Почему мы не проваливаемся сквозь пол - Джеймс Гордон

Глава 5

Древесина и целлюлоза, или о деревянных кораблях и железных людях

Во время войны, когда мы работали над прочными пластиками, профессор Чарльз Гурни взял за правило декламировать мне чуть ли не каждый день стишок, смысл которого сводился к тому, что сделать пластик - не фокус, а вот создать материал, подобный дереву, под силу лишь всевышнему. Меня это несколько угнетало, потому что древесина действительно лучше подходила для самолетов, чем те пластики, которые мы в то время умели делать. Даже и по сей день имеются конструкции (например, гидропланы, определенного типа суда), для которых древесина остается наиболее подходящим материалом.

Древесина и другие формы целлюлозы с успехом применяются в технике. Но этого мало, целлюлоза в природе вообще имеет чрезвычайно широкое применение. Целлюлоза является конструкционным элементом всех растений. Именно прочность и жесткость целлюлозы держат зеленую листву растения “лицом к солнцу”, без чего невозможен процесс фотосинтеза - отправной химической точки для всех форм жизни. На долю целлюлозы приходится в среднем около трети веса всей растительности на Земле - практически эта цифра вне пределов точного учета. В целлюлозе заперта большая часть имеющегося на Земле углерода. В телах животных целлюлоза встречается редко, хотя и обитает в океане небольшой класс животных - оболочники, в основном состоящие из целлюлозы, внешне они напоминают продолговатых медуз и, по-видимому, не имеют определенной устойчивой формы. А вот в насекомых содержится полимерное вещество хитин, которое очень похоже на целлюлозу.

Обратившись теперь к материалам, которые использует человек, мы увидим, что целлюлозе здесь принадлежит ведущая роль. Годовое потребление древесины в мире (не считая топлива) - где-то между 800 и 1000 млн. тонн (древесина - достаточно важный материал в технике, чтобы попасть в официальные статистические сборники). Необработанная древесина, идущая на заборы, а также бамбук для строений, солома и камыш для крыш и т.д. используются сельским населением примерно в таком же количестве, но каких-либо статистических данных по таким “неиндустриальным” материалам, конечно же, нет. Мировое производство чугуна и стали составляет около 400 млн. тонн, цифры для любого металла по сравнению с этой пренебрежимо малы[35].

Отнесенные к единице веса величины прочности малоуглеродистой стали и древесины вполне сравнимы, так что возможно, что общая нагрузка, которую несет в мире древесина, даже превышает нагрузку, приходящуюся на сталь. Однако несомненно, что нагрузки, которые доверяют стали, как правило, более впечатляющи.

Поскольку плотность древесины составляет в среднем примерно 1/14 плотности стали, то общий объем используемой в мире древесины может быть больше объема стали раз в 30.

Отношение количества потребляемой древесины к количеству стали от страны к стране сильно изменяется, однако его нельзя считать показателем степени индустриализации или технического прогресса. В Англии и Голландии в год на душу населения приходится около 500 кг стали и лишь 320 кг древесины. В США потребление стали примерно на том же уровне, потребление древесины значительно выше - около 1100 кг. В Канаде еще выше - 1500 кг. В менее развитых странах потребление и того и другого меньше.

Рост растения

Целлюлоза является примером стандартизованного производства в природе. Функции и общий вид молекул целлюлозы во всех, даже весьма сильно отличающихся одно от другого растениях, одинаковы. Правда, молекулы могут быть несколько разной длины, могут по-разному комбинироваться, но все это детали - химическая суть их всегда одна.

Все достаточно развитые растения содержат пустотелые вытянутые веретенообразные клетки-ячейки, стенки которых состоят в основном из целлюлозы. (Вот откуда и название “целлюлоза”: cell - ячейка, клетка, а суффикс ose - общий для всех сахаров, например фруктоза - фруктовый сахар и т. д.) Эти пустотелые веретена оказываются волокнами, которые принимают на себя механические нагрузки, обеспечивая прочность.

Рис. 36. Молекула глюкозы.

