Когда деревья были большими?

Расширение Земли из-за дегазации водорода её гидридного твёрдого ядра приводит к увеличению поверхности планеты и понижению атмосферного давления

(см. «НиР» № 12, 2022), с которым напрямую связана высота деревьев. Гигантизм растений в прошлом можно объяснить повышенным содержанием углекислого газа, кислорода и высокой плотностью воздуха.

Сохранившиеся реликтовые 4500‑летние деревья могут свидетельствовать об относительно недавних временах, когда атмосферное давление было в несколько раз больше нынешнего. Кроме того, деревья поднимают и испаряют в атмосферу в десятки раз больше воды, чем нужно для их жизнедеятельности, что не могло стать результатом естественного отбора. Получается, что самим фактом своего существования деревья опровергают теорию эволюции Дарвина?!

Высочайшие деревья планеты

Самым высоким деревом в мире, последний раз измеренным в 2022 году, является секвойя Гиперион (Hyperion) – 116,07 метра. Второе место заняло дерево высотой 114,58 метра, именуемое Гелиос. А третьим стал Икар, он дорос до 113,14 метра.

Все эти гиганты расположились в штате Калифорния, в национальном парке Редвуд. Теоретическая предельная высота деревьев, напрямую зависящая от атмосферного давления и силы земного притяжения, в настоящее время находится на отметке около 130 метров над землей.

Другим семейством высочайших деревьев планеты являются эвкалипты. В отчёте 1872 года австралийского инспектора государственных лесов Уильяма Фергюсона упоминается упавшее и обгоревшее дерево вида Eucalyptus regnans (эвкалипт царственный), которое при жизни имело высоту около 150 метров. К сожалению, в наше время эвкалипты не вырастают выше 101 метра. Одним из уникальнейших видов, отличающихся не только своей высотой, но и красотой, является Радужный эвкалипт. Создаётся впечатление, что его ствол покрыт разноцветными красками, при этом оттенки со временем меняются. Такой эффект достигается за счёт постепенного отслоения старой коры в виде узких полосок. Молодая кора ярко-зелёная, потом тёмно-зелёная, в дальнейшем она приобретает оттенки от голубоватого до пурпурного, затем кора становится розово‑оранжевой и, наконец, коричнево‑малиновой.

В нашей стране также есть свои великаны. Это сибирские пихты. Они вырастают до 60–100 метров. Прямой ствол дерева плотно покрыт сучьями, отчего кажется, что крона начинается от самой земли. В Краснодарском крае известна пихта Нордмана, которая при благоприятных условиях достигает 80 метров в высоту. Даже ель обыкновенная, которая растёт на всей территории России, может вытянуться до 60 метров. Есть ещё одно высокое дерево – это 18‑метровый сибирский кедр, обхват его ствола – три метра, возраст 250 лет. Это вечнозелёное хвойное дерево принято считать одним из самых красивых в этом регионе. Максимально сибирский кедр может достичь в высоту 40 метров, поскольку растёт до 500 лет.

Пионерами акклиматизации деревьев‑гигантов в нашей стране стали учёные-ботаники из Никитского ботанического сада. Именно там с 1850 года растёт самый старый в Европе экземпляр секвойи гигантской. Высота отдельных экземпляров (в парке Айвазовского в Крыму, в Батумском ботаническом саду на Зелёном Мысе) превышает 50 метров.

Общие законы роста деревьев

Древесина состоит из комплекса органических веществ, в состав которых входят углерод (49,5 процента), кислород (44,1), водород (6,3) и азот (0,1), которые образуют сложные органические вещества. Рост дерева происходит за счёт разложения углекислого газа в процессе фотосинтеза: СО₂ → С + О₂.

Содержание углекислого газа в атмосфере Земли, по данным NOAA, 0,04147 процента. Учитывая, что древесина на 49,5 процента состоит из углерода, для увеличения массы дерева на один килограмм ему необходимо переработать 2226 кубических метров воздуха.

