Текст книги "Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса"

Рожденная в 1862 году в Венеции, Агнес принадлежала к поколению, которое было твердо убеждено, что место женщины – у домашнего очага. Именно там она и пребывала, когда ее брата отправили учиться в университет. Но Агнес осваивала премудрости физики с помощью учебных материалов, которые ей присылал брат, проводила собственные физические эксперименты в домашних условиях и внимательно следила за происходящим в научном мире. Когда она узнала, что знаменитый британский физик лорд Рэлей начал проявлять интерес к поверхностному натяжению – явлению, с которым она немало экспериментировала, – Агнес написала ему письмо, в котором описала свои результаты. Оно настолько впечатлило ученого, что он отправил его для публикации в журнале Nature, чтобы с ним могли ознакомиться величайшие научные мыслители того времени.

То, что сделала Агнес, было очень простым и в то же время остроумным. Она подвесила на нитке маленький металлический диск (размером с кнопку) так, чтобы он улегся на поверхность воды, а затем измерила величину силы, которая необходима, чтобы оторвать его от поверхности воды. Загадка заключалась в том, что вода стремилась удержать диск, и чтобы оторвать его, требовалось больше силы, чем для его поднятия с поверхности стола. Это дополнительное усилие называется поверхностным натяжением, стало быть, Агнес измеряла силу поверхностного натяжения. Потом она смогла изучить поверхность воды, хотя тонкий слой молекул, обусловливающий действие этой силы, был настолько мал, что у Агнес не было возможности исследовать его непосредственно. Как именно ей это удалось, мы узнаем ниже, но сначала вернемся к ванне.

Ванна, наполненная чистой водой, представляет собой огромное скопление хаотически движущихся и сталкивающихся друг с другом молекул. Но одна из характерных особенностей воды заключается в сильном притяжении всех этих молекул друг к другу. Каждая такая молекула состоит из большого атома кислорода и двух поменьше атомов водорода (что соответствует хорошо знакомой нам химической формуле воды – H₂O). Атом кислорода находится посередине; с двух сторон к нему прикреплено по одному атому водорода: получается нечто наподобие слегка сплюснутой буквы V. Несмотря на то что атом кислорода очень прочно соединяется со своими двумя атомами водорода, он не прочь пофлиртовать с любыми другими атомами водорода, находящимися поблизости. Поэтому он постоянно притягивает к себе атомы водорода, принадлежащие другим молекулам воды. Именно этим обусловливаются многие ее свойства. Данное явление называется водородным связыванием и отличается высокой прочностью. В ванне молекулы воды постоянно притягиваются к другим молекулам воды, в результате чего вода имеет вид однородной и связной субстанции.

Молекулы на поверхности воды в некотором смысле «полубеспризорные». Они притягиваются молекулами, расположенными под ними, но над ними нет ничего такого, что тянуло бы их вверх. Таким образом, они испытывают на себе действие сил, которые тянут их вниз и в стороны, но не вверх, в результате чего поверхность воды ведет себя подобно эластичной пленке, туго натянутой поверх всех молекул воды, расположенных под верхним слоем, и стягивающейся внутрь в попытке максимально сократить свой размер. Это и есть поверхностное натяжение.

Когда вы поворачиваете кран, воздух затягивается вниз, в ванну, что приводит к образованию воздушных пузырьков. Но всплывя на поверхность, они не могут продолжать существование. Круглый купол пузырька растягивает эту поверхность, а поверхностное натяжение недостаточно сильно для того, чтобы стянуть ее обратно. Поэтому пузырьки лопаются.

Агнес провела следующий эксперимент: взяла пуговицу и добилась, чтобы действующая на нее сила была недостаточной для того, чтобы пуговица оторвалась от поверхности воды (пуговица плавала на ее поверхности). Затем капнула на поверхность воды веществом наподобие моющего средства вблизи того места, где находилась пуговица. Примерно через секунду пуговица оторвалась от поверхности. Моющее средство распространилась по воде, снизив поверхностное натяжение. Таким образом, чтобы снизить поверхностное натяжение, нужно создать тонкий верхний слой, чтобы молекулы воды не были тем единственным, что составляет ее поверхность.

