Всё о науке за 60 минут

Клей, который заставляет яблоко хрустеть

Я ем много яблок. Вероятно, это мой любимый фрукт, и уж точно я ем их больше, чем остальных фруктов. Но мне нравится и разнообразие. По этой причине я наслаждаюсь осенними и зимними месяцами, когда на рынках можно найти целый ряд различных сортов яблок. В этом году мое внимание привлек сорт «эвелина». Он был выведен всего несколько лет назад и дает большие красные и желтые плоды. Но что особенно важно для меня, мякоть этих яблок хрустящая, сочная и сладкая.

Я говорю это совершенно серьезно: я терпеть не могу яблоки с мягкой, словно ватной, мякотью. Трудно описать ощущения при надкусывании такого яблока, но я уверен, вы знаете, о чем я говорю. Снаружи мучнистое яблоко может казаться твердым и выглядеть аппетитно, но его мякоть превращается в сухую кашицу во рту. Мои самые искренние извинения, если вам нравятся такие яблоки, но я с уверенностью могу сказать, что вы ошибаетесь. И теперь, если я все же вас не обидел и вы не захлопнули книгу в гневе, давайте задумаемся, почему один фрукт может иметь такую разную текстуру.

Мякоть яблока составляют миллионы растительных клеток, размеры которых могут доходить до 0,25 мм. У этих клеток есть несколько важных особенностей, имеющих отношение к текстуре яблока. Почти во всех растительных клетках располагается огромный (относительно размера клетки) «мешок» с водянистым веществом, называемый вакуолью. Каждая клетка практически полностью занята этой вакуолью, и находящаяся в ней жидкость содержит много сахаров. Когда клетки разрываются, эта жидкость выливается наружу и во рту становится сочно и сладко.

Однако существует несколько способов разорвать клетки мякоти яблока. Каждую из них окружает клеточная стенка, состоящая из таких химических веществ, как целлюлоза и лигнин. Именно эта стенка обеспечивает клеткам их структурную целостность и прочность. Принципиальное значение для хрусткости яблока имеет способ склеивания отдельных клеток. Клей образуют смесь естественных химических веществ, но самым важным из них является пектин. Да, то самое вещество, которое составляет основу джема. Пектин – это сложное сочетание множества молекул сахара, соединенных вместе в длинные цепи. Когда эти цепи прилипают друг к другу, они образуют желе, и именно оно создает тот клей, который связывает клетки вместе.

Концентрация и качество пектинового клея в яблоке и определяют, насколько твердым оно будет, а также окажется ли оно хрустящим или «ватным». Крепко связанные клетки яблока дают хрустящую текстуру, так что вам понадобится больше силы для его надкусывания, чтобы разорвать клетки и выпустить из них сок. С другой стороны, если клея мало и/или он недостаточно хорош, при надкусывании клетки просто отделяются друг от друга, а не разрываются. Так что в этом случае вместо множества разрушенных клеток и сока ваш рот наполняется скоплениями неповрежденных клеток. Такое яблоко имеет ватную текстуру.

Итак, от чего же зависит, получится ли яблоко «ватным» и сухим или хрустящим и сочным? В конечном счете все сводится к генетике конкретного сорта. Все яблоки, появляясь на дереве, представляют собой твердые и кислые шарики. Но по мере созревания в них накапливается сахар, который делает их вкус все более сладким. В то же время белки и ферменты, вырабатывающиеся внутри клеток яблока, транспортируются к клеточным стенкам. Причем ферменты заменяют собой первоначальные пектины, склеивающие стенки, что уменьшает сцепление между клетками.

У разных сортов яблок эти два процесса (накопление сахаров и замена пектинов) протекают по-разному. Некоторые яблоки, например сорта «гала», становятся действительно сладкими и сохраняют при этом сильные пектиновые связи между клетками, благодаря чему радуют нас хрустом и сочностью. Мне очень нравятся эти яблоки. Яблоки других сортов, скажем «макинтош», не достигают столь высокого уровня содержания сахаров, а их клеточные ферменты успевают разрушить пектины, удерживающие клетки вместе. Любители этих яблок могут назвать их мякоть сливочной и ароматной, но, по-моему, это не так. Чтобы угодить мне, яблоко должно хоть немного хрустеть.

Компостирование отходов

У вас на даче есть компостная куча? Или, может быть, ящик для компоста, или какая-либо другая емкость для него? Я перепробовал множество различных приспособлений для компостирования зелени, но в итоге неизменно получал либо кучу высохших веток, либо ужасную слизистую смесь. После множества экспериментов у меня появилась пара больших черных контейнеров из пластика для компоста. С ними я почти добился того, чего хотел. Тем не менее, несмотря на все старания, мой компост совсем не похож на содержимое пластиковых мешков, которые мы покупаем в магазинах для садоводов. И все же если вы заглянете в интернет, посмотрите видео про сад и огород или прочитаете журналы по садоводству, то наверняка заметите, что там до вас настойчиво стараются донести две мысли: делать компост вовсе не трудно и все садоводы должны это уметь. Первое из этих утверждений явно неверно, тогда как второе полностью соответствует истине.

Компостная куча работает благодаря определенным бактериям и, в меньшей степени, грибкам, которые и разрушают все растительные вещества. Чтобы сделать хороший компост, необходимо создать среду, удовлетворяющую всем требованиям этих прихотливых бактерий. Есть много моментов, которые вы при этом должны учитывать, но если все сделать как надо, то вы получите темно-коричневую, рассыпчатую и приятно пахнущую смесь, известную среди садоводов как перегной.

