МАЛЕНЬКИЙ — ЗНАЧИТ ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЙ

Поверхностное натяжение и вязкость

Кофе — фантастически ценный глобальный товар, а сеанс черной магии, позволяющий извлечь все лучшее из маленького и невзрачного на вид кофейного зерна, — постоянный источник споров (и некоторой доли снобизма) для кофеманов. Но мой конкретный интерес к этому напитку не зависит от способа обжарки кофейных зерен или степени давления пара в вашей кофеварке. Меня восхищает картина пролитого кофе. Это одна из тех повседневных странностей, которые уже не удивляют моих знакомых. Лужица кофе на твердой поверхности совершенно непримечательна — обычная маленькая лужица слегка выпуклой формы. Но если вы дадите ей высохнуть, то найдете на ее месте лишь темно-коричневый контур, слегка напоминающий линию, нарисованную мелом вокруг тела жертвы в детективной драме. Поначалу вся область внутри контура была заполнена пролитым кофе, но в процессе высыхания он пере­местился на ее границу. Внимательное разглядывание лужицы кофе, с целью понять, как все происходит на самом деле, похоже на наблюдение за процессом высыхания краски, но даже при попытке отследить весь процесс от начала до конца вы вряд ли увидите очень много. Физика перемещения кофе при высыхании лужицы действует в очень малых масштабах, поэтому увидеть что-либо собственными глазами невозможно. Но зато мы можем оценить последствия этого процесса.

Если бы вы могли многократно увеличить масштаб изображения лужицы кофе, то заметили бы множество молекул воды, пребывающих в непрерывном движении и постоянно сталкивающихся друг с другом, а также гораздо более крупные по размеру сферические коричневые частицы кофе, спокойно дрейфующие посреди всей этой толчеи. Молекулы воды очень сильно притягивают друг друга, и если какая-то из них слегка приподнимается над поверхностью, она тотчас же возвращается обратно, чтобы воссоединиться с ордой молекул внизу. Это означает, что водная поверхность ведет себя подобно эластичному листу, притягиваемому водой под ним, в результате чего поверхность всегда остается гладкой. Эта очевидная эластичность поверхности называется поверхностным натяжением (подробнее мы поговорим о нем чуть позже). По краям лужицы кофе водная поверхность плавно загибается вниз, к месту своего соединения со столом, удерживая лужицу от дальнейшего растекания. Но в помещении, наверное, достаточно тепло для того, чтобы время от времени та или иная молекула воды полностью отрывалась от водной поверхности и в виде водяного пара плавала над лужицей. Это испарение, происходит оно постепенно и относится только к молекулам воды. Кофе не может испаряться, поэтому никуда не девается из лужицы.

Интереснее становится по мере того, как все большее число молекул покидают поверхность воды, поскольку ее край «приклеен» к столу (ниже мы поймем, почему), причем настолько прочно, что остается неподвижным. Но испарение по краям интенсивнее, чем в середине лужицы, потому что именно там высокая доля молекул воды соприкасается с воздухом. Конечно, вы не можете видеть, что содержимое лужицы пребывает в непрерывном движении (тем более что параллельно пытаетесь убедить приятеля, с которым распиваете кофе, что наблюдение за ее высыханием действительно увлекательное занятие). Жидкий кофе должен растекаться из середины лужицы к ее краям, возмещая потерю воды. Молекулы воды переносят частицы кофе, как пассажиров, и избавляются от них, когда настает их черед испаряться. Поэтому частицы кофе постепенно перемещаются к краям лужицы, а когда вода полностью высыхает, на месте происшествия остается лишь кольцо из покинутых частиц кофе.

Это явление кажется мне особенно увлекательным потому, что происходит буквально у вас под носом, но самые интересные подробности, к сожалению, невозможно увидеть невооруженным глазом. Микромир, в котором они разворачиваются, совершенно не похож на привычный нам мир; он живет по собственным законам и подчиняется собственным правилам. Тем не менее привычные для нас силы, такие как гравитация, действуют и в нем. Но роль других сил — возникающих вследствие «танцев» молекул вокруг друг друга — возрастает. Если вы углубитесь в микромир, вам многое покажется странным. Оказывается, правила, действующие в столь малых масштабах, способны объяснить практически все, что происходит в «большом» мире — макромире: почему на молоке уже нет сливок, почему запотевают стекла и как пьют воду деревья. Но мы также учимся использовать эти правила для применения в макромире. Их знание может помочь спасти миллионы жизней путем совершенствования планировки больничных палат и разработки новых медицинских тестов.

* * *

Прежде чем заняться предметами, настолько малыми, что их невозможно разглядеть невооруженным глазом, вы должны знать об их существовании. И здесь человек сталкивается с тупиковой ситуацией: если вы не знаете о существовании чего-либо, то как вы можете искать то, о чем даже не подозреваете? Но все изменилось в 1665 году, после публикации книги Роберта Гука «Микрография», ставшей первым в мире научным бестселлером.

Роберт Гук был куратором экспериментов при Лондонском королевском обществе, человеком разносторонних знаний, энциклопедистом, любившим возиться со всевозможными научными игрушками своего времени. В «Микрографии» рассказывалось о богатых возможностях микроскопа, что должно было произвести впечатление на читателей и продемонстрировать им потенциал этого новейшего научного инструмента. К тому же время было самое подходящее — эпоха великих экспериментов и грандиозных достижений в научном понимании окружающего мира. К тому времени линзы уже давно были известны человечеству, но не находили серьезного применения в науке. Но с опубликованием «Микрографии» их час пробил.

Особенно замечательно то, что, несмотря на флер респектабельности и авторитетности, подобающих изданию Королевского общества, эта книга, несомненно, — плод творчества ученого, который рассматривал науку как увлекательную игру. В ней масса подробных описаний и превосходных иллюстраций, она богато издана и умело представлена публике. Но ее главное достоинство в том, что ее автор делал, по сути, то же, что и каждый ребенок, которому впервые в жизни подарили микроскоп: пытался с его помощью рассмотреть буквально все, что попадается под руку. Микроскоп позволяет получить чрезвычайно подробные изображения бритвенных лезвий и жгучих волосков крапивы, крупиц песка и сгоревших овощей, человеческого волоса, искровых разрядов, рыбной чешуи, червей и шелка. Детали, выявленные в этом крошечном мире, были шокирующими. Кто знал, что глаз мухи так прекрасен? Несмотря на тщательность выполненных наблюдений, Гук не претендовал на проведение глубоких научных исследований. В разделе, посвященном «песку в моче» (кристаллы, обычно наблюдаемые на внутренних поверхностях мочеприемников), он рассуждает о способах излечения этого недуга, оставляя право на фактическое решение столь непростой задачи более компетентным в этом вопросе людям:

Таким образом, проблема песка в моче, возможно, потребует более подробного исследования врачами или химиками, которые как специалисты более сведущи в этой области. Я же перейду к дальнейшему изложению фактов…

И он переходит к подробному рассказу о том, что увидел, рассматривая под микроскопом плесень, перья птиц, морские водоросли, зубы улитки, жало пчелы и т. п. В процессе он придумывает термин «клетка», описывающий элементы, из которых состоит древесная кора, что знаменует собой возникновение биологии как самостоятельной научной дисциплины.