Добавляя пену для ванны, можете попрощаться с чистой, гладкой, минимальной поверхностью. Небольшое количество ароматизированной жидкости проникает в воду и тотчас принимается за дело. У каждой молекулы этой жидкости один конец обожает, а другой ненавидит воду. Если концу, который ненавидит воду, удастся найти хотя бы немного воздуха, он цепляется за него, но водолюбивый конец тоже не сдается. В итоге в любом месте, где вода соприкасается с воздухом, тонкий слой пены для ванн образуется прямо на этой поверхности. Толщина слоя равна размеру одной молекулы, а размер всех молекул одинаков, в результате чего все их водолюбивые концы погружены в воду, а концы, ненавидящие ее, пребывают в воздухе. При наличии тонкого покрытия большая поверхность не составляет проблемы. Пена для ванн не создает такого сильного натяжения, как вода, поэтому эффект эластичной пленки существенно ослабляется. Наступает момент, когда все самое интересное происходит на поверхности, – для чего, собственно говоря, и нужна пена. Снижая поверхностное натяжение, пена для ванн продлевает жизнь воздушных пузырьков, поскольку их большая поверхность оказывается гораздо устойчивее.

Вероятно, стоит отметить, что мы, как правило, ассоциируем белую пену с избавлением вещей от всевозможных загрязнений, однако в современных моющих средствах лучшее вещество для сцепления с водной поверхностью и образования пены не эквивалент лучшего вещества для удаления загрязнений и жировых пятен с одежды и посуды. Вы можете изготовить очень хорошее моющее средство, которое дает минимум пены (или вообще не образует ее). Более того, пена нам зачастую только мешает. Но производители моющих средств настолько убедили людей в том, что именно превосходная белая пена – подлинная гарантия безупречной стирки, что сами загнали себя в угол. Сейчас зачастую в моющие средства специально добавляют пенообразователи, чтобы обеспечить появление воздушных пузырьков и избежать недовольства потребителей.

Подобно вязкости, поверхностное натяжение относится к числу явлений, наблюдаемых в повседневной жизни (то есть в макромире), хотя в большинстве случаев играет менее важную роль, чем гравитация и инерция. Но при переходе на уровень микромира его роль и место в иерархии сил существенно возрастают. Оно объясняет, почему запотевают очки и почему мы можем вытереть руки полотенцем. Но подлинная прелесть микромира заключается в том, что внутри одного гигантского объекта может происходить множество мельчайших процессов, причем их результаты суммируются. Например, оказывается, поверхностное натяжение, которое в тех или иных ситуациях доминирует лишь на микроуровне, обусловливает существование самых массивных живых существ на планете. Но чтобы обсудить эту тему, нам нужно рассмотреть еще один его аспект. Что происходит, когда поверхность, разделяющая газ и жидкость, ударяется о твердый предмет?

Мой первый опыт плавания на открытой воде оказался из разряда «не для слабонервных». К счастью, я ничего не знала об этом заранее, поэтому ни о чем не беспокоилась. Когда я работала в Институте океанографии Скриппса в Сан-Диего, крупным ежегодным событием для моей команды пловцов был заплыв с берега Ла-Джолла до пирса института и обратно – 4,5 километра через достаточно глубокий морской каньон. Вообще говоря, раньше мне приходилось плавать только в бассейнах, но поскольку я всегда готова испытать себя на прочность, а в плавательных бассейнах я «намотала» не одну сотню километров, я согласилась участвовать в заплыве, надеясь, что буду выглядеть ничуть не хуже остальных. Наш массовый вход в воду напоминал момент открытия супермаркета бытовой электроники в день распродажи по сниженным ценам. Но после этого стало немного легче. Первая часть заплыва проходила через заросли бурых водорослей; я казалась себе птицей, порхающей между густыми кронами деревьев. Солнечные лучи с трудом могли пробиться сквозь эти заросли. Затем водоросли исчезли. Зная примерно глубину океана в этих местах, я могла лишь догадываться, какие морские твари проплывают где-то очень глубоко подо мной – так глубоко, что туда едва проникает солнечный свет. После того как мы миновали зону бурых водорослей, водная поверхность покрылась зыбью, и мне пришлось сосредоточиться на том, куда мы плывем. Плыть становилось все труднее, а пирс института едва угадывался на горизонте. Вода подо мной была настолько непроницаемой, что было нереально в ней что-либо разглядеть. В конце концов я поняла, почему с таким трудом воспринимаю окружающую обстановку: мои плавательные очки запотели. Ох-ох-ох…

