ЗАЧЕМ КАКТУСУ КОЛЮЧКИ?

    На вопрос, стоящий в заглавии, обычно отвечают: “Как зачем? Разумеется, чтобы колоться”. Действительно, для чего же ещё, кроме как для защиты от травоядных животных, могут пригодиться кактусу колючки? Оказывается, для многого, и возможно даже более важного, чем оборона (особенно если учесть, что большинству диких животных иглы не мешают лакомиться кактусами). Всё это многое суть приспособления кактуса к условиям пустыни: жаре, палящему солнцу и недостатку влаги (недаром колючки свойственны и другим растениям пустынь и областей с засушливым климатом). Перечислим эти приспособления.

    Во-первых, колючки, имеющие у кактуса листовое происхождение, служат для экономии влаги посредством уменьшения испарения её растением. Большая испаряющая поверхность листьев в безводных условиях пустыни является сущим расточительством. Поэтому листья в процессе эволюции редуцировались, становясь тоньше, острее, в результате чего со временем превратились в колючки и совершенно утратили фотосинтезирующую функцию, которая у кактусов целиком перешла к зелёному стеблю.

    Во-вторых, колючки защищают кактус от перегрева. Густая сеть светлых игл отражает значительную часть солнечных лучей. Тому же служат и пучки белых волосков, иногда скрывающих кактус целиком. Особенно много их в чувствительной к перегреву точке роста на вершине кактуса. Ещё острия колючек, как будет показано ниже, могут служить хорошими излучателями тепла, освобождающими кактус от его избытка.

    В-третьих, в литературе, например в энциклопедии “Растения” (М.: ЭКСМО-Пресс, 2003, стр. 77), встречается мнение о влагопоглощающей функции игл кактуса. Утверждается, что колючки могут прямо из воздуха, в котором всегда присутствуют пары воды, получать влагу. Это самое необычное, невероятное и, пожалуй, самое важное свойство колючек и будет предметом нашего рассмотрения.

    Такая функция игл кажется чем-то сродни абсурдному свойству волосков коровы из эпиграфа. И всё же только так можно объяснить способность кактусов выживать в местах, где атмосферных осадков или не бывает вовсе, или они случаются крайне редко. Ева вывела указанное свойство волосков из похожего наблюдения – из способности выдоенной и лишённой питья коровы давать молоко. Учитывая допущенную Евой ошибку (она не лишила корову ещё и травы), уместно напомнить, что способность кактусов длительно обходиться без воды объясняют обычно их умением запасать много влаги во время дождей и экономить её во время засухи. За это кактусу и некоторым другим растениям было присвоено звание суккулентов (в переводе с латинского – “продолжительно сочных”).

    Но на самом деле даже при водосберегающем режиме необходимое на время засухи количество влаги трудно запасти: вода так или иначе должна расходоваться, не столько в процессе фотосинтеза, сколько для охлаждения растения испарением. Во время засухи из суккулентов люди умудряются за несколько раз добыть воды столько, сколько в одном растении попросту не может сразу уместиться. Так одна агава в течение пяти месяцев засухи может дать более тонны сока. Следовательно, влага и впрямь должна постоянно поглощаться растением, и если не из земли – ведь суккуленты не имеют такой глубокой корневой системы, как, скажем, верблюжья колючка, – то, видимо, из воздуха. В этом можно убедиться, вынув кактус из горшка и поместив на сухую ткань. Другие растения в таких условиях завяли бы в течение пары дней, а кактус продолжает зеленеть, не выказывая признаков беспокойства, хотя влага его, пускай и медленно, но покидает. Вот где ход рассуждений Евы был бы уместен.

    Каков же механизм добывания влаги иглами кактуса? В тех немногих работах, где о такой функции колючек упомянуто, о механизме обычно нет ни слова. Тем не менее, существует издание, в котором была сделана попытка этот механизм раскрыть. Это замечательная книга Феликса Патури “Растения – гениальные инженеры природы” (М.: Прогресс, 1979). В ней на многих примерах показано: человек может поучиться не только у животных, как это принято в бионике, но и у растений, а потому её полезно прочесть каждому инженеру и изобретателю. Здесь (стр. 165 – 167) описан следующий механизм. Кактус создаёт на своих колючках электрический заряд. Будучи же даже незначительно заряжена, колючка, благодаря своей остроте, превосходящей остроту прецизионных игл, создаёт около себя электрическое поле большой напряжённости, которое поляризует и электростатически притягивает мельчайшие капельки влаги, взвешенные в воздухе (капли тумана). Притянутые капли оседают на поверхности колючки и всасываются ею.