Способы подъёма воды к кроне дерева

Вода в дереве переносится двумя видами трубчатой ткани: ксилемой – структурой, состоящей из жесткостенных омертвевших полых клеток, что устраняет препятствия со стороны клеточных мембран, и флоэмой, состоящей из мягкостенных живых тканей. Водород во флоэме перемещается с помощью объёмного потока, а не диффузии клеток, как в сосудах ксилемы. Транспортировка веществ во флоэме двунаправленная, а в ксилеме – однонаправленная.

Флоэма и ксилема являются сложными трубчатыми тканями, образующими сосудистые пучки, которые осуществляют эффективную транспортировку питательных веществ и воды в растении.

Для подъёма сока на высоту более 100 метров в высочайших деревьях необходим перепад давлений между корнями и кроной порядка 35 атмосфер, из которых ~10 атмосфер приходится на преодоление силы тяжести и до 25 атмосфер – на сопротивление фильтрации через поперечные стенки сосудов. За счёт чего он возникает?

В первую очередь соки растений поднимаются вверх благодаря атмосферному давлению, при нормальных условиях составляющему 760 мм ртутного столба, что соответствует 10,33 метра воды. Это означает, что невозможно поднять воду выше этого уровня с помощью всасывающего насоса.

Второй движущей силой является капиллярный эффект. Подъём жидкости по капилляру остановится тогда, когда сила поверхностного натяжения уравновесится силой тяжести, действующей на столб поднятой жидкости.

Измеренные по снимкам электронной и оптической микроскопии диаметры водопроводящих капилляров ксилемы лиственных деревьев в среднем близки 14,5±0,24 мкм, а хвойных 11,1±0,01 мкм (по другим данным 5–7 мкм).

Соответственно, обусловленная смачиванием высота равновесного столба воды в них по формуле Жюрена составляет приблизительно два-три метра. Следовательно, даже каскадное движение от клетки к клетке и смачивание стенок капилляров соком не решает проблему доставки воды к кроне дерева, какой бы конфигурации она ни была.

Третьей силой, снабжающей кроны деревьев водой, является осмотическое давление, возникающее, когда проницаемая мембрана разделяет среды с растворами разных концентраций. Растворённое вещество проникает туда, где меньше его парциальное давление. Не прошедшие через мембрану молекулы создают со своей стороны повышенное давление.

В корнях растений вода пассивно диффундирует в сосуды благодаря осмотическому механизму, где, по мере объединения сосудов, развивается значительное гидростатическое корневое давление. Следует заметить, что жидкость поступает в корень только тогда, когда водный потенциал его меньше аналогичного потенциала почвы. Если почвенный раствор имеет более отрицательный потенциал, вода будет не поступать в корень, а выходить из него.

Теоретически корневое осмотическое давление должно приводить к выделению воды из пня свежеспиленного дерева со средней скоростью 2 мм/сек, но этого не наблюдается.

Четвёртой силой поглощения и переноса воды в растениях является испарение воды из листьев через специальные отверстия (устьица), получившее название транспирация. Молекулы воды, испаряясь из листьев, уступают место другим молекулам, которые поставляются в крону дерева через мельчайшие сосуды силой осмотического давления и капиллярного эффекта. Поскольку молекула воды имеет биполярную структуру, благодаря сильным связующим электромагнитным силам они выстраиваются в тонких сосудах листьев в цепочки. Таким образом, испаряясь через устьица, отдельные молекулы H2O создают отрицательное давление в тонких сосудах листьев, что суммарно приводит к эффекту насоса и позволяет жидкости в кронах деревьев подниматься на значительную высоту.

Но опять возникает парадокс: все мы пили берёзовый сок и знаем, что наибольшее количество жидкости дерево переносит ранней весной, когда площадь поверхности листьев ещё совсем не велика и о значительной транспирации благодаря разнице давлений в кроне и корнях говорить не приходится.

В организме людей внутриклеточное осмотическое давление достигает 7,8 атм, у млекопитающих – 7–9 атм, у костистых рыб – 15 атм. Высокое осмотическое давление у луговых растений – 5–10 атм, но рекордсмены внутриклеточного давления – солончаковые растения с показателями 60–80 атм и рекордными 400 атм (подробно механизм изменения внутриклеточного давления в зависимости от давления атмосферы описан в статье «Соль Земли», «НиР» № 7).

