Из чего сделано дерево: Строение дерева и древесины
Из чего состоят деревья? | ISR-SCI
Статьи
Как деревья ломают наше представление о законах физики и вытворяют то, что современные учёные и инженеры пока не в силах повторить!
Опубликовано
- 1. Проблема доставки воды
- 2. Потребление воды
- 3. Материал для роста деревьев
Часто бывает что самыми интересными оказываются ответы на простые вопросы, например: — Как деревья вырастают такими высокими? На первый взгляд как-то глупо такое спрашивать, деревья просто высокие! Но некоторые из них, достигают высоты выше 100 метров.
Чтобы расти, деревьям необходимо каким-то образом доставлять воду от корней к самой верхушке, а это не так просто как кажется. Если провести эксперимент, всасывать воду через трубочку, то она поднимется максимум на 10 метров! И совсем неважно какой длины будет сама трубка и как сильно вы будите втягивать воздух.
Вода физически не сможет преодолеть эту отметку, потому что над ней окажется вакуум, и жидкость начнет закипать.
Чтобы поднять воду на 100 метров, дереву придется создать разницу в давлении в 10 атмосфер! Но каким образом оно это делает?
Проблема доставки воды
- Может все дело в транспирации?
Молекулы воды испаряются с поверхности листа и тянут за собой следующие. Безусловно таким образом дерево может создать эффект всасывания, но это не решит проблему 10 метров.
Кажется маловероятным то что ствол изнутри состоит из длинных полых трубок, но люди обнаружили, что ксилемные волокна (Xylem), внутри которых и происходит транспортировка жидкости содержат сплошной сток воды. Как же тогда деревья умудряются не засохнуть?
- Как насчет осмотического давления?
Вода будет стремиться попасть в корень если концентрация веществ там выше, чем в почве. Правда в мангровых зарослях вода настолько солёная, что процесс идет в обратную сторону и деревьям нужно приложить дополнительные силы, чтобы удержать жидкость внутри!
- Может капиллярный эффект?
Чем тоньше трубка, тем выше поднимается вода, но диаметры ксилемных трубочек от 20 до 200 микрометров, по ним вода не доберётся даже до метра! Так что же происходит с деревьями?
Отрицательное давление
Оказалось мы начали с неверного допущения! Минимальное давление это абсолютный вакуум для газа.
Если избавиться от всех молекул, вы получите абсолютный вакуум и давление будет равно нулю. В случае же с жидкостью это не предел и можно получить отрицательное давление. Оно чем-то похоже на натяжение для твердых тел. Молекулы воды начинают активно тянутся друг к другу, вода испаряется через поры в стенках клеток и создает невероятно сильное отрицательное давление, до -15 атмосфер! И это обычное дерево!
Теперь представьте что происходит внутри поры. Давление снаружи одна атмосфера, а внутри еще отрицательные 15. Как же работает эта система? Благодаря тому что поры крошечные, от двух до пяти нанометров в диаметре, при таких масштабах граница между водой и воздухом может выдержать невероятно сильное давление. Чем ближе к земле тем выше давление. У корней оно равно 1 атмосфере. Таким образом, разница в давлении достигается за счет создания отрицательного давления на верхушке.
Если наверху давление -15 атмосфер, тогда вода должна вскипать, но для перехода из жидкого состояния в газообразное необходима дополнительная энергия.
Процесс может начаться при наличии центра нуклеации, например пузырька воздуха. Поэтому, очень важно чтобы в ксилеме не было воздуха. Для деревьев это не проблема, ведь трубочки сразу заполнены водой. Получается что вода постоянно находится в стабильным жидком состоянии, хотя должна вскипать. Это примерно как переохлаждённая вода остается жидкой фазе, хотя должна заледенеть.
