоко поднимается в горы: свыше 3500 метров над уровнем моря.

Ботаники Инсбрукского университета в последние годы занимались изучением условий обитания высокогорной альпийской флоры. Для своих исследований они избрали гору Небелькогель в окрестностях города Зёльден. Работы велись на высоте 3190 метров. В 1964 году здесь отмечалось исключительно благоприятное для растений лето: 68 продуктивных дней! В холодном и влажном 1965 году таких дней было всего 31. Следующий год был столь же неблагополучным. Многие растения в этот год оказались погребенными под снегом в течение всех 365 дней. Лишь в 1967 году погода вновь смилостивилась. И вот после 33 месяцев непрерывного обитания в полной темноте под снежным покровом растения вновь увидели дневной свет. Одни растения, чтобы выжить, полностью расстались с цветочными почками. Другие, не укрытые снегом, в сильные морозы потеряли листья, а утрата единственного листа означала для них потерю годичной продуктивности. Но и в 1967 году теплые дни прерывались волнами холода и обильными снегопадами. Тем не менее цветки, появившиеся с первыми проталинами, сумели выдержать и заморозки и новый снег. Непогода лишь приостановила их развитие. Ровно через 30 дней после начала цветения созрели первые семена.

Почвенные условия в высокогорной зоне Альп столь же суровы, как и климатические. Но растения справились и с этой трудностью. Они растут и в расщелинах скал, и на крутых склонах, по которым из года в год сползает в долины снежный покров. Скорость его перемещения невелика, всего 30 сантиметров в месяц, но энергия, таящаяся в этом движении огромна. Она согнула в дугу, словно это была гибкая лоза, стальные трубы диаметром 5 сантиметров, из которых была сооружена ограда в альпийском парке у подножия горы Пачеркофель. Растения растут даже на зыбких многометровых каменных осыпях, которые, подобно снегу, неспешно скользят вниз по склону, круша и перемалывая все на своем пути. Но растения научились спускаться вместе с этим медленно текущим в долину потоком щебня, пересекать его, использовать встречающийся в осыпи мелкозём и местами даже останавливать перемещение грунта. Они приспособились к жизни на весьма скудной и находящейся в постоянном движении почве (фото 91).

Фото 91. Скалы-башни в горах Бож на высоте 2670 м над уровнем моря (Швейцария). Подножия скал сплошь одеты чехлом из доломитового щебня. Но и на этой скудной почве высокогорных пустынь обитают растительные сообщества. Одно из характерных для каменистых осыпей растение — дриада.

На той высоте, где не могут существовать цветковые растения, неплохо чувствуют себя мхи и лишайники. В Гималаях их можно встретить даже на высотах свыше 7000 метров. Они легко переносят жгучее горное солнце и трескучий мороз. Создается впечатление, что нет предела их жизненному пространству. Некоторые из них синтезируют органические вещества даже при температуре минус 24 градуса. Правда, такой рост идет чрезвычайно медленно, не более 1 миллиметра в год, но зато непрерывно. Если становится слишком холодно, жизнь в лишайниках временно замирает. Как показали опыты, они в состоянии без каких-либо нежелательных последствий для себя выдержать кратковременное понижение температуры до минус 200 градусов. Им дано от природы умение использовать короткие периоды тепла, так как всего за несколько минут они способны перейти от абсолютного покоя, вызванного морозом, к активной жизни. Поскольку лишайники крайне неприхотливы и могут расти даже на стерильной кварцевой породе, их не пугают условия обитания даже в Арктике. В холодное время года лишайники являются единственной пищей для северных оленей Лапландии.

Есть ли еще на Земле районы, где условия жизни были бы более суровыми, чем в Центральной Сахаре, на горных отрогах Гималайских гор или в Арктике? Трудно в это поверить, но такие уголки на нашей планете есть. Настоящим адом становятся условия для жизни вблизи кратеров вулканов. Из недр земли здесь на поверхность вырываются горячие пары, нередко насыщенные удушливым сернистым газом. Рядом в земляных «котлах» бурлят, клокочат кипящие кислоты. Пузырятся грязевые микровулканы, выбрасывающие в воздух токсичные газы. Всего в нескольких сантиметрах от поверхности почва настолько горяча, что на ней можно приготовить яичницу. Влажность воздуха бывает максимальной. Порой выпадает дождь из раскаленного пепла, а кратер вулкана заволакивают густые клубы дыма. Время от времени на поверхность выбрасываются шлаки, остроугольные вулканические бомбы и изливаются потоки огнедышащей лавы. Здесь проходит граница возможностей приспособления растений к самым суровым условиям обитания. При температуре более 100 градусов, казалось, начнут кипеть соки растения, а атмосфера сернистого газа отравит их. И тем не менее у входа в эту преисподнюю жизнь бьет ключом. Растения успешно отражают атаки «адских сил». И вновь лишайники и водоросли лучше всех справляются с практически невозможным. Жизнедеятельность сине-зеленых водорослей не прекращается до 80 градусов. Диатомовые водоросли превосходно развиваются при температуре 50—60 градусов и способны длительное время выдерживать температуру почти кипящей воды (94 градуса). На Яве большие колонии сине-зеленых водорослей обитают в термальных источниках, воды которых имеют температуру 60 градусов и к тому же содержат большое количество серы. Впрочем, и некоторые высшие растения приспособились к условиям природной сауны. Некоторые вересковые (Ericaceae), родственники обыкновенной черники, растут в непосредственной близости от кипящих грязевых масс. Их корни в состоянии выдерживать температуры до плюс 75 градусов: покрывающая корни толстая пористая корка содержит в порах много воздуха и потому является отличным теплоизолятором. Один из древесных видов вересковых решает проблему высокой температуры по-иному. Корни этого растения, высотой более человеческого роста, проникают в почву на глубину всего несколько сантиметров, где температура уже не превышает плюс 23 градусов. Достигнув этого теплового порога, который растение воспринимает с точностью до одного градуса, корни изгибаются и начинают ветвиться в горизонтальном направлении совсем близко от поверхности почвы. Подобно хорошо работающему термостату, растение умеет точно измерять температуру. Это позволяет ему избегать чересчур нагретых участков почвы.

Первопоселенцы на вулканах оказываются не очень разборчивыми и в отношении свойств вулканической почвы, и прежде всего ее высокой кислотности. Наивысшая кислотность была обнаружена учеными в зоне распространения корней некоторых осоковых, росших на илистой почве вулкана Текапа (Сальвадор). Высокое содержание серной кислоты (рН = 1,6) делает почвенный раствор намного кислее сока лимона или уксуса. Вулканическая почва обычно богата также минеральными солями. В некоторых местах растениям приходится иметь дело с большой концентрацией в ней дубящих квасцов. Тем не менее они прижились и здесь, научившись накапливать в своем организме значительные количества содержащегося в квасцах алюминия. Это — характерная особенность данных растений, поскольку другие их виды могут перерабатывать алюминий лишь в небольших объемах.

Не менее сурова жизнь у растений, обитающих на краях кратера, непосредственно не подверженных воздействию вулканических газов или подземного тепла. Лежащий здесь сухой стерильный вулканический пепел, а тем более неровная поверхность затвердевшей лавовой корки, — далеко не идеальная почва. Однако и здесь образуются скромные растительные сообщества из толстянковых, верблюжьей колючки и лишайников (фото 92 и 93).

