Текст книги "Детский университет. Исследователи объясняют загадки мира. Книга третья"

Фокусы в зеленом цвете

Ученые и сегодня до конца не понимают, почему у одних растений листья сердцевидные, а у других – зубчатые. Зато ясно, почему одни листья большие и плоские, другие, наоборот, свернуты в трубочку и острые, как у кактусов. В частности, на размер и форму листа сильно влияет климат. Листьями растения улавливают солнечный свет и через них же выделяют ненужные вещества. К тому моменту, когда молодое растение раскрывает листочки, оно уже израсходовало запасы, которые получило из семечка, и теперь ему надо самому обеспечивать себя энергией. А поскольку растения, как правило, на охоту не ходят и прочно держатся корнями за землю, им нужен по-настоящему надежный источник энергии. На который можно рассчитывать всегда, в крайнем случае с короткими перерывами. Таким высоким требованиям отвечает лишь один источник – солнце, тем более что природа предоставляет его даром.

Растение как будто создано специально для того, чтобы использовать солнечный свет – ведь оно без всякой подготовки совершает с его помощью удивительные метаморфозы. Жаль только, что эти фокусы нельзя увидеть невооруженным глазом. Фотоаппарат нам здесь тоже не поможет, хотя сам фокус и называется «фотосинтез». В переводе с греческого это слово означает «образование веществ на свету».

ЗЕЛЕНЫЕ ФАБРИКИ

Лист только кажется нам сплошь зеленым. На самом деле его зелень прерывается бледными вкраплениями, которые можно разглядеть в сильный микроскоп. Это границы хлоропластов. На один квадратный миллиметр листа приходится около 100 000 хлоропластов, а в каждой клетке растения хлоропластов от 30 до 40. Конечно, человеческий глаз не различает такие крохотные элементы и видит всю поверхность листа как сплошную зелень.

Давайте представим, что иллюзионист надумал показать фокус с фотосинтезом, чтобы объяснить нам, что это такое. Для начала он оденется во все зеленое и выйдет на открытое солнце. Но сколько бы он ни стоял, ничего не произойдет, разве что наш фокусник сильно вспотеет. Зато он ощутит, сколько в солнце энергии, то есть тепла. Во второй попытке он станет действовать умнее. Поскольку люди состоят из других клеток, чем растения, наш фокусник наденет на себя костюм с фотоэлементами – попытается хоть немного походить на растение. Фотоэлементы умеют преобразовывать солнечную энергию в электричество. И если панель с фотоэлементом соединить с приводом, поставить, например, на скейтборд и выставить всю конструкцию на солнце, то через некоторое время доска сорвется с места без всякого бензина, движимая одной лишь солнечной энергией.

Чтобы сдвинуть скейтборд уже вместе с фокусником, потребуются гигантские фотоэлементы. Но даже если ему это удастся, после первого же круга станет ясно: его номер далек от того, что ухитряются показывать растения. Это еще вовсе не фотосинтез.

В процессе фотосинтеза образуется глюкоза, или виноградный сахар, так что нашему иллюзионисту придется добавить еще один элемент – сахар. К примеру, вытянуть руки в воздух, чтобы в каждой оказалось по кучке леденцов и прочих сладостей. Именно такие штучки запросто проделывают растения. Сначала подставляют листья солнечному свету и одновременно поглощают углекислый газ. А потом на своей «фотокухне» варят из них глюкозу. Процесс этот очень сложный, в чем можно убедиться, открыв любой химический справочник. Будь листья у растений синего цвета, ничего бы не получилось. Весь фокус в том, что они именно зеленые. Зелень – это не просто цвет, приятный нашему глазу. Листья зеленые потому, что в них содержится волшебник хлорофилл. Именно хлорофилл улавливает солнечный свет и производит с его помощью что-то новое – что-то, что растение использует для роста.

ОСЕНЬ

Осенью дни становятся короче, ночи длиннее, солнце уже не светит в полную силу, и листва потихоньку делается разноцветной. Зеленый цвет исчезает, потому что из листьев уходит хлорофилл, и на листьях проступают другие цвета. С приходом зимы у фотосинтеза начинаются каникулы. Исключение составляют лишь южные регионы, где достаточно солнца. В других областях осенью и зимой фотосинтез в замедленном виде протекает у хвойных и других вечнозеленых растений.