Первым делом необходимо обеспечить оптимальный состав компостной кучи. Она должна состоять из 1 части азота на 30 частей углерода. В эмпирическом выражении, почерпнутом из книг по садоводству, это 1 часть листового зеленого материала на 30 частей стеблей и другого более жесткого растительного материала. Если положить в кучу слишком много азота, она превратится в скользкий, неприятный холмик. Слишком много углерода – и вы получите сухую кучу палок. К сожалению, без высокотехнологичной лаборатории прямо на садовом участке невозможно измерить это соотношение. Поэтому стоит положиться на практический опыт и предположения, основанные на понимании науки о растениях. Возьмем, к примеру, травяные черенки из газонокосилки, целиком состоящие из листовой зелени. В таком содержимом газонокосилки слишком много азота для хорошего компоста. С другой стороны, осенние листья бедны азотом, так как на самом деле это всего лишь высохшая шелуха когда-то зеленых листьев. Всякий раз, когда вы добавляете что-то в компост, нужно учитывать баланс азота и углерода. Если собираетесь бросить в компост кучу травы или овощной шелухи, вам стоит добавить вместе с ними и немного углерода в виде разорванной бумаги или опилок. И наоборот, если вы только что нарезали в кучу много веток, добавьте к ним и листовой материал.

Предположим, у вас получилось соблюсти правильный баланс углерода и азота. Теперь нужно убедиться, что куча не слишком влажная и не слишком сухая. Кроме того, необходимо поддерживать аэрацию компостной кучи, чтобы до бактерий мог добраться кислород. Если ваш компост слишком влажный или чересчур плотный, там не будет ни кислорода, ни бактерий. Традиционное решение состоит в том, чтобы периодически переворачивать компостные тюки, однако недавние исследования показывают, что можно просто бросить туда смятый картон, втулки от туалетной бумаги или еще что-нибудь компостируемое (разлагаемое бактериями), что создаст воздушные пространства.

Другой момент, который часто упускают из виду, заключается в том, что бактерии, процветающие в компостной куче, предпочитают слегка щелочную среду и точно не рады, если среда кислотная. При отсутствии специального прибора или тест-полосок, среду определить невозможно. Но если ваше детище, несмотря на все усилия, раз за разом терпит фиаско, пожалуй, стоит добавить в него немного садовой извести, которая на самом деле является просто порошкообразным известняком. Вместо извести можно использовать и обычную древесную золу. И то и другое нейтрализует кислотность почвы и создаст более благоприятную среду для бактерий, которые творят свою магию.

Нельзя забывать и о тепле, но только подумать о нем необходимо с самого начала. Когда бактерии приступают к работе, они сами начинают вырабатывать тепло, и теоретически компост может прогреваться до 70 °C. Эта высокая температура будет способствовать росту нужных бактерий, а также убьет другие организмы в куче, включая семена сорняков. К сожалению, получить столь высокую температуру в домашней компостной куче действительно сложно. Для ее достижения обычно нужны прямо-таки горы компоста, которые хорошо изолируют внутреннюю часть кучи. Ну а поскольку я исхожу из того, что у вас таких гор нет, мой вам совет: поместите компостную кучу в самом солнечном месте в саду. Я, конечно, осознаю, что вы едва ли последуете этому совету, ведь обычно место для компостной кучи находится в самом мрачном углу за садовым сараем, где ничего не растет и куда никто не хочет ходить. В таком случае можете просто изолировать свой компост старыми коврами или чем-то вроде соломенных тюков.

Таким образом, чтобы получить идеальный компост, вам нужно добиться правильного соотношения углерода и азота, убедиться, что он хорошо аэрируется, не слишком влажный, не слишком сухой и не слишком кислый, и сформировать действительно огромную компостную кучу. Все это кажется довольно пугающей перспективой, но не забывайте о тех огромных преимуществах, которые принесет вам компостирование отходов. У вас будет запас собственного компоста, который освободит вас от необходимости таскать мешки с перегноем из магазина, а также сделает ваше хозяйство экологически благоприятным. При компостировании вы значительно уменьшите свой негативный вклад в создание свалок, причем не только с точки зрения объема материала, но и в плане выбросов метана из куч мусора. Вы улучшите плодородие почвы, перерабатывая питательные вещества, и дадите огромный импульс развитию биоразнообразия – по крайней мере, на вашем участке.

Из моего собственного опыта освоения компостирования отходов я знаю: пусть достичь совершенства трудно, но червям и растениям все равно, если ваш компост немного грубоват и не готов. Он и в таком виде сделает свою работу и станет для них домом.

Световая приманка

То, что мотыльки и различные ночные летающие насекомые летят к свету, известно всем. Стоит летом оставить окно открытым и не погасить свет, не успеешь оглянуться, как полдюжины крылатых существ уже кружат у светильника или даже чуть ли не облепляют его. Однако, если на мгновение задуматься над происходящим, станет очевидно, что это крайне нелогичное поведение. Насекомые, собравшиеся вокруг источника света, – это ночные создания. При дневном свете они забираются в свои укрытия, чтобы спрятаться от хищников, для которых они – еда. Так почему же эти существа направляются к первой попавшейся горящей лампочке? Свет же не указывает на наличие пищи поблизости, а их самих такое поведение ставит под угрозу быть съеденными.