Гук не просто указал нам путь в микромир: он распахнул в него дверь и пригласил всех желающих в гости. «Микрография» стала источником вдохновения для ряда знаменитых ученых последующих столетий, которые широко пользовались микроскопом в своих исследованиях, а также разожгла научный аппетит светского Лондона. Этот внезапно пробудившийся интерес объяснялся тем, что объекты исследования находились буквально под рукой у каждого, кто мог себе позволить приобрести микроскоп. Надоедливая черная мушка, вьющаяся над гниющим мясом, при ближайшем рассмотрении под микроскопом оказывалась крохотным монстром с волосатыми ножками, выпученными глазками, щетиной и блестящими доспехами. Это стало поистине шокирующим открытием. К тому времени уже были сделаны многие великие географические открытия, знаменитые путешественники составили описания ранее неведомых земель и народов, в атмосфере витало нетерпеливое ожидание новых открытий, которые предстояло совершить в еще более отдаленных местах. Мало кто в то время понимал, что внимательное изучение того, что находится рядом, может поведать об окружающем мире ничуть не меньше, чем путешествия в самые отдаленные уголки планеты. Ведь после того как вы испытаете первый шок от вида волосатых ножек блохи, вы можете приступить к изучению того, как эти ножки работают. Представший перед нами мир был механическим, постижимым, а микроскоп объяснял людям смысл вещей, которые они давно замечали, но не могли понять.

Но даже это было лишь началом путешествия в микромир. Прошло еще два столетия, прежде чем существование атомов было доказано научным путем. Каждый атом настолько мал, что вам понадобилось бы 100 000 атомов, чтобы составить цепочку такой длины, как у клетки древесной коры. Как сказал много лет спустя знаменитый физик Ричард Фейнман в одно­имен­ной лекции, «там, внизу, — много места». Люди обитают примерно в середине шкалы размеров, не замечая микроскопических структур, из которых, как из кирпичиков, построен окружающий мир. Но через 350 лет после выхода книги Роберта Гука «Микрография» представления людей о мире радикально изменились. Сегодня мы уже не просто всматриваемся в него подобно ребенку, с любопытством разглядывающему музейные экспонаты, помещенные под стекло, к которым запрещено прикасаться. Сейчас мы учимся работать с отдельными атомами и молекулами, которые находятся у самого дна шкалы размеров (именно это и имел в виду Ричард Фейнман), а изучаемые «музейные экспонаты» уже не отделены от нас стеклом — мы получили возможность не только их трогать, но и работать с ними. Теперь в моду входит «нано».

На микроуровне все устроено и функционирует по-другому — не так, как на привычном для нас макроуровне, — что делает микромир столь волнующим и чрезвычайно полезным для нас То, что представляется невозможным для человека, вполне может оказаться жизненно важным умением для блохи. И в том и в другом случае действуют одни и те же физические законы: блоха существует в той же физической вселенной, что и человек. Но на микроуровне более высокий приоритет имеют иные силы. В привычном для нас мире есть два доминирующих влияния. Первое — гравитация, которая притягивает нас в направлении к центру Земли. Второе — инерция: поскольку мы довольно массивные существа, требуется немалая сила, чтобы сдвинуть нас с места или затормозить, когда мы движемся. Но по мере уменьшения размера объектов сила земного притяжения и инерция тоже уменьшаются, становясь соизмеримыми с другими, более слабыми силами, которых мы не замечаем по причине их очень малой величины. В частности, речь идет о силе поверхностного натяжения, перемещающей частицы кофе в ходе высыхания кофейной лужицы. А еще есть вязкость (или внутреннее трение текучей среды). Именно по причине ее наличия в микромире нам уже не удается получить красивый слой сливок поверх молока.

Они прилетали к нам только ради бутылок с молоком, закрытых золотистыми и серебристыми крышечками из алюминиевой фольги. Если вы вставали достаточно рано и осторожно выходили на крыльцо дома, то у вас появлялся шанс застукать их на месте преступления. Проворные маленькие птички, усевшись сверху на горлышко бутылки, проклевывали дырочки в тонких алюминиевых крышках и поспешно хватали клювами комочки сливок, не забывая при этом поглядывать по сторонам. Как только они замечали, что их обнаружили, они поспешно улетали (возможно, чтобы попытать счастья на крыльце соседнего дома). В течение примерно пятидесяти лет лазоревки (а это были именно они) в Великобритании промышляли похищением сливок, снискав славу настоящих мастеров этого дела. Передавая друг другу опыт, они выяснили, что под тонкой фольгой, которой в то время закрывались бутылки с молоком, скрывается настоящее сокровище — вкусные и питательные сливки. Вскоре это знание стало достоянием всей популяции лазоревок, обитающих в Великобритании. Похоже, им удалось сохранить свое знание в тайне от других видов птиц — во всяком случае этим мелким воровством занимались только они. Конец их промыслу пришел совершенно неожиданно, и вовсе не потому, что бутылки с алюминиевыми крышечками сменили пластиковые бутылки. Случилось нечто более фундаментальное. Пока коров доили фермеры, поверх молока образовывались сливки. В наши дни ситуация изменилась.

Бутылка, которую брали приступом лазоревки, содержала целый комплекс питательных веществ. Большую часть молока (почти 90%) составляет вода, но в нем содержатся также сахара (лактоза, которую многие люди не переносят), белковые молекулы, сгруппированные в виде микроскопических круглых клеток, и более крупные шарики жира. Все эти составляющие перемешаны, но если дать молоку отстояться, возникает определенная структура. Шарики жира в молоке крошечные — от 1 до 10 микрон в диаметре, а это означает, что в миллиметровом слое такого жира по вертикали помещается от 100 до 1000 шариков. Они обладают меньшей плотностью, чем окружающая их вода, то есть в одном и том же объеме пространства содержится меньшее количество «материала». Пока шарики перемешаны со всеми остальными компонентами молока, нет особой разницы, в каком направлении они движутся. Гравитация тянет воду, окружающую эти шарики жира, вниз чуть сильнее, чем сами шарики, и жир постепенно (очень медленно) поднимается. Это означает, что его плавучесть невелика.

Возникает вопрос: как быстро поднимется жир? Важную роль в этом процессе играет вязкость. Я уже говорила, что вязкость определяется как внутреннее трение текучей среды. Иными словами, это показатель силы трения, возникающей между разными слоями текучей среды. Представьте, что вы помешиваете ложечкой чай в чашке. В ходе круговых движений ложечки жидкость вокруг нее также приходит в движение, перемещаясь рядом с другими, соседними слоями жидкости. Вода — не очень-то вязкая жидкость, и разные слои скользят друг мимо друга, практически не встречая сопротивления. А теперь вообразите, что помешиваете ложечкой густой сироп в чашке. Каждая молекула сахара крепко цепляется за другие его молекулы, находящиеся поблизости. Чтобы перемещать эти молекулы мимо друг друга, вы должны разрушать силы сцепления между ними. Помешивать ложечкой густой сироп гораздо труднее, чем обычный чай, и мы говорим, что он вязкий.

Шарики жира в молоке выталкиваются вверх по причине их плавучести. Но чтобы действительно двигаться вверх, им необходимо расталкивать в стороны окружающую их жидкость. В процессе выталкивания шариков жира окружающие их слои жидкости должны скользить друг мимо друга. Именно поэтому так важна вязкость жидкости. Чем она более вязкая, тем большее сопротивление приходится преодолевать шарикам жира в ходе подъема.