Общеизвестно, что растения извлекают из окружающей среды воду, но для многих станет откровением, какой объём воды прокачивают через себя отдельные виды деревьев.

Объём воды, поднимаемым деревом (в килограммах)

В солнечный день дерево испаряет в атмосферу от 200 до 2800 кг воды. В среднем – около 500 кг в сутки! Например, тополь пирамидальный высотой 40 метров за сутки в среднем прокачивает больше тонны воды, выполняя работу A = mgh ~ 400 кДж. Поскольку солнечное излучение является единственным поставщиком энергии для всего процесса жизнедеятельности деревьев и для движения в них воды и его поток на широте Москвы составляет 42,1 МДж/м 2, такой расход энергии не является парадоксальным.

У всех деревьев суммарная площадь поперечного сечения живых клеток ствола (в пересчёте на 1 мм длины окружности камбия) достигает максимума в середине третьей декады июня и составляет 0,86; 0,89 и 1,09 мм² у деревьев с малым, средним и высоким темпами роста ствола по диаметру, соответственно. К этому времени уже образуется большая часть клеток ксилемы и флоэмы текущего года. В научной литературе приводится линейная скорость движения воды в клёне 0,74 мм/с, в осине и берёзе – 0,28– 0,4 мм/с, в яблоне – 0,3 мм/с, в кукурузе – 0,1 мм/с.

Потерю воды растениями на транспирацию можно рассматривать как обмен её на углерод, и в этом смысле она необходима для роста растений. Следовательно, быстрорастущим растениям требуется много воды, значительно больше, чем в них содержится. Скорость испарения воды зависит главным образом от температуры, относительной влажности и движения воздуха.

Парадоксы жизнедеятельности деревьев

Механизм доставки почвенной воды от корней к листве растений занимает внимание ботаников и биологов на протяжении всей истории человечества. Экспериментально измерены скорости движения воды по капиллярам деревьев разных пород. Изучено строение стенок водопроводящих капилляров и приведены данные об их диаметре и объёме в древесине. Практически во всех публикациях отмечены необычайно высокая скорость течения воды по капиллярам и большая высота её подъёма. То и другое описывается как парадоксы с позиции современных представлений о физикохимии этих процессов:

1. Высочайшие деревья планеты достигают высоты 100–120 метров, тогда как обычные деревья средней полосы – высотой 20–60 метров и поднимают на такую высоту в среднем в сутки до тонны почвенной воды, преодолевая не только силу тяжести, но и гидравлическое сопротивление капилляров дерева. В публикациях по данной тематике возможность транспортирования почвенной воды со значительной скоростью по капиллярам столь малого, как в сосудах дерева, сечения не имеет физического обоснования.
2. Деревья и другие растения умеренного климата поглощают очень большое количество почвенной воды. При этом только два-три процента влаги, перекачиваемой на высоту в десятки метров, используются для синтеза органических соединений и питательных растворов. Остальная вода испаряется, целевое её назначение в жизнедеятельности самого дерева остаётся непонятным. Но она создаёт вокруг дерева и в лесах микроклимат, комфортный для развития другой флоры и фауны.
3. Для производства органических веществ в процессе фотосинтеза растения поглощают из воздуха углекислый газ. Его содержание в воздухе составляет примерно 0,04 объёмного процента. Из каждого кубометра воздуха в листьях может остаться только 0,4 грамма углекислого газа. Для обеспечения синтеза ежесуточной порции органического вещества (продуктивность растения) необходимы сотни граммов углерода. Чтобы его извлечь из содержащегося в воздухе СО2, необходимо профильтровать через листья тысячи кубометров воздуха ежесуточно. Как растения с этим справляются? Механизм этого процесса также вызывает вопросы.
4. Доказано изотопным анализом: растения используют в процессах фотосинтеза водород и выделяют в атмосферу кислород, получаемые при диссоциации только молекул воды, а не из углекислого газа. Между тем в спектре поглощаемой растениями световой энергии нет квантов, энергии которых было бы достаточно для диссоциации молекул воды. Каталитические (ферментативные) процессы, в принципе, не могут понизить энергию разрыва межатомной связи в её молекуле. Можно только уменьшить энергию активации (принцип катализа). Известна гипотеза о диссоциации воды в фотосистеме II. Согласно этой гипотезе, два кванта, запасённые в молекуле фермента, действуют на молекулу воды синхронно. Эта гипотеза не подтверждена экспериментальными исследованиями.