Хлорофилл – краситель зеленого цвета (по-гречески это слово означает «зеленый лист»); молекулы хлорофилла могут улавливать солнечный свет. Энергию «пойманного» света растение использует для своего роста. В листьях молекулы хлорофилла сложены в стопки, а стопки – в мешочки, которые называются хлоропластами. В каждой клетке зеленого листа содержится множество таких хлоропластов. Энергия солнца, которая поглощается хлоропластами, расходуется в листьях на много полезных дел. Так, с помощью этой энергии расщепляются молекулы воды, которую поставляют растению его корни. Молекулы воды состоят из атомов водорода и кислорода. Освободившийся кислород листья выделяют в атмосферу. А атомы водорода соединяются в хлоропластах с основной пищей растений – молекулами углекислого газа; они поступают из воздуха через крошечные дырочки – устьица, которые находятся на обратной стороне листьев.

САХАРНЫЕ СЕМЕНА

Прорастить семена можно и в темноте. Но тогда надо чем-то заменить фотосинтез. Для этого берут сахар. Выросшие таким образом растения могут даже цвести, но ни при каких обстоятельствах не станут зелеными: они будут белые, как альбиносы.

Молекулы еще меньше, чем клетки. Это самая маленькая частичка вещества, которая состоит из атомов химических элементов, а атомы, в свою очередь, из электронов. Молекулы хлорофилла по-особому реагируют на свет. Стоит лучу солнца попасть на них, как электроны в молекулах хлорофилла начинают очень активно двигаться туда-сюда, буквально скакать и прыгать. В результате этих перемещений образуются новые вещества и выделяется энергия. Которая бы так и пропала, если бы растение не обладало особым умением ее запасать в своих «батарейках». Все дело в том, что в листьях образуется вещество, которое называют АТФ (полное название аденозинтрифосфат). АТФ – один из ингредиентов того сладкого блюда, которое изготавливает растение. Именно молекулы АТФ запасают энергию света, которую они могут расходовать при необходимости, например, в пасмурные дни. Помимо АТФ для производства глюкозы растениям еще требуются углекислый газ и вода. Воду добывают корни растения, а углекислый газ, которого предостаточно в атмосфере, поступает через устьица на обратной стороне листа.

В солнечные жаркие дни растения производят много глюкозы. Но могут не сразу ее использовать, а оставить про запас, и для этого образовать из ее молекул длинные цепочки, то есть крахмал. А затем передать следующим поколениям, то есть пустить ее в клубни и плоды. В таком виде она может достаться и нам. Не удивительно, что фрукты, выросшие в солнечных регионах, самые сладкие.

На той кухне, где растение варило глюкозу, остается один ненужный продукт, который через устьица выделяется из листьев в воздух. Это кислород. Люди вдыхают его полной грудью и, словно в благодарность растениям, выдыхают углекислый газ. Как мы видим, человек и растение просто идеально подходят друг другу. Настоящая команда.

Впрочем, стоит признать, что растения превосходят по сложности наши технические изобретения. Самая крохотная водоросль более эффективна, чем ультрасовременная солнечная батарея, разработанная лучшими инженерами мира. Она содержит в себе хлорофилл, без которого преобразование света в энергию было бы невозможно. Без него водоросль не могла бы расти и размножаться.

Как корню не сломаться

Хотя при ярком солнце растение трудится как целая кондитерская фабрика, но и избыток солнца может принести ему вред, вплоть до того, что растению придется полностью приостановить свою работу. Кто из нас не видел растений с поникшими цветами, вялыми, сморщенными, побуревшими листьями? Если процесс зашел далеко, то спасти его уже нельзя. Не нужно быть великим ботаником, чтобы поставить диагноз: смерть из-за нехватки воды. Вода растению жизненно необходима. Кто бы ни был виноват, человек или погода – в обоих случаях растение умрет.

САМАЯ ПЫШНАЯ ШЕВЕЛЮРА

Рис – обладатель воистину роскошной шевелюры. Волоски на его корнях растут исключительно быстро: если сложить вместе все волоски, которые за день вырастают на корнях одного растения, то в сумме их длина может достичь 90 километров.

Водой растение снабжают корни. Они же удерживают его в земле и создают противовес стволу и кроне, чтобы растение не сломалось. Но и это не все. Трудолюбивые корни формируют разветвленную систему канальцев, по которым проводят наверх воду и особые питательные вещества – минеральные соли, которые образовывались на протяжении тысячелетий при разрушении горных пород. Их названия чаще всего вспоминают, когда говорят о правильном питании: кальций, магний, натрий, калий, железо… И это далеко не полный список. Их еще называют микроэлементами, и в нашу пищу они тоже входят, хотя и в очень малых дозах. Например, кальций необходим для здоровых костей и зубов, магний – для мускулатуры, натрий и калий – для нервов, железо – для кровеносной системы.