Внутри плавательных очков пот испарялся с теплой кожи вокруг глаз. Чем усерднее я двигала руками и ногами, тем сильнее он испарялся. Воздух, заключенный между очками и охватываемой ими частью лица, представлял собой нечто вроде мини-сауны, теплой и насыщенной влагой. Но океан вокруг был прекрасным и холодным, поэтому мои плавательные очки охлаждались снаружи. Когда молекулы воды, содержащиеся в воздухе, ударялись о холодный пластик, они отдавали свое тепло и конденсировались, снова становясь жидкостью. Но проблема заключалась не в этом, а в том, что все эти молекулы воды находили друг друга внутри очков, соударялись и гораздо больше притягивались друг к другу, чем к пластику. Поверхностное натяжение втягивало их внутрь, заставляя собираться в крошечные капельки – так, чтобы площадь их поверхности была как можно меньшей. Каждая такая капелька имела крошечные размеры – возможно, 10–50 микрон в диаметре. Так что сила земного притяжения была незначительной по сравнению с силами поверхностного натяжения, сцепляющими капельки с пластиком. Не было никакого смысла ждать, пока они упадут сами собой.

Каждая такая крошечная капелька действовала подобно линзе, преломляющей и отражающей падающий на нее свет. Когда я поднимала голову, чтобы отыскать глазами пирс, свет, который попадал мне прямо в глаза, искажался этими капельками. Подобно крошечному домику с зеркальными стенами, они настолько искажали изображение, что не было никакой возможности уяснить окружающую меня обстановку. Я остановилась на несколько секунд, чтобы промыть очки, и в течение какого-то времени имела четкое представление о ситуации и местоположении пирса. Но вскоре очки снова запотели. Опять их промыла. Через какое-то время перед глазами снова туман. Опять промывание. Снова туман… В конце концов я пристроилась в кильватере одной из пловчих, на которой была ярко-красная шапочка для плавания. Эта шапочка и стала для меня надежным ориентиром, несмотря на запотевшие очки.

Доплыв до пирса, мы ненадолго там остановились, чтобы подождать отставших пловцов и выяснить, все ли у них в порядке. Получив эту небольшую паузу для размышления, я наконец вспомнила то, чему примерно за неделю до описываемых событий меня учил один опытный аквалангист: нужно плюнуть в очки и растереть слюну по внутренней поверхности пластика. Тогда в ответ я скривилась, но сейчас мне не хотелось весь обратный путь через подводный каньон преодолевать практически вслепую, поэтому последовала совету аквалангиста. Обратный путь произвел на меня совершенно другое впечатление. Отчасти потому, что пловчиха в красной шапочке решила существенно прибавить в скорости и мне приходилось напрягать все силы, чтобы не отстать от нее. Но главное – на сей раз я могла видеть все, что меня окружало: пловцов, водоросли, берег, к которому мы плыли, и любопытных рыб, появляющихся время от времени. Действие человеческой слюны в какой-то степени схоже с воздействием моющего средства: она снижает поверхностное натяжение. Под моими очками по-прежнему образовывалась мини-сауна, и вода все еще конденсировалась на внутренней поверхности пластика, но поверхностное натяжение уже не было настолько сильным, чтобы этот конденсат превращался в маленькие капельки-линзы. Поэтому он равномерно распределялся по внутренней поверхности пластика и представлял собой тонкую водяную пленку. Ввиду отсутствия крошечных капелек-линз на внутренней поверхности пластика никаких дополнительных преломлений и искажений света не происходило, и у меня перед глазами все время стояла четкая картина окружающей обстановки. Оказавшись снова на берегу, я, с одной стороны, испытала огромное физическое облегчение, вызванное завершением нашего плавательного марафона, а с другой – порадовалась не только новым впечатлениям от картин подводного мира, но и пополнению копилки полезного жизненного опыта.