Фото 92. На сухом вулканическом пепле растут только самые непритязательные растения, в большинстве случаев низкорослые молочаи. На снимке — склоны вулканов Сан-Антонио и Теневия на юге острова Ла-Пальма.

Фото 93. В центральной части высокогорного плато на острове Ланцароте (Канарские острова) громадные площади земли покрыты застывшей лавой. Здесь годами не бывает дождей. Но даже раз выпав, осадки легко скатываются с гладкой каменистой поверхности. Эти негостеприимные и суровые места обживают лишь чахлая верблюжья колючка, только здесь обитающее розеточное растение Aeonium lanzerottense и несколько видов лишайников.

Высокая концентрация солей характерна не только для молодых вулканических почв. В прибрежных неглубоких морских лагунах в сухое время года вода испаряется полностью, и тогда на растрескавшейся от сильной жары почве остается белая корка почти чистой поваренной соли. В области Камарг, на юге Франции, поселяющиеся в этих местах виды Salicornia вынуждены приспосабливаться не только к многомесячному затоплению холодной водой, а затем полному отсутствию влаги при испепеляющих лучах жгучего солнца, но и к колоссальному количеству соли, которая создает более сильный физиологический эффект, чем, скажем, полив комнатных растений вместо дождевой воды крепким рассолом (фото 94).

Фото 94. В мелководных лагунах области Камарг на юге Франции для растений существуют лишь экстремальные условия жизни: затопление либо засуха, влажный ил либо твердая, как камень, растрескавшаяся почва. Местами поверхность покрыта слоем почти чистой поваренной соли. Виды Salicornia приспособились к столь суровым условиям окружающего мира, в котором, с одной стороны, «крутой рассол», а с другой — беспощадное солнце.

Но какими бы исключительно суровыми ни были условия жизни в тропических пустынях, высоко в горах, в полярных областях, на вулканах или солончаках, у всех распространенных здесь видов не ощущается недостатка в одном: в солнечном свете. Без света нет жизни. Для зеленых растений это аксиома. И именно этим объясняется их отсутствие в пещерах. Уже при входе в мир мрака бывает так темно, что здесь можно встретить лишь те немногие виды, которые не предъявляют особых требований к количеству света. На самых подступах к пещере растет крапива, которая довольствуется всего одним процентом от полного дневного света. Несколько дальше проникли папоротники (Asplenium trichomanes), некоторые виды мхов и различные водоросли. Для того чтобы выжить, им достаточно всего одной двухтысячной части полного дневного освещения. Известно, что некоторые водоросли обитают в морском полумраке на глубинах до 100 метров, однако перед полной темнотой отступают и они. В нее дано проникнуть лишь грибам и бактериям. Под землю они заносятся либо потоком воздуха, либо течением воды. Питаются они органическими веществами, которые попадают туда тем же путем, а иногда их приносят с собой спелеологи. Во влажной безветренной атмосфере пещер на растительных или животных остатках лишь на короткое время обретают жизнь бесцветные, тончайшие и чрезвычайно хрупкие создания — плесневые грибы. Белоснежные, напоминающие вату шары плесневого гриба достигают порой размеров футбольного мяча. Однако они нежны до такой степени, что достаточно легчайшего прикосновения или даже просто движения воздуха, чтобы они опали.

Бактерии существуют во всех пещерах, где есть хотя бы незначительное перемещение воздуха. Особенно много их в теплых подземных гротах Средиземноморья. Почти невесомые, они в условиях неподвижного воздуха могут целыми днями или даже неделями опускаться на дно пещеры, покрывая черноватым слоем сталагмиты и сталактиты. Свободной остается лишь кровля пещер. На фото 95 показан один из сталактитов пещеры Куэва-ди-Арта на острове Мальорка. На его причудливо вылепленной поверхности хорошо различимы темные бактериальные налеты.

Фото 95. На поверхности многометровых сталактитов в одной из пещер на острове Мальорка можно различить черный налет. Это — колонии бактерия, которых в это царство тьмы занесли потоки воздуха.

Я побывал в 50 пещерах и при этом дважды сталкивался с ботаническим курьезом. О нем мне хотелось бы упомянуть в книге о возможностях приспособления растений, даже если речь пойдет не о типичном явлении и даже не о растениях — аборигенах пещер. В пещеру, расположенную в окрестностях города Бар в Швейцарии, известную богатством и разнообразием форм сталагмитов и сталактитов, а также в пещеру Пеш-Мерле в окрестностях французского городка Кабрера (департамент Ло), в которой обнаружены следы обитания доисторического человека, непонятно каким образом проникли корни явора. Абсолютная темнота и высокая влажность воздуха создали как будто идеальные условия для их роста. Однако новое окружение оказалось и несколько необычным: отсутствовала почва. И корни «нашли оригинальное решение»: они не ветвились, как это происходит в нормальных условиях, а равномерно росли в направлении дна пещеры (высота пещер достигала 6 метров), стремясь достичь привычного слоя почвы (фото 96).

Фото 96. С потолка пещеры, находящейся в окрестностях города Бар в Швейцарии, с высоты 6 метров, словно окрашенные в черный цвет электрические кабели, спускаются корни клена-явора.

На что еще способны растения

«Слышно и видно, как растет трава»

Растения достигли совершенства в умении приспосабливаться к разнообразным условиям окружающей среды. Эта способность растений в отдельных случаях позволяет им устанавливать необычные рекорды, которые, впрочем, не являются правилом. И тем не менее я не могу не упомянуть о них, поскольку именно они показывают, как невероятно далеко могут простираться границы адаптивных возможностей растений.

В народе порой иронически говорят: «Он слышит и видит, как растет трава». В теплый солнечный день попробуйте взять в руки цветущий колос ржи и провести по нему рукой. Простым глазом вы сможете увидеть, как из колоска станут подниматься тычинки со скоростью почти два миллиметра в минуту. Не столь быстро, но синтезируя гораздо больше органического вещества, растут побеги бамбука. Побеги, толщина которых достигает нескольких сантиметров, каждые пять минут удлиняются на 2 миллиметра. Всего за 4 часа они прибавляют в росте на целых 10 сантиметров.

Абсолютный рекорд скорости роста держит бразильская «дама под белой вуалью». За этим столь поэтическим названием скрывается гриб со скромным ботаническим именем Dictyophora. Из беловатого яйцевидного образования, которое очень быстро растет и вскоре лопается, вверх, со скоростью 5 миллиметров в минуту, устремляется ножка гриба, увенчанная зеленоватой шляпкой. При таком быстром темпе роста ткань ножки в некоторых местах рвется, производя легкий треск. Здесь уже буквально слышишь, как растет «дама под белой вуалью». С высокой для этого удивительного растения скоростью на шляпке гриба образуется тончайший белый узор, напоминающий плетеное кружево, та самая «вуаль». При всей своей внешней красоте гриб источает неприятный гнилостный запах. С его помощью он приманивает мух, разносящих его споры. Насколько быстро растет гриб, настолько быстротечна и его жизнь. В рекордное время он увеличивается в размере до 10 сантиметров, но живет он всего-навсего одну ночь. [45] На следующее же утро на его месте можно видеть лишь жалкую кучку слизистых останков.

