Тайна вещей. Деревья

       Почему вода в деревьях поднимается на десятки метров ?
Возможно, что для кого-то это неудивительно. Но для тех,
разбирается в физике, знает, что такое атмосферное давление, знает
как устроен всасывающий насос, как он работает, это вызовет
некоторое недоумение. Дело в том, что всасывающий насос не может
поднять воду на высоту более 10 метров. Нагнетательный насос
может поднять воду на высоту более 10 метров. Поэтому в
индивидуальных домах для подачи воды из скважин глубиной более
10 метров применяют нагнетательные насосы, которые погружают в
скважину.               
    Из истории известно, что вначале был изобретен
всасывающий насос. А вот то, что всасывающий насос не может
поднимать воду выше 10 метров, было открыто при следующих
обстоятельствах. В 1640 году великий герцог Тосканский решил
устроить фонтан около своего дворца, и приказал провести для этого
воду из близлежащего озера с помощью всасывающего насоса. Но
мастера,которым было поручено устроить фонтан обнаружили, что
поднять воду насосом выше чем на 32 фута, а это около 10 метров,
невозможно. Герцог сильно возмутился, и обратился к уже совсем
старому 76 -летнему Галилео Галилею за устранением проблемы. В те
времена всасывание воды насосом объясняли тем, что природа боится
пустоты, поэтому, чтобы не возникало пустоты, вода и следует за
поршнем в насосе. Галилей осмотрел насосы, и убедился что они
совершенно исправны. А далее Галилей пошутил по поводу мнения,
что природа боится пустоты, и поэтому вода поднимается за поршнем
насоса. Он сказал — Но почему природа боится пустоты лишь до
высоты 32 фута, а затем уже нет?! Тем не менее шуткой Галилей не
ограничился, и всерьёз задумался о физической сущностью явления.
     Поразмышляв, он пришел к выводу, что воздух имеет вес, а значит,
существует атмосферное давление. В дальнейшем вопрос об
атмосферном давлении исследовал ученик Галилея итальянец
Эванжелиста Торричелли. Многие знают о знаменитом опыте
Торричелли со стеклянной трубкой(запаянной с одного конца)длиной
в один метр, заполненной ртутью, и опущенной открытым концом в
чашку со ртутью. Часть ртути выливалась при этом в чашку, а в
трубке оставался столб ртути высотой около 760 мм ртутного столба.
     То есть, получается, что величина атмосферного давления равняется
760 мм ртутного столба.(Именно такой столбик ртути
уравновешивается давлением, которое оказывает воздух на
поверхность ртути в чашке). Но не многие, скорее всего, знают
почему для проведения опытов Торричелли взял ртуть. На самом деле
ответ достаточно прост. Плотность ртути в 13 раз больше плотности
воды, поэтому трубку для опытов можно взять достаточно короткую,
длиной около метра. А такую трубку и изготовить легче, и легче с ней
работать при проведении опытов. Теперь вопрос к читателю - А
почему при изготовлении трубки было выбрано стекло, а не металл,
например?Ответ прост... Стекло прозрачно, и можно видеть какова
высота ртутного столба. Этот опыт был проведен и описан примерно
в 1643 году. Можно добавить к сказанному выше, что со временем
пустота, которая образуется в трубке над столбиком ртути получила
название Торричеллева пустота.
     В 1646 году Блез Паскаль в г. Руане(Франция) повторил опыт
Торричелли, но уже с очень высокой трубкой, опущенной в бочку с
водой, а затем и с вином!Трубка была длиной 14 метров, а вода
остановилась на высоте 10 метров.(Интересно... Из какого материала
была изготовлена трубка?). То есть, если измерять величину
атмосферного давления с помощью водяного столба, то нормальное
атмосферное давление равняется 10 м вод. столба. Разумеется,
величина атмосферного давления может меняться. Может меняться
при изменении погоды, также величина атмосферного давления
зависит от высоты над уровнем моря. Самое главное — этими
опытами было опровергнуто ранее существующее мнение, что воздух
не имеет веса. На самом деле один кубический метр воздуха имеет
массу 1,3 кг. Столь длинное вступление к вопросу о высоте подъёма
воды в деревьях, о причинах, о силах, которые это делают - это всё
совсем не случайно. На мой взгляд убедительного ответа на эти
вопросы наука до сих пор так и не дала! Меня уже давно занимал
вопрос о силах, поднимающих воду в деревьях на высоту в десятки
метров.               