    Описанный механизм весьма остроумен и прост, однако нет уверенности, что реализуем на практике. Во-первых, в сухом воздухе пустыни взвешенные капли влаги, туманы не так часты: они есть не всегда и не везде. Во-вторых, ничего не известно об электрической активности кактусов. Не слышно о том, чтобы их иглы ионизировали воздух, светились. В любом случае, такой способ нуждается в экспериментальной проверке. Поэтому попробуем найти другой механизм поглощения влаги колючкой.

    Почти полное отсутствие капель тумана в пустыне наводит на мысль о том, что влага поступает из воздуха не каплями, а конденсируется на колючке непосредственно из водяного пара. Действительно, как сказано всё в той же книге Ф. Патури (стр. 154 – 165), некоторые тропические растения, являющиеся эпифитами, то есть селящиеся на высоте в кроне деревьев, и не имеющие поэтому контактов с почвой и водой, приспособились получать влагу именно так: воздух является для них единственным поставщиком воды и минеральных веществ. Чем не корова Евы?

    Далее (стр. 161) описано другое приспособление для впитывания влаги из воздуха, уже непосредственно листьями. Такое приспособление имеется у эхмеи, известного комнатного растения из семейства бромелиевых. Обращаясь к тексту, читаем об эхмее следующее:

    “Её узкие, длинные и очень сочные листья украшены белыми поперечными полосами. Если рассматривать эти полоски в лупу, то можно заметить, что они образованы множеством мельчайших круглых пластиночек, диаметр каждой из которых едва достигает одной четверти миллиметра. И лишь под микроскопом становится видно, что пластинки на самом деле имеют форму крошечных воронок, срединой своей уходящих в глубь листа. Их края свободно лежат на поверхности листа, не прирастая к нему, но при этом они многократно перекрывают друг друга. В свою очередь каждая из воронок состоит из отдельных клеток... Диаметр этих микросозданий природы составляет одну сотую миллиметра, и их с полным правом можно считать самым маленьким в мире вакуум-насосом… Клетка жадно впитывает влагу из воздуха”.

    Похожие приспособления в виде чешуй, поглощающих влагу, имеют и другие роды семейства бромелиевых, в том числе тилландсия и обыкновенный ананас. Пучки из волосков, выполняющих ту же функцию, есть и у кактусов. Особенно их много у астрофитума, у которого белые полосы на стебле, напоминающие полосы эхмеи, образованы именно такими волосками. Вообще, у всех суккулентов, имеющих чередующиеся, как у зебры, светлые и тёмные полосы (агава, алоэ пёстрое, гавроция, гастерия) можно заподозрить влагопоглощающую функцию этих полос. В таком случае в полосках должны обнаружиться конденсирующие влагу микроструктуры, вроде чешуй и волосков. В приводимых примерах они действительно есть – белые волокна, бородавки и волоски.

    Объединяет все перечисленные примеры, как несложно понять, наличие у растений сильно пористой структуры (в веламене, волосках, чешуях), обладающей поэтому большой гигроскопичностью, то есть способностью обильно поглощать атмосферную влагу. Вероятно, и колючки кактуса должны использовать принцип аналогичный применяемому эпифитами тропических лесов. Недаром некоторые кактусы (зигокактус, эпифиллюм) приспособились к эпифитному образу жизни в тропических лесах. И в то же время некоторые бромелиевые перешли к наземному обитанию в пустыне, получая, как и эпифитные формы, воду и минеральные вещества только из воздуха. Прежде чем пытаться проникнуть в тайну колючек кактуса, попробуем выяснить физический механизм поглощения влаги из воздуха в рассмотренных случаях.