Более выносливыми по отношению к очень высоким темпам развития оказывается ряд тропических деревьев. Листья одного из крупных бобовых (Amherstia nobilis) успевают за несколько дней вырасти в длину до одного метра. В трехлетнем возрасте эвкалипты поднимаются на высоту 15 метров, а дерево тропиков Старого Света Albizzia moluccana тянется вверх настолько стремительно, что спустя всего один год уже достигает высоты 5—6 метров. Высота же шестилетних деревьев составляет 25 метров при толщине ствола на уровне человеческого роста 20—25 сантиметров!

Растения-гиганты

Эвкалипты не только быстро растут, но и достигают гигантских размеров. В разделе «Ежедневно 20 ведер воды на шестой этаж» я упоминал о 170-метровом эвкалипте-великане из долины австралийской реки Латроб, который оказался на 9 метров выше самого высокого в мире готического собора в Ульме (ФРГ).

У фикусовых разрастается самая большая в мире растений крона. В ботаническом саду Калькутты растет патриарх этих деревьев. При высоте, равной всего 26 метрам, ствол фикуса имеет в обхвате 18 метров. Периметр его кроны — 300 метров. Мощный купол поддерживается 562 воздушными корнями. Площадь, покрываемая тенью дерева, равна 7000 квадратным метрам.

Впрочем, гигантами становятся не только деревья. В американском штате Пенсильвания в 1918 году был обнаружен куст черники, который занимал площадь 75 тысяч квадратных метров и имел возраст не менее 1200 лет. Обратите внимание, что речь идет не о колонии растений, а об одном экземпляре. Двумя годами позже в той же местности был найден еще более крупный куст черники. Растение размещается на территории, имеющей в поперечнике более 2 километров. Растение разрастается подземными побегами и в среднем за год увеличивается на 15 сантиметров. Если предположить, что темпы роста его были постоянными, тогда возраст черники должен превышать 13 тысяч лет. Иными словами, она пустила первые побеги еще в палеолите. [46]

Возраст деревьев также может достигать нескольких тысяч лет. Отдельные экземпляры драконова дерева (драцены), растущего на острове Тенерифе, насчитывают 6000 лет (фото 97). Почти столь же старыми бывают баобабы и калифорнийские секвойи.

Фото 97. Возраст некоторых экземпляров драконова дерева (Dracaena draco), растущего на острове Тенерифе, оценивается в 6000 лет.

К растениям, способным стать гигантами, принадлежит также виноградная лоза. Самый выдающийся экземпляр растет в Шотландии. Посаженный в 1831 году, сегодня он раскинулся на пространстве более чем в 4000 квадратных метров. Пожалуй, наиболее урожайная лоза известна в окрестностях Граца в Австрии. В 1935 году только ее урожай дал 200 литров виноградного вина.

Крупнейшим на земном шаре является цветок раффлезии, обитающей в тропических лесах Явы. В среднем поперечник цветка, источающего запах гниющего мяса, составляет 1 метр (есть сообщения о том, что встречались цветки до 2 метров в диаметре). Растение не имеет пи корней, ни побегов, ни даже листьев. С помощью многочисленных, напоминающих грибной мицелий нитей оно живет, паразитируя на ветвях и корнях деревьев из рода Cissus.

Внушительные размеры могут иметь и некоторые водоросли, например, длина наиболее крупных из морских ламинариевых водорослей составляет почти 100 метров. [47]

Мнимая смерть, длящаяся 250 лет

Достойна всяческого восхищения способность некоторых семян сохранять свою всхожесть на протяжении весьма длительного периода времени. В сентябре 1940 года в Британском музее произошел пожар. При его тушении вода попала на семена шелковой акации Albizzia julibrissin, которые были собраны в 1793 году. Семена взошли!

До сего дня наибольшая продолжительность периода покоя установлена у семян индийского лотоса. По данным Нью-Йоркского ботанического сада, дали ростки семена, находившиеся в гербарии музея вот уже 250 лет. Своеобразный рекорд летаргического сна! Сам собой напрашивается вопрос: благодаря чему так долго не гибнет живая клеточная ткань, состоящая из сложных белковых соединений, органических кислот и других веществ? [48]

Вообще необычайной живучестью обладают семена многих растений. Находящиеся в состоянии покоя воздушно сухие семена могут быть охлаждены до температуры жидкого водорода (минус 250 градусов), и их всхожесть от этого никак не пострадает. Семена люцерны без всяких признаков повреждения выносят длительное нагревание до температуры 100 градусов. Семена лугового клевера можно держать в спиртовом растворе на протяжении нескольких лет, не опасаясь того, что они утратят способность к прорастанию. [49]

Более долговечны, чем семена цветковых растений, споры бактерий. При раскопках был найден свиток папируса 3000-летней давности, в котором ученые обнаружили споры бактерий, сохранившие полностью свою жизнеспособность.

Абсолютный возрастной рекорд мельчайших живых организмов выявили канадские биологи. В породах нижнекембрийского возраста ими были найдены споры одноклеточных растений. На протяжении многих миллионов лет они не имели ни пищи, ни воздуха. И тем не менее даже в таких невероятных условиях в них не угасла жизнь. [50]

Растения, переваривающие кости и сыр

Своего рода курьезом в царстве флоры можно считать насекомоядные растения с их порой весьма хитроумными ловчими устройствами. Наиболее просто работают ловчие аппараты у Drosophyllum lusitanicum, обитающей в Португалии и Марокко (см. фото 98). Ее листья усеяны железистыми волосками, на концах которых, словно жемчужинки, висят блестящие капельки жидкости, источающей столь заманчивый для насекомых запах меда. Стоит насекомому сесть на лист росянки, как оно намертво приклеивается к нему. Это вызывает у растения раздражение, стимулирующее выделение пищеварительных соков. Местное население использует растение в качестве «липучки» для борьбы с мухами в помещении. У других насекомоядных видов ловчий аппарат устроен более сложно. Способ, каким ловит свою добычу венерина мухоловка, описан мною в разделе «Гидростатическое давление как в морских глубинах». В тропических лесах Восточной Африки встречается лиана непентес (Nepenthes raiah), у которой концы удлиненных листьев превращены в своеобразные урны. Степы и дно урны усеяны выделительными железками. Такие ловчие устройства имеют иногда размер до 1 метра и более. Насекомое, попавшее внутрь урны, края которой источают сладковатый запах, обречено на гибель. На гладких внутренних стенках урны, по которым непрерывно стекает вниз сок, ему не найти никакой опоры. И хотя мухи в состоянии ползать по совершенно гладкому стеклу вверх ногами, здесь они бессильны даже со своими присосками на лапках. Насекомое так или иначе попадает в сок на дне кувшина и тонет в нем. Растению остается лишь переварить его.

Фото 98. Длинные узкие листья насекомоядной росянки усеяны блестящими каплями липкой жидкости. В середине правого кустика растения, рядом со свернувшимся в кольцо кончиком листа можно видеть муху, привлеченную «росой» и попавшую в ловушку.