Есть один надежный способ воспрепятствовать образованию запотевания – создать на поверхности тонкий слой поверхностно активного вещества (сурфактанта). Для этого можно использовать разные вещества: слюну, шампунь, крем для бритья или дорогостоящий коммерческий антифог. Если тонкий слой поверхностно активного вещества нанесен, то любая вода, которая конденсируется на этой поверхности, будет тотчас же им покрыта. Создавая такое покрытие, вы ослабляете поверхностное натяжение, в результате чего огромное множество крошечных капелек тумана превращается в тонкий слой воды, равномерно покрывающий всю защищаемую поверхность. Вода может сцепляться со всей внутренней поверхностью очков, пока отсутствуют силы, способные воздействовать на молекулы воды. Поверхностное натяжение – единственная другая сила, оказывающая такое воздействие, и если вам удается ее ослабить, проблема решается сама собой[30]30
  Вы можете наблюдать этот эффект, если опустите каплю воды на какой-либо водоотталкивающий объект (вполне подойдет помидор). Капля компактно уляжется на поверхность объекта. Затем возьмите тонкую палочку, например спичку, обмакните один ее конец в какое-либо моющее средство и прикоснитесь этим концом к капле воды. Вы увидите, как она сразу же расплывется по поверхности в разные стороны. (Перед тем как съесть помидор, обязательно удалите с него остатки моющего средства.)


[Закрыть].

Таким образом, одно из решений – ослабить поверхностное натяжение. Впрочем, есть и другое решение: увеличить силу притяжения со стороны внутренней поверхности очков. Капля сама по себе сжимается в шарик. Если опустить ее на пластик или стекло, она будет лишь слегка их касаться. Но на твердой поверхности, притягивающей молекулы воды почти так же сильно, как они притягиваются друг к другу, вода растечется. Вместо почти сферической капли вы получите плоскую кляксу, молекулы воды в которой ощущают со стороны поверхности такое же сильное притяжение, как и со стороны других молекул воды. Сейчас я покупаю очки для плавания со специальным покрытием на внутренней поверхности, притягивающим воду (оно называется гидрофильным). Вода по-прежнему конденсируется на их внутренней поверхности, но равномерно распределяется по ней, притягиваясь к покрытию. Таким образом, конденсация как явление никуда не девается, но запотевания очков удается избежать[31]31
  Достижение этого баланса – между силой притяжения воды к твердой поверхности и молекул воды друг к другу – помогает решать разнообразные проблемы. Например, британцев очень волнует вопрос, почему иногда при разливании чая по чашкам из заварочных чайников (когда под конец из носика чайника течет очень тонкая струйка) чай, вместо того чтобы оказываться в чашке, стекает по наружной стенке чайника и проливается на стол. Ответ заключается в том, что стенки заварочного чайника слишком сильно притягивают воду. Когда течение струи замедляется, силы, притягивающие воду к носику чайника, превышают величину импульса, увлекающего воду вперед. Эта проблема решается путем использования водоотталкивающего заварочного чайника, то есть который вообще не притягивает воду. Увы, на момент написания этой книги такие чайники в продаже отсутствуют.


[Закрыть].

У ослабления поверхностного натяжения есть свои преимущества. Но сила притяжения между отдельными молекулами воды очень велика. И чем меньше объем воды, с которым вам приходится иметь дело, тем значимее этот фактор. По-настоящему полезным поверхностное натяжение оказывается в водопроводных микросистемах. На этом уровне мы вполне можем обойтись без насосов и сифонов, а также огромных затрат энергии на создание обходных путей для воды. От нас требуется сделать такую систему настолько маленькой, чтобы можно было пренебречь влиянием гравитации и возложить всю тяжелую работу на плечи поверхностного натяжения. Уборка помещений – довольно скучное и утомительное занятие, но без нее наш мир выглядел бы совершенно иначе.

Я, наверное, неряшливая хозяйка, довольно умелая, но в гораздо большей степени интересующаяся самим процессом приготовления пищи, чем беспорядком, который оставляю после себя. Это заставляет меня немного нервничать, когда приходится хозяйничать на кухне в чужом доме. Несколько лет назад, находясь в Польше, я взялась приготовить яблочный пирог для международной группы волонтеров, с которыми тогда работала в одном из учебных заведений[32]32
  Вообще говоря, у меня есть объяснение. Во время поездки в Краков я пообещала своим спутникам угостить их восхитительным ужином в еврейском квартале города, но описываемые мною события происходили в те далекие времена, когда смартфоны были большой редкостью, поэтому наш поход в ресторан закончился тем, что мы заблудились в незнакомом городе. Я водила группу из двадцати голодных мужчин и женщин по темным и пустынным улицам, отчаявшись найти хоть какой-нибудь ресторан, не говоря уж о превосходных ресторанах, которые, несомненно, там были. Наконец, судьба сжалилась над нами: мы удовольствовались скромным ужином в одном из заведений McDonald’s. Я чувствовала, что яблочный пирог – наименьшее, что я могу сделать, чтобы искупить свою вину.