Наиболее распространенным объяснением этого явления служит навигация по Луне. Идея заключается в том, как мотылек ищет свой путь ночью. Он берет курс на Луну и держит ее под постоянным углом к направлению своего полета. Поскольку Луна находится очень далеко от мотылька, угол наклона не меняется, и спутник нашей планеты становится весьма надежным ориентиром. Однако насекомое вполне обоснованно может перепутать Луну с горящей лампочкой. Когда мотылек летит к лампе, он должен двигаться в направлении искусственного света, чтобы не отклоняться от своей траектории по прямой линии. К сожалению, по мере приближения к искусственному свету угол между его источником и направлением полета мотылька меняется. Но вот наш мотылек все же корректирует свой курс и приближается к лампочке. Это происходит не сразу. Насекомое кружит вокруг нее, подлетая все ближе и ближе, пока не столкнется с лампочкой.

К сожалению, в этом объяснении есть несколько уязвимых мест. Начну с того, что большинство ночных летающих насекомых не имеет привычки совершать длительные перелеты по прямой линии. Многие мотыльки живут в защищенной лесной местности, где они преодолевают лишь небольшие расстояния и никогда по-настоящему не видят Луны. И все же их тоже привлекает свет. Кроме того, когда ученые внимательно изучили поведение мотыльков вблизи искусственных источников света, оказалось, что многие мотыльки летят прямо на свет: без кружения, которое описывает теория навигации по Луне.

Еще одна немного странная идея пришла в 1970-х годах в голову энтомологу из Министерства сельского хозяйства США. Как выяснилось в ходе его экспериментов, некоторые из особо сильных феромонов, оставляемых самками мотыльков, не только привлекают самцов издалека, но и являются источниками очень слабого люминесцентного света. Феромоны испускают свет в инфракрасном диапазоне, который частично соответствует свету, исходящему от свечи. Объяснение исследователя состояло в том, что самцов притягивает этот свет, поскольку они полагают, что находятся на пути к любовной встрече. Но опять же, наблюдения в полевых условиях опровергают это предположение. Дело в том, что лучший способ привлечь мотыльков в дикой природе – это установить ультрафиолетовое освещение, а не инфракрасное.

Есть и еще одно объяснение, основанное на наблюдении. Если вы потревожите ночью рой мотыльков, например затаившихся на кусте, они взлетят в воздух, чтобы спастись. Они не устремятся вниз, в тень растительности. Похоже, что логика мотыльков состоит в том, чтобы направиться к более светлым областям вверху, а не к более темным внизу. Так что, если мотыльки встревожены, возможно, они летят к свету, чтобы спастись. Что ж, будь это правдой, то означало бы, что всех мотыльков, которых вы видите у своих светильников, кто-то потревожил и отвлек от обычных ночных дел.

Естественно, с учетом сложности биологической науки, ответ, пока ускользающий от нас, вероятно, будет включать в себя целый ряд причин. У нас есть неплохая теория, объясняющая, почему мотыльки начинают кружить, как только попадают на свет. Глаза этих насекомых приспособлены к тому, чтобы видеть в темноте, и как только мотыльки оказываются на свету, их чувствительные глаза приступают к борьбе с ним, потому что света слишком много. Фактически он ослепляет мотыльков, чем и объясняется их нежелание улетать прочь: они просто не в состоянии видеть, куда направляются. Ну а еще они могут просто делать передышку после того, как буквально нос к носу столкнулись с источником яркого света.

Тень от дерева

Конечно, все вы знаете, что, оказавшись в жаркий летний день на открытом воздухе, можете укрыться от солнца в тени. Однако лишь самые наблюдательные из вас заметят, что не все тени одинаково прохладны. Если спрятаться от солнца в тени здания или под каким-нибудь навесом, то температура там будет, конечно, ниже, но все же не настолько низкой, как в тени от кроны дерева. Проведенные исследования показали, что в тени от деревьев на несколько градусов (до 3 °C) прохладнее, чем в тени от зданий, расположенных в пределах города. Это кажется нелогичным, поскольку тень от деревьев обычно пятнистая, а не сплошная. И все же измерения доказывают, что деревья действительно активно охлаждают свое ближайшее окружение.

Когда я говорю, что листья на деревьях зеленые, обычно никто не удивляется, потому что для большинства видов растений это верно. Однако объяснение этого факта едва ли оставит вас равнодушными. Листва растений отражает бóльшую часть зеленого света, падающего на нее, и, собственно, поэтому мы видим ее зеленой. Кроме того, если вы, стоя под кроной дерева, посмотрите вверх, то увидите, что свет, который проникает внутрь, тоже зеленоватый. Только зеленый свет проходит сквозь листву. Что же происходит с красным, оранжевым, желтым и синим? Листья растений поглощают свет этих цветов, но не преобразуют это излучение в тепловую энергию, а используют его для запуска процесса фотосинтеза. Это биохимическая реакция, в ходе которой углекислый газ из воздуха, вода из земли и энергия солнечного света преобразуются в сахара. Так энергия Солнца превращается в химическую потенциальную (то есть запасенную) энергию и хранится растением для последующего применения.

Теперь представьте, что вы сидите под зеленым брезентовым навесом, и сравните ощущения. Как и в случае с листьями, зеленый свет отражается наружу. Внутрь мало что проникает. Свет других цветов поглощается навесом. Однако на этот раз энергия света превращается в тепловую энергию, половина которой излучается обратно в небо, а вторая половина – на вас, сидящих под навесом. Несмотря на то что последний имеет тот же цвет, что и листва, он не накапливает химическую энергию, и вы перегреваетесь.

