Книга: Растения - гениальные инженеры природы

Энергия повсюду

Энергия повсюду

Из школьной программы по физике нам хорошо известно, что дли того, чтобы нагреть 1 литр воды, имеющей температуру 14,5° по Цельсию, до температуры 15,5°, необходимо затратить 1 килокалорию. Килокалория относится к числу устаревших единиц измерения, и поэтому мы постараемся в нашей книге отказаться от использования ее в качестве меры тепла, но прежде укажем, что одна большая калория эквивалентна 1,16 ватт-часа электрической энергии. Чтобы вскипятить 1 литр воды комнатной температуры (14°), то есть нагреть ее на 86°, нужно затратить около 0,1 киловатт-часа. Это как раз то количество анергии, которое расходуется горящей в течение одного часа электролампочкой мощностью 100 ватт или же потребуется для нагревания 86 литров воды на один градус. И наоборот, того количества энергии, которое выделяется при охлаждении 86 литров воды на один градус, достаточно для работы той же лампочки в течение одного часа. Правда, при том условии, что превращение одного вида энергии в другой будет происходить без потерь. Но даже при их наличии общий поток полезной энергии окажется довольно значительным. Если бы, например, можно было остудить всю воду Боденского озера на один градус, то потеря тепла была бы эквивалентна 75 миллиардам киловатт-часов электроэнергии. Применительно к 60-м годам эта величина составила бы половину суммарных потребностей в электроэнергии такой страны, как ФРГ. Даже если к.п.д. преобразования тепловой энергии в электрическую был бы равен лишь 50 процентам, энергии, высвобожденной при охлаждении всей водной толщи Боденского озера на четыре градуса (предполагается, что охлаждение происходит равномерно на протяжении года), все же хватило бы для снабжения Федеративной Республики Германии электричеством в течение целого года. Но здесь читатель вправе спросить; не может ли подобное охлаждение нанести серьезный урон экологии рек и озер? Ни в коем случае. Напротив, воды не только Боденского озера, но почти всех других водоемов в промышленно развитых странах нуждаются в безотлагательном понижении их температуры. Горячие отработанные воды промышленных предприятий, сбрасываемые в водоемы, приводят к недопустимо опасному их нагреву. В свою очередь это может стать причиной сокращения запасов растворенного в воде кислорода и, как следствие, массовой гибели рыбы. Одновременно снижается способность текучих вод к самоочищению. В стоячих водоемах происходит бурное развитие водорослей, они интенсивно зарастают, дно их покрывается толстым слоем ила, а вода нередко заражается отходами нефтепереработки. Лишь одно это обстоятельство делает неотложной борьбу с термальным загрязнением рек и озер. В противном случае они окончательно превратятся в безжизненные и зловонные сточные канавы, возродить жизнь в которых вряд ли когда удастся. Почему же мы не стремимся сочетать необходимое с целесообразным, не превращаем зло в добро, иными словами, не пытаемся использовать излишки тепла для производства электричества? С технической точки зрения эта мера вполне осуществима.

На протяжении уже нескольких десятилетий в Цюрихе за счет энергии, высвобождающейся при охлаждении вод реки Лиммат, успешно отапливаются жилые здания и предприятия, принадлежащие муниципалитету. Почему же в таком случае это не происходит в крупных масштабах? Как правило, здесь ссылаются на ряд якобы объективных причин, которые, впрочем, при тщательном рассмотрении не выдерживают никакой критики. Указывают, в частности, на то, что в сравнении с получаемым результатом уровень затрат оказывается очень высоким. Однако надо помнить, что уже в ближайшие годы каждая страна будет вынуждена расходовать миллиардные суммы на охрану водной среды от загрязнения. Обращается, далее, внимание на тот факт, что традиционные методы выработки электроэнергии (в том числе и на атомных электростанциях) более совершенны и, следовательно, более экономичны. Но последнее означает лишь то, что мы слишком привыкли к ним и чересчур инертны в том, чтобы своевременно и последовательно овладевать и другими способами получения энергии.