Этот процесс происходит прямо под лапками лазоревки. Каждый шарик жира выталкивается наверх по причине своей плавучести, но испытывает на себе действие силы лобового сопротивления, поскольку окружающая его жидкость должна «расступиться», чтобы уступить ему дорогу. К тому же одни и те же силы, воздействующие на одну и ту же разновидность шариков жира, приходят к разным компромиссам для разных размеров шарика. Сила лобового сопротивления оказывает большее воздействие на шарик меньшего размера, потому что площадь поверхности шарика велика по сравнению с его массой. У такого шарика весьма небольшая плавучесть, которая помогала бы ему расталкивать в стороны достаточное количество окружающего его «материала» в процессе всплытия. Поэтому, несмотря на то что маленький шарик жира находится в той же самой жидкости, он поднимается медленнее, чем шарик крупного размера. В микромире вязкость гораздо важнее, чем гравитация. Частицы движутся медленно. Размер имеет огромное значение.

В молоке более крупные шарики жира поднимаются быстрее, сталкиваются с некоторыми шариками поменьше, замедляют их и склеиваются с ними, образуя кластеры. На эти кластеры сила лобового сопротивления воздействует слабее, поскольку их размеры больше, чем отдельных шариков, а потому они поднимаются быстрее. Лазоревке, усевшейся на бутылку с молоком, остается лишь набраться терпения — и завтрак прибудет прямо к ее ногам.

А затем наступил черед гомогенизации. Производители молока выяснили, что, пропустив его под очень высоким давлением сквозь очень тонкие трубки, можно раздробить шарики жира и уменьшить их диаметр примерно в пять раз. В результате масса каждого шарика снижается в 125 раз. Теперь слабая подъемная сила, воздействующая на каждый шарик и обеспечиваемая его плавучестью, полностью подавляется силами внут­реннего трения текучей среды, то есть вязкостью. Гомогенизированные шарики жира поднимаются настолько медленно, что этот процесс можно вообще не принимать в расчет. Простая операция по уменьшению размера шариков жира переносит сражение на другую территорию, где вязкость побеждает вчистую. Сливки уже не появляются на поверхности молока. Лазоревкам пришлось искать другие источники пропитания.

Таким образом, силы остаются теми же, но их иерархия иная. Вязкостью обладают и жидкости, и газы: хотя молекулы газа не сцепляются друг с другом, как это происходит в жидкостях, они интенсивно сталкиваются, приводя к тому же эффекту внутреннего трения текучей среды, то есть вязкости. Именно поэтому насекомое и железное ядро не падают в воздухе с одинаковой скоростью (если, конечно, вы не поместите их в вакуум). Вязкость воздуха играет огромную роль для насекомого и практически никакой роли для железного ядра. В вакууме гравитация — единственная сила, которая важна в обоих случаях. А крошечное насекомое, пытающееся лететь в воздухе, использует те же приемы, что и мы для плавания в воде. Вязкость доминирует в окружении насекомых точно так же, как в отношении нас, когда мы плаваем в бассейне. Мельчайшие насекомые не столько летают, сколько плавают в воздухе.

Гомогенизированное молоко демонстрирует определенный принцип, но его применение выходит далеко за пределы нашего дома. Когда вы чихнете, попытайтесь оценить размер капелек, разлетающихся из вашего рта по комнате. То же явление, которое не позволяет взойти сливкам, способствует распространению эпидемических заболеваний.

С давних времен туберкулез считался бичом человечества. Самое первое свидетельство о нем найдено в древних египетских мумиях (примерно 2400 год до н. э.). Гиппократу он был известен как «фтизис» (phthisis) (приблизительно 240 год до н. э.), а европейцы в Средние века знали его под названием «проклятие королей». Когда в результате промышленной революции многие начали перебираться из деревень в города, в 40-е годы XIX века «чахотка», болезнь городской бедноты, стала причиной четверти всех смертей в Англии и Уэльсе. Возбудитель болезни, крошечная бактерия под названием Mycobacterium tuberculosis, была обнаружена лишь в 1882 году. Чарльз Диккенс красочно описал чахоточный кашель, но не мог написать об одном из самых важных аспектов этого тяжелого недуга, поскольку не мог его увидеть. Туберкулез — болезнь, передающаяся воздушно-капельным путем. Каждый приступ кашля больного туберкулезом приводит к извержению из его легких тысяч мельчайших капелек, переносчиков смертельно опасного заболевания. Некоторые из них будут содержать микроскопические палочки туберкулезных бактерий, длина каждой из которых составляет лишь три тысячных миллиметра. Сами по себе капельки жидкости начинают свой полет с достаточно больших размеров — возможно, порядка десятых долей миллиметра. Эти капельки притягиваются вниз гравитацией и, упав на пол, не распространяют инфекцию дальше. Но падение не происходит быстро, поскольку вязкость присуща не только жидкостям. Воздух тоже ею обладает, и когда капельки движутся в воздухе, им приходится его расталкивать на своем пути. Устремляясь вниз, капельки наталкиваются на молекулы воздуха, которые замедляют скорость их падения. Точно так же как сливки медленно поднимаются к горлышку бутылки, преодолевая вязкость молока, эти капельки мокроты медленно опускаются, преодолевая вязкость воздуха, и падают на пол.

Впрочем, на пол падают не все капельки мокроты. Поскольку они состоят в основном из воды, в течение нескольких первых секунд пребывания в воздушной среде она испаряется. То, что вначале было каплей, достаточно крупной, чтобы гравитация могла пронести ее сквозь вязкий воздух, теперь становится микроскопической крапинкой — тенью бывшей себя. Если поначалу это была капелька мокроты, внутри которой плавала тубер­кулезная бактерия, то теперь она представляет собой туберкулезную бактерию, аккуратно упакованную в некий остаточный органический материал. Гравитационное притяжение этой новообразовавшейся микроскопической частицы не идет ни в какое сравнение с силой сопротивления воздуха. Куда движется воздух, туда и бактерия. Подобно искусственно измельченным капелькам жира в нынешнем гомогенизированном молоке, туберкулезная бактерия просто пассажир. И если она попадает в дыхательные пути человека с ослабленной иммунной системой, то может стать очагом зарождения новой колонии бактерий, медленно разрастающейся до тех пор, пока они не будут готовы к попаданию в воздух в составе мокроты, откашливаемой человеком, заразившимся туберкулезом.

Туберкулез поддается лечению при наличии надлежащих лекарств. Именно поэтому он редкий гость в западных странах. Но на данный момент туберкулез по-прежнему остается вторым по масштабам убийцей человечества после ВИЧ/СПИД, и это огромная проблема для развивающихся стран. В 2013 году туберкулезом заболели 9 миллионов человек, из них умерло 1,5 миллиона. Бактерии туберкулеза приспосабливаются к антибиотикам, приобретая устойчивость ко все новым и новым видам лекарств, из чего следует, что искоренить его с помощью только медицины невозможно. Появляется все большее число штаммов туберкулеза, устойчивых ко многим разновидностям лекарств. Вспышки заболевания время от времени возникают в больницах и учебных заведениях. Поэтому в последнее время внимание ученых переключилось на микроскопические капельки мокроты. Вместо того чтобы лечить туберкулез после того, как человек уже заболел, не подумать ли нам над устройством наших жилищ, чтобы предотвратить распространение болезнетворных бактерий туберкулеза и их попадание в дыхательные пути человека?

