Человек, животные и растения дышат, т. е. поглощают кислород, используют его для сжигания органического вещества (сахара, жиров), а в качестве продуктов сгорания выделяют углекислоту и воду.
Нетрудно показать, что при дыхании потребляется кислород и образуется углекислый газ.
В цилиндрический стеклянный сосуд около 40 см вышины и 7 см ширины (для этой цели пригоден также узкий высокий стакан) помещают горсть свежесрезанной травы или немного прорастающего гороха и закрывают цилиндр притертой пробкой или стеклянной пластинкой, смазанной вазелином. Сосуд ставят в теплое темное место. Рядом ставят такой же сосуд без листьев или семян. Если на другой день открыть первый сосуд и опустить в него маленькую горящую свечку, то она немедленно погаснет, между тем как в контрольном сосуде будет спокойно продолжать гореть. Листья, помещенные в сосуд, дышали и потребили весь кислород, находившийся в стакане, вот почему свечка гаснет, так как для горения необходим кислород.
Другой опыт показывает, что при дыхании образуется углекислый газ. Для этого нужно только внести в сосуды, использованные в предыдущем опыте, небольшое количество чистой известковой воды (50 см3), которую легко приготовить, растворив в воде кусочек едкой извести и профильтровав раствор. В один из этих сосудов помещают облиствленную ветку сирени или липы, затем закрывают его и оставляют в темноте на 24 часа. Тогда можно будет видеть, что в сосуде с веткой известковая вода помутнела, между тем как в таком же закрыв том сосуде без ветки жидкость осталась прозрачной. Выделившийся из ветки углекислый газ соединился с известью и образовал углекислую известь, а так как эта последняя нерастворима в воде, то и появилось помутнение.
Выделение тепла. Если дыхание представляет собой процесс горения, то при этом должно освобождаться тепло. Ведь человек и теплокровные животные обязаны дыханию теплотой своего тела. А растение? Согревается ли оно также при дыхании? В природных условиях этого ведь незаметно.
Если просверлить в древесном стволе дырочку и вставить в нее термометр, то рана через некоторое время заживает и термометр как бы вполне срастается со стволом; теперь создается возможность во всякое время следить за температурой дерева. При этом оказывается, что температура дерева приблизительно та же, что и температура окружающего воздуха. Зимой, когда температура понижается до —15° С, дерево имеет почти такую же температуру; летом, когда температура +20° С, то и термометр, вставленный в дерево, показывает приблизительно то же число градусов. Температура дерева будет только несколько отставать от хода температуры воздуха, так как дерево — плохой проводник тепла и медленно воспринимает теплоту. Точно так же, если измерить температуру листа, находящегося в тени леса, то и он не окажется теплее воздуха.
а) Выделение тепла листьями. Для того чтобы это понять, нельзя упускать из виду, что накоплению тепла в листе постоянно противодействуют два физических фактора: излучение теплоты и испарение. Каждое тело излучает теплоту и тем более, чем больше его поверхность, а так как пластинки листьев по большей части плоские, и при небольшом их весе отношение величины их поверхности к весу значительно больше, чем у животных, которые по сравнению с весом своего тела обладают сравнительно небольшой поверхностью, поэтому растение быстро излучает теплоту. Кроме того лист испаряет воду; при этом, как при испарении капли спирта или эфира на руке получается охлаждение, так и растение, испаряя воду, теряет тепло.
Излучение тепла и испарение действуют согласно в одном и том же направлении, быстро отнимая тепло, выработанное растением. Вследствие этого, при обычных условиях, мы его и не замечаем. Но стоит только исключить оба эти противодействующие фактора, и развитие тепла может быть доказано простыми опытами.
Я еще хорошо помню из впечатлений моего детства одно явление, которое ясно показало мне, как растение вырабатывает тепло.
Однажды с поля были привезены свежеобломанные початки кукурузы и свалены в сарай в большую кучу. Когда на другой день их стали очищать от листьев (рубашек), в чем и я принимал участие, то я ясно почувствовал, как те початки, которые лежали в глубине кучи, казались наощупь горячими или теплыми. Они дышали, развивали теплоту и благодаря тому, что лежали друг на друге толстым слоем и взаимно друг друга покрывали, тепло их не могло излучаться и чувствовалось при прикосновении рукой. Таким образом в первый раз я, еще мальчиком, наблюдал развитие тепла у одного из высших растений.
Для того чтобы убедиться простым способом, что листья развивают тепло, надо собрать 2—4 кг свежесорванных листьев с какого-нибудь дерева (груши, акации), положить их в корзину и накрыть сверху картонной крышкой, через которую в середину массы листвы погрузить термометр. Все это надо поставить в деревянный ящик, заполнив пространство между корзиной и стенкой ящика каким-нибудь плохим проводником тепла (древесными стружками). Опыт должен проводиться в таком месте, где нет движения воздуха. Уже через час или два температура начинает повышаться, а через 15—24 часа она поднимается настолько, что листья становятся горячими наощупь и даже отмирают от самонагревания. Если наполнить маленький стаканчик эфиром или маслом какао и поставить его в эту кучу листвы, то эфир начнет кипеть, а масло плавиться.
