4.1. Краткая историческая справка о лесах
Совсем немного, всего только 60–70 миллионов лет потребовалось Природе, чтобы превратить первые мелкие и невзрачные сухопутные растения — псилофиты в мощные деревья. Псилофиты впервые шагнули на сушу из прибрежных лагун 420–430 миллионов лет назад, в силурийском периоде палеозойской эры. А в карбоне, периоде, начавшемся 350 млн. лет назад, сушу уже покрывали мощные леса. Во влажных тропических и субтропических лесах того времени из опавших деревьев интенсивно формировались залежи каменных углей.
Дерево представляет собой живой организм, удивительно приспособившийся к борьбе за существование. Его крона — это фабрика, перерабатывающая углекислый газ воздуха в углерод и биомассу за счёт энергии солнечных лучей. Площадь цехов этой фабрики — листьев — в 10–20 раз больше, чем площадь земли под кроной дерева. Для борьбы с возможными конкурентами, которые могли бы перехватить солнечный свет, ствол поднимает крону на 20, 30, 50, … до 120 метров (секвойя, эвкалипт). Необходимо отметить, что КПД лесной фабрики невелик — только 0,2–0,3% падающей энергии превращается в химическую энергию биомассы. Правда, учёные считают, что это не предел.1 Существуют растения, способные усваивать от 0,5 до 1,3% солнечной энергии. В опытах при особых условиях удаётся повысить КПД до 5–6%, а для водорослей даже до 7–10%. Теоретический предел фотосинтеза равен 30%. Для будущей энергетики это может оказаться крайне важным.
Крона дерева — это огромный парус, да ещё поднятый на большую высоту. Нелегко удержать такое сооружение при сильных ветрах. Корневая система дерева и ствол обеспечивают необходимую прочность. Поэтому у очень крупных деревьев диаметр ствола у подножья (у комля) может достигать 10 и более метров.2 Кверху ствол, конечно, сужается — зачем держать лишнюю тяжесть? Всё в полном соответствии с требованиями механики и теории сопротивления материалов, которые, правда, были разработаны на 350 млн. лет позже появления первых деревьев. Но надо отметить, что очень крупные деревья отдельно никогда не растут: запас прочности не так велик, чтобы в одиночку выдержать самые сильные ветры (шквалы), которые всё же бывают, хотя бы изредка.
Корневая система дерева выполняет и вторую функцию: она питает крону и ствол водой с растворёнными в ней минеральными веществами, иногда извлекая это с большой глубины.3 Для того, чтобы поднять воду на нужную высоту (до 120 м), необходимы насосы. В данном случае роль насоса играет капиллярное давление, возникающее в очень тонких трубочках за счёт смачивания стенок и поверхностного натяжения. Роль трубочек играют волокна дерева; по ним влага поднимается вверх, достигая листьев, в которых и идёт синтез биомассы.
Капиллярные явления открыл и впервые изучал ещё Леонардо да Винчи (1561 г.), затем ряд крупных учёных в 17–19 веках (Б. Паскаль, П. Лаплас, Т. Юнг, Д.У. Гиббс и др.). В 19 веке была разработана физическая теория и всё стало ясно. Природа всё это использовала намного раньше. Всё-таки приходится признать, что Природа — великий экспериментатор. Правда, у неё было время, но не так уж много, если учесть, что деревья растут медленно и результатов опыта приходится ждать 20–30 лет. Но зато природная лаборатория велика, и одновременно идёт много опытов. Например, в современных лесах растёт не менее 100 миллиардов деревьев, и каждое из них ежегодно даёт множество семян. Остальное доделывает естественный отбор, давая дорогу хорошим экземплярам и безжалостно бракуя неудачников.
На рис. 13 в 1-м томе представлена история развития наземных растений, и дальнейшие несколько страниц лучше читать, заглядывая в этот рисунок. Первое поколение деревьев, жившее 350–150 миллионов лет назад (конец палеозойской — первая половина мезозойской эры), состояло из древовидных форм плаунов, хвощей, папоротников. Именно из этих деревьев формировались леса, покрывавшие тогда всю сушу, и из них образовались основные залежи каменных углей. В дальнейшем, 130–100 млн. лет назад первобытные деревья начали вымирать, уступая «место под солнцем» другим, новым формам. К нашему времени от некогда могучих хвощей и плаунов остались одни воспоминания в виде отпечатков в пластах каменного угля и небольших растений травянистого характера.
