Осмотические стрельбы
Можно ли на Земле добиться ускорения в миллионы раз больше, чем g, ускорение свободного падения на поверхности нашей планеты? На первый взгляд кажется, что вряд ли. Так, снаряд, вылетающий из ствола пушки имеет всего 46 тысяч g, а человек может выдержать не более 160 g. Миллион земных g — это уже дальние космические объекты, например, белый карлик. Однако специалистам («PLOS ONE»; doi:10.1371/journal.pone.0158277, 25 июля 2016 года, полный текст) известно, что именно на Земле это совсем не чудо: с ускорением 5,5 млн g вылетает гарпун из гидроидного полипа — стрекающего колониального кишечнополостного. И «артиллерийские» 100–150 тыс g — отнюдь не экзотика — с таким ускорением разлетаются споры многих грибов. При этом фантастическими у них оказываются не только ускорения, но и развиваемые скорости. Рекордсменом служит вредитель злаковых посевов грибок Gibberella zeae: его споры летят со скоростью 1200 км/ч при ускорении в 840 тыс g. Правда пролетают они, по нашим меркам, недалеко — на один сантиметр (по меркам споры — это как десятки километров для человека), что не мешает грибку быстро заражать посевы и зерна, вызывать стеблевую гниль кукурузы или фузариоз колоса пшеницы и наносить миллиардные убытки земледельцам. А вот гриб-пушка Pilobolus kleinii хоть и с меньшей скоростью — 30 км/ч — выбрасывает спорангии (мешочки со спорами) на 2,5 метра. Сфагнум отстреливает споры со скоростью в 100 км/ч при ускорении 73 тыс g, а белая шелковица отправляет в полет свою пыльцу со скоростью 853 км/ч, то есть быстрее пассажирского самолета. Рекорд по дальности стрельбы поставило растущее в габонских джунглях дерево Tetraberlinia moreliana: при высоте 15 метров оно выстреливает семена весом 2,5 г на расстояние в 60 метров.
Удивительно, но за всеми этими рекордами стоит одно и то же явление — осмос. Да-да, чудовищных, недоступных человеческой технике ускорений растения и грибы-бомбардиры достигают всего-навсего перекачиванием воды сквозь полупроницаемую мембрану.
Исследователи выделили три механизма создания запаса упругой энергии для выброса снаряда. Это конденсация воды на поверхности клеток, проникновение воды внутрь клеток с разбуханием цитоплазмы и испарение воды изнутри клетки со сжатием цитоплазмы внутри клеточной оболочки. Вот примеры того, как эти механизмы работают.
Возьмем гриб иудино ухо. Он использует для разбрасывания спор первый механизм, хотя аналогично действуют и многие другие съедобные грибы. Суть механизма такова. Спора гриба имеет вид изогнутой фасолины. На ней образуются две капли воды: одна в самом низу, рядом с тем местом, где спора крепится к стеригме — тончайшему выросту, удерживающего спору (по стеригме созревшее ядро как раз и попадает в спору, после чего, видимо запускается процесс перекачки воды, ведущий к отстрелу). Вторая же капля формируется в ложбинке посередине споры. Когда капли дорастут до такого размера, что их края встретятся, произойдет слияние. Под действием поверхностного натяжения весь объем первой капли мгновенно перемещается во вторую. Это создает момент движения, спора отрывается от стеригмы и летит со скоростью 4 км/ч при ускорении 3200 g. Пролетает, впрочем, немного, всего полмиллиметра. А далее вся надежда на то, что воздушный поток подхватит спору и унесет ее подальше от гриба.
Гораздо надежнее механизм, связанный с наполнением клеток водой. Его использует гриб сфероболюс звездчатый, похожий на небольшой дождевик. У такого гриба спорангий лежит поначалу внутри оболочки плодового тела. При созревании верхняя ее часть разрывается, а слой оболочки под спорангием начинает наливаться водой — этому способствует превращение гликогена в глюкозу. Давление в клетках растет, создавая так называемый тургор. У грибов оно может достигать колоссального значения в сотню атмосфер; благодаря этому, например, городские шампиньоны взламывают толстые слои асфальта. Когда напряжение в оболочке достигает критического значения, она мгновенно выворачивается наружу, подобно древнеримской баллисте выбрасывая ядро на расстояние до 6 метров. От гриба остается разорванная оболочка, лоскуты которой разложены подобно звезде — отсюда и название.
Этот механизм работает и по-другому: энергия копится в дополнительном рабочем теле. Например, у зловредного гриба Gibberella zeae, как и его многочисленных родственников аскомицетов, имеется плодовая сумка со спорами. По их созревании начинается накачка воды внутрь сумки, которая постепенно растягивается. Однако это растяжение не может противостоять возрастающему давлению. Однажды сумка прорывается в своей вершине и споры с неимоверной скоростью катапультируются вместе со струйкой воды. Аналогично поступает сфагнум, только он задействует третий механизм — испарение. Рабочим телом ему служит воздух: стенки споровой капсулы, теряя воду, сжимаются и сдавливают воздух. Тот, в конце концов сорвав крышку, вылетает с огромной скоростью, прихватив с собой споры мха, которые поднимаются на 10–15 см в высоту. Здесь у них есть шанс выйти из ламинарного в турбулентный поток приземного воздуха и улететь далеко от родного болота.
Очень интересен механизм катапульты, используемый белой шелковицей — той самой, листьями которой китайцы издавна кормят своих шелковичных червей — для разбрасывания своих пыльцевых зерен. У цветка шелковицы пыльник похож на подсолнух — это большой диск на длинной ножке. Изначально ножка согнута, а пыльник приделан к ложу цветка. По мере созревания пыльцы ножка наливается водой и возникают сильные упругие напряжения. Но вот пыльца созрела, а влажность окружающей среды упала. Пыльник начинает подсыхать, связь его с ложем разрывается, ножка распрямляется, головка пыльника движется с огромным угловым ускорением — до 5 млн радиан на секунду в квадрате — и пыльца летит подобно камню из какой-нибудь древнегреческой катапульты, только гораздо быстрее.
Вся эта история про удивительные способности растений и грибов к метанию предметов порождает несколько вопросов. Например, как же устроены споры, что они выдерживают чудовищные нагрузки во время полета с ускорением в сотню тысяч g? Как грибы умудряются накачивать в свои нежные клетки воду до тех же давлений, которые человек получает только в специально сделанных баллонах из прочной стали или многослойных композитов? И, наконец, нет ли возможности, присмотревшись к «грибным» методикам, провести их масштабирование, научиться с помощью, очевидно, весьма экономичных технологий осмоса, без использования пороха и прочих горючих веществ, придавать различным предметам огромные ускорения?
Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 2/2019) на с. 25.