    Основное значение, как мы видели, имела значительная пористость влагопоглощающих материалов. Именно количество и размер пор определяют их гигроскопичность. Так, всем известные небольшие прозрачные шарики силикагеля, используемые в качестве осушителя воздуха, поглощают влагу именно благодаря значительной пористости, хотя на вид они кажутся сплошными – поры из-за малого размера не видны невооружённым глазом. Многочисленные поры создают разветвлённую внутреннюю рабочую поверхность материала, тем большую, чем меньше их размер.

    Поглощение влаги происходит в основном за счёт эффекта так называемой капиллярной конденсации. Суть её в том, что над вогнутой поверхностью жидкости, находящейся в мелких порах, царапинах, капиллярах давление насыщенного пара понижено, или, говоря проще, повышена влажность. Если такая приведённая к вогнутой поверхности влажность превысит 100 %, то произойдёт конденсация атмосферной влаги на вогнутом мениске. Поэтому поры могут наполняться водой даже в бедном влагой воздухом, причём с уменьшением размера поры способны поглощать воду из всё более и более сухого воздуха. Именно поэтому малый размер пор делает материал гигроскопичным.

    Обратимся, наконец, к колючкам кактуса. Исследуем, например, колючки распространённого ферокактуса. В них нам следует искать поры, конденсирующие атмосферную влагу. И мы их действительно найдём, применяя микроскоп или просто сильную лупу. Прежде всего, замечаем, что поверхность колючки покрыта продольными трещинами, микроцарапинами, словно зашкуренная. Поэтому колючка не блестит, хотя на ощупь гладкая. Кроме того, на изломе колючки видно, что она имеет волокнистое строение. Следовательно, колючка действительно пористая: поры образованы зазорами, каналами между её волокнами, а то, что мы приняли за царапины и трещины, в действительности и есть эти зазоры, открывающиеся на поверхности. Итак, влага конденсируется в порах и по ним же высасывается из колючки, поступая в стебель кактуса.

    То, что внутри колючек содержится вода, подтверждается и их желтоватым оттенком, как у силикагеля, набравшего немного влаги. На сухом воздухе колючки и силикагель бесцветные, светлые. Но стоит их поместить во влажную атмосферу, или капнуть на них водой, как они насытятся влагой, отчего и шарик силикагеля и колючка пожелтеют, или покоричневеют. Жёлтый цвет отчасти обусловлен собственным цветом вещества иглы, а отчасти указывает на её загрязнённость, которую из-за большей прозрачности насыщенной влагой колючки удаётся увидеть. Засорённость пор – вредное явление, препятствующее нормальной работе игл кактуса. Колючки, загрязнённость которых особенно заметна, нередко сами собой отваливаются. Поэтому поливать кактусы надо осторожно. Следует избегать попадания капель воды на стебель, колючки, поскольку вода, даже отстоявшаяся, всегда загрязнена. Именно поэтому рекомендуют не поливать стебель кактуса, и особо избегать попадания капель в точку роста и на волоски. По той же причине советуют беречь кактусы от пыли. (Подобные предостережения имеются и в отношении других суккулентов). Влага же, сконденсированная колючкой из воздуха, всегда чистая – она по определению дистиллированная.

    Каково же значение колючки и её заострения в такой системе конденсации? Почему бы порам, царапинам, собирающим влагу, не разместиться на стебле кактуса? Другими словами, зачем нужен такой специализированный орган как колючка? Нужен он, видимо, по нескольким причинам. Во-первых, поверхность колючки удалена от стебля, что облегчает обдув её воздухом, несущим новые порции влаги. Во-вторых, колючки обеспечивают при неизменной испаряющей поверхности стебля довольно большую рабочую поверхность, то есть поверхность, на которой происходит конденсация. Это не только общая площадь поверхности всех колючек, но и площадь всех их внутренних пор, к которым воздух благодаря малой толщине игл поступает относительно легко. В-третьих, клетки, образующие поры, подвержены действию капиллярного разрежения, поэтому нужна специальная устойчивая к нему одревесневшая мёртвая ткань – именно такой тканью и образована колючка. Вспомним, что мёртвыми клетками образованы также поры веламена, чешуи, волоски. В-четвёртых, при конденсации пара выделяется тепло (скрытая теплота парообразования), точно такое же количество теплоты уходит при испарении жидкости. Поэтому, если бы рядом размещались устьица, из которых влага испаряется для охлаждения растения и поры, которыми такое же количество влаги конденсируется из воздуха, то растение не смогло бы охлаждаться: теряемое тепло тут же возвращалось бы. Если же конденсация происходит вдали от стебля, на колючках, то тепло, выделившееся при конденсации, практически не доходит до тела кактуса по тонкой колючке, а успевает передаться окружающему воздуху, благо колючка тонкая и острая, а потому тепло с неё, так же как и заряд, стекает очень интенсивно.