Имеются лишь косвенные данные для построения схемы такого процесса. В противовес этому: водоросли и произрастающие в тени растения лишены высокоэнергетичного света. Тем не менее в них происходят процессы синтеза органических соединений, сопровождаемые выделением кислорода воды.

Возможно, эта проблема решается, если предположить, что хотя бы частично водород поступает в растения из внешней среды. То есть деревья впитывают корневой системой поступающий из недр земли водород! И без помощи грибницы, образующей симбиоз с корнями деревьев, здесь явно не обойтись. Ярким примером таких процессов служат циркументы (круги яркой травы на полях – места водородной дегазации).

Получается, что перечисленные способы подъёма воды от корней до кроны дерева на высоту до 120 метров не дают полного физического объяснения процесса, даже если предположить, что вода в капиллярах находится в сверхтекучем состоянии.

Газолифтинг – основная сила подъёма воды в деревьях

Профессор Генрих Ходаков выдвинул гипотезу о том, что возможным механизмом подъёма воды в деревьях является процесс газолифтинга, в котором участвует газ легче воздуха, вырабатываемый в капиллярах самого дерева, при этом объём образуемого в них газа должен быть не меньше объёма транспортируемой воды.

Электрические явления неразрывно связаны с жизнедеятельностью всех биологических объектов. Заряженные слои образуются на границе фаз в клеточных мембранах и биологических капиллярных системах. Факт отрицательного заряда на внутренних стенках флоэмы установлен прямыми измерениями, он составляет примерно 1–1,5 Вольта.

Получается, что в процессе взаимодействия водного раствора с заряженными поверхностями стенок сосудов дерева вырабатывается гремучий газ – водород и кислород. Таким образом, растения решают одновременно и с наименьшими затратами две задачи – подъём воды и снабжение фторопластов водородом, используемым для синтеза органических материалов. При этом не утилизированный растениями кислород выделяется в атмосферу.

Экспериментально, в специально созданной установке, показано выделение водорода и кислорода из воды при обычных значениях её рН. Разность потенциалов и межэлектродное расстояние были настолько малы, что диссоциация молекул воды электрическим полем была исключена. Такое слабое электрическое поле только разделяет ионы, образуемые в актах диссоциации молекул воды за счёт энергии теплового поля окружающей среды.

Вблизи отрицательно заряженной поверхности капилляров ионы водорода образуют молекулы Н₂, а в осевой области капилляров гидроксилы образуют сначала пероксид водорода Н₂О₂, который распадается на воду и кислород с образованием молекул кислорода, что не исключает и другие варианты доставки кислорода к листьям, а затем – в атмосферу.

Из равенства объёмов поглощённого углекислого газа и выделяемого кислорода следует, что на одну молекулу поглощённого углекислого газа приходятся две молекулы водорода. Это соотношение зафиксировано в основном уравнении фотосинтеза: 6СО₂+12Н₂О+hν → C₆Н₁₂О₆+6Н₂О+6О₂. Получается, что кислород не используется в процессе синтеза и выделяется в воздух, что подтверждается экспериментально. Но если предположить, что продукты распада воды выделяются в процессе капиллярного электролиза, участие кислорода в реакции фотосинтеза получается излишним. В этом варианте, согласно принципу наименьшего действия, основную реакцию фотосинтеза можно записать в виде: 6СО₂+12Н₂+hν → C₆Н₁₂О₆+6Н₂О. В этом случае образуемого водорода достаточно для реакций фотосинтеза, и иной источник его поступления из земли через корни может и не потребоваться. По крайней мере, отпадает гипотеза об электролизе воды в растениях по двухквантовой (физически  неосуществимой) схеме.