Плауны и хвощи представляют собой самостоятельную ветвь растений, которые произошли от риниевых. Другая, гораздо более разветвлённая группа растений, произошла от псилофитов, имеющих с риниевыми общего предка — зелёные водоросли, но выбравшихся на сушу самостоятельно. В эту группу прежде всего входят папоротники, причём их два, независимо образовавшихся типа — обычные, размножающиеся спорами, и семенные папоротники. И те и другие были богато представлены в первобытных лесах и внесли свой вклад в формирование запасов каменных углей.
В начале пермского периода, или, быть может, в самом конце карбона, 280 миллионов лет назад образовались хвойные деревья. Они царствовали в лесах не менее 150 млн. лет; в это время плауны, хвощи, папоротники стали угасать и уступили хвойным свой приоритет. Количество видов хвойных растений и занимаемая ими площадь стали сокращаться в меловом периоде (140 млн. лет назад), но всегда хвойные деревья были широко распространены в лесах всех климатических зон (кроме, может быть, тропических). В настоящее время существует 560 видов хвойных деревьев и кустарников, но зато разнообразие форм велико. К ним относятся самые высокие деревья — секвойи (2 вида), достигающие 120 м в высоту и 10 м в диаметре, много видов сосны, ели, кедра, пихты и других, дающих самую ценную древесину для строительных целей, шпал, столбов. Среди хвойных встречаются и мелкие формы.
Обычные папоротники, утратив своё былое могущество, сохранились до нашего времени в довольно большом числе видов — около 12000, но всё это, в основном, травянистые растения. Семенные папоротники исчезли в середине мелового периода (100 млн. лет назад), но предварительно дали жизнь двум формам — гинкговым и саговникам (цикадовым). Их было много в юрском и начале мелового периода (200–100 млн. лет назад), после чего они тоже угасли, сохранившись до нашего времени в очень небольшом числе видов: 130 (саговники) и всего один вид гинкговых — реликтовое дерево гинкго, которое в естественных условиях встречается только в Китае. От саговников ещё в пору их расцвета 120 млн. лет назад произошли покрытосемянные растения — двудольные (6000 видов) и однодольные (180000 видов), которые и составляют теперь подавляющую массу растительного царства, в том числе и деревьев. Некоторые из первых покрытосемянных деревьев сохранились (магнолия, платан, хлебное дерево, фикус), большинство же исчезло, уступив место огромному разнообразию современных форм: бук, дуб, орех, клён, берёза, тополь, ива, яблоня, груша… и так далее — большое число семейств и огромное количество родов, видов, подвидов лиственных покрытосемянных деревьев и кустарников. Они образуют сплошные леса (березняки, дубравы и т. д.), а также массивы смешанных лесов в тропической, субтропической, умеренной зонах.
В наше время лесные площади занимают 4,18 км, что составляет 27% суши. К этой территории относят вырубки, гари, некоторые пустыри и болота, временные пашни, луга и другие места, предназначенные для естественного роста или искусственного насаждения лесов и дожидающиеся своей очереди. Площадь действительно покрытая лесами меньше — 3,8 км (25% суши). На ней произрастает 30000 видов дикорастущих деревьев и кустарников. Раньше, и даже не очень давно, лесов было гораздо больше: вся Европа (в античные времена), Сирия, Ливан и многие другие районы Азии (1–2 тысячи лет до нашей эры), центральные и восточные штаты США, Мексика (до открытия и заселения Америки европейцами) были покрыты густыми лесами. Уничтожение этих лесов — дело рук человека.
Ископаемые остатки лесов находят везде — в Сахаре, вообще в африканских, австралийских, азиатских пустынях, в Гренландии, на Шпицбергене. До сих пор ведётся дискуссия — почему эти леса исчезли? Изменения климата? Дрейф континентов? Уничтожены человеком? По- видимому, эти факторы действовали в совокупности, но особую роль играл третий. В приложении 3 говорится о судьбе лесов Сахары, по-видимому, уничтоженных человеком.