Профессор Кэт Ноукис работает на кафедре гражданского строительства в Лидском университете и пытается решить именно эту проблему. Кэт — сторонник поиска максимально простых решений любых проблем. Вместе с коллегами она пришла к выводу, что механизм перемещения микро­скопических частиц, плавающих в воздухе, вовсе не зависит от их конкретного содержимого и от длительности пребывания в воздухе, а целиком определяется совокупностью воздействующих на них сил, а действие этих сил, в свою очередь, зависит от размера частиц. Оказалось, что даже более крупные капельки могут путешествовать в воздухе гораздо дальше, чем кто-либо предполагал, по причине турбулентности воздушной среды. Самые крошечные частицы могут плавать в воздухе по нескольку суток, хотя ультрафиолет и синий свет повреждают их. Зная размер интересующих вас частиц, вы можете прикинуть, куда они способны добраться в ходе «путешествия». Следовательно, проектируя систему вентиляции в больнице, можно планировать удаление частиц определенных размеров или создание препятствий для их перемещения, контролируя таким образом распространение болезнетворных бактерий. Кэт объясняет, что каждый вид заболеваний, передаваемых воздушно-капельным путем, может требовать особого плана борьбы с ним в зависимости от количества болезнетворных бактерий, необходимого, чтобы человек заболел (в случае кори очень малого), и места возникновения в организме очага заболевания (бактерия туберкулеза по-разному воздействует на легкие и дыхательное горло). Сейчас эти исследования пребывают лишь в начальной стадии, но продвигаются очень быстро.

Долгие годы человечество было беззащитно перед туберкулезными бактериями, но сейчас мы имеем четкое представление о механизмах их распространения, что дает нам шанс обуздать эту опасную болезнь. Там, где наши предки видели лишь грязное помещение, полное таинственных миазмов, мы — силой своего воображения, вооруженного научным знанием, — видим движение воздуха вокруг каждого пациента и разнообразные перемещения (и их возможные последствия) тех или иных болезнетворных бактерий. Результаты этих исследований будут учитываться при проектировании будущих больниц. Надлежащее проектирование на макроуровне позволит нам спасти многие жизни, воздействуя на те или иные частицы на микроуровне.

Вязкость имеет значение при движении объектов малого размера через определенную жидкость: шарики жира поднимаются в молоке или крошечные болезнетворные бактерии опускаются в воздухе. Поверхностное натяжение, партнер вязкости в микромире, сказывается в месте соприкосновения двух разных текучих сред. В повседневной жизни мы наблюдаем это явление при соприкосновении воздуха с водной поверхностью. Типичный пример смешивания воздуха с водой — воздушный пузырек. Итак, начнем с пенистой ванны.

Звук наполняющейся водой ванны вызывает у нас приятные ощущения. Он объявляет о заслуженном вознаграждении после тяжелого трудового дня, возможности восстановиться после напряженного теннисного матча или просто немного себя побаловать. Но как только вы наливаете пену для ванн, звук меняется. По мере образования пены глубокий рокот затихает и смягчается, и определить границу, где поверхность ванны соприкасается с воздухом, становится сложно. Воздушные карманы захватываются внутрь водяных клеток, и все, что для этого понадобилось, — немного жидкости из флакона с пеной для ванны.

Честь разгадать тайну поверхностного натяжения принадлежит группе европейских ученых, сделавших это в конце XIX века. Люди викторианской эпохи обожали пузырьки. С 1800 по 1900 годы производство мыла резко увеличилось, поскольку творцам промышленной революции без него было не обойтись. Мыльная пена давала людям викторианской эпохи обильную пищу для морализаторства, будучи идеальным символом моральной чистоты и безгрешности. К тому же она была замечательным примером классической физики в действии — буквально за несколько лет до появления специальной теории относительности и квантовой механики, которые всадили острую иглу в непомерно раздувшееся к тому времени представление о такой аккуратной, уютной и добропорядочной Вселенной. Но даже серь­езные джентльмены в лоснящихся цилиндрах и с солидными бородами не смогли проникнуть в тайны науки о пузырьках. Пузырьки были настолько универсальны, что никто не решался к ним подступиться, за исключением Агнес Поккельс, которую зачастую описывают как «простую немецкую домохозяйку», хотя в действительности она была довольно проницательной и критически мыслящей личностью, использовавшей весьма ограниченный набор материалов и изрядную долю находчивости, чтобы самостоятельно исследовать поверхностное натяжение.

Рожденная в 1862 году в Венеции, Агнес принадлежала к поколению, которое было твердо убеждено, что место женщины — у домашнего очага. Именно там она и пребывала, когда ее брата отправили учиться в университет. Но Агнес осваивала премудрости физики с помощью учебных материалов, которые ей присылал брат, проводила собственные физические эксперименты в домашних условиях и внимательно следила за происходящим в научном мире. Когда она узнала, что знаменитый британский физик лорд Рэлей начал проявлять интерес к поверхностному натяжению — явлению, с которым она немало экспериментировала, — Агнес написала ему письмо, в котором описала свои результаты. Оно настолько впечатлило ученого, что он отправил его для публикации в журнале Nature, чтобы с ним могли ознакомиться величайшие научные мыслители того времени.

То, что сделала Агнес, было очень простым и в то же время остроумным. Она подвесила на нитке маленький металлический диск (размером с кнопку) так, чтобы он улегся на поверхность воды, а затем измерила величину силы, которая необходима, чтобы оторвать его от поверхности воды. Загадка заключалась в том, что вода стремилась удержать диск, и чтобы оторвать его, требовалось больше силы, чем для его поднятия с поверхности стола. Это дополнительное усилие называется поверхностным натяжением, стало быть, Агнес измеряла силу поверхностного натяжения. Потом она смогла изучить поверхность воды, хотя тонкий слой молекул, обусловливающий действие этой силы, был настолько мал, что у Агнес не было возможности исследовать его непосредственно. Как именно ей это удалось, мы узнаем ниже, но сначала вернемся к ванне.

Ванна, наполненная чистой водой, представляет собой огромное скопление хаотически движущихся и сталкивающихся друг с другом молекул. Но одна из характерных особенностей воды заключается в сильном притяжении всех этих молекул друг к другу. Каждая такая молекула состоит из большого атома кислорода и двух поменьше атомов водорода (что соответствует хорошо знакомой нам химической формуле воды — H₂O). Атом кислорода находится посередине; с двух сторон к нему прикреплено по одному атому водорода: получается нечто наподобие слегка сплюснутой буквы V. Несмотря на то что атом кислорода очень прочно соединяется со своими двумя атомами водорода, он не прочь пофлиртовать с любыми другими атомами водорода, находящимися поблизости. Поэтому он постоянно притягивает к себе атомы водорода, принадлежащие другим молекулам воды. Именно этим обусловливаются многие ее свойства. Данное явление называется водородным связыванием и отличается высокой прочностью. В ванне молекулы воды постоянно притягиваются к другим молекулам воды, в результате чего вода имеет вид однородной и связной субстанции.

Молекулы на поверхности воды в некотором смысле «полубеспризорные». Они притягиваются молекулами, расположенными под ними, но над ними нет ничего такого, что тянуло бы их вверх. Таким образом, они испытывают на себе действие сил, которые тянут их вниз и в стороны, но не вверх, в результате чего поверхность воды ведет себя подобно эластичной пленке, туго натянутой поверх всех молекул воды, расположенных под верхним слоем, и стягивающейся внутрь в попытке максимально сократить свой размер. Это и есть поверхностное натяжение.

Когда вы поворачиваете кран, воздух затягивается вниз, в ванну, что приводит к образованию воздушных пузырьков. Но всплывя на поверхность, они не могут продолжать существование. Круглый купол пузырька растягивает эту поверхность, а поверхностное натяжение недостаточно сильно для того, чтобы стянуть ее обратно. Поэтому пузырьки лопаются.