[Закрыть]. Начало оказалось несколько обескураживающим. Высокая и свирепая на вид местная повариха буркнула что-то невнятное в ответ на мой вопрос, нельзя ли воспользоваться их кухней. Мне потребовалось несколько секунд напряженных раздумий в попытке понять, что бы это значило, пока я не сообразила, что она сказала «да». Мой уровень владения польским оставлял желать лучшего, и я не поняла многих инструкций, которые затем последовали. Однако главное я уяснила: кухню после завершения работы нужно оставить в идеальном порядке. Именно в идеальном. Ничто не должно быть пролито на плиту, стол или пол. Все поверхности должны буквально сверкать чистотой. Поэтому позже, когда повариха ушла домой, а я собрала все ингредиенты, необходимые для приготовления яблочного пирога, первое, что я сделала, это опрокинула на пол только что открытый большой пакет молока.

«Хоть бы это молоко куда-то исчезло, – подумала я, – и суровая повариха никогда не узнала о его существовании». Убрать остатки пролитого молока не так-то легко, особенно если его целый литр, заливший полкухни. Между тем молочная лужа продолжала увеличиваться в размерах. К счастью, есть средство, позволяющее достаточно быстро собрать пролитую жидкость, – обычное кухонное полотенце.

Как только полотенце коснулось молока, на молоко начала действовать новая совокупность сил. Полотенца обычно изготавливают из хлопка, а хлопок притягивает воду. На микроуровне молекулы воды притягиваются к волокнам хлопка и медленно покрывают поверхность каждого такого волокна, продвигаясь по нему вверх. А молекулы воды, как известно, так сильно притягиваются друг к другу, что первая из них, прикоснувшаяся к полотенцу, не может взбираться вверх самостоятельно. Она должна обязательно прихватить с собой следующую молекулу воды. А та, в свою очередь, – следующую. Таким образом, молекулы воды движутся вверх по волокнам хлопка, вытаскивая с собой все остальное, что есть в молоке. Силы, притягивающие воду к волокнам полотенца, настолько велики, что силой земного притяжения, ничтожной по сравнению с ними, можно пренебречь. Пролитое молоко быстро собирается с помощью обычного полотенца.

Но это еще далеко не все, на что способно полотенце. Оно обладает еще одним поистине бесценным качеством – ворсистостью. Если бы все волокна полотенца оказались покрыты тонким слоем воды, оно вообще не смогло бы ее собирать. Но ворсистость создает в полотенце множество воздушных карманов и узких каналов. Как только вода проникает в один из таких каналов, она подтягивается вверх со всех сторон, а вместе с ней подтягивается вверх и вода в середине канала. Чем уже канал, тем больше поверхности для каждой капельки воды в середине. Поверхность ворсистого полотенца огромная, а зазоры между ворсинками узкие, поэтому они могут вбирать в себя очень много воды.

Пока я наблюдала за тем, как лужа молока впитывается в полотенце, молекулы воды собирались вместе, толкаясь друг с другом внутри ворса. Те, которые располагались внизу, продвигались вместе с остальной толпой, сцепляясь с соседними молекулами воды. Те, которые соприкасались с хлопком, сцеплялись и с хлопком, и с молекулами воды, находящимися по другую сторону, удерживая свою позицию. Молекулы, соприкасающиеся с сухим полотенцем, сцеплялись с этим сухим хлопком и притягивали к себе другие молекулы воды, находившиеся позади, заполняя таким образом зазоры в структуре. Пребывающие на поверхности тащили за собой молекулы воды, находившиеся непосредственно под ними, стараясь окружить себя как можно большим числом других молекул воды, и в процессе подтягивая воду вверх. Это явление называется капиллярным эффектом. Гравитация тянет вниз все молоко, заполняющее микроканалы в ворсе. Но она не в состоянии конкурировать с силами, тянущими молоко вверх, то есть с силами наверху, где молоко соприкасается с сухим хлопком внутри миллионов крошечных воздушных карманов. Когда я свернула полотенце и убрала его, отдельные его участки буквально до краев пропитались молоком, заполнившим воздушные карманы.