Существует и другая, возможно еще более важная, причина возникновения охлаждающего действия зеленых растений. Как я только что упоминал, для фотосинтеза необходима вода. Чтобы получить ее, растения через корни вытягивают воду из почвы и доставляют ее к листьям. И один из этапов этого процесса именуется транспирацией. В ходе него растение позволяет воде испаряться из своих листьев, в результате чего из его корней вытягивается еще больше воды. Меньшая часть этой воды используется для фотосинтеза, а бóльшая – для дальнейшей транспирации. Одним из следствий является то, что в ходе испарения воды из листа захватывается тепловая энергия, и он остывает. Это называется испарительным охлаждением, и именно благодаря ему работают холодильники. Когда это происходит по всей кроне большого дерева, более тяжелый холодный воздух вокруг каждого листа опускается в пространство под кроной, делая его более прохладным.

Итак, фотосинтез и транспирация создают под деревом приятное место для отдыха. Ведь в такой зоне охлаждение – это активный процесс, а не просто отсутствие прямого солнечного света. Как известно, в центрах крупных городов создается эффект, известный как тепловой остров. Большие массивы темных зданий и множество отражающих поверхностей поднимают там среднюю температуру на 6 °C по сравнению с пригородами. Градостроители пришли к выводу, что одним из лучших способов смягчения этого эффекта является посадка деревьев и разбивка газонов. В идеале делать это стоит не только на уровне земли, но и на верхних этажах зданий. В результате можно немного снизить среднюю температуру, а также создать еще более прохладные локальные зоны, где жители смогут расслабляться и наслаждаться едой, например.

Может ли паук поймать самого себя?

В пауках есть что-то глубоко нервирующее, и в то же время я ими буквально очарован. Созерцая раздутого паука-кругопряда в центре его паутины, я не могу отвести взгляд. Затем, когда он убегает, чтобы заманить несчастную жертву в свои сети, я обнаруживаю, что меня тянет посмотреть, как разыграется эта ужасная сцена. Жертва паука не может выбраться, крепко застряв в липкой паутине, в то время как он сам ловко бросается к ней через те же самые липкие нити. Как же ему это удается?

Паучий шелк – это невероятный материал с широкими возможностями применения. Он прочнее стали и жестче, чем пуленепробиваемое синтетическое волокно кевлар. А паук при необходимости может производить метры этого материала. Более того, в среднем любой паук способен выдавать семь различных видов шелка, каждый из которых обладает уникальными свойствами. И эти удивительные существа активно используют столь полезное умение. К счастью для нас, лишь только посмотрев на их паутину, мы смогли ответить на вопрос, как пауки умудряются не запутаться в собственных сетях.

Спицы паутины живущего у меня в саду обыкновенного крестовика состоят из того, что ученые называют каркасным шелком (он вырабатывается основными ампулярными железами). Это самый прочный шелк, который имеется в арсенале пауков, и вдобавок он наиболее известен нам. Важно отметить, что на нем вообще нет клея. Задача быть липким стоит перед жгутиковидным шелком. Из него формируется спираль вокруг спиц, и вся она покрывается равномерно расположенными каплями липкого клея. Исключение составляют группы пауков, которые не используют клей, а вместо этого полагаются на иной тип шелка и электростатические силы. Но вернемся к нашему крестовику. Основная причина способности этого паука не застревать в собственной паутине заключается в том, что он избегает капли клея. Перемещаясь по своей паутине, он осторожно ступает только по каркасному шелку, тогда как жертва, попадая в западню, не имеет возможности выбора и сталкивается как с безопасными спицами, так и клейкими спиралями.

Более того, у паука есть еще несколько тузов в рукаве. На конце каждой из его основных, ходильных, ног есть набор крошечных коготков. Два из них предназначены для захвата веток и листьев, а третий коготь создан специально, чтобы цепляться им за шелковые нити. Прямо под этим третьим когтем расположены также пружинистые щетинки. Когда паук цепляется за шелковую нить, они опускаются и удерживаются нитью под натяжением. При отпускании нити, липкая она или нет, упругие щетинки поднимаются обратно и отбрасывают нить с достаточной силой, чтобы преодолеть любой клей.

Наконец, у паука есть еще одно приспособление, которое помогает прежде всего тогда, когда он формирует свою паутину. Паук вынужден касаться липких нитей во время плетения сети. На кончиках лап, которыми он это делает (обычно это задняя пара), есть короткие щетинки с очень тонкими волосками. Кроме того, эти щетинки покрыты неким поверхностным слоем, и благодаря ему они способны отталкивать липкие нити.

Таким образом, отвечая на поставленный выше вопрос, мы можем сказать, что паук заботливо обходит капли клея, перемещаясь буквально на цыпочках. Вероятно, это гораздо сложнее, когда у тебя восемь ног, а также нет возможности видеть их, так что приходится полагаться только на ощущения. Однако даже если что-то идет не так и паук касается своих липких шелковых нитей, он может рассчитывать на благоприятный исход, ведь природа вооружила его целым арсеналом специальных приспособлений, которые позволяют ему не стать жертвой собственной паутины.

