Гидростатическое давление как в морских глубинах

Итак, причиной гигроскопического движения, в частности тех его видов, которые рассмотрены нами в предыдущем разделе, являются колебания влажности атмосферного воздуха. В технике в различного рода гидравлических установках необходимое давление создается почти всегда с помощью компрессоров или насосов. Это могут быть либо целые агрегаты, монтируемые на мощных гидравлических прессах, молотах, землеройных машинах, либо бытовые ручные насосы, например самый обычный автомобильный гидравлический домкрат. Рабочее давление, при котором работают все эти механизмы, составляет 70–200 атмосфер, что равнозначно давлению морской воды на глубине 700–2000 метров.

Столь высокие значения давления объясняются тем, что гидравлические установки, имея небольшие габаритные размеры, должны создавать в то же время громадные усилия. Существуют механизмы, развивающие усилие в 100 тонн; с их помощью поднимают не только автомобили, но даже крупные суда. Гидравликой оснащаются также системы управления различных машин. Гидравлика помогает нам управлять автомобилями, элеронами самолетов на взлете и при посадке, двигателями больших мощностей и т. д. Давление жидкости в подобных гидравлических системах может превышать 200 атмосфер.

У растительного организма решение задач, связанных с выполнением различного рода движений, в том число и управляющих, не требует приложения столь больших усилий. Тем не менее и они решаются при помощи законов гидравлики, но при значительно более низких давлениях. Однако и здесь можно встретиться с величинами, которые вполне сопоставимы с техническими характеристиками промышленных механизмов. Например, давление внутри живой клетки сахарной свеклы превосходит 50 атмосфер. У некоторых пустынных растений измерено давление клеточного сока порядка 200 и более атмосфер.

Итак, автономные движения растительного организма управляются с помощью гидравлики. А не является ля это автономное колебание предпосылкой для получения необходимого давления подобно тому, как это происходит в насосе? В технике конструкторы создают высокое давление за счет сжатия: какая‑либо подвижная деталь, например поршень, давит на жидкость. Для растения использование такой технологии означало бы прямое расточительство, ибо потребовало бы больших затрат энергии и создания специальных и к тому же сложно устроенных приспособлений. Поэтому они применяют с конструктивной точки зрения намного более простой, а с точки зрения расходования энергии более эффективный метод. Речь идет в данном случае об осмосе. [21]Такой способ создания гидравлического давления связан с естественной способностью солей притягивать воду, растворяться в ней и уменьшать насыщенность раствора. Положим столовую ложку соли в кастрюлю с водой (соль можно заменить питьевой содой, сахарным песком и т. д.). Соль постепенно растворяется в воде, и вскоре вместо твердых кристалликов образуется концентрированный солевой раствор, который за счет воды, находящейся в кастрюле, все более и более разбавляется до тех пор, пока жидкость в посуде не будет иметь одинаковую концентрацию. Опыт с солью можно провести иначе. Для этого соль насыпают в мешочек из фильтровальной ткани, который и помещают затем в воду. В зависимости от вида фильтра возможны три варианта.

1. Фильтр настолько плотен, что внутрь мешочка молекулы воды попасть не могут. Разумеется, в этом случае ничего не произойдет.

2. Поры фильтра достаточно крупны. В этом случае вода проникает внутрь и растворяет соль. Если же поры очень крупные и частицы растворенной соли могут выходить наружу, то эффект будет тот же, как если бы фильтра вовсе и не было. Спустя некоторое время насыщенность солевого раствора становится одинаковой во всем объеме кастрюли.

3. Можно подобрать фильтр, который бы пропускал внутрь молекулы воды и не выпускал наружу более крупные ионы соли. Такой фильтр химики и физики называют полупроницаемым. Концентрированный солевой раствор [22], образующийся внутри полупроницаемого фильтровального мешочка, обладает способностью притягивать воду. Итак, все большее количество молекул воды проникает внутрь фильтра. В обратном же направления раствор не проходит. Постепенно наполняясь, мешочек я буквальном смысле слова раздувается. В нем создается избыточное гидростатическое давление, которое тем выше, чем концентрированнее раствор.