Весьма интересна в этом отношении насекомоядная пузырчатка. Насчитывается более 275 видов этого растения, малоизвестного неспециалистам. Эти водные цветковые растения, занимающиеся ловлей мелких водных животных, могут захватывать свою добычу с помощью множества небольших ловчих пузырьков диаметром 0,3—0,5 миллиметра, которые снабжены небольшой дверцей. [51] Специальный порожек обеспечивает абсолютную водонепроницаемость двери. Нам пока неизвестно, каким способом, но вероятнее всего электрохимическим, удается растению выкачать из пузырька половину воды. В итоге внутри пузырька образуется значительное разрежение. Если кто-либо из мелких водных обитателей, например личинка комара или небольшой головастик, случайно коснется имеющегося на дверце волоска (он напоминает нажимную дверную ручку), то дверца моментально раскроется вовнутрь, ибо внутри пониженное давление. Дверца установлена на пузырьке шарнирно, поэтому, как только уберут «задвижку», она разницей давления втягивается в глубь пузырька. Ботанику Ллойду удалось отснять весь процесс на пленку. Оказалось, что открывание длится всего 1/160 долю секунды. Насекомое быстро втягивается внутрь, словно «проглатывается». Затем дверца закрывается. На это уходит 1/40 доля секунды. После выравнивания давления дверца упруго отжимается назад. Весь процесс протекает настолько стремительно, что напоминает своим быстродействием работу затвора фотоаппарата.

Насекомоядные растения довольно-таки «гуманны». До того как приступить к трапезе, а она длится 12—48 часов, растение быстро убивает свою жертву при помощи химических средств. Какое значение для жизни пузырчатки имеет «охота» на животных, определил еще в 1888 году естествоиспытатель Бюсген. Он установил, что растение, принимающее животную пищу, развивается вдвое быстрее, чем растение-вегетарианец. Позже вносились даже предложения начать широкую культивацию пузырчатки, с тем чтобы с ее помощью вести борьбу с малярией, точнее сказать, с ее разносчиками — комарами.

Вот как описывает способность насекомоядных растений переваривать пищу один из лучших их знатоков Штрели:

«Что касается процесса пищеварения, то здесь хищные растения могут потягаться с желудками животных. Они в состоянии переварить не только живую мускульную ткань насекомых, но и порубленную на мелкие кусочки сырую и жареную говядину или телятину. Не устоят перед их пищеварительными соками ни острый сыр, ни вязкий хрящ, ни богатые азотом семена растений, ни пыльца, ни мелкие осколки костей, ни даже зубная эмаль. Не перевариваются лишь мучнистые, сладкие и кислые вещества».

Свет в полном мраке

Необычайным даром обладают некоторые обитающие в морских водах бактерии, ряд жгутиковых организмов (Dinoflagellatae), также живущих в море, и добрая дюжина грибов: ночью все они светятся. Излучаемый ими свет настолько ярок, что при нем можно читать.

В небольшой бухте в окрестностях города Паргуера на острове Пуэрто-Рика обитают мириады крошечных жгутиковых, имеющих латинское название Pyrodinium. В новолуние или когда небо покрыто тучами, их свечение так интенсивно, что бухту окрестили Фосфоресцирующей. Движение воды заставляет мельчайшие существа излучать особенно яркий свет. Нередко можно видеть, как плывущие суда или косяки рыб оставляют за собой таинственно мерцающий след, напоминающий собой хвост кометы. [52]

В окрестностях города Огаго, который находится на японском острове Хатидзё, растет светящийся гриб. В темноте эти крошечные живые фонарики видны на расстоянии уже 50 метров (фото 99а и 99б). Грибы, излучающие холодный свет, встречаются и в наших лесах. К их числу относится, например, съедобный осенний опенок.

Фото 99а. Днем в этой группе пластинчатых грибов (Mycena lux-coeli), родина которых Япония, ничего необычного не увидишь...

Фото 99б. ...Но ночью они излучают таинственный свет, словно неведомо кто зажег крошечные экзотические фонарики.

До сих пор науке не удалось выяснить ту роль, которую играет свечение в жизни растений. Но установлено, что источники излучаемого ими света работают намного экономичнее электрических лампочек. Их к. п. д. приближается к 100 процентам. С ними не могут сравниться даже люминесцентные лампы, также дающие холодный свет. Но ботанические фонарики работают экономно не только с точки зрения величины их к. п. д. С помощью биологических часов они включают свет только тогда, когда это вообще целесообразно, то есть в темноте.

А что же можем сделать мы?

За 40 тысяч лет своей истории человек создал технику в том виде, в каком она существует сегодня. Развитие техники происходило вначале медленно, а затем все более и более ускоренными темпами. В наше время объем технических знаний удваивается каждые пять лет. За 40 тысяч лет человек сотворил многое, что существенно облегчает его жизнь. Но одновременно им содеяно немало и того, что эту жизнь затрудняет.

Что же, собственно, дала техника человеку? Выло бы бессмысленно игнорировать здесь те многочисленные удобства, которые она создала для него. Но столь же неразумно было бы не принимать во внимание ту цену, которую потребовала она от него за эти удобства.

В этой книге показано, что и у растений возникают всякого рода проблемы, которые они решают с помощью разнообразных технических средств. Но применяемая ими «техника» не порождает шумов, не загрязняет окружающую среду и не производит отходов, которые нельзя было бы использовать вновь. Она не отравляет атмосферы и не порождает стрессовых ситуаций, устранение которых требует вмешательства психиатров. И тем не менее техника растений и техника человека порой походят в деталях друг на друга, как две капли воды. В чем же различие? Что делаем мы не так, что можем мы сделать, чтобы решать с помощью техники имеющиеся у нас проблемы, не создавая при этом еще больших проблем? Ответы на эти вопросы можно найти между строк настоящей книги. В последней главе я хотел бы обобщить и в какой-то степени систематизировать все сказанное ранее.

Все недостатки созданных человеком технических систем (в сравнении с «техникой», применяемой растениями) в принципе являются следствием несовершенства конструктивного мышления человека. Если оценивать конечный результат, то становится очевидным, что немыслящая, недумающая природа действует намного рациональнее. Поэтому нашей ближайшей «конструктивной целью» должно стать осознанное приспособление найденных технических решений к окружающей природной среде.

1. Техника «должна найти в себе силы» сойти с позиции «диктаторского» господства принципов ее конструирования, абсолютно нейтрального по отношению к окружающей среде, и перейти на позиции понимания своей глубокой зависимости от условий реального мира. В первую очередь это означало бы превращение техники в систему, которой присущи черты эволюционного развития.

2. Нам следует по возможности скорее и основательнее ликвидировать последствия вредного влияния техники на окружающую среду и создать все необходимые предпосылки для того, чтобы не допустить подобные воздействия в будущем.

3. Здесь нельзя идти путем лишь голого теоретизирования. Необходимы решительные, если хотите, «диктаторские» акции правительств, понимающих меру своей ответственности. Уже недостаточно просто определить размеры повреждений, наносимых природе в каждом конкретном случае. Важно предотвратить эти повреждения или, в крайнем случае, уменьшить их масштабы.

4. Все технические решения, и в первую очередь те из них, которые расцениваются как давно оправдавшие себя, надо постоянно пересматривать, с тем чтобы удостовериться в их соответствии с окружающей средой.

5. Необходимо всемерно поощрять развитие у населения интереса к проблемам окружающей среды, пробуждать у людей чувство понимания ее потребностей.

