Каждой ранней весной на наших глазах происходит чудо. Деревья, стоявшие всю зиму без листьев, просыпаются, и у них вырастают новые листья. Что заставляет деревья проснуться, и как это происходит. Совсем не так, как просыпается человек.

Если ранней весной (там, где снег – обычное дело) рядом вокруг ствола дерева появляется проталина, значит, дерево ожило от зимнего сна и начало просыпаться. Можно проверить – подцепить кору ножом, хорошо отделяется, значит, сок пошёл, дерево проснулось.

Этот простой опыт одновременно наводит на мысль, что ожившее дерево отличается от застывшего зимнего тем, что между корой и стволом идёт сок. Что удивительно, этот сок идёт снизу вверх, против силы тяжести. Мощный дуб перекачивает вверх тонны воды.

Чтобы понять, как начинает весной работать такой насос, нужно разобраться в том, как он работает в принципе.

Что качает сок снизу вверх

Все растения перекачивают водный раствор, какой мы для краткости называем соком от корней к листьям или к хвоинкам. Мы можем спокойно смотреть на низкорослый цветок, к которому от корней идёт сок, но особенно должны впечатлять нас крупные деревья, каждое из них за сутки перекачивает от корней к листьям до тонны сока.

И дело не только в объёмах, но и в высоте, на которую подаётся сок. Самым высоким растущим сейчас деревом на земле считается секвойя. Три таких дерева были найдены в Калифорнии в 2006 году, высота одного из них 115 м. Самый высокий эвкалипт в Австралии имеет высоту 100 м. Но ископаемые остатки убеждают учёных, что бывали деревья и повыше[1].

Где же спрятан такой мощный насос? Любое дерево – это мощная гидравлическая система. Вода с питательными веществами всасывается из почвы корнями, этот процесс называется осмосом.

Давление в нижней части дерева может достигать двух атмосфер. Под таким давлением сок поднимается высоко, пока не вступает в действие другой насос – верхний. Через листья дерево испаряет основную (до 99%) часть влаги. Из-за испарения давление падает, и та часть влаги, что находится ниже, подсасывается в область пониженного давления.

Испарение влаги листьями связано с процессом фотосинтеза, то есть с получением сахаров и других веществ, благодаря которым дерево растёт. Итак, каждое дерево имеет два распределённых в пространстве насоса: нижний – в корнях и верхний – в листьях[2].

Если относительно нижнего насоса существуют тонкие теории, находящиеся на грани физики и химии, то по верхнему насосу мнение давно единое: низкое давление в листьях создаётся вследствие испарения через них влаги. На испарение нужна энергия, и это – энергия солнца. Идея двух насосов – cohesion-tension theory (С-Т).

Теория C-T была предложена век с четвертью тому назад, а количественные расчёты пришли в неё 70 лет назад.

Два насоса (верхний и нижний) соединены сложной трубопроводной системой, называемой сосудами ксилемы у лиственных растений и трахеидами (или флоемой) у хвойных.

Разница в том, что у лиственных деревьев трубопроводная система расположена под корой, а у хвойных – в самой древесине, опоясывая её поясом толщиной не более 2,5 см. Этим объясняется то, что знает каждый, кто чистил от коры ветки деревьев разных пород. Но мало кто из них задумывался, почему так.

Сосуды – очень длинные трубки. Они образовались вертикальной «состыковкой» соседних клеток. Размеры сосудов – от нескольких сантиметров до нескольких метров. Формирование ксилемы начинается с построения колец или спиралей из лигнина, как бы со скелета, допускающего возможность вертикального роста. Есть места, где эти кольца или спирали размещены более плотно, есть – где реже.

И те, и другие трубопроводы хорошо видны под увеличительным стеклом на поперечных срезах. Если удачно срезать вдоль одной из таких трубочек, то можно увидеть (опять же под лупой), что это – и не каналы вовсе, а вытянутые по ходу сока продолговатые клетки, которые разделены перегородками, мембранами.

