Откуда взялись культурные растения?

Культурные растения — это виды, формы и сорта растений, возделываемые человеком для получения продуктов питания, сырья для промышленности, кормов для домашних животных, а также в декоративных целях. Считается, что в культуру вовлечено около 2500 видов. Сегодня никто не сомневается, что культурные растения вывел сам человек путем гибридизации и селекции, то есть скрещивания диких растений и последующего отбора потомков с необходимыми свойствами.

Исследованием происхождения культурных растений наука занимается примерно два века. В конце XIX века швейцарский ботаник Альфонс Декандоль, сын одного из крупнейших ботаников Огюстена Декандоля, сформулировал идею центров происхождения культурных растений. Он предположил, что культурные растения начали выводиться человеком, жившим в предгорьях, а уж потом по мере освоения паводковых равнинных земель распространились по Земле. В пользу такого предположения говорит то, что условия для создания небольших участков для посева и полива из речушек и ручьев более легкие, чем условия на паводковых равнинных землях. Таким образом, получается, что известные нам древнейшие центры земледельческой культуры в междуречье Тигра и Евфрата и дельте Нила унаследовали и развили более ранние достижения человека и в этом смысле не могут считаться пионерскими.

Через полвека Николай Вавилов осуществил более 50 экспедиций по всему земному шару и доказал существование первичных и вторичных центров происхождения культурных растений. Была собрана их уникальная коллекция, спасенная героическими усилиями сотрудников института растениеводства во время блокады Ленинграда.

На всей Земле насчитывается 12 региональных центров происхождения культурных растений, однако все время появляются новые данные, и картину нельзя считать окончательной. Примерно равную обоснованность имеют три концепции происхождения культурных растений. По одной все культурные растения произошли из одного центра. По другой существовало несколько независимых очагов происхождения земледельческих культур. По третьей, диффузной, никаких центров не было вовсе. Некоторые специалисты полагают, что история народов и ландшафтов до того разнообразна, что все три концепции могут быть отчасти верными.

Возраст земледелия оказывается достаточно солидным. Первый интерес людей к пшенице и ячменю появился не менее 20 000 лет назад — таким сроком датируются остатки диких пшеницы и ячменя, найденные археологами на стоянках человека на территории современного Израиля. Самым древним находкам культурных пшеницы и ячменя из Иордании 11 000 лет. По оценкам ученых, процесс одомаш­нивания этих зерновых культур продолжался не менее тысячи лет. Он был вполне осознанным. Несмотря на различие природных условий и сельскохозяйственных традиций, разными народами созданы посевные растения с совершенно определенными, важными для хозяйствования признаками: неломким колосом, голозерностью, высокой продуктивностью и коротким периодом цветения и созревания. Генетические исследования показывают, что такая скорость выведения полезных сортов оказалась возможной, потому что для существенного изменения свойств растения нередко достаточно одной мутации.

По сравнению с гибридизацией и селекцией современные методы генной инженерии позволяют модифицировать растения быстрее и радикальнее. Именно это и настораживает. На оценку пригодности и безопасности нового продукта и приспособление к нему требуется время, и можно не успеть вовремя отказаться от вредного мутанта.

Породы и сорта культурных растений часто рассматриваются как национальное и даже всемирное достояние. В 2006 году под эгидой ООН для сохранения посадочного материала всех сельскохозяйственных растений, существующих в мире, создан Всемирный банк-семенохранилище. На средства Норвегии на острове Шпицберген под землей, в зоне вечной мерзлоты, построено надежное хранилище, в котором каждая страна получила свой отсек.

Отчего выпадают осадки?

Любые осадки — это просто вода, в жидкой или твердой форме. В их образовании важную роль играет газообразная вода — пар.

Сначала разберемся с околоземной влагой. Согласно физическим законам, при определенной температуре в воздухе может быть только определенное количество парообразной воды. Если температура не опускается ниже нуля, пар конденсируется на холодных поверхностях и выпадает роса. Поскольку менее теплоемкие предметы остывают быстрее, роса обычно выпадает на траву, листья, паутинки, автомобильные стекла, но не на землю.