Этот невозможный газон

У вас есть газон? Там полно сорняков? Вы потратили уйму времени и денег, пытаясь истребить на нем мох, ползучие лютики и одуванчики? Если ответ на первый вопрос положительный, то и по крайней мере на один из двух других вопросов вы почти наверняка ответите утвердительно.

Садов и парковых газонов до XVII века не существовало, и лишь впоследствии они стали популярными у британской аристократии. Снаружи парков обустраивали, как правило, целую сеть гравийных дорожек, а внутри располагались коротко подстриженные газоны. Затем, в XVIII веке, появились первые ландшафтные дизайнеры (сначала их называли ландшафтными архитекторами), среди которых были такие суперзвезды, как Ланселот Браун например. Эти люди заменили модные тогда регулярные парки (с геометрически правильной планировкой) необузданными волнами пасторальной фантазии. Для очень богатых клиентов Браун создавал свои фирменные серпантинные озера, окруженные газонами с фигурами оленей и пасущимися овцами. Эти зеленые участки появлялись лишь у домов весьма состоятельных людей просто потому, что для стрижки травы косами и ручными ножницами требовалось немало рабочей силы. Но в 1830 году Эдвин Беард Баддинг из Страуда изобрел газонокосилку. Быстро растущему среднему классу Великобритании не потребовалось много времени, чтобы крепко ухватить это изобретение за ручку. И так началось повальное увлечение домашними газонами.

Проблема в уходе за газоном заключается в том, что сама его стрижка стимулирует рост травы. В случае с деревьями, скажем, все наоборот. Да и многие растения не в силах справиться с регулярными подрезками. Часть растения, которая обеспечивает его рост, называется меристемой, и у тюльпанов, бегонии и гвоздик, например, меристемы находятся на кончиках растущих побегов. Если вы срежете эти побеги, то отрубите меристему, и растению придется начинать процесс выращивания побегов заново. А это может стоить ему значительных энергетических затрат. Если же вы продолжите подрезать растение, в конце концов оно истратит все свои ресурсы и умрет. С другой стороны, у трав меристемы спрятаны у самого основания стебля, так что они продолжают расти с места среза и не обращают внимания на потерянную верхушку. Они эволюционно развили эту систему в ответ на то, что их постоянно жуют травоядные. Так что если вы регулярно подстригаете газон, то там смогут выжить лишь травы.

Однако есть несколько исключений из этого правила. Лютики, маргаритки, одуванчики, клевер, мох и другие растения, растущие очень близко к земле, тоже будут чувствовать себя прекрасно на вашем газоне, живя в режиме постоянной стрижки. И что самое страшное: если вы ввяжетесь в биологическую войну с ними, то никогда ее не выиграете.

Существует связь между числом видов растений и количеством биологического материала, или биомассы, на конкретной местности. Экологи путешествовали по всему миру и измеряли эти показатели на различных участках площадью 1 м². Хотя газон можно рассматривать как нечто переходное от естественной среды обитания к искусственно управляемой среде, оказалось, что большое количество биомассы на домашнем газоне соответствует максимальному числу видов. То есть ваш газон идеально подходит для невероятного биоразнообразия. Известкованная почва с коротко подстриженным дерном на ней является одной из самых ботанически разнообразных земель в мире. В среднем на квадратном метре участка с такой почвой насчитывается сорок различных видов, и эта столь богатая среда обитания – то, чем ваш газон станет некоторое время спустя естественным образом.

Мечта о газоне, где будет расти лишь коротко подстриженная зеленая трава, с точки зрения биологии противоречит всем ожиданиям. Поэтому у вас есть всего два варианта действий. Первый – использовать гербициды и бесконечно сгребать листья и пропалывать газон, чтобы оградить его от сорняков. И второй – просто смириться с биологическим разнообразием. В конце концов, даже если это не трава, то все равно нечто зеленое. Ну а если ненадолго оставить газон в покое, то к зеленому добавятся также желтый, белый, розовый и фиолетовый.

Цвета осени

Одна из самых больших радостей осени – это прогулка по разноцветному лесу, когда вокруг переливаются желтые, оранжевые и красные оттенки, а под ногами шуршит опавшая листва. Любопытно, что это знакомо каждому из нас, однако нам до сих пор не до конца ясно, почему так происходит.

Первым делом стоит отметить, что листья опадают вовсе не потому, что умирают. Скорее, это само дерево инициирует активный процесс умного избавления от затратного ресурса, что в целом выглядит как старение. Дерево, например дуб, рискует сильно пострадать или даже погибнуть в суровую зиму, если сохранит свою крону из листьев. С приближением зимы продолжительность дня сокращается, температура падает, и растения, в том числе деревья, могут улавливать эти изменения. Они сигнализируют ветвям, что пришло время сбрасывать листья. Но сначала деревья тщательно высасывают из них все полезные питательные вещества, а затем с хирургической точностью блокируют все пути утечки ресурсов в листья. Это ослабляет стебли последних прямо у основания, так что ветер теперь легко может оторвать листья, и они упадут на землю.

Одним из ключевых веществ, которые деревья извлекают из листьев, является хлорофилл, дающий листьям зеленый цвет. Он содержит ценный магний, так что стоит того, чтобы дерево его спасало. Хлорофилл позволяет растениям улавливать энергию солнечного света, но это не единственный пигмент, который можно обнаружить в листьях деревьев. Они также часто полны желтых и оранжевых пигментов, называемых каротиноидами. Да, именно они делают морковь оранжево-желтой. А также каротиноиды помогают хлорофиллу поглощать солнечный свет, хотя обычно их и скрывает зеленый цвет. Однако, поскольку они не содержат никаких полезных минералов, деревья не утруждают себя «вытаскиванием» каротиноидов из листьев. И когда последние освобождаются от хлорофилла, то постепенно превращаются из зеленых в желтые или оранжевые.