Каким же образом растение добывает все эти минеральные вещества? Будь мы на месте растений, мы бы взяли бутылку минеральной воды, в которой в растворенном виде содержится все необходимое. Раскупорил бутылочку, вставил в нее соломинку и пей себе. Но попробуй мы вставить соломинку в землю, ничего бы не получилось – наелись бы земли, да и только. А вот растения умеют получать из почвы все, что им нужно. Кончики корней – а именно ими растение добывает воду – покрыты множеством тонких волосков, каждый из которых выполняет роль миниатюрной соломинки.

Чем больше корневых волосков, тем больше воды они способны добыть. Теперь понятно, почему корни все время растут – они ищут новые места. Рано или поздно почва рядом с растением беднеет, потому что корни высасывают из нее все необходимые для себя элементы. И корни стремятся расти туда, где еще много питательных веществ. Растение растет неравномерно: у него растут мягкие верхушки, молодые побеги, молодые участки тканей в стволе. И кончики корня. Правда, самый кончик корня защищает особый корневой чехольчик, и лишь за ним на корне можно разглядеть корневые волоски. Корни пробиваются сквозь почву в самых труднодоступных местах, и, если бы не эта защита, они бы, вероятно, то и дело ломались.

Одним словом, корни – настоящие силачи. Казалось бы, им все нипочем, но это не совсем верно. Если бы не солнце, растению пришлось бы туго. Хотя корни и качают воду вверх, но до вершины дерева они не могли бы ее поднять, это слишком высоко. Верхушки деревьев страдали бы от жажды. Их спасает солнце: словно через множество соломинок оно высасывает из них влагу. Как мы уже сказали, жидкость от корней поднимается вверх. А поскольку в растении больше влаги, чем в окружающей среде, то оно вынуждено постоянно отдавать свою влагу наружу. Разумеется, в сухие теплые дни испарение идет более интенсивно, чем в дождливые и прохладные. Влага испаряется через устьица, таким образом растение избавляется от воды и освобождает место для новой. Ежедневно на солнце испаряется очень много воды: до литра с одного подсолнуха, около 70 литров – с березы и целых 700 литров – с большого дерева во влажном тропическом лесу.

Корни не только умеют проходить сквозь землю и качать воду – у них еще отличный нюх на почвенные минеральные вещества. Для их добычи растение запускает свою насосную станцию, которая работает на АТФ (напомним, что это вещество получается в процессе фотосинтеза). Мало того: если микроэлементов все-таки недостаточно, у корней есть в запасе еще одна уловка – они выделяют в почву кислоту, так что минеральные вещества высвобождаются из горных пород и поступают в корень.

ВЕСНА ПРИДАЕТ СИЛ

Весной водообмен растений происходит несколько иначе. В это время, когда листвы еще нет и вода не испаряется, увеличивается корневое давление[1]1
  Корневое давление – это давление воды в сосудах корней, которое вызывает поднятие воды и растворенных в ней питательных веществ вверх по стеблю растения. – Примеч. пер.


[Закрыть].

Кто на свете всех длиннее?

Сегодня нам точно известно, что во всех частях растения кипит жизнь: взвод корней непрерывно ведет поисковую операцию, добывая для растения воду и минеральные вещества, на насосной станции глубокого залегания специальная команда передает воду по длинным трубам наверх, где работает шлюзовая служба – она впускает углекислый газ и выпускает кислород. Разбуженные солнцем электроны прыгают туда-сюда, работа на растительной электростанции кипит, в каждом листе варится глюкоза, затем насосная станция отправляет ее вниз по длинным трубам. А на паровых аэродромах теснятся готовые к отлету в атмосферу и изголодавшиеся по солнцу молекулы воды.

Ученые знают еще много всего о внутренней жизни растений, хотя сколько тайн еще не раскрыто! Но даже неполная картина происходящего в растениях помогает понять, что всё это они делают с одной-единственной целью – чтобы постоянно расти. Расти все дальше, становиться все больше, занимать лучшее место – ближе к солнцу, к воде, к почвенным минералам. Некоторые растения чувствуют себя даже лучше, если растут в тесноте. Тот, кто выращивает помидоры, знает, что для лучшего роста им нужна конкуренция.