При температуре ниже нуля возможны два варианта. Если пар сразу переходит в твердую фазу — лед, тогда образуется кристаллический игольчатый иней. Если же замерзают капельки тумана, образуется гранулированный иней.

Что касается воды в облаках, то там происходят гораздо более разнообразные события, которые зависят от типа облака и температуры воздуха.

Низкие кучево-дождевые облака состоят из капель воды, удерживаемых воздушными потоками. Сталкиваясь, капли соединяются и растут в размере. Они уже не могут удерживаться восходящими потоками и выпадают на землю в виде дождя. Хотя бывает и обратная ситуация: скажем, над жаркими пустынями дожди начинают падать, но не долетают до земли, потому что капли не слишком крупные и успевают испариться. Если же капли успевают замерзнуть, выпадает град.

В более высоких облаках капли воды переохлаждены. Циркулируя в потоках воздуха, они также растут и могут выпасть на землю. Если капли во время полета так и останутся переохлажденными, то, достигнув земли, моментально замерзнут, образуя гололед. Если в такое облако попадет самолет, он обледенеет. Если в таком облаке найдутся зародыши кристаллизации, то буквально в течение нескольких десятков минут в облаках сформируется град. Иногда градины весят более килограмма.

Снежинки же образуются в облаках тогда, когда на мелкий зародыш кристаллического льда осаждаются молекулы воды из перенасыщенного пара, содержащегося в облаках или испаряющегося с поверхности мелких капель. Рост снежинок подчиняется законам симметрии, так же как и рост кристаллов в растворах. Все снежинки имеют гексагональную симметрию, то есть могут быть вписаны в правильный шестиугольник. Но при этом разнообразие их форм необыкновенно велико. Так, в начале 30-х годов американское бюро погоды издало атлас снежинок с 2500 фотографиями, сделанными фотографом-натуралистом Уилсоном Бентли.

В 1661 году была опубликована первая научная работа Иоганна Кеплера об образовании снежинок, в которой знаменитый астроном на вопрос: «Отчего снег шестиуголен?» — сам отвечает: «Вещь эта мне еще не открыта». Многие ученые и сейчас согласны с ним.

Оказывается, снежинки могут образовываться не только из воды. Например, в лаборатории удалось получить искусственные «снежинки» йодоформа. Модельный расчет вулканической активности на спутнике Юпитера — Ио — показал возможность образования снега из диоксида серы при газовых выбросах вулкана.

Такие совпадения в природе поражают. Но, пожалуй, привычный нам снег лучше, чем из йодоформа и окиси серы.

Отчего дует ветер?

Ветер — это движение воздуха. Причиной движения воздушных масс становится разница давления в разных областях атмосферы, возникающая из-за разницы нагрева, первичным источником которого всегда служит Солнце. Но так как условия движения очень разнообразны, то и разных ветров на Земле много.

Существуют ветры глобального масштаба — пассаты. Они возникают оттого, что в экваториальной и тропической зонах солнце нагревает воздух сильнее, чем в умеренной и полярной. Нагретый экваториальный воздух поднимается вверх и устремляется к полюсам. В субтропических широтах он становится достаточно тяжелым, опускается и начинает возвращаться к экватору. Под действием вращения Земли и сил трения воздух отклоняется к западу, поэтому в Северном полушарии пассат дует не с севера, а с северо-востока, а в Южном — с юго-востока. Скорость пассатов мало изменяется и составляет 5–10 м в секунду. Из-за этого встречного движения в экваториальных широтах пассаты ослабевают и поворачивают на восток. Так образуется приэкваториальная штилевая зона, характеризующаяся грозами и ливнями. Ее иногда почему-то называют «конские широты» (районы Мирового океана в пределах 30–35° северной и южной широты. — Прим. ред.).

Кроме глобальных ветров существуют и местные, дующие только в определенных местах земного шара и возникающие при изменении тепловых условий в течение некоторого времени или под влиянием рельефа местности.