    Важность заострения колючек, подтверждается их способностью к самозатачиванию при старении, обламывании кончиков. С колючки постепенно отслаиваются волокна, отчего она становится тоньше, короче и одновременно острее. Это хорошо заметно на нижних, старых колючках, потемневших от времени. Такая заточка аналогична заточке металлических игл травлением кислотой. Одновременно это очищает поверхность колючки от загрязнений.

    Растениям сконденсированная влага не даётся бесплатно, на её добывание расходуется энергия, необходимая для создания пониженного (на величину капиллярного разрежения) давления, иначе сконденсированная вода не будет отбираться стеблем из колючки.

    Инженеру такой метод добывания влаги из воздуха интересен тем, что по аналогии могут быть разработаны конденсационные установки, предназначенных для добывания пресной воды в засушливых районах. До сих пор конденсационные установки были слишком энергоёмкими, поскольку в них использовался эффект осаждения влаги на специально охлаждаемой поверхности. Были даже разработаны индивидуальные “бездонные” кружки, из которых сколько ни пей – вода в них снова появляется, конденсируясь из воздуха.

    Если предположение о влагопоглощающей функции колючек кактуса верно и секрет его живучести заключён, как у Кащея Бессмертного, именно в игле, то, подобно последнему, кактус должен умереть, если лишить его игл, обломав их. Однако существуют кактусы, которые спокойно обходятся и без колючек. Примером такого кактуса может служить специально выведенная бесколючковая опунция, обладающая не меньшей жизнеспособностью, чем опунция с шипами. У иных кактусов и в природе отсутствуют колючки (некоторые астрофитумы, лофофора, или пейот, хотя уж кому-кому, а ему-то иглы подошли бы), или же их просто мало (цефалоцереус). Но зато вместо колючек имеются пучки волосков, которые, вероятно, могут не хуже колючек поглощать влагу. Это объясняет, почему недостаток колючек у таких кактусов компенсируется избытком волосков. Такие же волоски обычно имеются и у кактусов с колючками, особенно на вершине, в точке роста. Эти волоски образованы теми же волокнами, что и иглы, только в меньшем количестве. Поэтому волоски это, по сути, те же колючки, но значительно более тонкие.

    Из промежуточного между волосками и колючками числа волокон, видимо, составлены и глохидии – легко обламывающиеся тонкие щетинки у опунции. Волоски кактусов, глохидии должны благодаря волокнистости, пористости поглощать влагу не хуже, чем колючки. Этим и можно объяснить засухоустойчивость бесколючковых форм опунции.

    Завершая наше повествование, заметим, что сделать окончательный вывод о реализуемости описанного способа поглощения влаги колючками и волосками кактуса без дополнительной экспериментальной проверки нельзя. Зато утверждать, что нужны колючки не только, чтобы колоться и поддерживать температурный режим растения, можно с уверенностью. Но справедливо ли это утверждение в отношении колючек и волосков других растений и животных?

    Взять хотя бы зебру с её белыми полосками, о назначении которых учёные до сих пор гадают и строят гипотезы. К существующим гипотезам добавим ещё одну: быть может, полосы у зебры, подобно белым полоскам эхмеи, добывают влагу в засушливой саванне. Ведь волоски, образующие белые полосы зебр, в отличие от чёрных пустотелы – это в прямом смысле слова капилляры, способные, вероятно, как и поры в чешуях эхмеи, конденсировать влагу прямо из воздуха. Вот вам и корова Евы!

Семиков Сергей