У хвойных деревьев они тонкие и длинные, у лиственных пород – потолще и покороче.

Чтобы рассмотреть, как устроены мембраны, преграждающие сосуды, увеличительного стекла будет уже недостаточно. Но под микроскопом в ней можно будет увидеть поры, через которые сок просачивается из одной клетки в другую. В таких клетках нет протоплазмы, место свободно для воды, для передачи её в соседнюю ячейку.

Эта передача идёт двумя способами – через мембраны и капилляры. У трахеид нет какой-либо фиксированной длины, но средняя их длина 1 мм, а длина капилляров может достигать 10 см.

Это – малые блоки, составляющие транспортную систему транспорта сока внутри растения, в обязанность которых входит извлечение сока из почвы, подъём сока к листьям или хвоинкам.

В стенках капилляров также есть лигнин, а поры окаймлены ресничками (паренхимами). Капилляры вырастают из выступов клеток по их длине. В конце каждой клетки находится свёрнутая в трубку перфорированная пластинка, связывающая одну клетку с другой.

Через отверстия сок перетекает из одних капилляров в другие. В трахеидах есть неперфорированные ячейки, в которых сок сохраняется несколько дольше, чем в перфорированных, но и передача сока в них почти не происходит. Да и перфорация бывает разная. У трахеид толстые стенки и узкие просветы, тогда как у капилляров стенки тоньше и просветы шире. Каждый выполняет свою функцию.

Кроме древесины (ксилемы) у деревьев есть ещё луб, отличающаяся от древесины круговая полоса между древесиной и корой. В ксилеме перемещение соков идёт в одном направлении – от корней к листьям. Во флоэме потоки не так просты, они идут от органов, в которых происходит фотосинтез к областям, где продукты фотосинтеза преобразуются или хранятся.

Сок из нижних листьев может идти вниз к корням, от листьев, расположенных рядом с плодами – к плодам и так далее. При этом органы хранения запасов флоэмного сока в течение годового цикла роста дерева могут как накапливать, так и отдавать накопленный сок.

Флоэмный сок деревьев содержит сахарозу, как уже говорилось. Но он не только сладкий, в нём есть и аминокислоты, и фитогормоны. Скорость переноса также пока предмет пристального изучения учёными. Он быстрый, до долей метра в час, а значит – это не диффузия, а какой-то ещё пока загадочный процесс.

Клетки флоэмы по своему виду (по морфологии) делятся на три типа по их функциям: ситовидные клетки обеспечивают основной транспорт, склеры или волокна служат опорой сосудам, паренхимные клетки обеспечивают горизонтальный (радиальный) транспорт влаги. Зачем-то эти горизонтальные потоки дереву нужны. Но зачем, в точности исследователи пока это не выяснили, хотя понемногу начинают догадываться[3].

Просыпаясь, плачем

Есть такие дети, которые просыпаются и сразу начинают плакать. Деревья, они точно такие. Ранней весной сок деревьев обогащён сахарами, для того, чтобы проснуться, нужна энергия. Если весной сделать надрез на коре берёзы или клёна, то дерево начнёт плакать.

Эти слезы деревьев означают, что они проснулись от зимнего сна. Многие пользуются этим, надрезая кору и вставляя в надрез трубочку или просто палочку, по которой сок будет стекать в подставленную банку или любой другой сосуд.

Клён начинает плакать ещё в холоде, когда температура днём только приближается к нулевой. Плачут первыми от других большие деревья с толстыми стволами и, чаще всего, в солнечный день. При понижении температуры движение сока прекращается. Берёза начинает плакать позже клёна недели на две и только тогда, когда и почва, и воздух имеют положительную температуру. Не только люди пьют клёновый и берёзовый сок. Этот же сок любят дятлы, бабочки, жуки и муравьи.

В соке берёзы до 1% сахара, хотя многие считают его сладким. У российского клёна его около 3%, но он горьковат. А вот в соке сахарного клёна, растущего в Канаде и США, содержится почти 5% сахара и сок практически не горчит. Там и в некоторых других странах добыча сока клёна ведётся в промышленных масштабах. Из него получают сироп и сахар.

