Природные насосы

Деревья — это гиганты, возвышающиеся над такими карликами, как мы. Для дерева его высота часто означает ключ к успеху, поскольку высокое дерево вырывается из тени, падающей от соседей, и получает прямой доступ к солнечному свету. Но через несколько десятилетий непрерывного роста деревья останавливаются. Почему же, захотели узнать биологи и экологи, деревья, достигнув некой высоты, не стремятся стать выше?

Вопрос роста деревьев — не просто академический. Мы выбрасываем в атмосферу миллиарды тонн двуокиси углерода и не можем предсказать, как на это отреагирует Земля и организмы, ее покрывающие. Одним из главных неведомых вопросов здесь является такой: как избыточный углекислый газ (основной ингредиент фотосинтеза) повлияет на рост растений? Будет ли газ стимулировать их рост, и станут ли растения поглощать больше газа — возможно, столько, чтобы свести на нет глобальное потепление? Ответом на эти вопросы может стать то, насколько высоко деревья способны расти.
При фотосинтезе дерево использует энергию солнца, бьющего своими лучами по листьям, чтобы соединить воду, углекислый газ и минеральные вещества и обратить их в углеводы. Вода также нужна для переноса питательных веществ, терморегуляции и поддержки тканей в здоровом состоянии. Эта драгоценная жидкость впитывается корнями дерева и затем препровождается к стволу и веткам через систему узких трубочек.

Каждый лист покрыт крошечными порами, через которые лекислый газ входит, а вода испаряется. Молекулы воды притягиваются друг к другу, и, когда часть воды испаряется с листа оставшийся запас «подтягивает» влагу снизу. Таким образом, создается сила, тянущая вверх. За счет нее вода и проходит весь путь от земли до листа. Когда влага входит в лист, а с него уходит воздух, в трубочках растет давление, заставляющее корни втягивать больше воды из земли.

Хотя одна пора может оказать лишь крошечное влияние на состояние воды внутри дерева, все поры на всех листьях в совокупности создают гигантскую силу, которая способна перемещать сотни литров воды вверх по дереву. И самое интересное, что дерево не прикладывает ни малейших усилий к тому, чтобы эта гидравлическая система действовала: испарение (вызванное солнечной энергией) само делает всю работу.

Но этот изумительный инженерный подвиг не свободен от риска. Чем суше воздух, тем с большей силой вода испаряется из пор листьев. В то время как испарение тянет столб воды вверх, сцепление между молекулами отвечает сопротивлением, заставляя воду растягиваться, как резинка. Если сила, вытягивающая воду из дерева, значительна, то столб может лопнуть, как та же резинка. В результате — разрыв, принимающий форму пузыря.
Хотя ботаники мало знают об этом пузыре (сложно изучать что либо внутри дерева), они совершенно уверены, что для дерева он является проблемой. До тех пор, пока разрыв не заделан, дерево не может прокачивать воду и втягивать ее корнями. Ученые исследуют этот процесс, но до конца его еще не понимают.

Биологи Барбара Бонд из университета штата Орегон и Майкл Райан из Лесной службы США, изучающие эту проблему, считают, что деревья развили приспособление, которое не дает столбу воды разорваться. Когда натяжение, которое создается при испарении, превышает некий предел, часть пор на листьях просто закрывается, и тем самым сила испарения уменьшается.
Риск разрыва сильнее у больших деревьев, чем у маленьких, по словам Бонда и Райан, потому что столбы в больших деревьях длиннее и таким образом в них и «гидравлическое сопротивление» выше (по физическим законам, сопротивление растет с увеличением длины). Это сопротивление плюс большая гравитация, действующие на воду внутри дерева, заставляют его применять огромные силы для вытягивания воды из земли.

Бонд и Райан нашли несколько косвенных доказательств этого риска, наблюдая за поведением пор на листьях и у высоких, и у низких деревьев. Утром, когда воздух начинается согреваться восходящим солнцем и его влажность падает, растет сила испарения, действующая на листья деревьев. Постепенно деревья всех ростов закрывают свои поры, но высокие деревья делают это раньше низких.
Хотя высокие деревья обеспечивают себе некоторую защиту от разрыва, закрывая поры, они и платят за это высокую цену. Закрытые поры не могут поглощать воздух. Без углекислого газа фотосинтез останавливается, а без фотосинтеза дерево не может расти. То, когда точно достигается этот рубеж, зависит от физиологии дерева и его окружающей среды. Бонд и Райан думают, что не случаен, например, тот факт, что самые высокие деревья в мире, секвойи, буквально утопают в туманах, приходящих с Тихого океана. Во влажном воздухе, как считают биологи, деревья не теряют воду так быстро и могут дольше держать поры открытыми, и, соответственно, дольше будет длиться фотосинтез. Но даже для этих гигантов есть предел. Раньше или позже каждое дерево сдается и прекращает расти, чтобы не умереть от жажды.