6. Корабль можно остановить, если вместо слов «полный вперед» отдать команду «стоп». Однако, прежде чем океанский гигант полностью прекратит свое движение, он по инерции пройдет еще 20 миль. Одна лишь остановка двигателя не принесет должного результата. Именно об этом не следует забывать тем, кому придется решать задачу возвращения развития техники под полный и всесторонний контроль. Природные возможности человека приспосабливаться к быстрым темпам развития техники уже давным-давно исчерпаны. Дальнейший технический прогресс в традиционном смысле этого слова грозит уже самому его существованию. Бессмысленно вести дискуссии о том, как с помощью психотерапии, психотропных средств и услуг инженеров-психологов по формированию досуга помочь людям приспособиться к технике. Это приспособление невозможно до тех пор, пока технические средства в своем развитии обгоняют человека. Но почему, собственно, человек должен приноравливаться к технике? Не разумнее было бы, чтобы в первую очередь машины помогали человеку адаптироваться к его естественному окружению? И первым шагом в этом направлении станут наши усилия приспособить технику к человеку без какого-либо ущерба для его здоровья. [53]

Приложение

Автор благодарит следующих лиц, издательства, институты и фирмы за любезно предоставленную возможность использовать иллюстративный материал:

Фото 8 - British Information Services, London

Фото 11 - Frau Aenny Kessler, Hanau am Main

Фото 13 - W. H. Earle, Director of the Desert Botanical Garden, Phoenix, Arizona

Фото 14 - Hans Krainz, Städtische Sukkulentensammlung Zürich

Фото 17 - Professor Dr. Hans Reinerth, Überlingen am Bodensee

Фото 18 - Botanischer Garten und Botanisches Museum Berlin-Dahlem

Фото 20 - Professor Dr. G. Haberlandt, Eine botanische Tropenreise, Leipzig, 1893

Фото 22 - Albert Pietsch, Unkrautsamen und Unkrautfrüchte, Stuttgart, 1937

Фото 24 - Werkfoto der HEXCEL HONEYCOMB, Dublin, California

Фото 26, 28 - P. A. Roelofsen, The Plant Cell-Wall; «Encyclopedia of Plant Anatomy», Verlag Gebrüder Bornträger, Stuttgart

Фото 32 - The National Gallery, London

Фото 37, 38 - «Handbuch der Pflanzenphysiologie», Band XVII/2, Springer Verlag, Berlin

Фото 41, 42 - Deutschen Aeroclub, Frankfurt

Фото 60 - Photopress Grenoble - France; Werkfoto der Firma Sames Electrostatic GmbH, Darmstadt

Фото 68 - Werkfoto der Firma Dow Chemical GmbH, Frankfurt

Фото 72- Frau Aenny Kessler, Hanau am Main

Фото 73 - Professor Dr. W. Rauh, Universität Heidelberg

Фото 78, 79, 80 - Foto IBM, Stuttgart

Фото 84, 89 - Walter Richter, Zimmerpflanzen von heute und morgen: Bromeliaceen, Neumann Verlag, Radebeul

Фото 86 - Bundesministerium der Verteidigung, Informations- und Pressestab 2, Bonn

Фото 99а и б - Dr. Y. Haneda, Director of the Yokosuka City Museum; Kanagawa, Japan

Все остальные фотографии сделаны автором.

О книге и ее авторе

На протяжении всей своей истории человечество было вынуждено бороться со стихийными силами природы за средства к существованию, уметь противостоять силам природы, с тем чтобы выжить в этой трудной борьбе и победить. И Человек выстоял и победил. Давно уже победил... Но отношение к природе как к объекту покорения осталось. К сожалению, оно очень распространено и в наше время, иные люди других отношений с окружающим нас миром и не мыслят.

Среди разнообразных, в том числе и положительных, итогов «покорения» природы в последнее время возник комплекс сложных и очень острых проблем, таких, как истощение природных, и прежде всего энергетических, ресурсов, необходимость устранения отходов разнообразных производств, предупреждение загрязнения воздушного бассейна, вод, почвы и ряд других.

Если совсем недавно идеи переустройства природы понимались главным образом метафорически, то ныне массы веществ, вовлеченные в технологические процессы, столь велики, что формируемые ими искусственные геохимические потоки вполне сопоставимы с природными геохимическими потоками. Реально, зримо они меняют лик Земли.

Колоссальная мощь техники, имеющейся сегодня в распоряжении Человека, налагает на него особую ответственность за судьбы природы, с которой он по-прежнему неразрывно связан.

Идеи «покорения» природы — это своеобразный «заплыв против течения». Между тем опытный пловец, чтобы не быть втянутым в водоворот, всегда стремится плыть по течению, и центробежные силы быстро выносят его на спокойное место.

Не противостоять природе, а «плыть» с ней в одном потоке — это веление времени. Именно такой позиции придерживается Феликс Патури.

О чем эта книга? Ее с полным основанием можно отнести к научно-популярной литературе о бионике. Бионика — продукт научно-технической революции — оформилась как наука сравнительно недавно, около двух десятилетий назад. Она возникла на стыке экологии, биологических и технических дисциплин — такие пограничные области в науках бывают особенно плодотворными. Несмотря на короткий период существования этой науки, в ней наблюдается лавинообразный рост публикаций по самым различным проблемам, связанным с «техникой природы».

Подавляющее большинство работ по бионике посвящено зоологическим объектам — тут и моделирование различных органов чувств и отдельных их элементов, исследования биомеханики движений, эхолокация и различные формы связи и многое другое. Однако в круг изучаемых бионикой явлений входят и более сложные объекты — сообщества организмов. Бионика исследует организацию и функционирование биологических систем. Она изучает процессы преобразования вещества, энергии, информации и на уровне организма, и на уровне экосистемы. Но удельный вес работ, связанных с изучением надорганизменного, экосистемного уровня, невелик, невелико и число публикаций, посвященных ботаническим объектам. В известной мере это следствие слабой популяризации соответствующих дисциплин. Книга Феликса Патури с успехом восполнит пробел, имеющийся в этой области.

Автор — не биолог, он инженер по образованию, окончил высшую техническую школу в Дармштадте и университет в Штутгарте, специализировался в области электроники и психологии, работал в области ядерной физики и занимался прогнозированием энергоресурсов, был издателем литературы по счетной и измерительной технике. В 1972 году он опубликовал свою первую научно-популярную книгу «Эффект эскалатора».

Взгляд на живую природу глазами инженера позволил Ф. Патури увидеть в ней те технические принципы, которые живые растения «используют» в своей архитектуре, и с увлечением рассказать о них читателям. Однако читатель не найдет в этой книге ни систематического изложения инженерных идей, ни систематических сведений о строении и жизнедеятельности растительных организмов. Правда, автор и не ставил перед собой такой задачи. Перед нами скорее ряд ярких, запоминающихся эскизов, беглых зарисовок с натуры, когда параллельно преподносятся растительные структуры и их индустриальные аналоги, причем все описание сопровождается прекрасно сделанными оригинальными иллюстрациями — преимущественно имеющими документальную ценность фотографиями. Одновременно выявляется не только внешнее сходство структур, но и общие принципы работы сравниваемых конструкций. Очевидно, что идея книги вынашивалась автором долго, столь же долго и скрупулезно собирался материал.

Феликс Патури — не первый инженер, обративший внимание на совершенство растительных форм, их обусловленность законами механики. В. Ф. Раздорский, известный советский ботаник, анатом растений, тоже инженер по образованию, еще в 30—40-х годах нашего столетия сформулировал «строительно-механические принципы конструкции органов растений» («Архитектоника растений», изд-во «Советская наука», М., 1955).

Ф. Патури с большим воодушевлением раскрывает перед читателями нюансы структуры и функций различных ботанических феноменов, проводит подчас неожиданные, но оправданные сопоставления их с техническими конструкциями и, как правило, отдает пальму первенства творениям природы (зачастую, впрочем, с пристрастием).