Агнес провела следующий эксперимент: взяла пуговицу и добилась, чтобы действующая на нее сила была недостаточной для того, чтобы пуговица оторвалась от поверхности воды (пуговица плавала на ее поверхности). Затем капнула на поверхность воды веществом наподобие моющего средства вблизи того места, где находилась пуговица. Примерно через секунду пуговица оторвалась от поверхности. Моющее средство распространилась по воде, снизив поверхностное натяжение. Таким образом, чтобы снизить поверхностное натяжение, нужно создать тонкий верхний слой, чтобы молекулы воды не были тем единственным, что составляет ее поверхность.

Добавляя пену для ванны, можете попрощаться с чистой, гладкой, минимальной поверхностью. Небольшое количество ароматизированной жидкости проникает в воду и тотчас принимается за дело. У каждой молекулы этой жидкости один конец обожает, а другой ненавидит воду. Если концу, который ненавидит воду, удастся найти хотя бы немного воздуха, он цепляется за него, но водолюбивый конец тоже не сдается. В итоге в любом месте, где вода соприкасается с воздухом, тонкий слой пены для ванн образуется прямо на этой поверхности. Толщина слоя равна размеру одной молекулы, а размер всех молекул одинаков, в результате чего все их водолюбивые концы погружены в воду, а концы, ненавидящие ее, пребывают в воздухе. При наличии тонкого покрытия большая поверхность не составляет проблемы. Пена для ванн не создает такого сильного натяжения, как вода, поэтому эффект эластичной пленки существенно ослабляется. Наступает момент, когда все самое интересное происходит на поверхности, — для чего, собственно говоря, и нужна пена. Снижая поверхностное натяжение, пена для ванн продлевает жизнь воздушных пузырьков, поскольку их большая поверхность оказывается гораздо устойчивее.

Вероятно, стоит отметить, что мы, как правило, ассоциируем белую пену с избавлением вещей от всевозможных загрязнений, однако в современных моющих средствах лучшее вещество для сцепления с водной поверхностью и образования пены не эквивалент лучшего вещества для удаления загрязнений и жировых пятен с одежды и посуды. Вы можете изготовить очень хорошее моющее средство, которое дает минимум пены (или вообще не образует ее). Более того, пена нам зачастую только мешает. Но производители моющих средств настолько убедили людей в том, что именно превосходная белая пена — подлинная гарантия безупречной стирки, что сами загнали себя в угол. Сейчас зачастую в моющие средства специально добавляют пенообразователи, чтобы обеспечить появление воздушных пузырьков и избежать недовольства потребителей.

Подобно вязкости, поверхностное натяжение относится к числу явлений, наблюдаемых в повседневной жизни (то есть в макромире), хотя в большинстве случаев играет менее важную роль, чем гравитация и инерция. Но при переходе на уровень микромира его роль и место в иерархии сил существенно возрастают. Оно объясняет, почему запотевают очки и почему мы можем вытереть руки полотенцем. Но подлинная прелесть микромира заключается в том, что внутри одного гигантского объекта может происходить множество мельчайших процессов, причем их результаты суммируются. Например, оказывается, поверхностное натяжение, которое в тех или иных ситуациях доминирует лишь на микро­уровне, обусловливает существование самых массивных живых существ на планете. Но чтобы обсудить эту тему, нам нужно рассмотреть еще один его аспект. Что происходит, когда поверхность, разделяющая газ и жидкость, ударяется о твердый предмет?

Мой первый опыт плавания на открытой воде оказался из разряда «не для слабонервных». К счастью, я ничего не знала об этом заранее, поэтому ни о чем не беспокоилась. Когда я работала в Институте океано­графии Скриппса в Сан-Диего, крупным ежегодным событием для моей команды пловцов был заплыв с берега Ла-Джолла до пирса института и обратно — 4,5 километра через достаточно глубокий морской каньон. Вообще говоря, раньше мне приходилось плавать только в бассейнах, но поскольку я всегда готова испытать себя на прочность, а в плавательных бассейнах я «намотала» не одну сотню километров, я согласилась участвовать в заплыве, надеясь, что буду выглядеть ничуть не хуже остальных. Наш массовый вход в воду напоминал момент открытия супермаркета бытовой электроники в день распродажи по сниженным ценам. Но после этого стало немного легче. Первая часть заплыва проходила через заросли бурых водорослей; я казалась себе птицей, порхающей между густыми кронами деревьев. Солнечные лучи с трудом могли пробиться сквозь эти заросли. Затем водоросли исчезли. Зная примерно глубину океана в этих местах, я могла лишь догадываться, какие морские твари проплывают где-то очень глубоко подо мной — так глубоко, что туда едва проникает солнечный свет. После того как мы миновали зону бурых водорослей, водная поверхность покрылась зыбью, и мне пришлось сосредоточиться на том, куда мы плывем. Плыть становилось все труднее, а пирс института едва угадывался на горизонте. Вода подо мной была настолько непроницаемой, что было нереально в ней что-либо разглядеть. В конце концов я поняла, почему с таким трудом воспринимаю окружающую обстановку: мои плавательные очки запотели. Ох-ох-ох…

Внутри плавательных очков пот испарялся с теплой кожи вокруг глаз. Чем усерднее я двигала руками и ногами, тем сильнее он испарялся. Воздух, заключенный между очками и охватываемой ими частью лица, представлял собой нечто вроде мини-сауны, теплой и насыщенной влагой. Но океан вокруг был прекрасным и холодным, поэтому мои плавательные очки охлаждались снаружи. Когда молекулы воды, содержащиеся в воздухе, ударялись о холодный пластик, они отдавали свое тепло и конденсировались, снова становясь жидкостью. Но проблема заключалась не в этом, а в том, что все эти молекулы воды находили друг друга внутри очков, соударялись и гораздо больше притягивались друг к другу, чем к пластику. Поверхностное натяжение втягивало их внутрь, заставляя собираться в крошечные капельки — так, чтобы площадь их поверхности была как можно меньшей. Каждая такая капелька имела крошечные размеры — возможно, 10–50 микрон в диаметре. Так что сила земного притяжения была незначительной по сравнению с силами поверхностного натяжения, сцепляющими капельки с пластиком. Не было никакого смысла ждать, пока они упадут сами собой.

Каждая такая крошечная капелька действовала подобно линзе, преломляющей и отражающей падающий на нее свет. Когда я поднимала голову, чтобы отыскать глазами пирс, свет, который попадал мне прямо в глаза, искажался этими капельками. Подобно крошечному домику с зеркальными стенами, они настолько искажали изображение, что не было никакой возможности уяснить окружающую меня обстановку. Я остановилась на несколько секунд, чтобы промыть очки, и в течение какого-то времени имела четкое представление о ситуации и местоположении пирса. Но вскоре очки снова запотели. Опять их промыла. Через какое-то время перед глазами снова туман. Опять промывание. Снова туман… В конце концов я пристроилась в кильватере одной из пловчих, на которой была ярко-красная шапочка для плавания. Эта шапочка и стала для меня надежным ориентиром, несмотря на запотевшие очки.