Потребление воды
На фотосинтез уходит меньше 1% воды. Создание новых клеток забирает ещё около 5%. А куда деваются остальные 95%? — Они просто испаряются! На захват одной молекулы углекислого газа, деревья тратят сотни молекул воды. Обычное дерево теряет воду через нанопоры, чтобы создать отрицательное давление больше чем в 10 атмосфер. Чтобы поднять воду на сотню метров в жидком состоянии, хотя та должна закипать, но не может, ведь в их ксилемных трубочках нет воздуха. И все для того чтобы вода почти полностью испарилась, а дерево захватило пару молекул углекислого газа. Невольно начинаешь смотреть на них совсем по-другому.
Материал для роста деревьев
Деревья одни из крупнейших организмов на земле, но откуда они берут столько материалов для роста? Предположим, что большую часть веществ деревья получают из почвы, у них же такие мощные корни, наверняка они зачем-то нужны. Деревья коричневые как земля, они твердые и прочные, но это не так!
В начале 17 века Жан Баптист ван Гельмонт пытался понять откуда дерево берет материалы для роста. Он взял горшок земли и очень точно измерил массу этой самой земли. Затем посадил туда дерево и ухаживал за ним 5 лет, не подсыпая в горшок дополнительной почву. После эксперимента, он установил, что масса дерева составила 72 кг, а вес земли уменьшился всего лишь на 60 граммов. Вполне весомый аргумент в пользу того, что почва тут ни при чём!
Сам Жан Баптиста заключил что деревья состоят из воды, хоть это естественно не так. Он был прав в том, что вещества из которых состоит дерево берутся не из почвы. Солнце дает энергию чтобы дерево могло вырастить листья и ветви, но энергия солнца, это не вещество! Как оказалось, деревья по большей части состоят из воздуха, точнее из углекислого газа.
Схожие темы:
Строение стволов деревьев разных пород, структура древесины
- Главная
- Статьи
- Строение ствола дерева
Разрез ствола дерева имеет особую структуру. Можно выделить следующие элементы строения ствола дерева в разрезе:
- Кора
- Камбий
- Заболонь древесина
- Ядро
- Сердцевина.
Кора – это защита дерева, которая покрывает весь ствол. Она состоит из внешнего пробкового слоя и внутреннего — луба. Такая поверхность дерева является защитой для дерева, которая охраняет ствол от воздействия внешней среды. Также она участвует в процессе «дыхания» дерева.
Луб – представляет собой внутренняя часть коры, структура которой содержит только живые клетки. Они являются связующим элементом между кроной дерева и его корнями.
Камбий – часть ствола, которая отвечает за утолщение дерева. Клетки делятся поочередно в сторону луба и заболони.
Слои роста можно увидеть, если разрезать ствол поперек.
Заболонь – часть дерева, которая составляет молодой слой ствола. Она меньше поддается гниению, чем ядро — более старая часть. Но заболонь является податливым материалом. В зависимости от вида дерева и лет жизни заболонь имеет определенную толщину. Чем моложе дерева, тем тоньше заболонь.
Ядро – является скоплением отмерших живых клеток дерева. В нем накапливаются различные скопления веществ: смолы, соли, дубильные отложения. За счет этого цвет ядра имеет более темную окраску, отличную массу от других элементов. Эта часть является ценной и самой прочной, поэтому может дороже стоить.
Сердцевидные лучи
Сердцевидные лучи – линии, которые тянутся от середины к верхнему слою ствола.
Они заметны не у каждой породы дерева, но есть абсолютно у всех видов. Хорошо проявлены такие лучи у дуба, бука, платана и других. Их функцией является проводимость воздуха, воды, органических веществ, которые вырабатывает дерево.
Сама сердцевины располагается в центре ствола – первое годичное кольцо дерева. Она простирается по всей длине ствола. Это рыхлая ткань, которая легко разрушается при влиянии других живых организмов. Сердцевина по структуре состоит из живых клеток, которые растут за счет деления по направлению вверх. Это обеспечивает рост ствол дерева по высоте. Сердцевина не используется в строительстве, так как имеет непрочную структуру.