   В 2020 году мне довелось прочесть книгу ,,Тайная жизнь
деревьев'', которую написал Петер Вольлебен. Он работал лесником в
Германии. Занимался, можно сказать, и научной работой по изучению
леса. В книге есть главка, которая называется .,,Загадочный транспорт
воды''. В ней Петер пытается объяснить, какие силы поднимают воду
в деревьях на десятки метров, в некоторых случаях подъем воды в
деревьях происходит даже на высоту в 100 метров. К сожалению
приходится констатировать, что Петеру Вольлебену так и не удалось
раскрыть тайну, почему вода в деревьях поднимается так высоко.
Петер в начале упоминает о мнении, по которому подъём воды в
деревьях происходит за счёт капиллярных сил. Действительно,
подъём воды в деревьях(как и в растениях тоже) происходит по
трубочкам - сосудам, которые можно считать капиллярами. Сосуды у
лиственных деревьев имеют диаметр 0,5 мм, а у хвойных деревьев -
0,02 мм. Но объяснить подъём воды до 100 метров за счет
капиллярных сил невозможно, так как за счет капиллярных сил вода в
трубочках поднимается не более, чем на метр (величина подъема
зависит от диаметра трубочки).               
   Далее Вольлебен говорит, что в
настоящее время общепринятым является объяснение подъёма воды
явлением, которое называется транспирацией. Транспирация — это
испарение воды в листьях и хвое. Биологами было специально
придумано так называть, чтобы подчеркнуть разницу между
испарением, которое рассматривается в физике, и испарением,
которое происходит в физиологическом процессе. (Видимо, здесь
следует сказать, что ранее мне казалось, что законы природы едины
как в физике, так и в биологии...). При испарении воды в устьицах
листа происходит как бы разряжение. Вслед за термином
транспирация у Петера звучит еще и термин когезия. Когезия — это
притяжение молекул друг к другу(одного и того же вещества).По
мнению биологов разряжение, образующееся за счет испарения воды
в устьицах действует(тянет) верхние молекулы воды, а те в свою
очередь тянут за собой следующие молекулы в силу когезии. И таким
образом это воздействие распространяется до самых корней дерева.
     Лично мне думается, что такое объяснение с точки зрения физики
является очень и очень сомнительным. Петер Вольлебен так же
высказывает свое сомнение в том, что причиной столь высокого
подъёма воды в деревьях является транспирация с когезией. И
приводит следующий довод... На севере США и в Канаде собирают
кленовый сок, когда ещё снег не стаял, и почки не распустились. А
раз листьев нет, то о какой транспирации можно говорить? А
сокодвижение в это время самое мощное!
     Вольлебен упоминает и об осмосе. Здесь мне, видимо следует
уточнить, что строго говоря в деревьях перемещается по вертикали(и
по горизонтали тоже) не химически чистая вода, а вода содержащая
растворенные минеральные соли, а также некоторые вещества
органической природы. Петер Вольлебен говорит, что если в одной
клетке концентрация выше, чем в соседней, то вода сквозь клеточные
стенки будет проникать в более сладкий раствор, пока процентное
содержание сахара в обеих клетках не выравняется. И так происходит
движение воды от клетки к клетке. Но далее Петер Вольлебен
говорит, что таким образом осмос действует только в корнях и
листьях, но не в стволе, который состоит не из ряда прилегающих
друг к другу клеток, а из длинных сквозных сосудов.
    При всем моём большом уважении к Петеру Вольлебену, я
вынужден внести некоторые поправки к тому, что он говорит. Дело в
том, что Петер совсем не упоминает о корневом давлении. У
современных биологов существует такое мнение, что в подъёме воды
в деревьях принимают участие два двигателя: верхний концевой
сосущий двигатель, работающий за счёт транспирации, и нижний
концевой корневой двигатель, который создает в корнях давление и
толкает воду вверх. Но корневой двигатель, создающий давление,
поднимает воду на высоту до четырех метров над землей. При чем у
хвойных деревьев такого корневого двигателя , толкающего воду
вверх нет! У лиственных деревьев такой корневой двигатель ,
толкающий воду вверх присутствует не у всех пород. Корневые
двигатели толкают воду вверх у березы, клена, яблони, винограда,
пальмы и некоторых других. Это характерно для десятков пород, но
все же не для всех лиственных деревьев. И конечно же, то что
американцы и канадцы собирают сок клена — это заслуга корневого
давления. Так же как и как и у нас в России, когда мы собираем
березовый сок.
      Второе замечание, которое мне хочется высказать в адрес Петера
Вольлебена следующее. Вот он говорит, что пока почки на клене не
распустились, листьев нет, значит нет транспирации. Но, строго
говоря, это не совсем так. Испарения идут не только с листьев, но и с
почек, с кутикул и коры ветвей. В кутикулах(это кожица такая на
черешках листьев) и коре ветвей идёт испарение воды через
трещинки и повреждения. Конечно же, основная транспирация(90%)
осуществляется через листья.
