Реферат: Гениальные архитекторы природы

На протяжении всей своей истории человечество было вынуждено бороться со стихийными силами природы. Чтобы выжить, человеку приходилось строить, создавать, изобретать и, конечно, учиться всему этому. А учиться ему всегда было у кого, например у растений. Благодаря им человеку удалось создать удивительные архитектурные формы и конструкции: «Хрустальный дворец» – павильон для всемирной выставки в Лондоне (1851), удивительный по своему решению вокзал в Ливерпуле (1852), Парижская библиотека (1861) и Эйфелева башня (1889). Уникальность этих сооружений в том, что, несмотря на свои гигантские размеры, все они производят впечатление легкости и изящества.

Первым, кто для решения строительных проблем обратился к помощи растений, был, вероятно, архитектор Джозеф Пакстон. В 1837 г. он возводил крупнейшую для того времени оранжерею из стекла и металла. В молодости Пакстон был любителем-садоводом и обратил внимание на интересную особенность гигантских плавающих листьев виктории регии. Достигающие 2 м в диаметре, но имеющие незначительную толщину, листья этой лилии поразительно прочны – они, не ломаясь, выдерживают тяжесть взрослого человека. Причина столь удивительной особенности кроется в специфике строения листа. Из его центра с нижней поверхности, той, что опирается на водную гладь, лучами расходятся толстые жилки. По мере приближения к краю листовой пластины они многократно ветвятся, укрепляя всю конструкцию в целом. Именно этот принцип и был позаимствован архитекторами-людьми у архитекторов-растений.

Прочность и легкость – важные качества любой конструкции. Их сочетания можно достичь не только при помощи способа, предложенного нам амазонской водяной лилией. Ребра жесткости усилить можно и другим путем. В тропиках произрастает большое количество растений с очень крупными листьями, площадь поверхности которых колеблется в пределах от 15 до 60 м² ! Это, например, всем известный банан, некоторые виды фикусов, монстер и веерных пальм. Такие размеры требуют предельной легкости листовой пластины, чтобы избежать чрезмерной нагрузки на черешок. Дело осложняется тем, что в местах произрастания растений с гигантскими листьями, как правило, часты проливные дожди и шквальные ветры. Так, на островах Малайского архипелага в течение нескольких часов на землю низвергается просто колоссальное количество воды, и часто эти ливни сопровождаются ураганами. Ну как уцелеть листьям в таких условиях?!

Банан

Растениям удалось успешно решить эту сложную техническую проблему, используя принцип гофрированности. Позже и люди стали использовать его при создании кровли, стен металлических гаражей, особо прочной и легкой черепицы, шифера, фюзеляжей летательных аппаратов, упаковочного материала. Любопытно, что растениям удалось еще более облегчить свои листовые пластины, перфорируя и разрывая их в определенных местах. При этом частичное нарушение листовой пластинки ни в коем случае не отражается на ее биологических функциях. Такие продырявленные листы имеют монстеры. А огромные листья бананового дерева разрезаны дождем и ветром на многочисленные узкие полоски, разрывы между которыми доходят порой до самой центральной жилки. Такая свободно реющая на ветру бахрома спасает весь лист от обламывания и слишком жестких лучей солнца. Люди воплотили эту идею в жизнь лишь в 1965 г. – при сооружении свободнонесущей конструкции защитного навеса на въезде в один из самых глубоких современных тоннелей под горой Монблан.

Монстера

Со времен античности одним из важнейших архитектурных элементов является колонна. Более 4 тыс. лет люди создавали ее с однородной внутренней структурой – как сплошной цилиндрический монолит, высеченный чаще всего из мрамора. И лишь не так давно архитекторы научились у растений более рациональным конструкциям, которые одновременно и прочнее, и требуют меньше материала. Ведь основная нагрузка ложится на наружные слои опоры, в то время как внутри она может быть пустотелой. Вспомним соломину злаков! Стебли большинства этих растений имеют в поперечнике всего 2–5 мм, а в высоту могут достигать более метра и завершаются тяжелым колосом.

