Самое удивительное, о деревьях

Иногда, на самые простые вопросы мы получаем самые удивительные ответы. Например, как деревья вырастают так высоко? Может показаться, что этот вопрос вообще не требует ответа. Деревья просто такие высокие. Некоторые из них выше ста метров. Да и откуда бы взяться пределу высоты? Я расскажу откуда. Деревьям нужно поднимать воду от корней до самых верхних веток, чтобы выжить. И сделать это вовсе не так просто. Есть предел высоты, на которую можно поднять воду, втягивая ее через трубку: всего 10 метров. Попробуйте втянуть воду через длинную вертикальную соломинку: вода не поднимется выше десяти метров. В этот момент в верхней части соломинки образуется абсолютный вакуум, а вода начнет самопроизвольно кипеть. На то, чтобы поднять воду на 100 метров, дереву потребуется создать разницу в давлении равную десяти атмосферам. А как деревьям это сделать? Когда я запостил эту головоломку, множество людей ответили, что всё дело в испарении. То есть, вода испаряется с листьев и тянет за собой другие молекулы воды вверх. Понятно, что деревья могли бы использовать этот механизм всасывания, но это не избавляет нас от ограничения в 10 метров. Минимальное достижимое давление — это полный вакуум, и я думаю, что вакуума не может быть внутри древесных листьев… Верно? Верно, Хэнк. И сейчас вы можете предположить, что в деревьях просто нет длинных непрерывных трубок. Деревья, действительно, содержат в себе клапаны. Получается, что нет столба воды… Вот эта длинная трубка, которая, ты говоришь, должна быть заполнена водой, на самом деле, состоит из отсеков. Хотя эти предположения довольно интересны, они, на самом деле, оказываются ошибочными. Ученые, изучающие деревья, обнаружили, что сосуды ксилемы, проводящие воду, на деле содержат непрерывные водяные столбы. Так каким же способом деревья передают воду от корней к листьям? Они не всасывают. И не используют вакуум. Хорошо, но так как же они это делают? Сдавливая сосуды, как коровье вымя, до самого верха. У них внутри есть маленькие древесные мускулы. Да? Кроме того, что это громадная растрата энергии, все эти клетки, составляющие сосуды ксилемы, мертвы. А что на счет осмотического давления? Если концентрация минералов выше в корнях, чем в окружающей почве, вода должна будет проталкиваться вверх по дереву. Но ведь существуют мангровые леса, где вода настолько солёная, что осмотическое давление действует в обратную сторону, и дереву потребуется дополнительное давление, чтобы впитать в себя воду. Еще же есть капиллярный эффект. Чем тоньше трубка, тем выше поднимается вода. Увы, древесные сосуды слишком широки: диаметром 20–200 микрометров, в них вода поднимется меньше, чем на метр. Так как же деревьям это удаётся? Ну… Одно из допущений, которое мы сделали, неверно: «самое низкое давление, это абсолютный вакуум». …абсолютный вакуум… …абсолютный вакуум… Это верно для газа. Если убрать все молекулы из газа, давление станет равно нулю, и вы получите абсолютный вакуум. Но в жидкости можно опуститься ниже нулевого давления, и, фактически, получить отрицательное давление. Для твёрдых тел мы называем это натяжением. Это значит, что молекулы тянут друг друга и окружающую среду. Испаряясь через поры клеточной стенки, вода создаёт огромное отрицательное давление порядка -15 атмосфер в обычном дереве. Представьте себе водно-воздушную границу поры. Снаружи давление в одну атмосферу давит внутрь, и внутри еще -15 атмосфер тоже давят внутрь. Почему же гидростатический мениск не рвётся? Потому что поры очень малы. Всего 2–5 нанометров в диаметре. На этом масштабе высокое поверхностное натяжение воды позволяет водно-воздушной границе выдержать огромное давление без разрыва. Если двигаться вниз по дереву, давление будет расти пока не достигнет атмосферного у корней. Так деревья получают большую разницу в давлении у корней и