Это объясняет, почему осенью мы видим желтые листья на березах, однако не дает ответа на вопрос, почему листья на клене становятся красными. За красный цвет ответственны пигменты антоцианы, которые не присутствуют в зеленых листьях. Деревья вырабатывают их одновременно с извлечением из листьев хлорофилла. Это кажется странным, ведь на производство красных пигментов тоже тратится определенное количество энергии, а они довольно быстро теряются вместе с листьями. Значит, дерево должно получать какую-то пользу от антоцианов.

Существует три теории, объясняющие выработку красных пигментов. Первая опирается на антиоксидантные свойства антоцианов. По иронии судьбы для растений нет более серьезной проблемы, чем солнечный свет. Зеленым листьям хлорофилл позволяет хорошо улавливать солнечную энергию, но с его уходом энергия фотонов сеет в клетках листьев хаос. Кванты света выбивают электроны из молекул, превращая их в свободные радикалы. Эти химически очень активные молекулы вызывают всевозможные повреждения внутри растительных клеток, и именно их и нейтрализуют антиоксиданты. Красный цвет, который мы видим на листьях, действует как солнцезащитный крем, позволяя им оставаться полезными вплоть до конца срока их службы.

Однако эта теория не объясняет, почему в Северной Америке, к примеру, бушуют огненно-красные расцветки, тогда как в Европе преобладают оранжевые и желтые тона. Исследования осенних садов показали, что деревья, которые становятся красными, меньше страдают от тли, чем те, что пожелтели. Возможно, красные листья неаппетитны для тли потому, что они насыщены неприятными на вкус антоцианами. В рамках этой, второй, теории предполагается, что во время последнего ледникового периода популяции насекомых были захвачены и уничтожены ледяными щитами, которые надвигались с севера и с альпийского юга. И в результате европейские деревья эволюционировали без того количества зимующих насекомых, от которого им в противном случае пришлось бы защищаться антоцианами. В Америке же подобной ледяной катастрофы не было, и поэтому красный цвет остался.

И, наконец, третья существующая в настоящее время теория выглядит особенно зловеще. В одном из своих исследований ботаники обнаружили, что антоцианы, произведенные и затем выброшенные деревом под свою крону, оказывают токсическое действие на близлежащие саженцы. Похоже, великолепные красные оттенки кленов могут означать, что последние активно травят своих конкурентов.

Сегодня мы действительно пока не знаем всех причин появления осеннего многоцветия, которых, вероятно, довольно много. Но у нас определенно нет ни одной причины не наслаждаться этим великолепным зрелищем каждый год.

«Лунатики» и звук грома вдалеке

Моим самым любимым научным героем был врач XVIII века, поэт, натурфилософ и эрудит Эразм Дарвин, который также приходился дедушкой Чарльзу Дарвину. Эразм Дарвин жил в Личфилде, к северу от Бирмингема, в Англии, и его дом там стал центром свободного мышления и научных исследований. Среди мероприятий, в которых Дарвин принимал участие, были заседания так называемого Лунного общества Бирмингема. Этот интеллектуальный клуб получил такое название лишь потому, что его собрания проводились исключительно в ночи полнолуния, когда было светло и экипажи членов общества могли вернуться домой. Если внимательно изучить состав Лунного общества, можно составить полную энциклопедию «Кто есть кто» в научном мире XVIII века. В него входили, скажем, такие светила, как прославившийся изобретением паровоза Джеймс Уатт или первооткрыватель кислорода и изобретатель газированных напитков Джозеф Пристли, а периодически на заседания приходил даже Бенджамин Франклин. Эти великие люди собирались за ужином, чтобы обсудить актуальные темы натурфилософии, выпить портвейна и, что особенно важно, провести эксперименты.

Нам достоверно известно об одном из таких экспериментов. Они попытались его провести, изучая явление, о котором я и сам часто размышляю, когда слышу его. Почему гремит гром? После вспышки молнии, как правило, есть пара секунд, чтобы подготовиться к раскатам грома. В это время стоит сосредоточить свое внимание на точной природе звука. То, что вы обычно слышите, это громкий треск, сопровождающийся грохочущим шумом. Последний может длиться десятки секунд и быть таким же громким, как и начальный треск.

Еще в XVIII веке Эразм Дарвин и остальные «лунатики» решили исследовать природу грохота грома. Они знали, что этот звук вызывается вспышкой молнии, хотя и не совсем понимали, как именно и почему это происходит. Они придумали схему по созданию искусственного взрыва высоко в воздухе. Один из членов группы, промышленник из Бирмингема Мэттью Болтон, сконструировал огромный бумажный шар диаметром 1,5 м. Его заполнили более легкой, чем воздух, и очень взрывоопасной смесью водорода и кислорода. К этой парящей бомбе прикрепили взрыватель, затем зажгли его и запустили воздушный шар в вечернее небо.