Молекулы воды продолжат взбираться наверх по зазорам, подтягивая за собой другие молекулы воды до тех пор, пока сумма крошечных сил, действующих со стороны множества воздушных карманов, в конечном счете не уравновесится силой притяжения нашей планеты. Именно поэтому, когда вы опустите конец полотенца в воду, жидкость сначала быстро распространится на несколько сантиметров вверх, а затем остановится. В этот момент вес воды в точности сбалансируется силой поверхностного натяжения. Чем уже каналы в ворсе, тем большая поверхность на полотенце обеспечивает суммарную силу поверхностного натяжения и тем выше будет граница поднятия воды. Масштаб в данном случае имеет решающее значение: если ворс будет той же формы, но в сто раз длиннее, то такое полотенце вообще не станет впитывать воду. Но если ворс сделать гуще, то иерархия сил изменится и вода в таком полотенце поднимется на большую высоту.

Самое полезное качество полотенца состоит в том, что после просушки из его воздушных карманов испаряется вся вода: она просто растворяется в воздухе. Более простой и удобный способ решения проблемы трудно представить: полотенце вбирает жидкость и удерживает ее до тех пор, пока она не улетучится сама собой[33]33
  Разумеется, жир, белок и сахар, содержащиеся в молоке, не испаряются. Они остаются на полотенце, поэтому его необходимо постирать.


[Закрыть].

Расправившись таким образом с лужей пролитого молока, я испекла яблочный пирог и оставила кухню практически в безукоризненном состоянии. Правда, оставалось решить последнюю проблему, которая не имела никакого отношения к теории поверхностного натяжения. Взбитые сливки, поданные мной вместе с яблочным пирогом, имели не очень приятный кисловатый вкус, о чем свидетельствовали выражения лиц моих гостей. Одним словом, век живи – век учись. Я постараюсь никогда больше не совершать такую ошибку.

Причина, по которой полотенца изготавливают из хлопка, заключается в том, что хлопок – это в основном клетчатка, то есть длинные цепочки сахаров, с которыми охотно сцепляются молекулы воды. Вата, кухонное полотенце, дешевая бумага – все это хорошие абсорбенты, поскольку на микроуровне обладают ворсистой структурой, состоящей из водолюбивой целлюлозы. Вопрос в следующем: каковы пределы этой «размерозависимой» физики? Если эти каналы будут настолько малы, насколько это физически возможно, то что можно с ними сделать? Речь идет не только о полотенцах, всасывающих воду вверх по узким каналам из целлюлозы. Природа позаботилась об этом задолго до нас. В качестве впечатляющего примера того, на что способна физика микромира, назову самый большой из живых организмов на планете: гигантское калифорнийское мамонтовое дерево.

⁂

В лесу тихо и сыро. Создается впечатление, что так было всегда и изменения здесь – редкость. Земля между стволами деревьев покрыта мхом и зарослями папоротника, и единственные звуки, которые можно здесь услышать, – пение невидимых птиц и глубокое, тревожное кряхтение деревьев, слегка покачивающихся из стороны в сторону. Высоко вверху сквозь переплетение тонких ветвей проглядывают островки голубого неба, а внизу, под моими ногами, повсюду виднеется вода: лужицы, пропитанные влагой клочки почвы и ручейки, устремляющиеся вниз по долине. Каждый раз, гуляя по лесу, я невольно настораживаюсь, замечая далеко впереди подозрительное темное пятно, несколько выбивающееся из общей картины. Нет, это не хищник. Это дерево, один из настоящих гигантов, тысячелетний колосс, скрывающийся за молодой порослью и утверждающий свой особый статус в лесу обширной тенью, отбрасываемой на землю и соседние деревья.

Секвойя вечнозеленая, или калифорнийское мамонтовое дерево (Sequoia sempervirens), покрывает обширные участки земли в этом районе Северной Калифорнии. В наши дни когда-то бескрайние леса сократились до нескольких небольших участков, и я нахожусь в одном из самых известных под названием Redwood National Park в округе Гумбольдт. Эти гиганты производят неизгладимое впечатление, поскольку ствол каждого такого дерева совершенно прямой и вертикальный, устремляющийся далеко в небо. Самое высокое дерево на Земле находится именно здесь. Его высота – 116 метров[34]34
  Высота часовой башни Вестминстерского дворца – той, на которой установлен знаменитый Биг Бен, – составляет 96 метров. Это сравнение показывает, что калифорнийское мамонтовое дерево – поистине гигантское.


