Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

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[38]. 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[39]. 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.

В воскресенье, в обеденное время, когда так хочется предаться лени, лучше всего отправиться в какой-нибудь английский паб. Интерьер этих заведений зачастую создает впечатление, будто он сформировался сам по себе, а не стал результатом воплощения некой дизайнерской идеи. Типичный английский паб – это нагромождение пространств самой причудливой формы, непременный атрибут которых – дубовая мебель и массивные дубовые балки под потолком. Все это исполнено в старинном стиле, характерном для английских построек прошлых веков. Вы усаживаетесь за столик и заказываете меню, типичное для большинства пабов. Вам приносят тарелку чипсов и стеклянную бутылочку кетчупа. Но если человеку, впервые посетившему английский паб, кажется, что после этого он может расслабиться и приняться за поглощение чипсов, обильно сдабриваемых кетчупом, то его ожидает разочарование. Кетчуп нужно каким-то образом извлечь из бутылочки, а это значит, что вам предстоит нелегкая борьба.