Канадские учёные научились определять качество клёнового и берёзового сока довольно оригинальным способом[4]. Они нашли бактерии, которые хорошо развиваются в соке, чем лучше качество сока, тем быстрее увеличивается в нём численность бактерий. Одновременно в научных трудах появились и размышления, не причастны ли бактерии к появлению самого сока.

Продолжительность «плача» зависит от того, какая весна: ранняя, поздняя, медленно или быстро повышается температура. Но он никогда не длится более 40 суток. Правда, деревья, у которых берут сок, хуже растут, чаще болеют и слабее сопротивляются вредителям.

Деревья перестают плакать, когда из почек появляются первые листья. Как только начинает работать второй, верхний насос, плакать уже некогда, нужно доставлять сок в дышащие листья. Сок из надреза дерева с листьями уже не капает, что не вполне согласуется с гидравликой.

Возьмём закрытую снизу вертикально стоящую трубу с двумя отверстиями и начнём закачивать в неё воду через нижнее отверстие. Через некоторое время из верхнего отверстия под напором столба воды побежит струя, тем более сильная, чем выше понимается уровень воды в трубе. Загадка – у деревьев этого не происходит.

А мы плачем заранее

Известно, что в сухую солнечную погоду при небольшом ветерке движение сока внутри дерева снизу вверх самое интенсивное. А что бывает при туманах или частых дождях? Для испарения влаги через листья условия не лучшие. Как дерево выкручивается из такой ситуации?

Оказывается, основную часть влаги (дождевой или сконденсировавшейся из тумана) лист сбрасывает на землю. Поэтому верхняя поверхность листа обычно не смачивается. Так, на всякий случай. Ну, а если сбросить капли не удаётся, то такую влагу приходится включать в цепочки биохимических реакций и получаемые вещества использовать в строительстве новых клеток листа.

И нельзя тянуть с этим, иначе не будет разницы давлений, движение сока из земли к листьям замедлится, а то и остановится.

Плакучая ива – одно из красивейших деревьев. Я долгое время думал, что она названа плакучей потому, что свисающие ветви напоминают капающие слёзы. И совсем недавно выяснил, что дело совсем не в ветвях плакучей ивы. Она начинает «плакать» перед тем, как начнётся дождь. Иногда от слёз под деревом образуются лужи, которые давно и заметили наблюдательные наши предки.

Раньше, чем плакучая ива, перед дождём начинает «плакать» конский каштан, за сутки, а иногда и за двое суток. По науке «плач» деревьев называется гуттацией, чтобы отделить слёзы деревьев от росы. Последняя может появляться, когда ночью похолодает. Любой может отличить одно от другого даже если и не знает слово «гуттация». Капли росы располагаются по всей поверхности листа, а «слезы» сверкают по его краям.

Когда-нибудь наука сумеет объяснить, каким образом ива и каштан узнают лучше синоптиков, что скоро пойдёт дождь. Но и тогда это будет удивительно.

Почему только некоторые деревья загодя избавляются от влаги через листья, а другие нет? На этот вопрос пока наука ответить не может. А как знать, если найти ответ, то, может быть, он приведёт к новым открытиям? Неужели никому не хочется заняться ответами на эти вопросы.

Страдают ли бессонницей сосны и ели?

Основная часть хвойных растений уходит в зиму зелёной. Но засыпают ли они совсем, когда зимой радуют нас зелёными иголками?

Прежде, чем ответить на этот вопрос, отмечу, что аналог листопада у хвойных тоже есть. Часть иголок желтеет и осыпается ранней осенью. Так что у сосен и елей вроде бы присутствует желание заснуть на зиму.

Понятно, что хвоя – уникальная придумка природы. Вроде бы и лист, и можно избавиться на зиму от воды. Вода, если в лед превратится, то порвёт все сосуды листа. А хвоинка, такая простенькая на вид, оказывается зелёной даже тогда, когда она почти полностью избавилась от воды.