Своеобразие подхода автора заключается в том, что он обратил внимание на те стороны бионики, которые до сих пор в значительной мере оставались в тени: среди них проблема утилизации отходов и создание безотходных производств, экологический кризис и функционирование таких крупных саморегулирующихся систем, как растительные сообщества, вопросы расточительного расхода энергии и сырьевых ресурсов. Все это проблемы, где есть над чем поработать, есть чему поучиться у природы.

Ф. Патури обнажает клубок противоречий, связанных с неэкономным расходованием энергии, возникновением неестественной, неблагоприятной окружающей среды, к которой человек вынужден с ущербом для собственного здоровья адаптироваться.

Антиподами энергетического расточительства служат зеленые растения — великие аккумуляторы энергии на Земле. Их планетарной роли, планетарной роли фотосинтеза посвящено немало строк в этой книге. Сопоставление современных технических устройств по поглощению и аккумулированию солнечной энергии с зеленым листом оказывается не в пользу первых. В этом нет ничего удивительного, ибо современная техника существует десятки лет, а процессы фотосинтеза отшлифовывались в мастерской природы многие сотни миллионов лет.

Отдельный раздел посвящен острейшей проблеме современности — проблеме отходив производства и уничтожения отбросов. Большинство заводов по переработке мусора изменяют лишь форму загрязнения среды; твердые отбросы при сжигании становятся газообразными, менее заметными, но отнюдь не менее опасными. В мире растений проблемы отходов вообще не существует — вся продукты жизнедеятельности полностью утилизируются в длинных цепях питания грибов и микроорганизмов. Естественные экосистемы — это та лаборатория, в которой можно найти рациональное решение большинства экологических проблем, стоящих перед человечеством. Безотходное производство — вот тот идеал, который может быть одним из гарантов окружающей среды. Автор приводит пример с биологической очисткой воды, которая по своим параметрам приближается к безотходному производству.

Другие разнообразные примеры приспособленности растений к самым различным условиям обитания, особенности их строения, архитектоники, размещения опорных тканей, жилкования и т.д. также даются в сопоставлении с аналогичными техническими сооружениями: усики лиан и дверные пружины; рифленое железо и гофрированные листья веерных пальм; корни-подпорки панданусов и свайные деревни. На страницах книги читатель найдет описание множества интересных ботанических феноменов: здесь и микоризы орхидей и других растений, растения-камни, растения-кашпо, муравьиные сады, термальные, обитающие в кипящей воде сине-зеленые водоросли, насекомоядные растения и другие.

Для всего изложения характерен постоянный крен в сторону экологии, постоянное обращение к проблемам охраны природы и сохранения окружающей среды, выпуклый показ гармоничных решений проблем этого рода в мире растений. И в этом несомненное достоинство и своеобразие этого яркого повествования.

Вместе с тем временами автор, увлекшись, начинает наделять растения чувствами, стремлениями, подобными человеческим, даже чуть ли не разумом. Злоупотребление антропоморфизмом временами просто утомительно. Не следует и абсолютизировать приспособленность растений к тем или иным условиям окружающей среды — эта приспособленность, как правило, бывает относительна. Не надо идеализировать мир живой природы — он далек от полной гармонии. В течение длительной геологической истории Земли жизнь прошла через многочисленные кризисные ситуации. Часть этих кризисных ситуаций возникла независимо от развития жизни на Земле, а часть явилась прямым следствием ее возникновения и развития. Так, биогенная трансформация древней атмосферы Земли сопровождалась рядом крупных глобальных климатических сдвигов, приведших к вымиранию одних форм и прогрессивному развитию других.

Автор пытается абсолютизировать эволюцию, считая, что эволюция ошибок не допускала... Конечно же, это не так: в эволюции жизни на Земле было немало тупиковых направлений, представители которых дошли до наших дней только в ископаемом виде.

Временами в изложении утрачивается разница между инженерным творчеством и творчеством природы. В природе, по воле автора, появляется изначальная идея. Между тем природа слепа и творит без какого-либо плана. Впрочем, автор и не преследовал цели сколько-нибудь связно изложить эволюционную теорию. Однако читателю было бы очень полезно освежить в памяти и систематический курс ботаники, и теорию эволюции в самом сжатом изложении. (См., например, Н. В. Тимофеев-Ресовский, Н. Н. Воронцов, А. В. Яблоков, Краткий очерк теории эволюции, изд-во «Наука», М., 1969; К. Даддингтон, Эволюционная ботаника, изд-во «Мир», М., 1972.)

Обращает на себя внимание заметный экологический пессимизм Ф. Патури. Как и многие представители его круга, причины возникновения экологических проблем он видит в чем угодно: в быстром прогрессе технических средств, развитии добывающей промышленности, росте городов, накоплении отходов, — но только не в социальной структуре капиталистического общества.

Не будут поняты многими советскими читателями сетования автора и его опасения по поводу быстрого прогресса машинной техники, боязнь быстрого роста современных городов. Автор чувствует себя беспомощным перед стихийным развитием техники в условиях бесплановой капиталистической экономики. Он искусственно противопоставляет науку и технический прогресс человеку, обществу; противоречие между трудом и капиталом пытается подменить противоречием между техникой и человеком. Советскому читателю, разумеется, ясно, что дело здесь, конечно же, не в развитии техники, а в социальном устройстве общества: в мире капитала техника принадлежит эксплуататорским классам и является орудием эксплуатации, поэтому человек боится технического прогресса; при социализме технический прогресс служит трудящимся, освобождая им время для творческого развития. Точно так же и рост городов опасен тогда, когда города обрастают трущобами и свалками — тогда это реальный источник эпидемий; социалистическое градостроительство не знает таких проблем, для трудящихся нашей страны расширение градостроительства означает дальнейший рост их благосостояния, улучшение жилищных условий в соответствии с самыми высокими санитарными нормами.

К сожалению, приходится констатировать, что автору мало знакома советская литература, в частности работы, открывающие возможность биологического решения ряда экологических проблем. Приведем лишь один из многочисленных примеров. Так, весьма любопытным с точки зрения бионики является разработанный в нашей стране метод утилизации органических отходов с использованием специфических видов насекомых. В данном случае удачно найдено недостающее звено в искусственной агроэкосистеме: личинки насекомых полностью утилизируют отходы, превращая их в высококачественный ил, пригодный для непосредственного внесения в почву и обладающий высокой нематоцидной активностью. Сами же личинки идут на корм птице, скоту и даже рыбе и для белковой подкормки пчел. Наблюдение в природе навело авторов метода на мысль использовать в искусственных агроценозах естественные пищевые цепи, потоки веществ, механизм действия которых отшлифован многими миллионами лет сопряженного эволюционного развития.

Экологический пессимизм Ф. Патури, вероятно, дал бы трещину, если бы он ознакомился с широко ведущимися в нашей стране поисковыми работами по созданию новых типов экологически чистых двигателей, с разработкой проблем водородной энергетики.

Отмеченные выше недостатки не заслоняют, однако, главных достоинств книги — свежесть излагаемого в ней материала, высокое качество иллюстративного материала, его информативную насыщенность, присутствующий на всех страницах книги природоохранительный пафос.

Ценность научно-популярной книги Ф. Патури в том, что он обратил внимание на растительный мир, на удивительные и временами кажущиеся невероятными формы приспособления зеленых растении к самым крайним условиям существования жизни на нашей планете.