Например, обычно море днем холоднее суши, а ночью — на­оборот. От этого в прибрежной полосе шириной до нескольких десятков километров дует бриз — днем с моря, а ночью с суши.

Бризы бывают и на суше. Ночью у поверхности земли есть тяга воздуха с поля к лесу, а на высоте крон деревьев — из леса к полю. Это неплохо знать, растапливая печи и камины.

Местный ветер бора образуется там, где горный хребет граничит с теплым морем. В холодный сезон за горами относительно быстро накапливаются массы холодного воздуха, а море еще остается теплым. Поэтому холодные массы, перевалив через хребет, с огромной скоростью устремляются вниз к теплому морю, легко вытесняя теплый воздух. Наиболее известная бора наблюдается в районе Новороссийска.

В некоторых горных местностях бора отмечается каждый день, когда при заходе солнца холодный воздух с вершин устремляется в не остывшие еще долины.

Существуют и сезонные ветры, называемые муссонами. Летом они дуют с моря на сушу, так как летом суша в среднем нагрета сильнее моря; зимой все наоборот: муссоны дуют с суши на море. Понятно, что в переходные сезоны муссонов не бывает.

Движение воздуха редко бывает однородным и устойчивым. При довольно больших скоростях и встрече холодных и теплых масс происходит завихривание. На местном уровне это случается при прохождении мощных кучевых облаков, образующих шквалы. При определенных условиях на суше или над морем появляются смерчи. На более масштабном уровне встречи холодных и теплых воздушных масс могут приводить к образованию гигантских вихрей — циклонов и антициклонов диаметром до 2000–3000 км. Полагаю, что смерчи, циклоны и антициклоны заслуживают отдельного рассказа. А пока будем твердо помнить, что ветер дует не оттого, что деревья качаются.

Отчего мячик скачет?

Мяч — одна из самых любимых игрушек человечества. Самые старые мячи найдены в Египте. Им примерно 4000 лет. Они были сделаны из дерева и не могли отскакивать от земли. Мячам американских индейцев около 3500 лет. Они выполнены из каучука, и именно эти игрушки могли отскакивать от твердой поверхности. И у египтян, и у индейцев игры часто носили ритуальный характер. Египтяне играли не за себя, а за представляемых командой богов. У индейцев проигравший приносился в жертву богам. Мяч с давних времен известен во множестве стран и везде имел сходное устройство — кожаная оболочка с упругим внутренним наполнением из тряпок, шерсти и т. п.

Надувной мяч изобрели древние греки. По-видимому, он не был прыгучим, но был легким. В Европу же упругие каучуковые мячи завез из Америки Христофор Колумб.

В начале XIX века был изобретен современный надувной резиновый мяч. Со временем он улучшался и специализировался для самых разнообразных игр — футбола, волейбола, баскетбола, тенниса.

Во всех этих играх очень важен отскок. От чего же зависит, каким он получится? Это очень сложный вопрос с точки зрения механики. Практика подтверждает это необыкновенно большим количеством мячей разного типа, технологий их изготовления, а также всевозможных конструкций покрытий. Поэтому можно дать лишь качественный ответ.

Отскок характеризуется длительностью времени и высотой. Например, по этим параметрам теннисные травяные, земляные корты, корты с твердым и ковровым покрытиями отличаются настолько, что ни у кого из игроков не получается одинаково хорошо играть на всех.

Чтобы отскок мяча был высоким, необходимо, чтобы мяч не отдавал энергию при ударе о поверхность поля. Для этого он должен быть менее упругим, чем покрытие, и достаточно тяжелым. При этом чем больше отношение массы мяча к его упругости и чем мягче покрытие, тем медленнее отскок.

Упругость надувного мяча в основном зависит не от свойств материала оболочки, а от величины давления воздуха внутри него. В футбольном мяче внутреннее давление составляет 1,6–1,7 атмосферы. Для этого мяч подкачивают насосом, а судьи перед игрой проверяют давление манометром. В теннисном мяче внутреннее давление составляет 1,0–1,2 атмо­сферы. Такое давление в нем создается за счет того, что при изготовлении внутрь помещают таблетки нитрита натрия и хлорида аммония. Когда заготовку нагревают для вулканизации резины, эти вещества разлагаются с выделением азота, и давление внутри мяча повышается.