Но той же самой причине население промышленных городов мира страдает в паше время от выброса в атмосферу большого количества отработанных газов. Если бы мы были более предусмотрительны, то уже сегодня имели бы автомобиль, который был бы оснащен водородным двигателем и имел бы отходы не в виде токсичных выхлопных газов, а в форме практически безвредной для окружающей среды жидкости (воды). Более того, ведущие автомобильные концерны располагают полностью готовой документацией на производство такого рода двигателей. Но они по молчаливому согласию не делают этого по причине якобы чересчур высоких расходов, связанных с переналадкой производства. Однако не слишком ли велика цена подобной экономии — рост смертности от смога? Вправе ли мы во главу угла всех наших действии ставить принцип сиюминутной прибыли? Разве должны мы предпочитать дальнейшее строительство тепловых и атомных электростанций разумному использованию энергии тепла за счет охлаждения перегретых промышленных стоков, создающих уже сегодня угрозу термального загрязнения среды, лишь только потому, что сжигать каменный уголь, нефть или уран представляется более рентабельным, хотя здесь не учитывается то обстоятельство, что запасы ископаемого топлива отнюдь не вечны? Разве мы должны делать это единственно по той причине, что строить тепловые электростанции по старым, испытанным рецептам оказывается дешевле и прибыльнее, чем устанавливать преобразующие системы с тепловыми насосами, разработка которых на первых порах обходится во много раз дороже? Разумеется, конкуренция промышленных предприятий и законы рыночной экономики, по-видимому, не позволяют осуществить инвестиции, целесообразность которых выявится по прошествии более или менее продолжительного периода времени и которые в ближайшей перспективе могут привести к финансовому краху целые отрасли промышленности. Однако истинные причины неправильного, ошибочного планирования на долгий срок лежат гораздо глубже. Их следует искать в двойственном поведении человека. С одной стороны, человек вообще не в состоянии мыслить перспективными категориями и поступать сообразно с заранее намеченным, к тому же он никогда до конца не обдумывает последствия своих поступков. [20] С другой стороны, человек скрупулезно придерживается однажды найденного технического решения, не обращая своего внимания на возможные варианты, до тех пор, пока окончательно не оказывается в тупике, когда уже поздно искать выход из создавшегося положения. Это — типичное следствие чисто конструктивистского образа мышления, которому чуждо знание анионов эволюционного развития окружающей среды и необходимости установления с ней обратных связей.

Как отмечалось выше, цюрихский эксперимент — это первая и притом робкая попытка промышленной утилизации избытков тепловой энергии. Однако большое количество дешевых и практически неиссякаемых источников энергии не находит сегодня применения лишь только потому, что мы закрывали глаза на необходимость планомерной и систематической разработки технических средств их освоения. Трудно себе представить то колоссальное количество энергии, которое сулит нам прямое использование перепада температуры воздуха при смена дня и ночи. А какие огромные гидравлические силы, которые можно было бы направить на производство электричества, заключены в процессах, связанных с колебанием относительной влажности воздуха! И уж поистине фантастические потоки энергии изливает день за днем на нашу планету само Солнце! Даже силу притяжения Луны человек, вооруженный современной техникой, способен поставить себе на службу, создавая приливные гидроэлектростанции. И как ни была поразительной и неожиданной сама идея строительства подобных ГЭС, ей уже не один десяток лет. И тем не менее до сих пор еще но построено ни одной сколько-нибудь значительной гидроэлектрической станции, использующей энергию приливов, работа которой была бы экономически выгодной. Крайне невелико сегодня число установок, непосредственно утилизирующих солнечную энергию. Среди них в первую очередь назовем солнечные батареи, который обеспечивают питанием узлы, поддерживающие связь космических кораблей и лунных станций с Землей. Совсем мало используется энергия, высвобождаемая и процессах, которые связаны с перепадами температур и относительной влажности воздуха. Ее применяют в основном для автоматического регулирования положения вентиляционных форточек в зданиях оранжерей (характерно, что этим изобретением мы обязаны тем немногим ботаникам, которых можно встретить среди многочисленной группы технических работников). Список новых, нетрадиционных источников энергии можно продолжить. К сожалению, на пути их практического освоения сделаны лишь первые шаги.