Подобный фильтр‑мешочек, наполненный солевым раствором и окруженный со всех сторон полупроницаемой мембраной, имеется в каждой растительной клетке. Как только клетка попадает в воду, она, а вернее, содержащиеся в ней растворы [23], начинают энергично всасывать воду. Через полупроницаемую мембрану молекулы воды поступают в клетку. Возьмем для очередного опыта высохший и размягчившийся корнеплод сахарной свеклы и положим его в воду. Через некоторое время благодаря осмосу он вновь обретет упругость. Можно наблюдать и обратную картину. Для этого нужно опустить сочное, мясистое растение не в воду, а в концентрированный солевой раствор, концентрация которого выше концентрации клеточного сока. Сок начнет диффундировать через полупроницаемую оболочку, насыщенность внешнего раствора несколько уменьшится. Что произойдет в итоге, можно наглядно видеть на примере засолки огурцов. Крепкий очищенный огурец быстро теряет в солевом растворе свою упругость и становится мягким.

С помощью осмоса растения создают довольно большие давления. Внутриклеточное давление придает жесткость тем растениям, ткани которых не древеснеют. Когда осмотическое давление падает, например у срезанных и поставленных в вазу цветов, растение увядает. Осмос же – главный источник самостоятельных движений растительного организма. Многие растения обзавелись для этих целей самыми настоящими сочленениями, работающими по тому же принципу, по которому действуют гидравлические сочленения в технике. На фото 66 изображено подвижное колено стрелы экскаватора. Манипулирование ковшом осуществляется за счет движения поршня в цилиндре (на снимке это блестящая деталь, расположенная сверху стрелы). Давление в цилиндре управляемо меняется, из‑за чего поршень совершает возвратно‑поступательное движение, которое передается ковшу. Ту же картину можно наблюдать и в растениях. Когда черешок листа мимозы стыдливой опускается вниз (фото 67), то это означает, что в нижней части сочленения [24]внезапно упало давление, в верхней же части оно не изменилось. В результате лист почти мгновенно никнет.

Фото 66. Передняя часть стрелы экскаватора приводится в движение гидравлической системой, в которой создаются управляемые перепады в давлении жидкости.

Фото 67. Комбинированная съемка позволяет увидеть, как функционирует гидравлический механизм у мимозы. Стрелка показывает движение, совершенное черешком листа спустя несколько секунд после того, как на лист подействовало внешнее раздражение (касание). Одновременно сложились мелкие листочки. В месте, в котором черешок листа отходит от стебля, заметно небольшое утолщение – гидравлическое сочленение.

Каким же образом растение добивается внезапного падения давления? Причина в том, что оно в состоянии менять размеры пор в полупроницаемой мембране клеток. При увеличении размера пор раствор, находящийся под давлением в клетке, выходит наружу, и давление понижается. В течение считанных минут клеточная оболочка возвращается в прежнее состояние, и процесс может повториться вновь.

В предыдущем разделе я рассказал о растениях, которые используют колебания влажности атмосферного воздуха в целях перемещения. Здесь же я намереваюсь привести еще ряд примеров, которые показывают, как растения совершают те или иные движения посредством изменения осмотического давления. Одновременно я постараюсь объяснить, почему они делают это.

«Чувствительность» помогла мимозе стыдливой войти в поговорку. О легко ранимом человеке мы обычно говорим: «Он чувствителен, как мимоза». И в самом деле, перистые листочки мимозы реагируют на каждую попытку притронуться к ним. Стоит лишь слегка коснуться растения, как мелкие листочки сложного листа складываются, и черешок опускается вниз. При достаточно сильном раздражении аналогичная реакция наблюдается я у соседних листьев, правда, в обратном порядке. Очень многие ломали себе голову над тем, что же, собственно, означает столь необычное поведение растения. Написано об этом чрезвычайно много. Мне лично наиболее достоверными представляются объяснения профессора Хаберландта, долгое время изучавшего мимозу на ее второй родине. Вот что он пишет по этому поводу:

«В Сингапуре, на Яве и в Шри Ланке мне пришлось иметь дело с мимозой стыдливой как одним из самых распространенных и невзыскательных сорняков. Родина растения – Бразилия, откуда его завезли в тропические страны Старого Света. В наших оранжереях мимоза – в большинстве случаев прямостоячий кустарник. На свободе она стелется по земле, и это позволяет большей части листьев, на которые подействовало раздражение встряхиванием, „уйти“ под защиту усеянного шипами стебля. В этом, по‑видимому, и состоит биологический смысл столь заметных для глаз движений растения под влиянием раздражения. Оно стремится спасти себя от диких травоядных животных. [25]Правда, в Сингапуре я не раз видел, как крупные зебу спокойно поедали ветви Mimosa pudica, несмотря на многочисленные шипы и двигательную реакцию растения. Но из этого вовсе не следует думать, что на родине растению не доставляют никакого беспокойства крупные и менее прихотливые травоядные животные. Впрочем, вовсе не исключено, что внезапная двигательная реакция растения на внешнее раздражение является средством отпугивания насекомых‑вредителей, которые при каждой попытке сесть на лист буквально „теряли почву под ногами“. Я не припомню случая, когда мне пришлось бы видеть листья, поврежденные насекомыми. Наконец, не вызывает сомнения и тот факт, что листья, складывающиеся под влиянием внешнего раздражения, в меньшей степени испытывают механические повреждения, которые могут быть вызваны столь частыми здесь тропическими ливнями... У стыдливой мимозы, растущей в тропиках под открытым небом, чувствительность листьев нередко выше, чем у постоянно болеющих экземпляров из оранжерей. Очень часто, когда мне приходилось в совершенно спокойной обстановке делать наброски того или иного дерева либо зарисовывать с натуры окрестный пейзаж, я в какое‑то мгновенье вдруг обнаруживал в сплошной стене густой зелени мимозы зияющую пустоту. Без всякой на то причины неожиданно поникают вначале несколько листьев. Но вот затрепетала соседняя листва, а затем подергивающееся движение стало все дальше и дальше распространяться по кусту, сопровождаемое едва уловимым шорохом трущихся друг о друга при опускании листьев. Такое их поведение вызвано тем, что в густом переплетении стеблей и ветвей дерева любой поникший лист касается другого листа, вызывая и у него рефлекторное движение. И только очень сильный импульс, например повреждение самого растения, передается от листа к листу по стеблю».

Совершенно однозначно надлежит рассматривать активное движение тычинок некоторых цветков. Насекомое, опустившись на цветок, чтобы забрать капельку нектара, слегка задевает за тычинки. Под влиянием раздражения они наклоняются в сторону «гостя» и опрокидывают на его спинку или брюшко облако ароматной пыльцы, которую он понесет к следующему цветку.

Движением своих листьев реагирует на касание и венерина мухоловка. Но ее поведение не столь безобидно. Это уже не безвредное «опудривание» пыльцой. Когда насекомое садится на один из листочков растения, он мгновенно складывается посередине. Впечатление такое, будто закрылась раскрытая прежде книга. Края половинок листа имеют загнутые кверху зазубрины, заходящие плотно одна за другую. Прежде чем насекомое успевает взлететь, оно оказывается в ловушке, выхода из которой для него нет. После того, как ловушка захлопнется, растение, сдвигая половинки, прижимает насекомое к выделительным железам. Начинается процесс пищеварения: выделяемый железками фермент переваривает пойманное насекомое. Богатый питательными веществами раствор всасывается постепенно поверхностью листа. Пример венериной мухоловки наглядно показывает, сколь стремительными могут быть гидравлические движения растений.

Однако растения реагируют не только на прямые касания, отвечая на них защитными, ловческими или какими‑либо другими движениями. Источниками возбуждения могут быть перепады температуры и колебания влажности воздуха, воздействия света или электрического тока. Каждый из этих факторов вызывает специфическое движение, но всякий раз оно управляется посредством изменения внутриклеточного давления. Смена дня и ночи вызывает никтинастические движения листьев. [26]Изменения температуры и влажности регулируют процессы распускания и закрытия цветков у подснежника и у крокуса. Электрическое или тепловое раздражение влечет за собой ту же реакцию у мимозы, что и механическое касание. Иными словами, факторы, провоцирующие ответную реакцию у растения, могут быть самыми различными, но принцип движения всегда остается один и тот же: исключительно рационально функционирующий гидравлический механизм.