у верхушек благодаря тому, что давление у верхушек настолько низкое. Так, подождите. Если давление у верхушек равно минус 15-и атмосферам, не должна ли вода закипеть? Да. Да, должна. Но для начала фазового перехода между жидкостью и газом нужна энергия активации. Или гетерогенный центр, которым может послужить маленький пузырёк воздуха. Вот почему так важно, чтобы сосуды ксилемы не содержали пузырьков. Так и есть, потому что в отличие от соломинки, сосуды были наполнены водой с самого начала. Таким образом, вода остаётся метастабильной жидкостью, хотя должна бы кипеть. То же самое с переохлажденной водой, остающейся жидкой, хотя она уже должна была бы замерзнуть. Так что, можно назвать воду в дереве «сверхнатянутой», так как она продолжает оставаться жидкой при глубоко отрицательном давлении. А зачем деревья поднимают всю эту воду на самый верх? Попробуйте догадаться и скажите ответ вслух. Для фотосинтеза? На самом деле, нет. Меньше 1% воды используется в реакции фотосинтеза. Есть другие идеи? Что на счет роста? Да, 5% воды нужно для роста новых клеток. Ну, так что происходит с оставшимися 95% воды? Она просто испаряется. На каждую усвоенную молекулу углекислого газа дерево теряет сотни молекул воды. Ого! Ого! Можете вы себе представить, насколько это удивительно? Деревья создают гигантское отрицательное давление в десятки атмосфер при испарении воды через поры наномасштаба, всасывая воду на высоту до 100 м, да такую, что она вот-вот закипит, но не кипит потому что идеальные сосуды ксилемы не содержат воздушных пузырьков, и всё это только для того, чтобы испарить её в процессе поглощения парочки молекул углерода. Отныне, мой взгляд на деревья кардинально изменился. Я бы хотел горячо поблагодарить Хэнка, Генри и профессора Полякова за их гипотезы, и запись их на камеру. Это фундаментальная часть научного процесса, даже тогда, когда твоя гипотеза оказывается ошибочной. Энштейн говорил: «Человек, который никогда не ошибался, никогда не пробовал сделать что-нибудь новое». Мне всегда было интересно, каково это быть по эту сторону камеры Веритасиума. Не удивлюсь, если вы уже были подписаны на этих ребят, но если нет, то кликайте на эти блоки с примечаниями и зацените их каналы. Возможно, узнаете что-нибудь новенькое. Также, я бы хотел поблагодарить профессора Джона Сперри из Университета Юты. Он провел меня через всё это за одну часовую беседу по скайпу. Так что я даю ссылку на его сайт в описании к видео. Мы видим тут давление ниже атмосферного, правильно? Совершенно верно. Ниже атмосферного. Это давление в жидкостях, не в газах. Так что это просто распространенное заблуждение, что «ой, мы не можем, знаете ли, получить отрицательное давление, ведь молекулы кончились, а вакуум по определению это когда нет молекул». Но это же только для газа. Так что на самом деле… Думаю, это вот и была моя основная проблема в понимании всего в целом. Этого видео не было бы, если бы не CGP Grey. Когда я рассказал ему эту идею в Лондоне… И тут я почувствовал, что «пыщщщ, мой мозг вскипел ото всей этой темы». Он сказал, что это будет действительно сложно объяснить. А если ОН говорит, что что-то трудно объяснить, сразу понимаешь, что объяснить будет почти невозможно. Спасибо тебе за всю твою помощь со сценарием. И спасибо вам за внимание. Съёмки этого видео стали для меня настоящей одиссеей, поэтому спасибо, что присоединились к моему путешествию. Я действительно ценю все ваши комментарии, а если вы еще не подписались на этот канал, то жмите на примечание или на ссылку сверху, и присоединяйтесь к моему следующему научному приключению. В одном из видео я обещал сделать сюжет с ответом на этот вопрос. Я озвучил его несколько месяцев назад, и, такой «подписывайтесь на этот канал и я скажу вам ответ на следующей неделе». Ха-ха-ха! Ложь такая ложь… Держите нужный ритм. Ой! Да! Зловещий успех.