7.3. Анатомическое строение древесины

Для полной характеристики древесины и древесных строитель­ных материалов следует раскрыть еще одну сторону структуры и свойств этого биологического объекта растительного происхожде­ния: взаимосвязь анатомического строения с физико-химическими и физическими свойствами древесины, тем более что здесь прослежи­ваются различия между хвойными и лиственными породами, как на уровне микро-, так и макроструктуры. Принято изучать три основ­ных разреза ствола (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Основные разрезы ствола: 1 — торцовый; 2 — радиальный; 3 — тангенциальный

Рис. 7.6. Торцовый разрез ствола: 1 — кора; 2 — луб; 3 — камбий; 4 — заболонь; 5 — ядро; 6 — сердцевина; 7 — сердцевинные лучи

В торцовом разрезе ствола дерева выделяют (рис. 7.6): сердцеви­ну (сердцевинная трубка) — примерно в центре ствола размещается вдоль его оси, которая является рыхлой первичной малопрочной тканью; собственно древесину, слагаемую из концентрически распо­ложенных годичных слоев с включением в каждый из них весенней и более плотной летней древесины; камбий — тончайший слой из полностью живых клеток, способных к росту и делению на боль­шую часть, откладываемую в сторону древесины, и меньшую — в сторону от центра, где расположен следующий слой в виде луба; луб является внутренним слоем коры (флоэмы) и граничит с внешним слоем ее, называемой коркой (темного цвета). На долю ствола при­ходится 70—90% всего объема дерева; остальную часть составляют крона и корневая система. Кора составляет от 6 до 25% объема ство­ла, остальная часть его служит древесиной, в которой наблюдается светлое периферическое кольцо — заболонь и более темная центра­льная часть — ядро. Камбиальный слой находится между заболо­нью и лубом. Все эти части составляют макроструктуру древесины. У некоторых древесных пород (дуб, бук, клен и др.) на торцовом се­чении можно видеть узкие радиально расположенные полоски, ко­торые называются сердцевинными лучами 7.

В породах может отсутствовать ядровая часть, и тогда породы именуются заболонными (береза, липа, клен, граб и др.). В других породах заболонь имеет цвет центральной части ствола, причем по­следняя остается более сухой; такие породы называются спелодревесными (ель, пихта, осина, бук и др.).

Более подробное строение древесины хвойных и лиственных по­род изучается с помощью микроскопа и специальных срезов слоев древесины.

Выше отмечалось, что древесина состоит в основном из клеток. Их можно разделить на два типа: прозенхимные и паренхимные. Прозенхимные имеют длину во много раз большую, чем их ширина; они придают древесине волокнистое строение, оставаясь, как прави­ло, уже отмершими. Среди этих клеток различают трахеиды, клетки либриформа и сосуды. Паренхимные. клетки — короткие, имеют примерно одинаковую длину и ширину, являются живыми. Если в живой клетке имеется оболочка (клеточная стенка), внутри которой расположены протоплазма (протопласт) и ядро, то в отмершей в процессе роста дерева протопласт частично расходуется на утолще­ние стенки, частично высыхает вместе с ядром, оставляя полость, которая заполняется водой или воздухом, а иногда экстрактивными веществами. Естественно, что в срубленном дереве живые клетки быстро умирают, и оно состоит из омертвевших клеток, т. е. из кле­точных стенок (оболочек).

Клетки в древесине имеют различное функциональное значение. Одни из них выполняют функции проводящих клеток, другие — опорных или механических, третьи — запасающих, четвертые — об­разовательных (расположены в камбиальном слое), пятые — асси­миляционных (находятся в листве и хвое и благоприятствуют обра­зованию питательных веществ), шестые — покровных (в корке дерева).. Клетки, имеющие одинаковое строение и выполняющие одну и ту же функцию, образуют ткани. Особо выделяют ткани про­водящие, механические и запасающие, что соответствует первым трем функциям их клеток.

Древесина хвойных пород имеет относительно простое строение (рис. 7.7). Она состоит из клеток почти одного типа — трахеид (рис. 7.8). К ним относятся мертвые веретенообразные клетки дли­ной от 1,5 до 5 мм со стенками разной толщины и с полостями раз­личных размеров. Трахеиды весенней древесины имеют широкие полости и тонкие стенки, а осенней — более узкие полости и тол­стые стенки. У весенних трахеид, выполняющих функции водопро-водящих клеток, отношение диаметра к длине составляет 1:100, у осенних — 1:400. В стенках трахеид имеются поры, через которые клетки общаются между собой и при помощи которых содержимое живых клеток соединяется в одно целое.

Паренхимные клетки составляют живую ткань хвойной древеси­ны; находятся, главным образом, в сердцевинных лучах и, следова­тельно, выполняют функции запасающих питание (крахмал и жиры) для потребления весной, а также в небольшом количестве в лубе, поблизости от камбия (вертикальная паренхима). Кроме того, па­ренхимные клетки, образуя межклеточные каналы, как бы выстила­ют поверхность смоляных ходов, столь характерных для хвойных. пород. Такие ходы, располагаясь вертикально и горизонтально, об­разуют единую смолоносную систему, что в конечном итоге благоприятствует повышению стойкости древесины хвойных пород. В це­лом, однако, объемная доля паренхимной ткани в хвойной древесине составляет 3—5%, так как часть запасов питания хранит­ся в хвое, где не имеется паренхимных клеток.