Есть одно хвойное дерево, которое сбрасывает хвою на зиму так же, как и лиственные деревья. Имя ему под стать – лиственница, что тоже удивительно. Назвать хвойное растение лиственным можно только за то, что, как и лиственные деревья, это дерево сбрасывает свои хвоинки на зиму.

Основная часть, более 80% лиственницы растёт в сибирской тайге. Объясняется любовь лиственницы к сибирским просторам так. Другим деревьям здесь приходится тяжело. Сосуды в деревьях должны быть очень тонкими и не могут содержать внутри много жидкости. В толстых сосудах она зимой превратится в лёд, расширится и разорвёт сосуды. Можно влажное полено берёзы или осины выставить зимой на мороз, чтобы это увидеть самому.

Новые теории движения соков

Любая теория в любой науке живёт довольно долго, даже и после того, как многим её неправота стала очевидной. Так уж устроена наука. Именно так дело обстоит и с ответом на вопрос о том, как сок растения поднимается вверх. Сомнения в правильности теории сцепления-давления впервые высказали немецкие учёные четверть века назад[5]. Но наука инерционна, и в учебниках эти сомнения отсутствуют, равно, как и теории, что пытаются эту теорию сменить.

И существовала бы теория двух насосов сама по себе, как стройная теория, почти не имеющая отношения к практике. Но в 2004 году появилась статья, которая поставила её под сомнение. Можно подумать, ну и что? Опубликовали какую-то статью… Извините, но статью подписали 45 исследователей мирового уровня. И все в теме. Проигнорировать её было невозможно.

Более полувека назад, измеряя давление жидкости в ксилеме, норвежский исследователь Питер Шоландер пришёл к выводу, что высоких давлений в сосудах ксилемы нет.

Хотя и до него было ясно, что если проковырять отверстие в коре дерева, то оттуда под давлением не брызнет струя сока. Даже берёзовый сок капает, а не брызжет. А это означает, что и нет необходимости внутри дерева в машине с двумя насосами в корнях и на верхушке дерева. Более того, если надорвать лист, хоть у вершины дерева, хоть ближе к земле, из него не брызнет сок, и не будет засасываться воздух.

Немецкими учёными было показано, что давление в ксилеме редко превышает 0,6 MPa. Хотя баланса не обнаружено, например, в листьях табака и канадской конопли, где давление выше. На этом фоне высокие деревья с низким давлением представляют собой загадку.

Исследователи просто зафиксировали, что давление в сосудах дерева всегда не столь высоко, как можно было бы предполагать, и что теория этого объяснить не может[6]. Внутреннее гидростатическое давление в живой клетке (тургор) вызывает напряжение клеточной оболочки.

У животных тургор клеток невысок, а у растений варьируется в широком диапазоне от 5 до 10 атм. В клетках грибов – от 50 до 100 атм. Для сравнения, нормальное давление в автомобильных шинах – 2 атм.

У растений засушливых районов тургор может достигать 140 атм. Наличие воды в клетках и тканях необходимо и для гидратации и диссоциации веществ, гидролиза, окисления и многих других биохимических процессов. Снижение тургора сопровождает старение и увядание клеток. Повяло растение или растение потеряло тургор – описание одного и того же процесса.

Исследования встречаемых дисфункций ксилемы дают отличные доказательства того, что соки перекачиваются в метастабильном состоянии, как, собственно, и следует из теории всасывания (сцепления) – давления. Что же такое метастабильное состояние?

Прогресс в объяснении сокодвижения связан как раз с ответом на этот вопрос. Мы с первых школьных лет, а кто и пораньше, знаем, что у жидкости свойства одни, у газа – другие, у твёрдого вещества – третьи. Но вот знаменитый учёный, Михаил Александрович Лаврентьев (1900-1980), основатель новосибирского Академгородка решил, что при высоких давлениях газ ведёт себя как жидкость. И в результате такого озарения получился, в частности, кумулятивный снаряд, а также множество технологических применений в промышленности.