Доплыв до пирса, мы ненадолго там остановились, чтобы подождать отставших пловцов и выяснить, все ли у них в порядке. Получив эту небольшую паузу для размышления, я наконец вспомнила то, чему примерно за неделю до описываемых событий меня учил один опытный аквалангист: нужно плюнуть в очки и растереть слюну по внут­ренней поверхности пластика. Тогда в ответ я скривилась, но сейчас мне не хотелось весь обратный путь через подводный каньон преодолевать практически вслепую, поэтому последовала совету аквалангиста. Обратный путь произвел на меня совершенно другое впечатление. Отчасти потому, что пловчиха в красной шапочке решила существенно прибавить в скорости и мне приходилось напрягать все силы, чтобы не отстать от нее. Но главное — на сей раз я могла видеть все, что меня окружало: пловцов, водоросли, берег, к которому мы плыли, и любопытных рыб, появляющихся время от времени. Действие человеческой слюны в какой-то степени схоже с воздействием моющего средства: она снижает поверхностное натяжение. Под моими очками по-прежнему образовывалась мини-сауна, и вода все еще конденсировалась на внут­ренней поверхности пластика, но поверхностное натяжение уже не было настолько сильным, чтобы этот конденсат превращался в маленькие капельки-линзы. Поэтому он равномерно распределялся по внутренней поверхности пластика и представлял собой тонкую водяную пленку. Ввиду отсутствия крошечных капелек-линз на внутренней поверхности пластика никаких дополнительных преломлений и искажений света не происходило, и у меня перед глазами все время стояла четкая картина окружающей обстановки. Оказавшись снова на берегу, я, с одной стороны, испытала огромное физическое облегчение, вызванное завершением нашего плавательного марафона, а с другой — порадовалась не только новым впечатлениям от картин подводного мира, но и пополнению копилки полезного жизненного опыта.

Есть один надежный способ воспрепятствовать образованию запотевания — создать на поверхности тонкий слой поверхностно активного вещества (сурфактанта). Для этого можно использовать разные вещества: слюну, шампунь, крем для бритья или дорогостоящий коммерческий антифог. Если тонкий слой поверхностно активного вещества нанесен, то любая вода, которая конденсируется на этой поверхности, будет тотчас же им покрыта. Создавая такое покрытие, вы ослабляете поверхностное натяжение, в результате чего огромное множество крошечных капелек тумана превращается в тонкий слой воды, равномерно покрывающий всю защищаемую поверхность. Вода может сцепляться со всей внутренней поверхностью очков, пока отсутствуют силы, способные воздействовать на молекулы воды. Поверхностное натяжение — единственная другая сила, оказывающая такое воздействие, и если вам удается ее ослабить, проблема решается сама собой.

Таким образом, одно из решений — ослабить поверхностное натяжение. Впрочем, есть и другое решение: увеличить силу притяжения со стороны внутренней поверхности очков. Капля сама по себе сжимается в шарик. Если опустить ее на пластик или стекло, она будет лишь слегка их касаться. Но на твердой поверхности, притягивающей молекулы воды почти так же сильно, как они притягиваются друг к другу, вода растечется. Вместо почти сферической капли вы получите плоскую кляксу, молекулы воды в которой ощущают со стороны поверхности такое же сильное притяжение, как и со стороны других молекул воды. Сейчас я покупаю очки для плавания со специальным покрытием на внутренней поверхности, притягивающим воду (оно называется гидро­фильным). Вода по-прежнему конденсируется на их внутренней поверхности, но равномерно распределяется по ней, притягиваясь к покрытию. Таким образом, конденсация как явление никуда не девается, но запотевания очков удается избежать.

У ослабления поверхностного натяжения есть свои преимущества. Но сила притяжения между отдельными молекулами воды очень велика. И чем меньше объем воды, с которым вам приходится иметь дело, тем значимее этот фактор. По-настоящему полезным поверхностное натяжение оказывается в водопроводных микросистемах. На этом уровне мы вполне можем обойтись без насосов и сифонов, а также огромных затрат энергии на создание обходных путей для воды. От нас требуется сделать такую систему настолько маленькой, чтобы можно было пренебречь влиянием гравитации и возложить всю тяжелую работу на плечи поверхностного натяжения. Уборка помещений — довольно скучное и утомительное занятие, но без нее наш мир выглядел бы совершенно иначе.

Я, наверное, неряшливая хозяйка, довольно умелая, но в гораздо большей степени интересующаяся самим процессом приготовления пищи, чем беспорядком, который оставляю после себя. Это заставляет меня немного нервничать, когда приходится хозяйничать на кухне в чужом доме. Несколько лет назад, находясь в Польше, я взялась приготовить яблочный пирог для международной группы волонтеров, с которыми тогда работала в одном из учебных заведений. Начало оказалось несколько обескураживающим. Высокая и свирепая на вид местная повариха буркнула что-то невнятное в ответ на мой вопрос, нельзя ли воспользоваться их кухней. Мне потребовалось несколько секунд напряженных раздумий в попытке понять, что бы это значило, пока я не сообразила, что она сказала «да». Мой уровень владения польским оставлял желать лучшего, и я не поняла многих инструкций, которые затем последовали. Однако главное я уяснила: кухню после завершения работы нужно оставить в идеальном порядке. Именно в идеальном. Ничто не должно быть пролито на плиту, стол или пол. Все поверхности должны буквально сверкать чистотой. Поэтому позже, когда повариха ушла домой, а я собрала все ингредиенты, необходимые для приготовления яблочного пирога, первое, что я сделала, это опрокинула на пол только что открытый большой пакет молока.

«Хоть бы это молоко куда-то исчезло, — подумала я, — и суровая повариха никогда не узнала о его существовании». Убрать остатки пролитого молока не так-то легко, особенно если его целый литр, заливший полкухни. Между тем молочная лужа продолжала увеличиваться в размерах. К счастью, есть средство, позволяющее достаточно быстро собрать пролитую жидкость, — обычное кухонное полотенце.

Как только полотенце коснулось молока, на молоко начала действовать новая совокупность сил. Полотенца обычно изготавливают из хлопка, а хлопок притягивает воду. На микроуровне молекулы воды притягиваются к волокнам хлопка и медленно покрывают поверхность каждого такого волокна, продвигаясь по нему вверх. А молекулы воды, как известно, так сильно притягиваются друг к другу, что первая из них, прикоснувшаяся к полотенцу, не может взбираться вверх самостоятельно. Она должна обязательно прихватить с собой следующую молекулу воды. А та, в свою очередь, — следующую. Таким образом, молекулы воды движутся вверх по волокнам хлопка, вытаскивая с собой все остальное, что есть в молоке. Силы, притягивающие воду к волокнам полотенца, настолько велики, что силой земного притяжения, ничтожной по сравнению с ними, можно пренебречь. Пролитое молоко быстро собирается с помощью обычного полотенца.

Но это еще далеко не все, на что способно полотенце. Оно обладает еще одним поистине бесценным качеством — ворсистостью. Если бы все волокна полотенца оказались покрыты тонким слоем воды, оно вообще не смогло бы ее собирать. Но ворсистость создает в полотенце множество воздушных карманов и узких каналов. Как только вода проникает в один из таких каналов, она подтягивается вверх со всех сторон, а вместе с ней подтягивается вверх и вода в середине канала. Чем уже канал, тем больше поверхности для каждой капельки воды в середине. Поверхность ворсистого полотенца огромная, а зазоры между ворсинками узкие, поэтому они могут вбирать в себя очень много воды.

Пока я наблюдала за тем, как лужа молока впитывается в полотенце, молекулы воды собирались вместе, толкаясь друг с другом внутри ворса. Те, которые располагались внизу, продвигались вместе с остальной толпой, сцепляясь с соседними молекулами воды. Те, которые соприкасались с хлопком, сцеплялись и с хлопком, и с молекулами воды, находящимися по другую сторону, удерживая свою позицию. Молекулы, соприкасающиеся с сухим полотенцем, сцеплялись с этим сухим хлопком и притягивали к себе другие молекулы воды, находившиеся позади, заполняя таким образом зазоры в структуре. Пребывающие на поверхности тащили за собой молекулы воды, находившиеся непосредственно под ними, стараясь окружить себя как можно большим числом других молекул воды, и в процессе подтягивая воду вверх. Это явление называется капиллярным эффектом. Гравитация тянет вниз все молоко, заполняющее микроканалы в ворсе. Но она не в состоянии конкурировать с силами, тянущими молоко вверх, то есть с силами наверху, где молоко соприкасается с сухим хлопком внутри миллионов крошечных воздушных карманов. Когда я свернула полотенце и убрала его, отдельные его участки буквально до краев пропитались молоком, заполнившим воздушные карманы.