Лиственные породы имеют более сложное анатомическое строение (рис. 7.9). Проводящими (водопроводящими) клетками (элементами) служат сосуды длинные трубки шириной 0,02—0,5 мм (рис. 7.10). В весенней древесине они более широкие и их можно иногда заметить невооруженным глазом. Стенки со­судов характерны утолщением кольчатой, спиральной или сетча­той формы, что придает стенкам повышенную прочность. Меха­нические клетки, и соответственно механическая ткань, называе­мые у лиственных пород либриформом, заметно отличаются своей веретенообразной формой, толстыми стенками с щелевидными порами, узкими полостями клеток, имеют сравнительно не­большие длину (0,3—0,8 мм) и диаметр (0,1—0,2 мм). Все клетки либриформа являются мертвыми, и лишь паренхимные клетки как и в хвойных породах, образуют сердцевинные лучи, как запа­сающие и проводящие питательные вещества в радиальном на­правлении при объемной доли их около 10%, т. е. в 2—3 раза бо­льше, чем в хвойных породах.

Рис. 7.7. Микроструктура древесины сосны: 1 — сердцевинный луч в радиальном разрезе; 2 — многорядный луч; 3 — годичный слой; 4 -поздние трахеиды; 5 — вертикальный смоляной ход; 6 —ранние слои древесины; 7 — сердцевинный луч в тангенциальном разрезе; 8 — окаймленная пор

Рис. 7.8. Трахеиды ран­ней (а) и поздней (б) древесины сосны

Выше были отмечены шесть функций кле­ток, но при кратком описании анатомического строения древесины были описаны лишь три из них, хотя три других являются не менее значи­мыми. Образовательная функция — живые клет­ки камбия образованы тонкими оболочками и наполнены протоплазмой и ядром. В процессе роста древесины клетка камбия делится на две неравные части с возникновением одной новой активной камбиальной клетки; вторая становит­ся либо клеткой древесины, либо — луба. В обо­их случаях после отделения клетки от камбиаль­ного слоя в ней начинается лигнификация с отложением лигнина, повышением ее гидрофобности и одревеснения, затем она отмирает. Про­цесс роста древесины неравномерный, что легко устанавливается по плотности и ширине годич­ных слоев (годичных колец): поздняя древесина (осенняя) — плотнее и темнее весенней, а шири­на слоев зависит от породы древесины. При не­обходимости по этим признакам можно определить процент содержания поздней древесины; чем он выше, тем прочнее древесина как строительный материал.

Рис. 7.9. Микроструктура древесины лиственных пород:

а — дуба; б — березы; 1 — сердцевинный луч; 2 — либриформ; 3 — мелкие сосуды; 4 — широкий сердцевинный луч в торцовом (поперечном) разрезе; 5 — крупный сосуд; 6 — годичный слой; 7 — широкий сердцевинный луч в тангенциальном разрезе; 8 — узкий сердцевинный луч; 9 — сосуды; 10 — сердцевинные лучи в различных разрезах

Рис. 7.10. Сосуды лиственных пород:1 — липы; 2 — бука; 3 — дуба

Ассимиляционная функция клеток заключается в усвоении клетками зеленых листьев и хвои внешних веществ (воды, углекислоты) с образованием углеводов в результате фото­синтеза, т. е. при помощи лучистой (солнечной) световой энергии, поглощаемой хлоро­филлом. Последний находится в виде хлорофилловых зерен в клетках листа, являясь в нем красящим веществом, или пиг­ментом, придающим листьям зеленую окраску. Сущность процесса ассимиляции раскры­та великим русским ученым К.А. Тимирязевым (1843—1920). Ее схематически можно предста­вить в следующем виде (рис. 7.11): листья поглощают из атмосферы углекислый газ СО₂; хлорофилловые зерна в листьях на солнечном свету поглощают продиффундировавший углекислый газ СO₂ и вы­деляют кислород в воздух; оставшийся в листьях углерод вступает во взаимосвязь с молекулами воды, проникшей к кроне дерева из почвы по сосудам заболонного слоя древесины; в результате такого взаимодействия образуется промежуточное вещество — формальде­гид СH₂O; шесть молекул газообразного формальдегида (с резким неприятным запахом и вкусом) в результате фотосинтеза и полиме­ризации (т. е. соединения друг с другом) образуют новую молекулу вещества, именуемого глюкозой: СH₂O = С₆Н₁₂О₆; глюкоза из ли­стьев по сосудам переходит в различные части древесины и отлага­ется там в запас; под влиянием молекул воды и ферментов n моле­кул глюкозы переходят в одну молекулу крахмала, а именно: nС₆Н₁₂О₆ = nH₂О + (C₆H₁₀O₅)_n Величина индекса n — степени поли­меризации крахмала — высокая, но не до конца пока выясненная по своему числовому значению. Однако она может оказаться еще боль­ше с возникновением макромолекулы целлюлозы (клетчатки) со сте­пенью полимеризации до 6000 и выше. Из таких макромолекул цел­люлозы в процессе роста дерева слагаются стенки клеток древесины.

Немаловажную роль в росте и сохранности дерева имеют функ­циональные клетки — покровные. Они возникают при делении клеток камбия с отложением их в сторону луба, а затем полностью от­мирают и переходят, как структурообразующий элемент, во внешний слой коры дерева, т. е. в корку. Корка предохраняет дере­во — древесину, камбиальный слой и луб (проводящий питательные вещества от кроны в ствол и корневую систему) — от механических повреждений, вредного воздействия внешней среды, низких темпе­ратур или резких температурных колебаний.

Рис. 7.11. Схема ассимиляции с фотосинте­зом в зеленых листьях дерева (по К.А. Тимирязеву)