Особенности разных пород дерева
Хвойные породы дерева имеют смоляные ходы, где накапливается особые эфирные вещества, которые придают аромат древесине.
Лиственные породы имеют светлый оттенок древесины.
Полностью светлая древесина у ольхи, березы, граба и других, а темное ядро у дуба и лиственницы. Существуют породы деревьев, которые не имеют ядра. Если образуется потемнение в центре ствола – то эту часть называют ложным ядром.
Деревья, с преимущественно заболонной структурой имеют высокое содержания влаги. Ядра таких деревьев имеют светлый оттенок. Ядровые породы отличаются однородностью цвета и меньшим содержанием влаги. Однако оба вида древесины сложно различить.
Текстуру древесины определяют слои, сосуды и сердцевинные лучи. Ценными считаются породы дуба, ореха, красное дерево, так как имеют уникальный красивый рисунок. При отделке такой древесины мастера стараются сохранить эту текстуру и подчеркнуть с помощью защитных покрытий.
Что такое «дерево»? | Научные статьи
Обнаженные ученые
- Статьи
- Особенности
- Что такое «дерево»?
Якопо Руссо, один из наших стажеров в «Голых ученых», ведет нас через близлежащий лес в офис «Голых ученых», объясняя различные определения «дерева».
Якопо — Когда я погружаюсь в проект и за деревьями не вижу леса, я люблю прогуляться, чтобы проветрить голову. Офис Naked Scientist находится в Мэддингли, недалеко от Кембриджа. Нам повезло, что через дорогу есть участок леса. Это ясный осенний день. На земле повсюду листья, и меня окружают деревья, которые, как мы все знаем, сделаны из дерева. Конечно, мы с ним знакомы, но что такое дерево? Ну, он состоит из трех основных частей: целлюлозы, лигнина и гемицеллюлозы. Целлюлоза — это химическое вещество, состоящее из молекул сахара, из которого получают волокна, очень прочные на растяжение. Эти волокна подобны цепям, а это значит, что если за них потянуть, они будут сопротивляться. Но если вы попытаетесь раздавить их, они рассыплются. Это было бы очень плохой новостью для дерева. Поэтому, чтобы предотвратить это, деревья укрепляют свою древесину лигнином, жестким полимером с грязной структурой, который не дает цепочкам целлюлозы разрушаться под собственным весом. Лигнин также придает древесине коричневый цвет.
Наконец, чтобы склеить их вместе, есть гемицеллюлоза, которая придает древесине гибкость.
Справа от меня растет бук с прекрасными красными и желтыми листьями. А слева ель, которая всю зиму будет держать свои игольчатые листья. Лиственные деревья, такие как бук, производят то, что мы называем твердой древесиной. В то время как хвойные деревья, такие как ель, образуют мягкую древесину. Эти две группы деревьев развивались отдельно на протяжении сотен миллионов лет, поэтому их древесина имеет очень разную структуру, а лиственные породы намного сложнее. Однако, чтобы все запутать, не все лиственные породы твердые, а не все хвойные — мягкие. Пробковая древесина, очень мягкая древесина, используемая для изготовления моделей самолетов, технически является твердой древесиной. Тогда как тисы, которые вы часто видите на кладбищах, дают очень твердую древесину, но относятся к категории хвойных пород.
Впереди я вижу срубленное дерево с характерными кольцами, которые придают деревянной мебели красивую текстуру с темными и светлыми линиями.
Все это связано с количеством лигнина, который, как вы, возможно, помните, был коричневой частью древесины и находится снаружи клеток древесины. Весной и летом деревья растут быстро, а клетки имеют большие размеры, что позволяет питательным веществам перемещаться от корней к кроне. Это означает, что для лигнина остается меньше места. Осенью и зимой деревья растут медленнее. Для них важнее быть сильными и выдерживать суровые погодные условия, поэтому вырабатывается много лигнина, что объясняет более темный цвет.