Вначале в листьях растений из атмосферного углекислого газа CO2 и воды под действием солнечного света образуется простой сахар-глюкоза (рис. 36). Подобно другим простым сахарам, глюкоза хорошо растворяется в воде (кстати, поэтому она легко усваивается организмом) благодаря ее пяти гидроксильным группам, которые притягивают молекулы воды, а также тому, что молекулы глюкозы физически достаточно малы и могут свободно блуждать в объеме воды, конечно, при условии, что их там не слишком много. Концентрированный раствор глюкозы напоминает патоку.

Рис. 37. Ячейки целлюлозной цепочки; обычно цепочка содержит несколько сотен таких ячеек

Растворенная в соке растения глюкоза проходит по его внутренним каналам и поднимается к растущей клетке. В стенке этой клетки молекулы глюкозы своими концами соединяются между собой (рис. 37). Соответствующая химическая реакция известна как реакция конденсации: -ОН + НО- → -O- + Н2O

В результате образуется кислородная связь (-O-) и молекула воды, которая уходит в сок. Всем этим процессом в растении управляет вещество, которое называется ауксин; но как это происходит, в настоящее время не ясно. Кислородная связь между кольцами cахаров все-таки остается уязвимым звеном в целлюлозной молекуле, которая может достигать в длину нескольких сотен глюкозных ячеек. Именно эта связь разрушается с помощью ферментов в желудках жвачных животных, благодаря чему они могут усваивать целлюлозу; она же разрушается, когда дерево атакуют различного рода грибки. Та же связь рвется под воздействием простых химикалиев; так разрушает ее отбеливающий порошок, используемый в прачечных, что оказывается причиной постепенного старения и износа рубашек после многих стирок[36].

Длинные целлюлозные цепочки откладываются в стенках клеток более или менее параллельно клеткам или волокнам, то есть, можно сказать, в направлении приложенной нагрузки. Процесс роста целлюлозы в целом весьма примечателен. Обычное дерево в возрасте нескольких лет имеет ствол с несколькими отходящими от него небольшими веточками. Каждая из этих веточек по существу представляет собой консольную балку, изгибаемую собственным весом (глава 1). Это значит, что верхние слои веток нагружены растяжением, а нижние - сжатием. Сук становится все толще и длиннее, а стало быть, и тяжелее, поэтому напряжения в верхних и нижних волокнах, в том месте где сук выходит из ствола, увеличиваются. Как и ствол, ветка растет: с каждым годом на ее поверхности под корой слой за слоем откладывается новый материал. Если бы очередной слой откладывался каждое лето в свободном от механических напряжений состоянии, то ветка, или балка, провисала бы все больше и больше, и все деревья должны были бы уподобиться плакучей иве. Однако с большинством деревьев такого не случается. Сучья растут примерно под одним и тем же углом к стволу в течение всей жизни дерева, так что молодое деревце можно считать геометрически подобным взрослому дереву. Так получается потому, что у большинства пород новая целлюлоза откладывается уже во вполне определенном напряженном и деформированном состоянии.

Работая с гидрохиноном и другими довольно простыми растворимыми веществами, я выращивал длинные игловидные кристаллы, усы (глава 3), которые утолщались путем как бы натягивания на поверхность новых слоев материала, что геометрически похоже на растущие слои в дереве. Исходные усы, тонкие волоконца, часто были в высшей степени изогнутыми, и можно было заметить, что растущие слои оказывали на них сильное выпрямляющее воздействие, отчего волнистые зародыши, вырастая до миллиметровой толщины, всегда становились очень прямыми. Отсюда ясно, что растущие слои этих кристаллов формировались под значительным механическим напряжением и эти напряжения выпрямляли волокна. Подобные явления встречаются довольно часто в простых небиологических системах, в этих случаях ни о каких дополнительных управляющих веществах или биологических механизмах и речи быть не может. Мы могли бы поэтому предположить, что прямой, без провисания рост ветки идет под механическим напряжением тоже без участия какого-либо биологического механизма. Но не все растения ведут себя подобным образом, и с помощью прививки можно заставить нормально растущее дерево стать похожим на плакучую иву. Есть предположения, что ауксин, управляющий синтезом целлюлозы, под действием тяжести концентрируется в нижних слоях ветки и, следовательно, внизу целлюлозы откладывается больше. Мне кажется, однако, что это далеко не полный ответ.