Физика и жизнь

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]. 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]. 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]. 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.