б) Выделение тепла аройниковыми. Однако имеются растения, которые вследствие чрезвычайно интенсивного дыхания согреваются настолько, что, несмотря на излучение тепла и транспирацию, нагрев ощущается при прикосновении рукой.
К ним относятся соцветия-початки некоторых представителей семейства аройниковых. Так аройник итальянский образует цветочные початки, которые быстро нагреваются приблизительно на 17° С выше температуры окружающего воздуха. Если положить пять таких початков тесно друг около друга и закрыть их войлоком, для того чтобы предотвратить излучение тепла, то при температуре воздуха в +15,4° С температура их может подняться до 51° С.
Соцветие аройника, появляющееся в мае, представляет собой весьма интересно построенный початок. Он окружен воронкообразной обверткой с беловатыми и красноватыми пятнами, у своего основания несет женские, а в середине — мужские цветы и оканчивается голым светлопурпуровым придатком. Когда начинается цветение початка, то в связи с интенсивным дыханием именно этого придатка початок нагревается до такой степени, что кажется наощупь тепловатым. Повышение температуры начинается после раскрытия обвертки и зацветания растения. Оно нарастает в течение 3—4 часов и, достигнув высшей точки, держится час или два, а затем начинает понижаться и падает до прежнего уровня. Термометр, прижатый к теплому початку, показывает повышение температуры на 6—10° С, и повышение будет еще гораздо значительнее, если связать вместе несколько початков.
Углеводы, содержащиеся в початке до цветения в большом количестве, за короткое время расходуются при дыхании и сгорают, и это сгорание связано с образованием большого количества тепла. Как известно, мухи охотно садятся в теплых местах, освещенных солнцем, точно так же и на тепловатый придаток початка садится большое количество мух и жуков, и нет никакого сомнения, что это поразительное в мире растений образование тепла привлекает насекомых, которые затем, ползая вверх и вниз по стержню початка, переносят пыльцу и тем способствуют перекрестному опылению.
Весной под кустами на лугах нередко встречается травянистое растение, принадлежащее к семейству аройниковых, — аронов жезл. Если пожевать кусочек стрельчатого свежего листа, то на языке и на губах получится сильное ощущение ожога, вызываемое игольчатыми кристаллами щавелевокислого кальция, которые, подобно крошечным кинжалам, пронзают слизистую оболочку рта и причиняют боль.
в) Самонагревание конского навоза и сена. Максимальное развитие тепла дают теплолюбивые (термофильные) бактерии. Если конский навоз лежит в больших кучах, то из него даже холодной зимой начинает идти пар. Если его развалить, то пара выделяется особенно много, так как вода, испаряющаяся из теплых, даже горячих частиц навоза, при соприкосновении с холодным внешним воздухом быстро сгущается в туман. Повышенную температуру навоза можно обнаружить, трогая его рукой — точнее, конечно, при помощи термометра. Температура в 40—70° С не представляет собой исключения.
Это самонагревание навоза несомненно известно со стародавних времен, но правильное объяснение ему было найдено только в конце прошлого столетия. Нагревание вызывается дыханием бактерий и плесневых грибков, которые находят в навозе чрезвычайно благоприятные, условия для питания и необыкновенно быстро здесь размножаются. Вследствие их интенсивного дыхания, которое равносильно процессу горения, они вырабатывают тепло и благодаря этому нагревают навозную кучу, которая сама по себе представляет плохой проводник тепла.
В копнах сырого сена дело также может дойти до значительного нагревания, что уже можно установить, введя руку в середину копны. Здесь бактерии и плесневые грибки также доводят температуру до 67° С.
Наблюдались даже случаи, когда дело доходило до самовозгорания сена, но это явление не имеет прямой связи с грибками, а может быть объяснено следующим образом: деятельностью упомянутых микроорганизмов сено превращается в своеобразную, похожую на уголь массу. Если быстро раскидать копну, то кислород воздуха получит свободный доступ к сену, которое так жадно поглощает и сгущает его, что местами масса сена начинает тлеть, а сухие былинки вспыхивают. Углеобразное состояние сена играет такую же роль, как губчатая платина в самозажигателях нашего газового освещения.
Аналогичные явления, как в конском навозе и сене, происходят также и в других органических отбросах: в грязном хлопковом волокне, гниющих листьях, сыром дубильном корье и пр.
В садоводствах с давних пор принято обогревать парники конским навозом и опавшим листом, но фактором, собственно создающим тепло, является не навоз, а живые плесневые грибки и бактерии.