К несчастью, фитиль горел гораздо медленнее, чем «лунатики» рассчитывали, так что, пока эти великие умы ждали – без сомнения, со стаканами портвейна в руках, – они отвлеклись и начали болтать. В результате, когда воздушный шар наконец взорвался с колоссальным грохотом, они были так удивлены, что забыли прислушаться к звуковым нюансам. К счастью, Джеймс Уатт не присутствовал на этой встрече и услышал грохот из своего дома неподалеку. Он отметил, что после первого взрыва шум усилился еще на секунду или около того. Лунное общество пришло к выводу, что гром гремит потому, что звук молнии отражается от близлежащих холмов.

Гром действительно гремит чуть громче из-за отражения от соседних зданий и в силу топографических особенностей местности, но это лишь незначительный аспект этого явления. Чего не смогли сделать «лунатики», так это имитировать удар молнии.

Когда ударяет молния, поток электричества в воздухе создает температуру выше, чем на поверхности Солнца, – она превышает 20 000 °C! Этот перегретый воздух расширяется с такой невероятной скоростью, что поражает окружающий его холодный воздух мощной ударной волной. Поскольку процесс идет на сверхзвуковых скоростях, ударная волна создает звуковой удар. Главное, что упустили Дарвин и его друзья, это то, что генерация звука происходит по всей длине плазменного шнура молнии.

Представьте себе молнию, которая бьет вертикально и ударяет в землю примерно в 2 км от того места, где вы стоите и слушаете. Теперь примем во внимание, что средняя длина молнии составляет 10 км. В этом случае нижняя часть молнии находится всего в 2 км от вас, а верхняя – более чем в 10 км. Если учесть скорость звука, то звуковой удар от основания молнии достигнет ваших ушей всего через 2 с. А шуму от самой верхней части плазменного шнура, если вы вообще сможете услышать его на таком расстоянии, потребуется до 30 с, чтобы до вас добраться. Промежуточный период времени будет заполнен грохотом, исходящим от различных частей молнии между ее низом и верхом.

В природе молния редко бывает такой аккуратной, как наша гипотетическая. Плазменный шнур часто меняет направление, создавая зигзагообразный узор, и середина молнии может оказаться от вас даже дальше, чем вершина. Вполне возможно также, что вам часто доводилось видеть молнию, которая проскакивает между облаками, перемещаясь горизонтально и не ударяясь о землю. Если разряд такого типа проскакивает прямо от вас, то звук от его дальнего конца приходит позже. Все это, вкупе со звуковыми отражениями, усложняет картину того, что вы слышите, и создает раскатистый гром.

С современным пониманием физики мы можем поставить эксперименты Эразма Дарвина и его коллег-«лунатиков» на более высоком уровне. Ясно, что нам понадобится целый ряд воздушных шаров, наполненных взрывчатой смесью, который протянется на километры в небо. В этом случае мы получим подходящий раскат грома, но едва ли это будет безопасный эксперимент.

Моя радуга – не твоя

Первое, что я делаю, когда вижу радугу, это ищу глазами вторую. Кому-то это может показаться жадностью с моей стороны. В конце концов, разве одного такого чуда природы недостаточно? Однако зачем отказывать себе в удовольствии понаблюдать за целым арсеналом оптических явлений, включая отраженную радугу, полосу Александра и даже множественную радугу, если действительно повезет?

Прежде всего стоит изучить основы «радугологии», пусть даже такого слова и не существует. Я его только что придумал, если вам интересно. Чтобы увидеть радугу, необходимы две вещи: солнечный свет и ливень. Вам нет нужды смотреть прямо на солнце, достаточно, чтобы оно освещало область осадков, которую вы можете видеть. Поскольку для этого требуется, чтобы солнце светило вниз под довольно небольшим углом, проще увидеть радугу утром или вечером, а также зимой и весной в течение дня. Кроме того, область дождя должна располагаться прямо перед вами, когда вы стоите спиной к солнцу.

Необходимость столь строгого сочетания солнца и дождя обусловлена тем, что увидеть радугу – это как поставить оптический эксперимент. Свет, падающий на некоторый участок дождя, отражается один раз от задней части дождевых капель и через переднюю их часть возвращается в воздушную среду. Причина, по которой появляются цвета, связана с эффектом преломления света на границе жидкой и воздушной сред. Когда свет переходит из воздуха в воду, он немного замедляется, и это заставляет его слегка менять направление, то есть преломляться. Угол преломления зависит от длины волны, то есть наблюдаемого глазом цвета, причем красный цвет преломляется меньше всего, а фиолетовый – больше всего. Когда свет входит в капли дождя, он преломляется и распадается на разные цвета, и в результате рождается радуга, с красным цветом снаружи дуги и фиолетовым – внутри.

Эти физические законы имеют несколько следствий, которые до сих пор заставляют меня задумываться всякий раз, когда я вижу радугу. Во-первых, то, что вы видите как цельную картинку радуги (та же ситуация с пикселями монитора), на самом деле состоит из миллионов крошечных точек. Радуга складывается из собственных «пикселей», каждый из которых представляет собой отдельную каплю дождя. Это настолько тонкая работа природы, что вы едва ли сможете разглядеть эти капли даже на фотографии с самым высоким разрешением.

Во-вторых, положение радуги на небе зависит от того, где находится наблюдатель. Отражения от задней поверхности каждой дождевой капли достигают его глаза только в том случае, если все углы идеально совпадают. Если наблюдатель сделает шаг в сторону, то увидит свет, отраженный от других капель дождя, и радуга окажется для него уже в другом месте. Следствием этого факта является то, что у каждого из нас своя, уникальная радуга. Бывает и так, что вы видите полную радугу, а кто-то другой, стоящий рядом, только частичную. Более того, каждый из ваших глаз видит собственную радугу. Остановитесь на мгновение, чтобы обдумать это, и в следующий раз, когда появится радуга, закройте сначала левый глаз, а затем правый и попытайтесь заметить разницу.