Молекулы воды продолжат взбираться наверх по зазорам, подтягивая за собой другие молекулы воды до тех пор, пока сумма крошечных сил, действующих со стороны множества воздушных карманов, в конечном счете не уравновесится силой притяжения нашей планеты. Именно поэтому, когда вы опустите конец полотенца в воду, жидкость сначала быстро распространится на несколько сантиметров вверх, а затем остановится. В этот момент вес воды в точности сбалансируется силой поверхностного натяжения. Чем уже каналы в ворсе, тем большая поверхность на полотенце обеспечивает суммарную силу поверхностного натяжения и тем выше будет граница поднятия воды. Масштаб в данном случае имеет решающее значение: если ворс будет той же формы, но в сто раз длиннее, то такое полотенце вообще не станет впитывать воду. Но если ворс сделать гуще, то иерархия сил изменится и вода в таком полотенце поднимется на большую высоту.

Самое полезное качество полотенца состоит в том, что после просушки из его воздушных карманов испаряется вся вода: она просто растворяется в воздухе. Более простой и удобный способ решения проблемы трудно представить: полотенце вбирает жидкость и удерживает ее до тех пор, пока она не улетучится сама собой.

Расправившись таким образом с лужей пролитого молока, я испекла яблочный пирог и оставила кухню практически в безукоризненном состоянии. Правда, оставалось решить последнюю проблему, которая не имела никакого отношения к теории поверхностного натяжения. Взбитые сливки, поданные мной вместе с яблочным пирогом, имели не очень приятный кисловатый вкус, о чем свидетельствовали выражения лиц моих гостей. Одним словом, век живи — век учись. Я постараюсь никогда больше не совершать такую ошибку.

Причина, по которой полотенца изготавливают из хлопка, заключается в том, что хлопок — это в основном клетчатка, то есть длинные цепочки сахаров, с которыми охотно сцепляются молекулы воды. Вата, кухонное полотенце, дешевая бумага — все это хорошие абсорбенты, поскольку на микроуровне обладают ворсистой структурой, состоящей из водолюбивой целлюлозы. Вопрос в следующем: каковы пределы этой «размерозависимой» физики? Если эти каналы будут настолько малы, насколько это физически возможно, то что можно с ними сделать? Речь идет не только о полотенцах, всасывающих воду вверх по узким каналам из целлюлозы. Природа позаботилась об этом задолго до нас. В качестве впечатляющего примера того, на что способна физика микромира, назову самый большой из живых организмов на планете: гигантское калифорнийское мамонтовое дерево.

* * *

В лесу тихо и сыро. Создается впечатление, что так было всегда и изменения здесь — редкость. Земля между стволами деревьев покрыта мхом и зарослями папоротника, и единственные звуки, которые можно здесь услышать, — пение невидимых птиц и глубокое, тревожное кряхтение деревьев, слегка покачивающихся из стороны в сторону. Высоко вверху сквозь переплетение тонких ветвей проглядывают островки голубого неба, а внизу, под моими ногами, повсюду виднеется вода: лужицы, пропитанные влагой клочки почвы и ручейки, устремляющиеся вниз по долине. Каждый раз, гуляя по лесу, я невольно настораживаюсь, замечая далеко впереди подозрительное темное пятно, несколько выбивающееся из общей картины. Нет, это не хищник. Это дерево, один из настоящих гигантов, тысячелетний колосс, скрывающийся за молодой порослью и утверждающий свой особый статус в лесу обширной тенью, отбрасываемой на землю и соседние деревья.

Секвойя вечнозеленая, или калифорнийское мамонтовое дерево (Sequoia sempervirens), покрывает обширные участки земли в этом районе Северной Калифорнии. В наши дни когда-то бескрайние леса сократились до нескольких небольших участков, и я нахожусь в одном из самых известных под названием Redwood National Park в округе Гумбольдт. Эти гиганты производят неизгладимое впечатление, поскольку ствол каждого такого дерева совершенно прямой и вертикальный, устремляющийся далеко в небо. Самое высокое дерево на Земле находится именно здесь. Его высота — 116 метров. Во время прогулки мне часто встречаются деревья, диаметр ствола которых составляет 2 метра и более. Однако самое удивительное, что под глубокими морщинами коры этих деревьев формируются все новые и новые кольца. Деревья живут! Крошечные вечнозеленые листья на стометровой высоте улавливают энергию Солнца, запасают ее и вырабатывают материал, из которого строится новое дерево.

Но для жизни нужна вода, и она здесь, где я стою. Таким образом, в окружающем меня лесу вода течет снизу вверх. И ее поток никогда не прерывается — ни разу с того момента, когда семя, упавшее в почву, дало побег. Некоторые из этих деревьев стояли здесь еще во времена падения Римской империи. Они росли в Калифорнии, когда был изобретен порох, написана Книга Судного Дня (или Книга Страшного суда), когда Чингиз-хан завоевывал все новые царства в Азии, Роберт Гук опубликовал «Микрографию» и японцы бомбили Перл-Харбор. И ни разу вода не прекращала течь снизу вверх, питая дерево. Причина, по которой мы можем быть уверены в этом, заключается в том, что весь механизм, обеспечивающий жизнь дерева, основан на непрерывности этого потока. Его невозможно перезапустить. Но это очень умная «водопроводная система», и весь расчет ее создателя строится на том, что ее непрерывное действие обусловлено лишь очень маленькой величиной поперечного сечения: буквально несколько нанометров.

Вода проходит по ксилеме — системе микроскопических целлюлозных трубок, тянущихся от корней дерева к листьям. В этом главным образом и заключается понятие «древесины», хотя, по мере того как дерево вырастает, центральный стержень древесного ствола перестает участвовать в его водоснабжении. Капиллярность — механизм, делающий мое полотенце водопоглощающим, — обладает силой, достаточной для того, чтобы поднять воду в водопроводной системе дерева лишь на несколько метров. Для высокого дерева такая система не годится. Корни дерева также могут создавать собственное давление для проталкивания воды вверх по водопроводной системе дерева, но и этого давления достаточно лишь для поднятия воды еще на несколько метров. Большая часть работы не выполняется путем проталкивания воды вверх. Воду приходится тянуть. Такая же система действует во всех деревьях, но самый большой мастер по этой части — калифорнийское мамонтовое дерево.