Автор не дает полного очерка бионики как науки, между тем у читателя может появиться интерес к этой области знания. Краткий систематический обзор по бионике опубликован И. В. Литинецким: Бионика. Пособие для учителей, изд-во «Просвещение», М., 1976.

В. Степанов, зав. лабораторией охраны растительного мира ВНИИ природы МСХ СССР

Примечания

1

Не следует идеализировать мир живой природы — он далек от полной гармонии. Кризисные ситуации для различных форм жизни возникали в естественной истории Земли не раз и были, в частности, связаны с биогенной трансформацией древней атмосферы. Свидетельства этих кризисных ситуаций в историческом развитии жизни — многочисленные ископаемые остатки вымерших форм.— Прим. ред.

2

Представления автора о более «сознательном» отношении растений к окружающей среде следует расценивать как явную гиперболу, ибо очевидно, что растения ни в какой мере не обладают сознанием. — Прим. ред.

3

Автор не видит принципиальных отличий между естественным отбором и отбором инженерных вариантов. Если в инженерных разработках всегда есть изначальная техническая идея, то у природы изначальной идеи нет и не может быть, и «творит» она без заранее обдуманного плана, вслепую.— Прим. ред.

4

Автор переоценивает непогрешимость эволюции: в эволюции было немало тупиковых путей, и число вымерших форм не меньше числа ныне живущих. — Прим. ред.

5

Опасения по поводу быстрого прогресса машинной техники сродни «машинным бунтам». Дело не в технике, а в социальной структуре общества: в мире капитала техника служит интересам эксплуатации человека, при социализме технический прогресс освобождает человеку время для творческого труда. — Прим. ред.

6

от лат. fenestra — окно.— Ред.

7

Угроза распространения инфекционных болезней в результате роста городов реальна лишь тогда, когда города расширяют свои территории за счет свалок и трущоб с их антисанитарными условиями. Развитие социалистического градостроительства, ведущегося современными индустриальными методами с учетом новейших достижений науки, техники, архитектуры, приводит к улучшению жилищных условий горожан, в частности санитарных условий их жизни, и исключает опасность развития эпидемий.— Прим. ред.

8

В русском (да и не только в русском) языке такой термин есть: утилизация вторичного сырья. Требуется радикальное расширение этой области хозяйства, создание индустрии вторсырья.— Прим. ред.

9

Мизерные дозы химических веществ для информационных целей используются в газопроводах — следы меркаптанов придают топливному газу неприятный запах, позволяющий обнаружить утечку газа. Пахучие вещества используются для сигнализации в воздухопроводах шахт. Мирным целям информации служат ничтожнейшие количества радиоактивных веществ: меченые атомы применяются в разнообразных биологических экспериментах.— Прим. ред.

10

Половые клетки мхов и папоротников, споры водорослей и грибов являются лишь одноклеточными стадиями развития этих многоклеточных растений.— Прим. ред.

11

В нашей стране успешно решается проблема рекультивации земель, нарушенных горными разработками. Созданы специальные методы ведения вскрышных работ при открытых горных выработках, методы организации искусственных (кстати, лесных) биоценозов на отвалах горнодобывающей промышленности.— Прим. ред.

12

Абсолютно точного соответствия правилам симметрии в живой природе нет — всегда имеют место индивидуальные отличия, вариации. Даже правая в левая половины одного и того же лица не одинаковы, что легко обнаружить, разрезав зеркальные фотоизображения по оси симметрии и составив новый портрет из двух правых и двух левых половинок (получится два совершенно разных лица). — Прим. ред.

13

Освоение поверхности моря с целью строительства жилых и производственных сооружений не является сегодня утопией или только предполагаемой возможностью. Нефтедобывающая промышленность различных стран давно уже шагнула в море, а испытывающая большой дефицит суши Япония уже сейчас пытается осваивать морскую поверхность близ своих берегов для строительства промышленных и жилых сооружений.— Прим. ред.

14

Родина физалиса — Япония и близкие к ней страны Восточной Азии. Ее неядовитые ягоды, которые в народе именуются «песьей вишней», заключены в пузыревидные чашечки, сохраняющие свою кораллово-красную окраску и форму также после высыхания. Растение с сухими декоративными чашечками получило у нас название «китайского фонарика».— Прим. ред.

15

«Плановый» характер природных процессов — вновь явная гипербола автора, отражающая его склонность к антропоморфизму. К тому же для многих природных явлений можно предположить избыточность — например, образование спор, пыльцы и т. п. Когда пылят хвойные, пыльца тонким слоем лежит на всех предметах, на поверхности воды, носится в воздухе, тогда как для опыления достаточно ничтожного ее количества.— Прим. ред.

16

Существует предел давления, при котором разорвется столб воды. Этот предел составляет 1 килограмм на 1 квадратный сантиметр, и самая большая высота, на которую вакуумный насос может поднять воду, равна примерно 10 метрам.— Прим. перев.

17

Достоверны сведения, что длина некоторых срубленных эвкалиптов достигала 110 метров; приводимые в некоторых работах величины в 145 м, 150 м, 155 м и даже 170 м, как в этой работе, остались пока неподтвержденными.— Прим. ред.

18

Ксерофиты — растения засушливых областей (пустынь) или безводных почв.— Прим. перев.

19

Заметим, что эта аналогия очень и очень условна. — Ред.

20

Точка зрения автора верно отражает пороки стихийного развития экономики капитализма. В социалистическом обществе развитие экономики носит плановый характер, в частности, в нашей стране уже давно финансируются исследования по разработке различных систем экологически чистых двигателей.— Прим. ред.

21

Осмос представляет собой диффузию вещества через перегородку (мембрану), разделяющую чистый растворитель и раствор или два раствора разной концентрации. Перегородка проницаема только для растворителя.— Прим. перев.

22

Чем концентрированнее солевой раствор, тем больше он вбирает воды извне. Только таким путем может постепенно уменьшиться его концентрация. — Прим. перев.

23

Живая протоплазма растительных клеток удерживает внутри вакуоли растворенные в воде вещества — соли, антоцианы, таннины, сахара.— Прим. перев.

24

Под сочленением имеется в виду небольшое утолщение в месте прикрепления черешка листа к стеблю или ветке.— Прим. перев.

25

Способность листьев мимозы к движению — это прежде всего приспособление к проливным тропическим дождям.— Прим. ред.

26

Никтинастические движения листьев растений происходят в связи со сменой дня и ночи; они обусловлены периодическими колебаниями тургора в клетках особых сочленений черешков листочков сложного листа с главным черешком.— Прим. ред.

27

Антропоморфное преувеличение — разумеется, растения не могут «проигрывать» какие бы то ни было варианты. — Прим. ред.

28

Толстый слой пробки имеют также стволы амурского бархата (Phellodendron amurense), произрастающего в Приморье и Хабаровском крае. Пробка амурского бархата находит применение в промышленности, как и пробка пробкового дуба, причем по эластичности она превосходит последнюю.— Прим. ред.

29

Горизонтальное расположение листьев характерно для многих травянистых растений под пологом леса и для ветвей деревьев нижних ярусов. Листья на ветвях деревьев в верхних ярусах леса (на полном солнечном освещении) могут быть ориентированы относительно горизонта самым различным образом.— Прим. ред.

30

В растении содержатся наркотики — мескалин и лофофорин, которые вызывают зрительные и слуховые галлюцинации. — Прим. перев.