Конечно, рост – это не только увеличение в высоту. Ведь если растение будет тянуться лишь вверх, оно в итоге сломается. Значит, нужно расти и вширь. Кроме того, растению необходимо приспосабливаться к окружающей среде. В пустыне растения отучились от привычки много пить. Можно подумать, что в засушливом климате они будут скорее низкорослыми. Но это не так. Напротив, один из видов кактусов под названием карнегия может достигать гигантских размеров. Это позволяет ему запасать как можно больше воды. Если один такой кактус выжать, как лимон, жидкости хватит, чтобы наполнить тысячу ванн. Восковая оболочка кактуса защищает его от пересыхания. А колючки и шипы – это листья, и они так сильно свернуты, чтобы площадь поверхности, с которой испаряется вода, была как можно меньше. Кроме того, такие листья – отличная защита от животных, которые в пустыне постоянно находятся в поиске воды. А вот для производства глюкозы в колючках места нет, поэтому эта работа ведется в зеленых частях стебля кактуса.

САМОЕ СТАРОЕ ДЕРЕВО

Возраст самого старого дерева в мире, ели обыкновенной из Швеции по имени Старый Тикко, – 9550 лет. Точнее, это возраст его корней. В Калифорнии растут сосны, которым более 4500 лет. Самый древний вид деревьев – гинкго. Его родственники обитали на Земле еще 250 миллионов лет тому назад. Гинкго живет очень долго, а растет медленно: за 2000 лет оно может достигнуть в высоту 40 метров.

Если кактусы научились обходиться малым количеством воды, то другие растения приспособились жить при недостатке солнечного света. Например, мхи, папоротники и подводные растения. Но и они не могут жить без солнца: куда не проникают лучи солнца, нет и растений. В пещерах растений тоже почти нет, мхи появляются только там, куда попадает хотя бы самая малость света, хотя бы фонарик туриста.

Для чего нужны пчелы?

Рано или поздно любому живому существу нужно позаботиться о появлении потомков, иначе рост сам по себе не имеет никакого смысла. Хотя и кажется, что у некоторых деревьев времени сколько хочешь. Среди всех живых существ у них самая большая продолжительность жизни. Кому еще, кроме деревьев, может исполниться 2000 лет?

Но есть растения, которые живут не больше полугода. Их биологические часы безжалостно тикают. Им нужно как можно скорее вырасти и сформироваться, да еще позаботиться о продолжении рода. С этой точки зрения в самом сложном положении находится, наверное, подсолнечник. Взрослое растение достигает четырех метров, а значит, воду, минеральные вещества и глюкозу ему приходится перекачивать на большие дистанции. Подсолнечник формирует огромные желтые соцветия, где каждый желтый лист – это отдельный цветок, и образует множество плодов – семечек с большим содержанием питательных веществ. Немудрено, что подсолнечник так любят выращивать во многих странах. Хорошо, что растение не догадывается, что плоды, на которые было затрачено столько сил, в итоге превратятся в обыкновенное подсолнечное масло. И все же кое в чем подсолнечнику, как и многим растениям, нужна помощь извне. Речь об опылении, которое происходит благодаря пчелам. Но это уже совсем другая история, о которой вы можете узнать из учебников зоологии.

Почему снятся сны?

Прямо на тебя несется тигр. Надо бежать, но ноги словно приросли к земле. Наконец, с трудом удается оторвать их и сдвинуться на несколько сантиметров. А тигр все ближе и ближе. Вот он рычит, он уже распахнул пасть. Он рядом! И ты просыпаешься в поту. А пора бы уже знать, что тигры во сне не опасны. И до родительской кровати им никогда не добраться. Так что это абсолютно надежное укрытие. И вообще, тебе приходилось когда-нибудь слышать о человеке, которого съел приснившийся тигр?

К счастью, сны бывают не только страшные, но и приятные: в них, например, можно погладить тигра, поиграть с ним, взять к себе домой. А родители скажут: «Как здорово, что у нас теперь есть тигр!»

А еще бывают сны, в которых происходит почти то же самое, что и наяву. Тебя вызывают к доске, а ты понятия не имеешь, о чем спрашивает учительница. Что она говорила, пока тебе так хорошо мечталось о тигре или пони. «Опять спишь на уроке? Ну и что тебе приснилось?» – спрашивает учительница. А это интересный вопрос: почему нам вообще что-то снится?

Сны – очень полезная вещь. Например, в книгах и школьных сочинениях. Каждый раз, когда главные герои оказываются в смертельной опасности, а выхода нет, они просыпаются. С помощью снов героев можно отправить в самые невероятные приключения. А потом, ни с того ни с сего, – пробуждение, и автор с читателем возвращаются в реальный мир.