Однако и внешний слой опоры можно облегчить, применив способ армирования. Люди освоили этот строительный прием лишь в 1867 г., когда наблюдательный французский садовник (обращаем внимание: опять садовник!) Ж.Монье изобрел железобетон, позаимствовав идею у растений. Без этого открытия многие современные сооружения (мосты через реки и заливы, небоскребы, телебашни и др.), отличающиеся огромными размерами, были бы немыслимы. Растения же используют принцип армирования уже более 250 млн лет. Многие виды кактусов, например цереусы, имеют прочную арматуру, которая долго сохраняется даже после смерти растения. Нередко в пустынях Северной Америки встречаются гигантские канделябры мертвых кактусов, сохранивших свою форму даже после отмирания мягких тканей. Своеобразная решетчатая форма расположения прочных механических тканей присуща и кактусам опунциям.

Цереус

Тяжелые конструкции с небольшой площадью основания должны иметь каркас – конструкцию из вертикальных и горизонтальных элементов и раскосов для придания прочности. Многие столетия человек применял эту фахверковую, или каркасную, конструкцию, сначала для жилых домов, затем для больших мостов, опор линий электропередачи и так далее. Природа же всегда исключительно экономно расходовала свои строительные материалы, создавая деревья со сложным решетчатым каркасом из бесчисленных сучьев, веток и веточек, заполняющих большой объем при минимальных затратах. Примером такой конструкции, обеспечивающей повышенную прочность дереву, может служить тропический фикус (Ficus rumphii). Ветви этого растения растут не только центробежно, но и центростремительно (внутрь кроны), придавая ей вид крупноячеистой конструкции.

Другие талантливые создатели каркасов – фикусы-удушители, растения-паразиты. Их семена, попадая на деревья, прорастают в них. Затем удушитель спускает вниз несколько питающих корней. После того как они закрепятся в почве, по бокам от них начинают отходить горизонтальные воздушные корни, оплетающие ствол дерева-опоры. Этот каркас душит дерево, и оно погибает. Фикус же продолжает жить. Его сетчатая конструкция из корней настолько прочна, что легко выдерживает вес гигантского растения, даже когда дерево-опора сгнивает полностью.

Природа подсказала человеку и много других инженерных идей. Например, принцип свайного строения, который имеет сразу несколько достоинств: прочность и свободную циркуляцию воздуха между помещениями и водой, что предохраняет постройки от преждевременного гниения. Кроме того, сваи поднимают сооружение на такую высоту над поверхностью воды или сырой почвы, которая гарантирует безопасность при паводках. Свайное строительство широко распространено в местах, где существует угроза частых наводнений, его применяют при ведении буровой разведки нефти в шельфовых зонах.

Человеческие постройки на сваях известны уже более 4 тыс. лет, но природа использует этот метод гораздо дольше. Вспомним хотя бы ходульные корни у пандануса¹ .

Человеку, чтобы забить сваю, нужно приложить много усилий, а растение решает эту задачу проще. Так, с веток некоторых панданусов, входящих в состав мангровых зарослей (Pandanus utilis, P.tectorius и др.), падают не семена, а уже готовые тяжелые проростки 60–100 см длиной, конец которых заострен, как копье, и утяжелен. Падая, эти проростки-дротики легко и глубоко втыкаются во влажную почву, закрепляются и сразу же начинают расти. Позднее у них развивается целая система ходульных корней. И эти сваи куда совершеннее тех, что делают люди, – они выдерживают чудовищный натиск прибойных волн, которые легко разрушают постройки человека. Ходульные корни растений мангровых зарослей обладают высокой эластичностью: приняв на себя удар волны, они прогибаются, а затем, при откате волны, вновь выпрямляются.

Лазающие кактусы и усики тыквы

Зачастую представители разных семейств растительного мира, попадая в одинаковые условия, становятся внешне очень похожими друг на друга, и наоборот, близкородственные виды, произрастающие в разных условиях, становятся настолько непохожими, что их внешний вид может у кого угодно вызвать сомнение в подлинности их родственных связей.

Например, кактусы мы традиционно представляем себе как колючие растения шарообразной или цилиндрической формы, произрастающие на засушливых территориях. В большинстве случаев так оно и есть. Но не все кактусы таковы. Среди них есть изумительно красивые представители рода рипсалис (Rhipsalis), которые приспособились к жизни в кронах лесных гигантов. По внешнему виду они напоминают массу тонких переплетенных веревок и нитей, стремящихся забраться как можно выше по стволу дерева, поближе к свету. Особенно впечатляют рипсалисы в период цветения – представьте себе воздушные зеленые гирлянды, увешанные изящными хрупкими венчиками, цветными колокольчиками, мельчайшими яркими капельками и крапинками. Известный кактусовед Курт Бакерберг писал, что «эти кактусы, напоминающие зеленые невесомые облака, надевают на себя изысканные яркие ожерелья из сияющих снежно-белых, вишневых, золотисто-желтых и темно-голубых ягод».