    В целом же, на мой взгляд, сомнения Петера Вольлебена в том, что
транспирация и силы сцепления (когезия) являются причиной
подъёма воды на десятки метров, являются вполне обоснованными.
Вольлебен говорит - И что теперь? Неизвестно. Однако новые
исследования обнаружили кое-что, ставящее под вопрос, по крайней
мере, действие транспирации и сил сцепления. Ученые из Бернского
университета, швейцарского центра изучения леса, снега и
ландшафта и Швейцарской высшей технической школы(Цюрих)
внимательно прислушались к деревьям в самом буквальном смысле.
Они зарегистрировали в них тихий шум, прежде всего по ночам. В
это время основная масса воды содержится в стволе, потому что
крона делает перерыв в фотосинтезе и практически ничего не
испаряет. Поэтому деревья так заполнены водой, что даже диаметр
ствола чуть-чуть увеличивается. Вода в проводящих тканях ствола
стоит практически спокойно, никуда не течет. Откуда же тогда шум?
     Ученые предполагают, что виноваты крошечные пузырки углекислого
газа, которые образуются в мелких заполненных водой трубочках.
Пузыри в сосудах? Это значит, что сплошной ток воды тысячи раз
прерывается, так что ни транспирация, ни когезия, ни капиллярные
силы не могут участвовать в переносе воды. Множество вопросов
остается без ответа.
     Что мне хотелось бы добавить к к этим словам Вольлебена?
Действительно, много вопросов без ответов. Например, ученые из
Швейцарии только предполагают, что пузырьки производящие шум ,
это пузырьки углекислого газа? А произвести анализы, чтобы было
подтверждение, что это действительно углекислый газ? А замерить
содержание углекислого газа? Не скрою, что по прочтении о
пузырьках углекислого газа, мне пришла в голову мысль, а не
происходит ли подъём воды как в эрлифте?! Возможно не все знают,
что такое эрлифт... Эрлифт, это такой насос, в котором нет
движущихся частей. Практически он представляет из себя трубу
специальной конфигурации. В эту трубу подается воздух под
давлением, он захватывает воду и увлекает её с собой . Пузырьки
воздуха могут подниматься вверх на десятки метров и выше, тем
более, если присутствует еще и давление, как в насосе с названием
эрлифт. К сожалению, эрлифт не сможет прояснить вопрос, так
как длина капилляров в деревьях составляет всего лишь десятки
сантиметров. Нет таких капилляров которые шли бы от корней дерева
до самой верхушки.
      Да, книга Тайная жизнь деревьев возобновила во мне интерес к
вопросу о подъёме воды в деревьях, но не дала ответа. Пришлось мне
залезть в интернет и читать там статьи по этому вопросу.
     Разумеется, всех тонкостей и особенностей по этому вопросу из
статей в интернете узнать невозможно. Пришлось скачивать с
интернета учебники по физиологии деревьев. К сожалению, полную и
подробную информацию по этому вопросу, на мой взгляд,
почерпнуть из этих книг невозможно. . Есть и еще один источник
для получения информации в интернете, который может служить
хорошим подспорьем. Это видеоролики, которые создают и
выкладывают в интернет(в Ютюб) специалисты. Преимущество
таких видеороликов- лекций в том, что там не надо продираться
самому сквозь частокол формул, в них авторы стараются дать в
первую очередь саму суть, саму идею, и сделать это стараются в
доступной и интересной форме. Из литературы по физиологии
растений и деревьев становиться известно, что впервые о
транспирации упоминается примерно в 1895 году.
     Некоторые ученые высказываются, что транспирация для растений
вынужденная вещь(мера). Объясняют это так. Дерево за сутки своей
кроной может испарить до 200 литров воды. При этом на собственные
нужды дерево использует всего 1% от этого количества. Получается,
что вода транзитом идет от корней к листьям и затем испаряется.
     Считается, что транспирация нужна для двух целей: первая цель —
поднятие минеральных веществ к листьям и другим частям
растения(дерева), вторая — охлаждение листьев, чтобы они не
перегрелись. Испарение воды понижает температуру листьев на 3-5
градусов по сравнению с температурой окружающего воздуха. Листья
в светлое время суток раскрывают свои устьица, кстати, количество
устьиц на один квадратный миллиметр составляет 10-300 штук.