Меня всегда смущало то, что дерево может выглядеть крепким, но на самом деле как минимум половина дерева сделана из воздуха. Благодаря фотосинтезу деревья превращают углекислый газ из атмосферы в сахара, которые становятся древесиной. Получается, что для того, чтобы вырастить 1 кг древесины, дерево должно потреблять 1,6 кг CO2. Вот почему все говорят о деревьях как об одном из основных решений в борьбе с изменением климата. Но у нас есть и другие способы использования деревьев, помимо улавливания углерода.
Конечно, легко представить себе деревянные дома и деревянную мебель. Но на самом деле в США половина заготовленной древесины используется в целлюлозно-бумажном производстве. И даже в таких местах, как Европа, четверть сжигается в качестве топлива. Мне пора возвращаться в офис, но это заставляет меня задуматься, а есть ли лучшие способы использования этого чудесного материала?
- Назад В поисках основ материи
- Далее Кэмерон Войзи: стажировка без одежды
Похожие материалы
Биология | Физика
Создание лучшего биотоплива
История | Физика
Что такое симметрия?
Биология | Инжиниринг | Физика
Здания получают деревянную отделку
Обнаженные размышления
Построение устойчивого будущего
Инженерное дело
Деревянные полы, питающие дом
История дерева — сеть блогов Scientific American
Движение «сделай сам» прочно утвердилось, особенно когда речь идет об улучшении дома.
На кабельном телевидении HGTV и DIY Network в режиме нон-стоп показывают программы ремонта, которые охватывают целый ряд проектов и бюджетов. Общим элементом многих ремонтных работ является дерево. Люди хотят этого в своих домах, будь то паркетные полы, высококачественные кухонные шкафы или прочный стол. У меня дома есть журнальный столик, который стоит у нас уже 15 лет. На дереве есть следы жизней, прожитых вокруг него, включая несколько водяных знаков, поскольку я ужасно не пользуюсь подставками, и иногда мы говорим о его замене, но никогда этого не делаем. У него есть характер. И это массивный деревянный стол — мы были бы сумасшедшими, если бы отказались от него.
Любой, кто когда-либо пытался разжечь огонь, знает, что есть два вида древесины: хвойная и лиственная. Что касается костров, лиственные породы будут гореть горячее и дольше — важные факторы, когда вы пытаетесь защититься от холода, — в то время как хвойные породы воспламеняются легче, поэтому они отлично подходят для растопки.
Древесина сыграла важную роль в истории цивилизации. Люди использовали его в качестве топлива, строительных материалов, мебели, бумаги, инструментов, оружия и многого другого. А спрос на древесину продолжает ежегодно увеличиваться, провоцируя конфликты между соседними государствами из-за контроля над общими ресурсами.
Наше отношение к этому ресурсу остается относительно неизменным с течением времени, и наши методы разработки и управления лесными массивами по-прежнему основаны на проверенных и надежных методах, установленных ранними цивилизациями. Возможно, именно поэтому мы принимаем это как должное: дерево уже давно стало частью нашей жизни, и мы, вероятно, не можем себе представить, что его там нет.
Запасы древесины в Соединенных Штатах и мире
Сильные государства и нации, как правило, имели доступ к щедрым запасам древесины, которую они свободно использовали для дальнейшего своего развития. Эти удачливые штаты следовали аналогичной схеме обращения со своими лесоматериалами. Во-первых, они используют собственные девственные леса. Затем они начинают торговаться с соседями, и для этого могут быть установлены торговые отношения. Наконец, им удается выращивать древесину для потребления, но они могут продолжать импортировать материалы для пополнения своих запасов из стран, все еще обладающих излишками пиломатериалов.
Это история торговли пиломатериалами, эхом отдающаяся на протяжении веков от Индии до Америки. Это увековечивает цикл истощения ресурсов, который часто оставляет после себя след разочарования и горечи между промышленностью и гражданами государства или нации.
