Строительные материалы и изделия

Строение древесины

Строение древесины можно увидеть невооруженным глазом (макростроение) и под микроскопом (микростроение) на трех разрезах ствола: поперечном, продольном радиальном и продоль­ном тангентальном (рис. 3.1).

Сердцевина на поперечном разрезе (рис. 3.2) имеет вид темно­го пятнышка диаметром 1... 5 мм. В жизнедеятельности дерева она участвует только в молодом возрасте и служит для запасения пи­тательных веществ. Во взрослом дереве сердцевина является мерт­вым образованием, состоящим из мягкой и непрочной ткани. От нее часто начинается загнивание и образование трещин.

Кора состоит из наружного пробкового слоя (корки) и внут­реннего слоя — луба, по клеткам которого идет нисходящий ток питательных веществ, выработанных листьями. В лубе часто при­сутствует лубяное волокно, из которого делают мочало.

На границе между древесиной и лубом находится слой живых клеток, называемый камбием. Путем деления клеток камбия про­исходит утолщение ствола и ветвей. При делении одна из образо­вавшихся клеток остается камбиальной, а другая идет на образо­вание древесины или луба (в зависимости от того, в какую сторо­ну она обращена). Деление клеток в сторону древесины происхо­дит гораздо чаше. Активность камбия замирает на холодное время года и возобновляется весной.

На внешней стороне луба под коркой находится пробковый камбий, благодаря деятельности которого образуется наружный

слой коры. У некоторых пород (на­пример, у пробкового дуба) сна­ружи нарастает толстый слой пробки, состоящей из мертвых клеток. Пробка дуба используется для теплоизоляционных и облицо­вочных материалов.

Древесина. Древесина пород умеренного климатического пояса на поперечном разрезе представ-

Рис. 3.1. Основные разрезы ствола

/ — серцевинные лучи; 2 — сердцеви-
на; 3 — ядро; 4 — заболонь; 5 — годо-
вые слои; 6 — луб; 7 —■ кора

ляет собой ряд чередующихся концентрических колец светлой и темной окраски, называемых ранней и поздней древесиной (по времени их образования). Каж­дый слой, состоящий из ранней и поздней древесины, образует­ся за один вегетационный период и называется годовым слоем. В на­чале вегетационного периода, ранней весной и в начале лета, дерево испытывает потребность в большом количестве влаги и питательных веществ, которые необходимы для распускания лис­тьев и завязывания плодов. В этот период от слоя камбия в сторону древесины откладываются клетки, приспособленные для передви­жения влаги: у хвойных пород — это широкополостные тонко­стенные трахеиды (рис. 3.3), у лиственных пород — крупные сосу­ды (рис. 3.4, 3.5). Во второй половине вегетационного периода, в конце лета и осенью, дерево нуждается в упрочнении своего ствола, так как оно нагружено побегами, листвой, плодами. Поэтому позд­няя древесина формируется у лиственных пород — из массивных и прочных механических клеток (либриформа); у хвойных пород — из толстостенных трахеид. Как правило, число годовых слоев на срезе у корневой шейки соответствует возрасту дерева.

У некоторых лиственных пород (дуб, ясень), получивших на­звание кольцесосудистых (см. рис. 3.4), ранняя древесина прони­зана собранными в кольца сосудами, благодаря чему граница между годовыми слоями хорошо видна. У других лиственных пород — рассеянно-сосудистых (береза, бук), у которых сосуды равномер­но распределены по всей ширине годового слоя, различий между ранней и поздней древесиной почти нет и граница между слоями размыта (см. рис. 3.5).

Чем больше поздней древесины содержится в породе, тем она тяжелее и прочнее. Породы подразделяются на мягкие и твердые. Все кольцесосудистые породы являются твердыми, а рассеянно­сосудистые и хвойные породы могут быть и твердыми, и мягки­ми.

У одних пород древесина окрашена одинаково по всему сече­нию, а у других пород она имеет в середине темноокрашенное ядро, состоящее из омертвевших клеток, пропитанных смолами и

дубильными веществами (см. рис. 3.2). Древесина ядра — более плотная и менее влажная, чем древесина наружной (светлой) ча­сти, называемой заболонью. Заболонь является молодой древеси­ной, по проводящим клеткам которой происходит восходящее сокодвижение. Заболонь слабее ядра и имеет низкую стойкость к гниению, но хорошо гнется и позволяет получать гнутые изделия.

К породам, имеющим ядро, относятся: из хвойных — листвен­ница, сосна, кедр сибирский, тисс, можжевельник; из листвен-

ных — все кольцесосудистые (дуб, каштан настоящий, ясень, бар­хатное дерево, вяз, ильм, берест, белая акация и др.) и некото­рые рассеянно-сосудистые (орех грецкий, платан, яблоня, тополь, ива, рябина и др.). У некоторых пород цвет центральной части не отличается от цвета заболони, однако древесина в центре ствола, подобно ядру, имеет повышенную плотность и твердость и содер­жит значительно меньше влаги, чем заболонь. Эта часть ствола называется спелой древесиной. К спелодревесным породам отно­сятся ель, пихта, бук, липа, клен полевой и др.