Я сижу на стволе поваленного дерева, рядом с одним из гигантов, и смотрю вверх. В сотне метров над моей головой крошечные листики трепещут на ветру. Для фотосинтеза им нужен солнечный свет, двуокись углерода (углекислый газ) и вода. Углекислый газ поступает из окружающего воздуха через устьица — крошечные карманы, расположенные на нижней стороне каждого листа. Часть внутренней стенки каждого кармана представляет собой сеть целлюлозных волокон, между которыми находятся каналы, заполненные водой. Это верхушка водопроводных трубок; после них трубки разветвляются и снова разветвляются, каждый раз сокращаясь в размерах до тех пор, пока не достигнут устьица. В этом месте, где водопроводные трубки наконец соприкасаются с воздухом, размер их поперечного сечения составляет примерно 10 нано­метров. Молекулы воды прочно сцепляются с целлюлозными стенками каждого канала, а водная поверхность придает им форму нано­кувшина. Солнечный свет падает на лист и содержащийся внутри него воздух и иногда придает одной из этих поверхностных молекул воды достаточную энергию, чтобы оторвать ее от толпы других молекул воды, расположенных под ней. Испарившаяся молекула воды вылетает из листа в воздух. Но теперь нанокувшин утратил свою форму — он находится слишком глубоко. Поверхностное натяжение втягивает его внутрь, под­тягивая молекулы воды ближе друг к другу, чтобы уменьшить площадь поверхности. Есть множество новых молекул, которые могли бы заполнить образовавшийся зазор, но все они находятся намного дальше в канале. Поэтому вода в нем вытягивается вперед, чтобы заместить потерянную молекулу. А затем воде, находящейся еще дальше в канале, приходится продвинуться вперед, чтобы заменить воду, заместившую потерянную молекулу, и так далее, сверху донизу. Поскольку канал крошечный, поверхностное натяжение способно оказывать огромное вытягивающее усилие на всю воду под ним, достаточное (если учитывать вклад миллиона других листьев), чтобы вытягивать весь столб воды вверх по дереву. Потрясающе! Гравитация тянет всю воду в дереве вниз, но сочетание множества крошечных сил выигрывает сражение. И это не просто битва против гравитации: силам, тянущим воду вверх, приходится также преодолевать силу трения со стороны стенок трубки, когда вода продвигается по чрезвычайно узким каналам.

Помимо взрослых деревьев в лесу много молодой поросли — возрастом не более года. Их водяные столбы только начинают формироваться. По мере роста молодого деревца его водопроводная система удлиняется, но никогда не ломается, поэтому верхушка водяного столба всегда увлажняет внутреннюю часть устьица. Когда деревце продолжает расти, вода просто подтягивается к воздуху. Дерево не сможет снова заполнить водопроводную систему, если она опустеет, поэтому ему все время приходится поддерживать ее бесперебойную работу. Каким бы высоким ни было дерево, этот водяной столб не должен сбоить. Самые высокие экземпляры калифорнийского мамонтового дерева растут у океанского побережья именно потому, что прибрежные туманы помогают сохранять влагу на их листьях. Меньшему количеству воды приходится подниматься от корней до вершины, поэтому такая система в целом может действовать медленнее, а деревья могут быть выше.

Процесс испарения воды из листьев деревьев называется транспирацией, и происходит она, когда вы смотрите на дерево, освещаемое солнечными лучами. Эти сонные гигантские вечнозеленые секвойи, по сути, представляют собой массивные водные трубопроводы, подсасывающие воду из почвы, направляющие ее часть на фотосинтез и предоставляющие возможность остальной воде улетучиться в окружающий воздух. В каждом дереве происходит один и тот же процесс. Деревья — жизненно необходимая часть экосистем Земли; они не вырастали бы такими высокими, если бы не могли доставлять воду на требуемую высоту. Самое замечательное, что для такой доставки деревьям не нужен ни специальный мотор, ни активный насос. Они просто сужают проблему, решая ее с помощью правил микромира, а затем повторяют процесс столько миллионов раз, что он становится физикой гигантов.

Крошечный мир, в котором поверхностное натяжение, капиллярные силы и вязкость доминируют над силой земного притяжения и инерцией, всегда был неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Соответствующие механизмы могут быть невидимыми, но последствия их обязательно проявятся. И сегодня мы не просто наблюдатели, восхищающиеся элегантностью и экзотикой процессов, происходящих на микро­уровне. Мы становимся работающими на нем инженерами. Уже придуман термин для стремительно развивающейся области микроскопических трубопроводных систем, управления текучими средами, перемещающимися по узким каналам, и практического использования таких систем. Это «микрофлюидика» (наука о микроскопических текучих средах). Для большинства из нас это новое слово, но, думаю, в будущем эта молодая отрасль науки наверняка станет оказывать огромное влияние на нашу жизнь — особенно в области медицины.

В наши дни люди, страдающие диабетом, могут контролировать содержание сахара у себя в крови, используя достаточно простое электронное устройство и тестовую полоску. Крохотная капелька крови, опущенная на тестовую полоску, благодаря капиллярному действию мгновенно впитывается в абсорбирующий материал. Крошечные поры тестовой полоски заполнены ферментом глюкозооксидазы. Вступая в реакцию с сахаром, содержащимся в крови, он генерирует электрический сигнал, измеряемый с помощью ручного устройства, — и на экране отображается точный процент содержания сахара в крови. Такое описание может показаться банальным: бумага впитывает некую жидкость, и этот процесс поддается измерению. Ну и что? Но это лишь грубая демонстрация принципа, положенного в основу такого измерения. В действительности все гораздо сложнее.

Если вы можете пропускать жидкость через тонкие трубки и фильтры, собирать ее в определенные емкости, смешивать с другими химическими веществами и анализировать результаты, то у вас есть все компоненты химической лаборатории. Нет надобности в стеклянных колбах и пробирках, пипетках и микроскопах. Предпосылкой стремительно разви­вающейся индустрии, которую иногда называют «лабораторией на чипе», является разработка крошечных устройств для проведения медицинских тестов. Никому не нравится, когда из него пытаются «вы­качать» целый пузырек крови. Пара капель — еще куда ни шло. Меньшие по размеру диагностические устройства зачастую более дешевы в производстве и более удобны с точки зрения поставки конечным потребителям. К тому же вы не обязаны изготавливать их с использованием таких дорогостоящих современных материалов, как полимеры или полупроводники. Вполне подойдет бумага.

Именно такими вопросами занимается группа исследователей в Гар­вардском университете, возглавляемая профессором Джорджем Уайт­сайдсом. Они разработали диагностические тестовые комплекты размером с почтовую марку. Они изготавливаются из бумаги и содержат целую сеть «водолюбивых» бумажных каналов с парафинированными водоотталкивающими стенками. Когда вы наносите каплю крови или мочи на определенное место такой бумаги, капиллярное действие протаскивает эту жидкость через основной канал, разделяет ее и перенаправляет образовавшиеся потоки во множество разных тестовых зон. Каждая тестовая зона содержит ингредиенты, необходимые для выполнения тех или иных биологических тестов, а каждый резервуар будет изменять свой цвет в зависимости от результатов теста. Исследователи предполагают, что такие тесты мог бы выполнять самый обычный человек (отнюдь не врач), фотографировать их с помощью смартфона и передавать результат по электронной почте специалисту, который мог бы интерпретировать его. Идея представляется блестящей. Бумага дешева, устройство не требует специального источника питания, легкое, а для его утилизации достаточно зажигалки. Как и в случае любых других новых устройств, нам понадобится провести множество проверок и сравнений, прежде чем мы убедимся, что столь простая и внешне привлекательная идея способна принести реальную практическую пользу. Тем не менее нам очень хотелось бы верить, что в будущем подобные устройства все же займут достойное место в медицине.

Ключевая мысль, которую мне хотелось бы донести до читателей, заключается в том, что, рассматривая какую-либо проблему, мы можем выбрать на шкале размеров такой вариант ее решения, который окажется максимально эффективным и удобным с точки зрения реализации. Это как если бы вы могли выбирать именно те законы физики, с которыми вам удобнее всего работать. Поистине, маленький — значит замечательный.

Отправить