Иная картина наблюдается в растительном мире. В процессе синтеза органических веществ из воздуха и воды растение преобразует солнечную энергию с такой высокой эффективностью, о которой мы можем пока только мечтать. Вся древесина и нефть, весь торф и уголь, весь природный газ и бензин, короче говоря, все то, что мы, люди, сжигаем на Земле или потребляем каким-либо другим образом, в конечном счете есть не что иное, как один-единственный гигантский аккумулятор лучистой энергии, накопленной с помощью растений. Я уже рассказывал о той роли, какую играет солнечный свет в жизни растений, и о том, как используют растения силу ветра и морские течения для расселения своего вида. Сейчас же пойдет речь о том, каким образом растительные организмы преобразуют колебания относительной влажности воздуха в полезную энергию.

В южной части Северной Америки, в американских штатах Нью-Мексико и Техас, а также в Мексике произрастает селагинелла (Selaginella lepidophylla), небольшое растение, которое из-за его удивительной реакции на изменение влажности воздуха нередко продают на рынках в качестве необычного сувенира. В пустынной местности на своей родине селагинелла вынуждена приспосабливаться к частым и очень продолжительным (нередко более года) засухам. Растение научилось различать влажные, благоприятные для его роста периоды и периоды засушливой погоды, когда условия существования становятся исключительно суровыми. Поскольку различие между ними проявляется прежде всего в неодинаковом содержании влаги в воздухе, то требовалось использовать данное обстоятельство для создания таких технических средств, которые помогали бы растению выстоять в условиях засухи.

При нарастании сухости воздуха селагинелла сворачивается в клубок (фото 61). Все жизненные функции растения почти полностью приостанавливаются. Даже хлорофилл незамедлительно перемещается в глубь клетки, из-за чего сухой комочек приобретает желтовато-коричневую окраску. Складывается впечатление, что растение погибло. Но это не так. Его шарообразная форма обеспечивает наименьшую площадь внешней поверхности, что позволяет свести потери воды до минимума. Едва только пройдет дождь, будь то через несколько недель, месяцев или даже через год, растение начнет столь же быстро разворачиваться, и уже через каких-нибудь четверть часа на земле будет лежать плоская по форме и отливающая яркой зеленью розетка растения (фото 62). Как же растение осуществляет этот комплекс жизненно важных движений? Ту самую сухость, от нехватки которой растение вынуждено защищаться, оно использует для того, чтобы сжаться в неприметный комочек, и та самая влага, которая делает возможными нормальную жизнедеятельность и рост растительного организма, поставляет ему энергию, столь необходимую для раскрытия розетки. Принцип, применяемый селагинеллой, удивительно прост. На внешней поверхности ее веточек находятся крошечные чешуйки (фото 63), которые способны легко и быстро впитывать воду и при этом сильно растягиваться. Напротив, нижняя сторона веточек никак не реагирует на увлажнение. По этой причине при колебаниях влажности воздуха растение соответственно либо свертывается, либо развертывается, возобновляя свой рост. Этот механизм работает исключительно надежно: даже после гибели растения он не перестает функционировать. На фото 61, 62, 63 показан взятый из гербария экземпляр, биологическая смерть которого наступила как минимум 15 лет назад.

Фото 61. В засушливые периоды один из видов селагинелл, обитающих в Мексике, сворачивается в сухой клубок, чем-то напоминающий птичье гнездо. Отсюда и его название — «гнездовый мох».

Фото 62. В дождливое время селагинелла быстро разворачивается. Вместо клубка мы видим уже плоскую розетку растения, лежащую на поверхности почвы. Эти жизненно важные движения растение осуществляет с помощью гигроскопического механизма.

Фото 63. Крошечные «веточки» селагинеллы покрыты бесчисленным множеством чешуек, способных быстро впитывать воду.

Впрочем, не только среди селагинелл можно встретить растения, способные «воскресать из мертвых». Своим поведением иерихонская роза, растущая в пустынях Северной Америки и Ближнего Востока (ареал обитания от Ирана до Марокко), напоминает селагинеллу. Но она является одним из представителей семейства крестоцветных, а родина ее лежит на другом конце Земли. И том не менее сходные условия окружающей среды привели и к сходным результатам.

Найденное техническое решение — гигроскопическую форму движения — растения используют также и для других целей. Многие семена и плоды оснащены самыми настоящими миниатюрными гигроскопическими механизмами, источником энергии для которых служит вода, содержащаяся в атмосфере.

