Мартин Боуда с коллегами: древесина эволюционировала как защита от засухи

Инженеры бьются над тем, как поднять воду на высоту небоскреба. А деревья делают это каждый день. И делают хитростью, а не силой. У них нет насоса в корнях. У них есть механизм, который работает на испарении. И этот механизм — ахиллесова пята гигантов.

Вот суть: вода внутри ствола находится под колоссальным натяжением. Представьте резиновый жгут, который вот-вот лопнет. Когда листья испаряют влагу, они тянут за собой всю водяную колонну от корней. Это тянет молекулы друг за другом. Но если натяжение становится слишком сильным (засуха, жара), связь рвется. Внутри сосуда образуется пузырек воздуха. Это кавитация. Сосуд закупоривается — и дерево теряет водопроводную трубу. Если пузырьков станет много, дерево просто засохнет стоя.

Раньше считалось, что деревья борются с этим, запасая воду. Или отращивая глубокие корни. Но недавнее исследование международной группы ученых под руководством Мартина Боуды из Университета Гогенгейма перевернуло представление. Оказывается, главное оружие — это внутренняя архитектура ствола. Деревья эволюционировали не к тому, чтобы качать больше, а к тому, чтобы надежно изолировать сломанные трубы.

Три способа построить небоскреб

За 400 миллионов лет растения придумали три принципиально разные схемы «водопровода». И это не абстрактная теория — это определяет, выживет ли лес через 50 лет.

• Модель А (Семенные деревья: сосны, дубы, березы). У них есть камбий — слой клеток под корой, который каждый год наращивает новые кольца древевины. Старые, забитые воздухом трубы остаются внутри, а новые работают. Это как перекладывать трубы, не отключая старые. Бесконечный запас прочности.
• Модель Б (Пальмы). Они не растут в толщину. Сначала набирают максимальный диаметр, а потом тянутся вверх. Их ствол — это пучок из тысяч изолированных соломинок. Одна засорилась — остальные работают. Но объем водопровода фиксирован. Выше не прыгнешь.
• Модель В (Древовидные папоротники). Самый странный вариант. Ствол у них — перевернутый конус: у земли тонкий, к кроне толстый. Это инженерный кошмар. Чтобы компенсировать узкое горло у основания, они обзавелись внешними «шлангами» — придаточными корнями, которые свисают сверху вниз и качают воду в обход ствола.

Физика изоляции: как растения перестроили сети

Ранние растения были глупцами. Их проводящие клетки лежали вперемешку, как соты. Любой пузырек воздуха мгновенно расползался по всей структуре. Это было смертельно. Эволюция превратила хаос в строгую систему.

Ученые применили теорию графов к анализу 50 видов растений. И увидели четыре ключевых «изобретения».

Первое. Клетки выстроились в радиальные ряды, образуя квадратную решетку. Контактов между соседями стало меньше. Пузырек оказывается запертым в одной линии — он не может уйти в сторону.

Второе. Появились сердцевинные лучи — горизонтальные перегородки из живых клеток. Они работают как противопожарные стены. Воздушная пробка не может перепрыгнуть через такой барьер.

Третье. Поры (отверстия, через которые вода перетекает из сосуда в сосуд) сместились. Теперь они есть только на радиальных стенках (от центра к краю). На тангенциальных (параллельных коре) их почти нет. Вода ходит строго по маршруту: вверх и наружу. По кругу — ни шагу.

Четвертое. Годичные кольца. Весной дерево строит широкие, быстрые трубы. К осени — узкие, с толстыми стенками. Эти осенние слои — непроницаемые заглушки. Воздушные пробки прошлого года остаются в прошлом годе.

Девонский парадокс: водопровод, а не опора

Личное наблюдение автора: я всегда думал, что древесина — это про прочность. Что дерево сначала научилось стоять, а потом уже качать воду. Оказалось, наоборот.

В девонском периоде (400 миллионов лет назад) жили растения рода Franhueberia. Их высота была — 30 сантиметров. Толщина стебля — меньше сантиметра. Им не нужна была опора. Они и так не падали. Но у них уже была вторичная древесина. Зачем?

Компьютерное моделирование дало ответ: чтобы локализовать кавитацию. Древесина возникла как система изоляции водопровода. Прочность стала приятным бонусом, который пригодился только через миллионы лет, когда растения полезли вверх. Сначала — водопровод, потом — небоскреб.

Что это значит для нас сегодня

Климат меняется. Засухи становятся длиннее и жестче. Раньше мы оценивали устойчивость лесов по косвенным признакам: глубина корней, толщина коры. Теперь у нас есть математический инструмент.

Используя теорию графов, можно рассчитать предел устойчивости конкретного вида к кавитации. Посмотреть на срез древесины и сказать: «Этот дуб выдержит три месяца без дождя, а этот клен — только полтора». И это не теория.

Вывод для практики: При лесовосстановлении в засушливых регионах нужно выбирать виды с максимальной степенью изоляции проводящих путей. Да, они растут медленнее. Но они не умрут в первую же засуху. А медленный, но живой лес — это лучше, чем быстрый, но мертвый.

По материалам: iXBT