Упругость мяча для настольного тенниса в основном определяется упругостью оболочки, а не давлением воздуха внутри. Такой шарик может плохо отскакивать от тонкого стола, так как будет возбуждать в нем колебания. По этой причине проектировщики очень внимательно относятся к конструкции стола.

Конечно, когда мы смотрим футбол или теннис, вовсе не думаем о том, как отскакивает мяч, а получаем удовольствие от хорошей игры. Правда, когда мяч отскакивает плохо, хорошей игры не получается.

Почему вода мокрая?

Говорить про воду, что она мокрая, не совсем корректно. Правильнее говорить, что вода делает мокрым то, что смачивает или пропитывает. При этом бывают такие объекты, которые никак не намокают. Например, если вода попадает на поверхность, покрытую жиром или парафином, смачивания не происходит. Нельзя, скажем, смочить поверхность листа кувшинки или лотоса, хотя они и не покрыты никаким жиром. Как показали исследования, все дело в особой структуре их поверхности, поэтому к ним не липнет даже пыль и они всегда чистые. Сейчас пытаются создать такую автомобильную краску, которая давала бы поверхность с подобными свойствами, и тогда машины всегда будут чистыми.

Ну, да я отвлекся. Почему же вода в некоторых случаях смачивает поверхности, а в некоторых нет? Дело, оказывается, во взаимодействии молекул воды, воздуха и твердого вещества. Чтобы легче понять, что может произойти, сначала рассмотрим каплю воды в невесомости, когда взаимодействуют только вода и газ. В этих условиях капля примет форму шара. Дело в том, что среди всех тел одинакового объема наименьшую площадь поверхности имеет шар. Это обеспечивает то, что запас энергии в шарообразной капле оказывается меньшим, чем запас энергии в капле любой другой формы. А механические системы приходят в устойчивое равновесие именно при минимальной энергии.

Воссоздать условия невесомости я не могу, но если возьму тонкую пипетку и попробую сформировать небольшую нетяжелую каплю, то ее поверхность в основном будет окружена воздухом, как и в условиях невесомости, так как место контакта капли и пипетки имеет малую площадь. Капля, как и в невесомости, получится почти круглой. Запас ее энергии минимален. Чтобы изменить форму капли, надо придумать способ дополнительного уменьшения ее энергии. Для этого ее можно разместить на твердой поверхности. Если поверхность жирная, капля так и останется круглой. Значит, взаимодействие воды с жирной поверхностью приведет не к уменьшению, а к увеличению энергии капли. Поэтому капля не сможет растечься и останется шариком. Значит, жирная поверхность, например утиное перо, не намокнет.

Если же разместить каплю воды на чистом стекле, она растечется. Это значит, что взаимодействие молекул воды и стекла уменьшает энергию капли по сравнению с тем случаем, когда они взаимодействуют только с молекулами газов воздуха и между собой. Вот, собственно, и все объяснение: дело в молекулярных взаимодействиях. Это объяснение касается не только воды, но и любых других веществ в жидком состоянии.

Можно ли еще как-то повлиять на смачивание? Можно. Поскольку взаимодействие между молекулами зависит от температуры, то при нагреве могут произойти такие изменения, что поверхность станет смачиваемой. Например, если мы пытаемся спаять две медные проволочки оловянным припоем, его надо нагреть до высокой температуры. Нагретое олово начинает смачивать медную поверхность. Если его остудить, проволочки окажутся крепко спаянными.

Иногда со смачиванием приходится бороться. Например, покрывать ботинки кремом, чтобы они не промокали; пропитывать ткани, чтобы изготовить водоотталкивающую одежду. В производстве, например, важно, чтобы расплавленный металл не прилипал к стенкам форм для литья.

Замечательно, что вода смачивает нашу посуду и у нас есть возможность мыть ее дочиста. Смачивает она и нашу кожу, поэтому мы можем быть чисто вымытыми, а это так приятно!