Нечто похожее происходит и с описанием прохождение сока деревьев от корней к листьям. В 1934 г. советский учёный Борис Владимирович Дерягин (1902–1994) разработал концепцию адгезионного контакта неровных (шероховатых) поверхностей.

Вкратце она состояла в том, что силы молекулярного притяжения между частицами жидкости или сыпучего материала, находящихся между двумя поверхностями, зависят от силы, прижимающей эти поверхности одну к другой[7].

В тонкой плёнке жидкости формируется так называемое расклинивающее давление, принципиально отличное по своим свойствам от давления в объёме. Такое давление возникает, когда жидкость неоднородна, и при понижении толщины слоя жидкости начинают действовать силы поверхностного натяжения[8].  

Расклинивающее давление сложное и состоит из четырёх частей: молекулярной, ионно-электростатической, структурной и адсорбционной. Первая определяется взаимодействием между молекулами жидкости (сока). Ионно-электростатическая составляющая – тем, что в тонкой плёнке жидкости происходит ионизация потока, а потому частицы жидкости с разными электрическими зарядами притягиваются. Структурная составляющая расклинивающего давления действует, когда толщина слоя жидкости не превышает 5–10 нанометров и формируется плоская полукристаллическая структура с поверхностными (плоскими) связями. Адсорбционная составляющая связана с разной концентрацией молекул (ионизированных, в том числе) по толщине плёнки жидкости[9].

Большинство читателей вряд ли захотят углубляться далее в новую теорию движения соков. Отмечу лишь, что последователи Б.В. Дерягина построили на анализе этих составляющих ДМТ теорию (Дерягин–Муллер–Топоров), которая объясняет продвижение соков снизу вверх сцеплением молекул между собой[10].

А уж какие силы участвуют в таком сцеплении – об этом точно знают специалисты. В результате теория сцепления–давления сохраняется, но и давление не то, и сцепление не там.

***

В мире много удивительного. Для большинства людей это удивительное заслоняется текущими заботами. Но весной обязательно нужно смотреть на деревья, просыпающиеся после зимнего сна, и удивляться тем процессам, что идут внутри них.    

---

[1] Brown H.R. The theory of the rise of sap in trees: some historical and conceptual remarks, Oxford, 2015, с. 2.
[2] Binns W.O. Trees and Water, Arboricultural Leaflet, 1980, n. 6, London, HMSO.
[3] Gouin H. (2015) The watering of tall trees - Embolization and recovery: Crude sap ascent and tree recovery, Journal of Theoretical Biology, Elsevier, 369, pp. 42-50.
[4] Lagace L., Pitre M., Jacques M., Roy D. (2004) Identification of the bacterial community of maple sap by using amplified ribosomal DNA (rDNA) restriction analysis and rDNA sequencing, Applied and Environmental Microbiology, 70. 40: 2052-5060.
[5] Zimmermann U, Haase A., Langbein D., Meinzer F. (1993) Mechanism of long-distance water transport in plants: a re-examination of some paradigms in the light of new evidence. Philosophical Transactions of the Royal Society of London MX, 19-31.
[6] Balling A., Zimmermann U. (1990) Comparative measurements of the xylem pressure of Nicotiana plants by means of the pressure bomb and pressure probe, Planta, 182, 325-38.
[7] Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М.: Наука, 1985.
[8] Дерягин Б.В. Что такое трение? – Москва: Изд-во АН СССР, 1963. – 232 с. 2. Дерягин Б. В. Молекулярная теория трения и скольжения // Журн. физ. химии. – 1934. – 5. – С. 1165–1172
[9] Федякин Н.Н. «Изменения в структуре воды при конденсации в капиллярах» // Коллоидный журнал, 24 (1962) 497.
[10] Галанов Б.А., Валеева И.К., Иванов С.М. Двучленный закон трения Б.В. Дерягина в скользящем контакте шероховатых упругих тел, Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, № 8 с. 106-112

Ю.П. Воронов, кандидат экономических наук, член редколлегии журнала ЭКО