Соединенные Штаты все еще могут заготавливать древесину из собственных запасов, но эти ресурсы быстро истощаются. Первым поселенцам в семнадцатом веке Америка казалась бесконечным лесом — 820 миллионов акров, если быть точным. Экспорт лесоматериалов начался в первые дни существования атлантических колоний, для нескольких поколений лес был препятствием для заселения и миграции, а не экономическим ресурсом. Дефицит древесины казался невозможным.
Древесина в основном перевозилась по воде: бревна перевозились по Атлантическому побережью из штата Мэн в Бостон, из верхнего Гудзона в Нью-Йорк и с берегов Великих озер в Буффало и Чикаго. Поскольку Мэн, Нью-Йорк и Пенсильвания лидировали в производстве пиломатериалов, а водные пути использовались для транспортировки материалов, пиломатериалы были дешевыми на основных рынках страны.
После Второй мировой войны помощник начальника Лесной службы США Э.И. Коток предположил, что Америка будет рассматриваться как источник древесины для тех европейских и азиатских стран, которые пострадали от войны. Он предостерег от принятия на себя этой ответственности и обратил внимание на то, что потребление древесины хвойных пород в Америке сократилось из-за военных действий и быстро восстановится, поскольку нация снова обратит внимание на развитие.
Но нужды истерзанных войной наций были учтены. Кому принадлежали леса Северной Америки? Были ли они единственным владением Северной Америки? Или они были мировым ресурсом, которым должны были поделиться с нуждающимися странами? Коток подчеркнул необходимость управления лесными ресурсами так, чтобы все могли получить пользу. Здоровая лесная экономика могла бы дать больше, чем просто лесоматериалы — например, если иностранным государствам требовались сельскохозяйственные продукты, Соединенные Штаты также могли бы предоставить эти товары. Коток видел мало того, что Соединенные Штаты не могли бы предоставить перестраивающемуся миру, чему не могло бы помочь управление поставками пиломатериалов в Северной Америке.
Эта стратегия способствовала укреплению позиции Соединенных Штатов как могущественного лидера после Второй мировой войны. Уделяя особое внимание лесным товарам для конечного использования, производители расширили свои предложения не только на пиломатериалы — как дома, так и за рубежом — и стали включать в себя балки, арки, готовые панели, изоляционные плиты, предварительно загрунтованную обшивку и предварительно вырезанные детали для мебели и игрушек. Предостережение Котока кажется оправданным в свете опыта развивающихся стран, таких как Гаити и большая часть Юго-Восточной Азии. Эти районы вырубили свои леса для удовлетворения потребностей внешних стран в ущерб лесной промышленности и развитию внутри страны, пожиная при этом разрушительные экологические изменения.
Последствия обезлесения
Несмотря на то, что развивающиеся страны вырубают контролируемую ими хвойную древесину для участия в мировой торговле этим ресурсом, следует отметить, что районы, где растут эти деревья, будут вырублены в курс развития.
В идеальных отношениях торговля пиломатериалами должна возвращать капитал обратно в страну, чтобы способствовать практике устойчивой доходности. Однако спрос обычно опережает производство — как внутри страны, так и за ее пределами.
Например, растущее население нуждается в расширении площадей для продовольственной деятельности, поэтому леса расчищаются для выращивания сельскохозяйственных культур и скотоводства. Ежегодные сжигания часто препятствуют восстановлению леса, как и выпас овец, коз и крупного рогатого скота. Древесное топливо по-прежнему широко используется для домашнего приготовления пищи и отопления, пивоварения, выпечки и производства кирпича. А по мере роста цен на нефть все больше людей могут склоняться к тому, чтобы использовать дрова в качестве топлива.
Лесозаготовки сами по себе истощают запасы леса прежде, чем они могут быть восполнены. Регулируемая заготовка древесины не должна наносить непоправимый ущерб лесу, но во многих небольших странах заготовка древесины не контролируется.
И, как упоминалось ранее, без надлежащей поддержки любая программа государственного управления обречена на провал — для обеспечения эффективности практики устойчивого урожая требуется поддержка со стороны местных групп.