Удивительно, но явление радуги было довольно полно объяснено уже в конце XIII века. Его исследованием независимо друг от друга и примерно в одно и то же время занимались иранский ученый Камаль аль-Дин аль-Фариси и немецкий монах-доминиканец Теодорих Фрейбургский. Они оба использовали сферические стеклянные колбы, чтобы показать путь, который проходит свет внутри капли дождя, и, предположительно, создавали собственные крошечные радуги.

Еще один человек, имя которого часто упоминают, когда речь заходит о радуге, – это Исаак Ньютон. В середине XVII века люди все еще не понимали, откуда берутся ее цвета. Существовало две теории. Поскольку получить радугу можно было самостоятельно, пропуская свет через призму или сферу, некоторые считали, что это они каким-то образом окрашивают свет. Другие уверяли, что белый свет состоит из света различных цветов. На первый взгляд ни то ни другое не казалось таким уж вероятным объяснением. Но в 1666 году в своем доме в Вулсторпе в Англии Ньютон поставил experimentum crucis, или решающий эксперимент. Он разделил солнечный луч на радугу с помощью призмы. А затем использовал линзу, чтобы собрать радужный свет обратно, и сфокусировал его на другой призме. На этот раз из другого конца вышел белый свет. Таким образом Ньютон окончательно доказал, что белый свет состоит из света разных цветов. Мы знаем об этом эксперименте в Вулсторпе из записей, сделанных самим Ньютоном в одном из его дневников. В них он указывает расстояния между оптическими приборами и от отверстия в ставне, через которое солнечный луч пробивался в комнату и концентрировался на дальней стене. Я лично проверил эти измерения в его комнате в Вулсторпе и убедился в точности данных. Представители национального фонда, хранящего эти реликвии, сказали мне, что я стал первым, кто это сделал, но я им не поверил. Хотя это отличная сказка для детей.

В качестве отступления расскажу, что именно Ньютон выделил отдельные цвета радуги, которые мы знаем сегодня, и дал им названия. К примеру, известна ли вам разница между синим и фиолетовым? Вначале цветов было всего пять: красный, желтый, зеленый, голубой и фиолетовый. И уже Ньютон добавил к этому списку оранжевый и синий. Важно отметить, что это дало ему семь цветов и вполне соответствовало его склонности к алхимической нумерологии: семь цветов для семи музыкальных нот и семи планет, о которых тогда знали.

Итак, если вы не из тех, кто останавливается на достигнутом, можете поискать еще одну радугу. Люди часто видят две радуги. В следующий раз, когда на небе появится радуга, посмотрите немного выше этой основной радуги, или радуги первого порядка. Если вам повезет, вы увидите еще и отраженную радугу, или радугу второго порядка. Обычно она более рассеянная и почти незаметная. Настолько, что люди, как правило, ее не видят, хотя зачастую она есть. Ее появление вызвано точно таким же процессом отражения света, как и в случае с основной радугой, за исключением того, что свет внутри каждой капли дождя отражается дважды. Этот второй отскок внутри капли переворачивает цветовую последовательность отраженной радуги, так что красная полоса оказывается внутри дуги, а фиолетовая – снаружи.

Возможно, я хочу слишком многого, желая увидеть сразу две радуги, но мне так нравится это волнение, когда ищешь вторую. К тому же и на этом чудеса не заканчиваются. Существует еще пара малоизвестных фрагментов радуги, на которые стоит обратить внимание. Первый – полоса Александра, названная в честь древнегреческого философа. Она представляет собой затемненный участок на небе между радугами первого и второго порядка. Как только вы увидите ее, ищите то, что многим известно как множественная радуга. Это узкие цветные полоски, обычно зеленые и синие, на внутренней стороне основной радуги. Оба этих эффекта вызываются сложными оптическими отражениями и помехами, и проявляются они только в том случае, если капли дождя обладают похожим размером и равномерно распределены. Как вы можете догадаться, такое случается редко.

Благодарности

Книга, которую вы держите в руках, увидела свет благодаря усилиям целого ряда очень важных людей. Это мой литературный агент Сара Кэмерон, которая каким-то образом умудряется знать всех и, похоже, всем про меня рассказывает. За это я ей бесконечно благодарен, так как знакомство с ней дало мне возможность написать эту книгу.

Также я должен поблагодарить замечательных людей из издательства Michael O’Mara Books, в частности Хью Баркера и моего непосредственного редактора Габби Немет, которые существенно облегчили процесс написания книги и с юмором и терпением относились к моим неуклюжим, бессвязным, а иногда и откровенно странным вопросам. Хотя я все еще не уверен когда именно, но в какой-то момент вы стали пресекать мою тягу к английской системе мер. Что ж, разве микрометры недостаточно малы и нам все же стоит обращаться к нанометрам?

Наконец, и это самое главное, я благодарю свою жену Джульетту за то, что она, как и всегда, не давала мне сбиться с верного пути. Без ее редактуры, глубокого понимания науки и дружеского общения это было бы совсем другое произведение. Кроме того, и мне больно это признавать, без ее помощи я бы не смог уложиться ни в один из дедлайнов.