[Закрыть]. Во время прогулки мне часто встречаются деревья, диаметр ствола которых составляет 2 метра и более. Однако самое удивительное, что под глубокими морщинами коры этих деревьев формируются все новые и новые кольца. Деревья живут! Крошечные вечнозеленые листья на стометровой высоте улавливают энергию Солнца, запасают ее и вырабатывают материал, из которого строится новое дерево.

Но для жизни нужна вода, и она здесь, где я стою. Таким образом, в окружающем меня лесу вода течет снизу вверх. И ее поток никогда не прерывается – ни разу с того момента, когда семя, упавшее в почву, дало побег. Некоторые из этих деревьев стояли здесь еще во времена падения Римской империи. Они росли в Калифорнии, когда был изобретен порох, написана Книга Судного Дня[35]35
  Книга с данными первой в Англии всеобщей поземельной переписи, проведенной в 1086 году по велению Вильгельма Завоевателя, содержит сведения о размерах вотчин, распределении пахотной земли, скота и т. д.; название народное по ассоциации с книгой, по которой на Страшном суде будут судить людей. Прим. ред.


[Закрыть] (или Книга Страшного суда), когда Чингиз-хан завоевывал все новые царства в Азии, Роберт Гук опубликовал «Микрографию» и японцы бомбили Перл-Харбор. И ни разу вода не прекращала течь снизу вверх, питая дерево. Причина, по которой мы можем быть уверены в этом, заключается в том, что весь механизм, обеспечивающий жизнь дерева, основан на непрерывности этого потока. Его невозможно перезапустить. Но это очень умная «водопроводная система», и весь расчет ее создателя строится на том, что ее непрерывное действие обусловлено лишь очень маленькой величиной поперечного сечения: буквально несколько нанометров.

Вода проходит по ксилеме – системе микроскопических целлюлозных трубок, тянущихся от корней дерева к листьям. В этом главным образом и заключается понятие «древесины», хотя, по мере того как дерево вырастает, центральный стержень древесного ствола перестает участвовать в его водоснабжении. Капиллярность – механизм, делающий мое полотенце водопоглощающим, – обладает силой, достаточной для того, чтобы поднять воду в водопроводной системе дерева лишь на несколько метров. Для высокого дерева такая система не годится. Корни дерева также могут создавать собственное давление для проталкивания воды вверх по водопроводной системе дерева, но и этого давления достаточно лишь для поднятия воды еще на несколько метров. Большая часть работы не выполняется путем проталкивания воды вверх. Воду приходится тянуть. Такая же система действует во всех деревьях, но самый большой мастер по этой части – калифорнийское мамонтовое дерево.

Я сижу на стволе поваленного дерева, рядом с одним из гигантов, и смотрю вверх. В сотне метров над моей головой крошечные листики трепещут на ветру. Для фотосинтеза им нужен солнечный свет, двуокись углерода (углекислый газ) и вода. Углекислый газ поступает из окружающего воздуха через устьица – крошечные карманы, расположенные на нижней стороне каждого листа. Часть внутренней стенки каждого кармана представляет собой сеть целлюлозных волокон, между которыми находятся каналы, заполненные водой. Это верхушка водопроводных трубок; после них трубки разветвляются и снова разветвляются, каждый раз сокращаясь в размерах до тех пор, пока не достигнут устьица. В этом месте, где водопроводные трубки наконец соприкасаются с воздухом, размер их поперечного сечения составляет примерно 10 нанометров[36]36
  Один нанометр – это действительно очень мало: в одном миллиметре умещается миллион нанометров.