Таким образом, обезлесение связано с ростом населения и расширением сельского хозяйства, а также с долгосрочной заготовкой древесины для топлива и экспорта. Это обычное явление в развивающихся странах, которое подвергает их экономической опасности, поскольку они истощают свой источник капитала. Развивающиеся страны все чаще разрабатывают программы в ответ на международное давление, направленное на сохранение их ресурсов и установление национальных приоритетов. Однако эти усилия имели неоднозначный успех: лесные заповедники по-прежнему страдают от незаконных рубок и выпаса скота, а местные группы не имеют представления о состоянии почвы и требованиях к количеству осадков.
Спрос и предложение
Хотя леса широко распространены, они распределены неравномерно, и это вызвало некоторые споры по поводу управления, доступности и торговли лесными ресурсами.
Как свидетельствует пример индийских лесов под колониальным господством, конфликты по поводу этих ресурсов уже давно стали частью истории торговли древесиной. Самый последний и влиятельный касается торгового спора между Соединенными Штатами и Канадой.
Поскольку запасы древесины в Северной Америке сокращаются, страна все чаще обращается за древесиной в Британскую Колумбию. Североамериканские лесоводы утверждают, что канадская лесная промышленность несправедливо субсидируется федеральным и провинциальным правительствами. Это позволяет устанавливать цену, взимаемую за заготовку древесины, на законодательном уровне, а не на конкурентной основе, и в 1982 году США заявили, что эта практика подорвала рыночные цены, которые склонили чашу весов в коммерческом отношении к Канаде.
Этот торговый спор длится уже 24 года. В 1996 году Соединенные Штаты и Канада заключили пятилетнее торговое соглашение под названием «Соглашение о пиломатериалах хвойных пород» (SLA).
SLA ограничило канадский экспорт до 14,7 миллиардов досковых футов в год. Срок действия соглашения истек 2 апреля 2001 г., и ни одна из сторон не смогла прийти к соглашению о его продлении. Фактически, Соединенные Штаты возобновили свой запрос о тарифах, сохраняя при этом, что лесная промышленность Соединенных Штатов находится под угрозой со стороны субсидируемой канадской промышленности. Спор продолжался заново до февраля 2009 г.когда Лондонский международный арбитражный суд постановил, что Канада нарушила SLA, поскольку квоты не были правильно рассчитаны в течение января-июня 2007 года. Лондонский международный арбитражный суд приказал лесопильным заводам в провинциях Онтарио, Квебек, Манитоба и Саскачеван прекратить уплатить дополнительную 10-процентную экспортную пошлину.
Будущее хвойных пород
Учитывая истощающиеся запасы хвойных пород, необходимо найти альтернативы для удовлетворения наших потребностей и дальнейшего развития. Один потенциальный ответ на альтернативу был найден при работе с более распространенными материалами, ранее считавшимися непригодными или «сорняками», для создания структурно-стружечных плит (SPB).
SPB представляет собой восстановленную деревянную панель, подходящую для конструкционного и наружного строительства, что означает, что она может заменить строительную фанеру. Он может быть изготовлен из мягкой древесины или древесины с низкой плотностью вместо значительно уменьшенных запасов хвойной древесины.
Возможно, рост SPB может помочь оживить лесную промышленность в местах, которым приходилось в значительной степени полагаться на импорт для удовлетворения своих потребностей в пиломатериалах. На самом деле, хотя ранняя разработка и распространение SPB в значительной степени контролировались Соединенными Штатами и Канадой, производство SPB распространилось на другие страны Европы и Азии. SPB имеет низкую плотность и устойчив к повреждениям, что может помочь странам, которые могут получить излишки, достичь влиятельного торгового статуса. В то же время сосредоточение внимания на СПБ может позволить восстановиться истощенным лесным массивам при правильном управлении ими.
—
Ссылка
Аллен, Джулия С.