Но огромная польза снов для выдуманного сюжета тем не менее ничего не говорит об их настоящем смысле. То, что мы видим сны, когда спим, кажется еще более загадочным, чем наши грезы наяву, когда мы начинаем так про себя фантазировать, что забываем, где мы сейчас. Грезы и мечты скорее отражают то, что нам хотелось бы получить и что мы любим делать. Так что ничего удивительного, если посреди урока ты вдруг начнешь воображать, как выходишь из школы, а тебя ждет собственная лошадь или спортивный автомобиль, и все твои одноклассники смотрят на тебя разинув рот.

На лекции «Почему снятся сны?» профессор попросил слушателей закрыть глаза и представить себе какое-нибудь животное. Когда весь зал был полон животных, слушатели открыли глаза и с удивлением обнаружили, что они смотрели сны, не засыпая. Гюнтер Клосински, детский и подростковый психиатр, рассказал детям о том, как организм спит, и как видит сны, и как оба эти процесса связаны с обучением. Он был нашим консультантом в этой главе.

Но дневными мечтами мы еще до некоторой степени можем управлять; во всяком случае, у нас есть ощущение, что фильмы в голове крутятся под нашим контролем. А ночные сны устроены совсем иначе. Кадры путаются, сюжет скачет с одного на другое, и ты уже не ощущаешь себя их полноправным режиссером. Картинки возникают в голове сами по себе.

Увы, невозможно предсказать, приснится ли нам сегодня хороший или плохой сон. Вот если бы сны можно было выбрать в каталоге! Каждый вечер заказываешь себе сон и смотришь: хочешь – приключения с тобой в главной роли, хочешь – волшебную сказку. Правда, есть одна опасность: можно не захотеть просыпаться. Возможно, дневная жизнь вскоре показалась бы смертельно скучной по сравнению с захватывающими ночными событиями.

ДНЕВНЫЕ ГРЕЗЫ

На первый взгляд кажется, что воображение лучше работает в темноте, чем при свете дня. Но на самом деле грезить можно не только ночью, но и днем. И даже с открытыми глазами. Так, почти без труда и едва заметно для окружающих, можно уноситься в воображении в другие миры. У таких фантазий есть даже полезные свойства: они действуют расслабляюще.

Сны – удивительная вещь. Кто их только придумывает? Что общего у нас с нашими снами? И есть ли от них польза? Человечество видит сны десятки тысяч лет. Значит, у людей было достаточно времени поразмышлять обо всех вопросах, которые ставят перед нами сновидения.

Но лучше признаемся с самого начала, чтобы в конце главы не было жалоб и горьких разочарований: хотя исследований и открытий в области сна и сновидений совершено немало, самая большая загадка снов пока не разгадана.

Что снится крокодилам?

Возможно, что сновидения появились не сразу, для их развития потребовалось немало времени. Кто может сказать, снились ли сны первобытным людям? Нет никаких сомнений, что и в каменном веке люди спали, потому что человек так устроен – ему обязательно нужен сон. При постоянном недосыпе человек хуже соображает, его реакции гораздо медленнее и он легко может заболеть. Длительное отсутствие сна чревато серьезными, необратимыми последствиями для всего организма.

Но никто не знает, что снилось первобытным людям. Нет никаких свидетельств тому, разве что «Флинтстоуны»[2]2
  «Флинтстоуны» – комедийный мультсериал о жизни семьи из каменного века, где все очень похоже на наше время. – Примеч. пер.


[Закрыть]. Тем не менее есть косвенное доказательство, что первобытный человек все-таки видел сны: ученые выяснили, что сны снятся и животным. Не всем животным, но всем млекопитающим. Также сны снятся птицам. Возможно, даже некоторым рептилиям. Ученые предполагают, что сновидения возникли с выходом животных на сушу, то есть приблизительно 150 миллионов лет назад.

ЗДОРОВЫЙ СОН

Человек проводит во сне примерно треть своей жизни. Хотя для физического здоровья ему хватило бы гораздо меньше. Почему люди спят так много – пока остается тайной.

Здорово было бы посмотреть хоть один сон животного, желательно на большом экране! К сожалению, пока это невозможно, поэтому мы еще долго будем ломать голову, снятся ли змеям страшные сны. Но даже если им снится один из наших самых жутких ночных кошмаров – змея, для них такой сон вряд ли будет страшным. Но, может быть, змеям снятся огромные и опасные чудища-люди? Которые в реальности, как мы знаем, вполне ручные животные и сами очень боятся змей.