31

Летучие собаки — один из крупных видов летучих мышей кормящихся фруктами. Иначе эту мышь называют крыланом, или калонгом. Его длина около 40 сантиметров, размах крыльев почти полтора метра. Окраска крылана рыжевато-бурая. Обитает в лесах Индонезии.— Прим. перев.

32

Бит — двоичная единица измерения количества информации.— Прим. ред.

33

Перечисленная здесь и вся остальная генетическая информация о строении и развитии будущего растения содержится не только в семени растения, но и в любой из его клеток.— Прим. ред.

34

Автор, по-видимому, отдает предпочтение прикладным наукам, полагая, что они в наибольшей степени влияют на качество жизни. Между тем весьма далекая от прикладных задач теоретическая физика привела человечество к использованию ядерной энергии, что очень серьезно повлияло именно на качество жизни человечества.— Прим. ред.

35

Нельзя говорить об «измерении» времени растением. Речь может идти о способности растений реагировать на определенные временные промежутки, на световые импульсы ничтожной, менее 1/10000 секунды длительности и т. п. — Прим. ред.

36

Движения листьев, аналогичные никтинастическим, наблюдаются и в течение дня под влиянием резкой смены освещенности и температуры (фотонастия). Когда днем светлое пятно солнечной мозаики под пологом леса попадает на кислицу, она довольно быстро складывает листочки своего листа вертикально.— Прим. ред.

37

Автор несколько усложняет вопрос — растение не «отключает» фотосинтез на ночь, просто баз света он не идет, если же я ночные часы дать искусственное освещение, то фотосинтез немедленно возобновится.— Прим. ред.

38

Не являясь специалистом-биологом, автор, по-видимому, мало знаком с обширной литературой, посвященной исследованию природных ритмов как на уровне отдельного организма, популяции, вида, так и на уровне целых сообществ.— Прим. ред.

39

Уместнее говорить об адекватных (соответствующих) реакциях растений, а не об их «разумном поведении».— Прим. ред.

40

Правильнее говорить, что ритм сезонного развития бурых водорослей хорошо согласуется с лунным календарем.— Прим. ред.

41

Автор опять проявляет свою приверженность к антропоморфным построениям. Лучше говорить лишь о хорошем соответствии суточных, сезонных, годичных и других ритмов развития растений, о суточной, сезонной, годичной периодичности явлений природы. — Прим. ред.

42

Речь идет о так называемой гетеростилии, выражающейся в том, что растение имеет цветки двух или более типов с тычинками и столбиками разной длины. Когда насекомое погружает свой хоботок в трубку венчика короткостолбчатых цветков, она пачкается пыльцой как раз на том уровне, где будет рыльце длинностолбчатого цветка, и наоборот.— Прим. ред.

43

Автор несколько упрощенно рисует взаимоотношения гриба и орхидеи. Гифы мицелия гриба проникают в ткани корня высшего растения для получения углеводного питания, при этом они снабжают растение почвенными растворами, во много раз увеличивая поглощающую поверхность корневой системы. Микориза — симбиоз гриба и корня высшего растения — характерна для всех орхидных и для большинства других цветковых растений; иногда этот симбиоз переходит в паразитизм гриба на растении и обратно.— Прим. ред.

44

Роль эфирных выделений ясенца скорее в отпугивании травоядных животных резким запахом, а не в охлаждении листьев растения в жаркий день. — Прим. ред.

45

Всего лишь сутки «живет» зрелое плодовое тело гриба, а сам гриб в виде белых нитей грибницы (мицелия), пронизывающих почву, существует многие годы.— Прим. ред.

46

Без первоисточника трудно судить о достоверности приведенных сведений.— Прим. ред.

47

Наиболее крупной водорослью является Macrocystis spyrifera (из бурых водорослей) —она достигает длины 300 метров.— Прим. ред.

48

Ткани семени находятся в состоянии покоя (анабиоза), они содержат мало воды, защищены оболочками и в таком состоянии способны в благоприятных условиях сохраняться длительное время.— Прим. ред.

49

Подавляющее большинство растений имеют недолговечные семена, сохраняющие всхожесть в течение немногих лет, а то и месяцев. Своеобразный рекорд быстроты потери всхожести принадлежит семенам тополя — они утрачивают ее в течение нескольких часов, и если за это время не попадут в благоприятную для прорастания обстановку, то гибнут. — Прим. ред.

50

Автор, к сожалению, не приводит ссылки на научный первоисточник.— Прим. ред.

51

Ловчие пузырьки пузырчатки являются видоизмененными частями листовой пластинки подводного сильно рассеченного листа. Над водой у пузырчатки обычные зеленые листья. Это растение — постоянный обитатель наших стоячих водоемов.— Прим. ред.

52

Свечение морской воды в теплых морях вызывается главным образом панцирными жгутиковыми простейшими, однако способностью к биолюминесценции обладают и некоторые медузы, ракообразные, некоторые моллюски, а на суше — отдельные виды насекомых.— Прим. ред.

53

Автор искусственно противопоставляет технический прогресс человеку, обществу. Противоречия между техническим прогрессом и обществом возникают там, где технические средства находятся в руках эксплуататорских классов; в социалистическом обществе, где нет социальных противоречий, достижения технического прогресса ставятся на службу человеку, его гармоничному развитию.— Прим. ред.

Content

Феликс Патури
Растения - гениальные инженеры природы

Введение

Использовать солнечный свет

Жизнь из воздуха, воды и света

Солнцу навстречу

«Персональная» оранжерея

Проблема отходов

Устранение отходов

Растения - химики

В 1000 раз быстрее, чем в лаборатории

Все началось со скороспелых яблок

В поисках пищи

Растения - архитекторы, строители, механики

Как был создан Хрустальный дворец

Гофрированный лист

«Арматурная сталь»

Вьющиеся и лазящие канаты

Свайные постройки в природе

Техника каркасного строительства

Стебель травы и «сэндвич»

Сверхпрочные тканые и нетканые материалы

Математика с точностью до одной тысячной процента

Золотое сечение

Класс точности, как у сапфировой иглы

Решение транспортных проблем

Через реки, озера, моря

Мирные стрелки

Ветряные мельницы, парашюты и планеры

Подобно пыли, вздымаемой ветром

Пассажиры с билетом и «зайцы»

Монокультуры нежелательны

Мастера гидравлики

Ежедневно 20 ведер воды на шестой этаж

Губки, вакуумные насосы и электростатика

Энергия повсюду

Гидростатическое давление как в морских глубинах

Прикладная термодинамика

Хлопчатобумажная одежда и современные теплоизоляционные материалы

Спасающиеся от жары в собственной тени

Зимовать, как земляные белки

Техника информации: от сигнальных флажков до компьютера

Сигнальные флажки, светофоры, запахи и тепло

Совершенные компьютеры

Рекорды измерительной техники

Растения ставят рекорды

Они знают день и час...

Цветочные часы

Полуночные свидания бурых водорослей

Предупреждение инцухта

Брак между близкими родственниками нежелателен

Совершенство приспособления

Объединение интересов

Маскировка — основа процветания

Горящие кусты

Пионеры безжизненных пространств

На что еще способны растения

«Слышно и видно, как растет трава»

Растения-гиганты

Мнимая смерть, длящаяся 250 лет

Растения, переваривающие кости и сыр

Свет в полном мраке

А что же можем сделать мы?

Приложение

О книге и ее авторе

Примечания