     Считается по общепринятому мнению, что через раскрытые устьица
внутрь листьев попадает углекислый газ из атмосферы, затем в
результате фотосинтеза в клетках листьев образуются сахара. Как бы
побочным результатом этой химической реакции является выделение
кислорода. И вот интересный момент! Получается, что вода ,
воспользовавшись тем, что устьица открылись, начинает в большом
количестве испаряться. Если придерживаться взглядов таких ученых,
то получается, что природа допустила ошибку! Лично я в такие
ошибки природы не верю. Должно быть какое то другое объяснение
большого количества проходящей по дереву воды. На мой взгляд
большое количество воды, проходящее по дереву связано с тем, что
содержание в питательных веществ очень в воде очень маленькое.. А
это в свою очередь связано с тем, что при высоком содержании
питательных веществ будет более высокая вязкость воды (сока), что
затруднит прохождение воды по сосудам деревьев. Слой из сосудов,
проводящих воду, называется ксилемой. Это годичный слой, самый
наружный, находящийся под корой. Годичные слои(кольца)
древесины , находящиеся ближе к центру ствола физиологически
мертвы, по ним ток воды не происходит. Интересный факт — сосуды(
трубочки), проводящие воду, у лиственных пород и у пород хвойных,
совершенно разные! Разные по толщине (диаметру), что мною
упоминалось, а также разные и по длине. У хвойных пород, это
короткие трубочки до 30 см длиной. Можно считать, что это одна
вытянутая в длину клетка. А у лиственных пород длина сосуда-
трубочки может доходить до двух метров. Возможно, кто-то думал,
что трубочки идут не прерываясь от самых корней и до листьев, но
это не так. Удивительно, на самую большую высоту, до 100 метров,
вода поднимается в хвойных деревьях, у которых самые узенькие
сосуды и самые короткие.               
     Здесь, видимо, самое время сказать о том,
что в деревьях вода движется не только вверх. Вода в деревьях
движется и вниз, от самых листьев, до самых корней. Из листьев вода
переносит в к корням сахар. Сахар используют для своего питания
грибы, находящиеся с деревом в симбиозе. Видимо, по этим сосудам
в корни возвращается и часть ионов калия, иначе, пожалуй, в
древесине было бы очень высокое содержание калия. В интернете мое
внимание привлек ролик, автором которого является ученый И.
Зялалов . Ролик называется ,,Вода в растениях''. Автор видеоролика
написал ранее монографию, имеющую название ,,Вода растений''. В
видеоролике, в самом начале, говорится, что вода из почвы попадает в
самые тонкие части корней, в их окончания, с помощью осмоса. В
клетках корня имеется вода с ионами калия, концентрация ионов
калия в клетке выше, чем в воде почвы, поэтому вода засасывается в
клетку через отверстия в оболочке клетки. К сожалению автор не
объясняет, как попали в клетку первые порции воды с ионами калия,
и почему концентрация ионов калия в клетке постоянно выше, чем у
воды в почве. Ведь концентрация все время снижается в клетке за
счет воды поступающей из почвы. По мнению ученого, калий
который спускается вниз по сосудам , попадает снова в клетки корня.
      Гм. Может и так… Тогда получается прямо круговорот калия в
дереве. К сожалению автор ролика не объяснил каким образом вода в
деревьях может подниматься на такую высоту. Прозвучали краткие
стандартные объяснения о транспирации, когезии. Чуть более
подробно рассмотрена работа устьиц. По мнению ученого даже
знаменитый Тимирязев в свое время неправильно объяснял работу
устьиц. Якобы , Тимирязев пошел по пути умозаключений, из
которых пришел к выводу, что с наступлением темноты устьица
закрываются и прекращается транспирация и именно поэтому
прекращается транспирация. Со слов автора видеоролика, совсем
недавно английскими учеными было установлено, что сначала
прекращается транспирация, а потом закрываются устьица. И что
ученые эти установили, что вода испаряется не из устьиц, а из клеток
примыкающих к устьицам. Лично для меня с самого начала изучения
этого вопроса было непонятно: каким образом через очень- очень
узкую устьичную щель возможно одновременное движение в
противоположных направлениях водяного пара и углекислого газа?!
     Так что, возможно, что английские ученые правы… И как тут не
вспомнить старинную народную поговорку: ,,Дуть и вдыхать, сразу —
не бывать!''
     Возникает и следующий вопрос к теории транспирации - как она
может работать, если капилляры имеют длину длину в несколько
десятков сантиметров, максимум — два метра?! Очевидно, что
между капиллярами, расположенными один над другим есть
прослойка из клеток древесины?! Как вода преодолевает эту
прослойку? Ох, биологи явно что-то недоговаривают!
                14.01.2024