[Закрыть]. Молекулы воды прочно сцепляются с целлюлозными стенками каждого канала, а водная поверхность придает им форму нанокувшина. Солнечный свет падает на лист и содержащийся внутри него воздух и иногда придает одной из этих поверхностных молекул воды достаточную энергию, чтобы оторвать ее от толпы других молекул воды, расположенных под ней. Испарившаяся молекула воды вылетает из листа в воздух. Но теперь нанокувшин утратил свою форму – он находится слишком глубоко. Поверхностное натяжение втягивает его внутрь, подтягивая молекулы воды ближе друг к другу, чтобы уменьшить площадь поверхности. Есть множество новых молекул, которые могли бы заполнить образовавшийся зазор, но все они находятся намного дальше в канале. Поэтому вода в нем вытягивается вперед, чтобы заместить потерянную молекулу. А затем воде, находящейся еще дальше в канале, приходится продвинуться вперед, чтобы заменить воду, заместившую потерянную молекулу, и так далее, сверху донизу. Поскольку канал крошечный, поверхностное натяжение способно оказывать огромное вытягивающее усилие на всю воду под ним, достаточное (если учитывать вклад миллиона других листьев), чтобы вытягивать весь столб воды вверх по дереву. Потрясающе! Гравитация тянет всю воду в дереве вниз, но сочетание множества крошечных сил выигрывает сражение[37]37
  Но такой перевес сил поверхностного натяжения над силой земного притяжения возможен лишь до определенного предела. Чтобы повышать силу поверхностного натяжения в воде с целью поднять ее на все более высокие уровни, нужно уменьшать устьица. А чем меньше устьица, тем меньше доступ углекислого газа (одного из исходных компонентов, необходимых для фотосинтеза). Теоретически никакое дерево не может превышать 122–130 метров, поскольку иначе оно не сможет получать достаточное количество углекислого газа для дальнейшего роста.


[Закрыть]. И это не просто битва против гравитации: силам, тянущим воду вверх, приходится также преодолевать силу трения со стороны стенок трубки, когда вода продвигается по чрезвычайно узким каналам.

Помимо взрослых деревьев в лесу много молодой поросли – возрастом не более года. Их водяные столбы только начинают формироваться. По мере роста молодого деревца его водопроводная система удлиняется, но никогда не ломается, поэтому верхушка водяного столба всегда увлажняет внутреннюю часть устьица. Когда деревце продолжает расти, вода просто подтягивается к воздуху. Дерево не сможет снова заполнить водопроводную систему, если она опустеет, поэтому ему все время приходится поддерживать ее бесперебойную работу. Каким бы высоким ни было дерево, этот водяной столб не должен сбоить. Самые высокие экземпляры калифорнийского мамонтового дерева растут у океанского побережья именно потому, что прибрежные туманы помогают сохранять влагу на их листьях[38]38
  Существует также немало свидетельств, позволяющих предположить, что действие тумана может быть двояким: он не только помогает сохранять влагу на листьях дерева, предотвращая испарение, но и проникает в устьица, насыщая их влагой.


[Закрыть]. Меньшему количеству воды приходится подниматься от корней до вершины, поэтому такая система в целом может действовать медленнее, а деревья могут быть выше.

Процесс испарения воды из листьев деревьев называется транспирацией, и происходит она, когда вы смотрите на дерево, освещаемое солнечными лучами. Эти сонные гигантские вечнозеленые секвойи, по сути, представляют собой массивные водные трубопроводы, подсасывающие воду из почвы, направляющие ее часть на фотосинтез и предоставляющие возможность остальной воде улетучиться в окружающий воздух. В каждом дереве происходит один и тот же процесс. Деревья – жизненно необходимая часть экосистем Земли; они не вырастали бы такими высокими, если бы не могли доставлять воду на требуемую высоту. Самое замечательное, что для такой доставки деревьям не нужен ни специальный мотор, ни активный насос. Они просто сужают проблему, решая ее с помощью правил микромира, а затем повторяют процесс столько миллионов раз, что он становится физикой гигантов.

Крошечный мир, в котором поверхностное натяжение, капиллярные силы и вязкость доминируют над силой земного притяжения и инерцией, всегда был неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Соответствующие механизмы могут быть невидимыми, но последствия их обязательно проявятся. И сегодня мы не просто наблюдатели, восхищающиеся элегантностью и экзотикой процессов, происходящих на микроуровне. Мы становимся работающими на нем инженерами. Уже придуман термин для стремительно развивающейся области микроскопических трубопроводных систем, управления текучими средами, перемещающимися по узким каналам, и практического использования таких систем. Это «микрофлюидика» (наука о микроскопических текучих средах). Для большинства из нас это новое слово, но, думаю, в будущем эта молодая отрасль науки наверняка станет оказывать огромное влияние на нашу жизнь – особенно в области медицины.