Рипсалис

Добавим, что кружева рипсалисов украшают леса Центральной и Южной Америки, они встречаются даже на Цейлоне и Мадагаскаре² .

Разумеется, в тропиках существует и множество других лазающих растений. Все они стремятся из вечных сумерек подлеска наверх, к свету. Для того чтобы успешно справиться с этой задачей, растения изобрели разнообразные и в техническом отношении весьма совершенные приспособления: шипы на ветвях, крючочки на воздушных корнях и черешках листьев, петли-арканы, диски с шипиками и даже цепляющиеся соцветия.

Рипсалидопсис

Биолог Г.Хаберландт так описывал одну из лазающих пальм – ротангу (Calamus rotang): «Это растение имеет целый аппарат хватания. Если оказаться в поле его действия, то можно остаться без головного убора и даже одежды, с многочисленными царапинами на теле». Черешки грациозных и сложных листьев ротанга имеют длинные, до 1–2 м, исключительно гибкие и эластичные отростки, усеянные многочисленными твердыми и к тому же полуподвижными шипами, каждый из которых представляет собой согнутый и наклоненный назад крючок-зацепку. Любой лист пальмы снабжен таким наводящим страх крючкообразным шипом, не так-то просто расстающимся с тем, что зацепилось за него. Предел упругости крюка, состоящего почти целиком из прочных лубяных волокон, чрезвычайно высок.

Прочно закрепившись с помощью листьев на нескольких стоящих рядом деревьях, совершенно гладкий змеевидный ствол ротанга, подобно вьюну, ползет вверх, продирается сквозь кроны деревьев и поднимается над ними. Дальше ему дороги нет: напрасно его побеги будут искать опору в воздухе. И тогда они под тяжестью собственного веса начинают скользить вниз, до тех пор, пока не зацепятся за какую-нибудь новую подпорку, по которой вновь поднимаются вверх. Создается впечатление, что побеги, словно змеи, расползаются по сторонам в поисках новой опоры. В дебрях влажных тропических лесов встречаются ротанги с общей длиной ствола 180 м, а иногда даже до 300 м!

Но способностью к лазанию и цеплянию обладает не только гигант-ротанг. Технически совершенен механизм лазания у многих тыквенных. У них есть специальные органы поиска и захвата и хитроумные приспособления для осязания и регулирования. Вот, например, широко распространенная в тропиках Азии и культивируемая также в тропической части Африки и Америки восковая тыква (Benincasa hispida). Ее вытянутые плоды могут достигать 2 м в длину и весить более 30 кг. Белую мякоть плодов едят, используют в кондитерской промышленности, маринуют, а из воскоподобного вещества, покрывающего плод, делают свечи. У восковой тыквы есть специальные хватательные органы – усики, которые растут сначала строго вверх, а потом каждый изгибается до горизонтального положения и начинает совершать круговые движения по часовой стрелке. Длина усика бенинказы составляет 15–20 см, у некоторых других тропических тыквенных – до 1 м, а у 50-метровой лианы – тыквы окичобе (Cucurbita okeechobeensis) – и более. Найдя опору, усик, вращаясь, обвивает ее, образуя прочное подпружиненное соединение.

Усики умеют определять, где можно, а где нельзя закрепиться. Не только бенинказа, но и другие тыквенные игнорируют, например, стеклянную палочку, так как на ее гладкой и скользкой поверхности невозможно как следует укрепиться, и продолжают искать шероховатые поверхности. Если усик не справляется со своей задачей, судьба его печальна – он отмирает, а растение забирает заключенные в нем нужные вещества. Природа – строгий и рациональный изобретатель и не допускает создания ошибочных конструкций. Зато усики, выполнившие свою миссию, получают добавочный материал для совершенствования опоры, делая ее еще более прочной и легкой.

Список литературы

Биологический энциклопедический словарь. – М., 1989.

Жизнь растений. Т.6. – М., 1982.

Патури Ф. Растения – гениальные инженеры природы. – М., 1979.

Трайтак Д.И. Книга для чтения по ботанике. – М., 1978.

¹ О панданусах см. «Биология» № 26/1999.

² Предполагается, что туда они были в свое время завезены человеком. – Прим. ред.