Деревья-шахтёры

Избыточная мощность корневого всасывания иногда приводит к появлению в нижней части ствола дерева минеральных включений: серы, кремниевого песка и даже металлов! Впервые такая особенность выявилась в 1948 году у итальянского растения рода Alyssum bertolonii. С тех пор это свойство нашли у сотен других видов, и деревья, в которых концентрация металлов достигает 1000 мг на килограмм древесины, стали называть гипераккумуляторами.

Существует более 700 видов деревьев, способных поднимать и концентрировать различные металлы, причём уже в очищенном виде, – никель, медь, кобальт, хром, марганец, цинк, селен, таллий, мышьяк и свинец. Встречаются они во многих регионах, например, на Кубе, в Турции, Бразилии, Индонезии и на Филиппинах. Некоторые представители флоры хорошо владеют этим удивительным навыком благодаря лигандам – молекулам, которые связываются с атомами никеля и не дают им химически взаимодействовать с другими веществами. Вследствие этого клетки растения не повреждаются, а если учесть, что Pycnandra acuminata складирует захваченный никель в особые изолированные «контейнеры», то объяснить выживаемость дерева ещё проще. Такая сложная стратегия позволила ему не погибнуть там, где не выживают другие растения: в немногих уцелевших уголках дождевого леса Новой Каледонии (заморская территория Франции). Млечный сок у «древесного шахтёра» необычного сине-зелёного цвета и на 25 процентов состоит из никеля. Такое дерево, растущее на богатой никелем почве, может содержать до пяти килограммов этого элемента, а в год гектар деревьев может извлечь из почвы до 200 килограммов металла!

Доктор Энтони ван дер Энт (исследователь Квинслендского университета) и его коллеги считают, что у этих растений большое будущее: гипераккумуляторы могут очищать почвы от ядовитых примесей (это называется фиторемедиацией) – и даже добывать полезные ископаемые из рудных отвалов или грунтов, где концентрация металлов слишком мала для строительства шахт.

Жаль, что французское правительство не намерено прекращать здесь вырубку лесов, и Pycnandra acuminata могут быть полностью уничтожены дровосеками уже в ближайшие годы…

В наших краях и в странах с умеренным климатом хвойные деревья могут добывать кремниевый песок. До 0,5 процента древесины в стволе ели бывает замещено минеральной составляющей, в виде дисперсий заполняющей каналы, обеспечивающие дерево водой.

В тропиках произрастает дерево Мербау, характерной особенностью древесины которого являются жёлтые прожилки серы, поэтому ему не требуется никакой дополнительной защиты от грибков и насекомых.

Почему деревья были большими?

Площадь поверхности планеты растёт по мере дегазации водорода из внутреннего ядра, и атмосферное давление постепенно падает.

Резонно предположить, что гигантские деревья росли до высоты более 100 метров во времена, когда атмосферное давление на Земле было значительно больше, а в дальнейшем процессы транспирации не дали единичным экземплярам погибнуть и сохранили их до наших дней. Современное давление воздуха в одну атмосферу уже не позволяет современным деревьям вырастать до гигантских размеров.

Получается, что ещё 150–300 лет назад на планете существовали деревья выше нынешних, что возможно только при большем атмосферном давлении. По мере его уменьшения процессы транспирации и газолифтинга ещё продолжают доставлять воду к верхушкам единичных экземпляров высочайших деревьев планеты, но для новых саженцев такие высоты уже недостижимы.

И кажется вполне очевидным, что деревья никак не могли развить способность перекачивать излишки воды, в 30 раз превышающие потребности собственного организма, в результате естественного отбора. Налицо генно-инженерный Замысел Создателя биосферы планетарного масштаба!

Подробнее: https://idabahov.ru/strongpochemu-ischezli-bolshie-derevya-strong/

Игорь ДАБАХОВ, Валерий ЛАЗАРЕНКО

Источник: «НиР» № 12, 2023

На фото: Сок дерева вида Pycnandra acuminata