Плоды синего василька могут удаляться от материнского растения, совершая движения пресмыкающегося. Каждый плод имеет венчик из жестких и очень коротких щетинок. В сухую погоду щетинки раскрываются, словно веер. Во влажное время «веер» складывается. Эти попеременные колебания, вызываемые изменением влажности воздуха, позволяют семянке перемещаться по земле, поскольку острые волоски каждый раз при смене положения вонзаются в почву. Аналогично «ползают» и плоды пашенного клевера (Trifolium arvense). Применяя все тот же принцип, плоды, а если говорить точнее, то ложные плоды овсюга (Avena fatua), научились передвигаться «вприпрыжку».

Движения, обусловливаемые колебаниями влажности атмосферного воздуха, используются семенами и плодами не только для того, чтобы перемещаться. Весьма интересная комбинация гигроскопических движений поиска и прикрепления к опоре наблюдается у плодов виноградолистного ломоноса (Clematis vitalba). Они добились оптимального использования естественных особенностей окружающей среды, привлекая для этого минимум подручных средств. Ломонос принадлежит к числу вьющихся растений, поэтому в период созревания его небольшие плоды, находящиеся на усиках, зачастую оказываются высоко над землей в кроне дерева. Плоды-семянки имеют изогнутый, густо опушённый отросток длиной до 3 сантиметров. Один-единственный технический принцип позволяет этому «приспособлению» наипростейшим образом решать сразу четыре задачи. Специальная съемка показывает, как этот отросток реагирует на изменение влажности воздуха (фото 64, а). Аппарат запечатлел совершенно мокрую семянку ломоноса, высыхающую под лучами солнца. Для того чтобы картина была наглядной, один и тот же плодик был снят на один кадр пленки с небольшими интервалами во времени. Мокрый плодик на фотографии получился крайним справа. Опушение отростка прижато к ости. По мере высыхания тончайшие волоски распрямляются, а сама ость изгибается. Крайнее левое изображение семянки получено, когда она полностью высохла. Таким образом, мы имеем здесь дело о двойным механизмом: один приводит в движение волоски, другой — сам отросток. Этот единственный в своем роде гигроскопический механизм многоцелевого назначения, как я уже говорил выше, выполняет четыре функции.

1. Дождливая погода препятствует распространению опушенных плодиков ломоноса с помощью ветра. Поскольку при дожде волоски прижимаются к ости, ветер не может подхватить плоды-семянки и унести их подальше от материнского дерева.

2. В сухую солнечную погоду, которая обычно приносит с собой и благоприятный ветер, волоски распрямляются и вся семянка, в целом имеющая очень небольшой вес, превращается в превосходный летательный аппарат. В такие дни ее легко может сорвать и увлечь с собой ветер.

3. Опустившись где-то на землю, плод начинает в согласии с колебаниями влажности воздуха попеременно то сгибаться, то разгибаться. Поскольку перистый отросток легко цепляется за траву или неровности почвы, весь плодик совершает движения вправо и влево (фото 64, б). Таким путем он «ищет» расщелинку в почве, в которую можно без труда проникнуть и в которой будет достаточно влаги для прорастания.

4. Но вот обнаружено подходящее для закрепления место. Ко всему прочему и отросток за что-то основательно зацепился. Посредством гигроскопических колебаний весь небольшой аппарат приводится в движение, и семянка начинает вращаться на месте. Острая головная часть, усаженная щетинками-зацепками (фото 65), подобно сверлу, ввинчивается в почву, в которой плодик и укореняется.

Фото 64а. Опушённый отросток плода ломоноса (Clematis vitalba) активно реагирует на колебания влажности воздуха. Если плод влажен, волоски плотно прижимаются к ости. Как только он высыхает, волоски распрямляются, а сам отросток сильно изгибается.

Фото 64б. Гигроскопический механизм дает возможность плоду ломоноса осуществлять самые настоящие поисковые движения. Таким путем оно находит в почве расщелинку, вполне подходящую для его прорастания.

Фото 65. Передняя часть плода-семянки ломоноса заострена и усажена щетинками-зацепками. Благодаря движениям опушённого отростка семянка легко проникает в найденную расщелинку и там укореняется.