На поперечном разрезе дуба, бука или платана отчетливо вид­ны блестящие тонкие полоски, идущие от сердцевины к коре и называемые сердцевинными лучами (см. рис. 3.2). Сердцевинные лучи есть в древесине любой породы, но невооруженным глазом они часто не видны из-за малой ширины (например, у березы, осины и всех хвойных пород). На площади тангентального разреза, рав­ной 1 см2, их число иногда достигает нескольких тысяч. Ширина сердцевинных лучей у разных пород колеблется от 0,005 до 0,600 мм; высота — от 0,2 до 50,0 мм и более. Все лучи обязательно доходят до коры, но одни (первичные) начинаются от сердцевины, а дру­гие (вторичные) — на некотором расстоянии от нее. В растущем

дереве сердцевинные лучи служат для проведения питательных веществ в горизонтальном направлении и запасения их.

По сердцевинным лучам древесина легко раскалывается. В то же время сердцевинные лучи повышают сопротивление древеси­ны сжатию поперек волокон в радиальном направлении. Сердце­винные лучи ускоряют сушку древесины и обусловливают разли­чие между радиальной и тангентальной усушкой. Трещины усуш­ки проходят по сердцевинным лучам.

Благодаря сердцевинным лучам отдельные породы имеют ха­рактерный блеск и красивую текстуру поверхности.

Древесина состоит из волокон (рис. 3.6), вытянутых вдоль ство­ла. Каждое волокно во время жизни представляет собой расти­тельную клетку, состоящую из оболочки и протопласта (прото­плазмы и ядра).

а — членик сосуда: ПП — простая пора; ОП — окаймленная пора; 6 — сосудис-
тая трахеида; в — тяж древесной паренхимы; г — клетка веретеновидной парен-
химы; д — волокнистая трахеида; е — волокно либриформа; ж — клетки сердце-
винных лучей

Оболочка молодых клеток представляет собой прозрачную тон­кую (едва достигающую 0,001 мм) пленку, эластичную, растяжи­мую и легко проницаемую для воды и водных растворов. В момент образования оболочка состоит из пектиновых веществ, которые спустя непродолжительное время превращаются в целлюлозу. Цел­люлоза имеет формулу (С6Н|о05)„, где п — показатель полимери­зации, который составляет не менее 3- 104. Макромолекула цел­люлозы имеет нитевидную форму. Срубленная древесина состоит полностью из оболочек клеток с отмершими протопластами. В ра­стущем дереве из отмерших клеток состоит ядро, спелая древеси­на и часть заболони.

В процессе развития клетки (в зависимости от выполняемых ею функций) ее оболочка существенно изменяется по размеру, стро­ению и составу. Наиболее частым изменением состава клеточных оболочек является их одревеснение и опробковение.

Одревеснение клеточной оболочки заключается в появлении в ней нового органического вещества — лигнина, который отлича­ется от целлюлозы большим содержанием углерода и меньшим содержанием кислорода. Лигнин придает клеточной оболочке проч­ность, жесткость и твердость. Одревеснение оболочки происходит при жизни клетки в результате деятельности протопласта. Рост одревесневших клеток сильно замедляется или совсем прекраща­ется. Снижается их способность к набуханию.

Опробковение характерно для клеточных оболочек коры, вы­полняющих защитную функцию. При этом средний слой оболоч­ки пропитывается особым органическим веществом — суберином, состоящим из жирных веществ и феллоновой кислоты. Суберин способствует омертвению клеток и делает оболочку практически непроницаемой для воды и газов.

Оболочка клетки является продуктом жизнедеятельности про­топлазмы. Утолщение оболочек происходит в результате отложе­ния изнутри новых слоев целлюлозы, однако при этом в оболочке остаются поры, служащие для сообщения между клетками.

Сформировавшиеся клетки имеют очень тонкую первичную оболочку 2 (рис. 3.7) и вторичную оболочку 3, которая, в свою очередь, подразделяется на три слоя: тонкий внешний слой, не­посредственно прилегающий к первичной оболочке; толстый сред­ний слой; тонкий внутренний слой, выстилающий полость клет­ки. Между первичными оболочками двух соседних клеток нахо­дится межклеточное вещество /, которое скрепляет клетки между собой. Межклеточный слой не содержит целлюлозы, он состоит из протопектина и лигнина. Этот слой образуется как раздели­тельная стенка при делении клетки.

Средний слой вторичной оболочки отличается особой мощно­стью и, в свою очередь, имеет слоистое сложение, в котором насчитывается до 8... 10 слоев. Кроме слоистости в оболочке на-

Рис. 3.7. Оболочка клетки древесины:

/ — межклеточное вещество; 2 — первичная оболочка; 3 — вторичная оболочка;

4 — внутренняя полость

блюдается волосатость, объясняемая волокнистой структурой. Ос­новным структурным элементом оболочки является мицелла, представляющая собой пучок нитевидных молекул целлюлозы (40...60 длинных молекул в пучке).

Мицеллы группируются в мицеллярные ряды, в которых ми­целлы не являются совсем обособленными, так как часть цепных молекул переходит из одной мицеллы в другую, связывая их друг с другом (рис. 3.8). Следовательно, одна нитевидная молекула цел­люлозы может принимать участие в образовании нескольких пос­ледовательно расположенных мицелл.

Мицеллярные ряды содержат примерно по 100 мицелл и со­единяются в волоконца различного диаметра (200...300 А), так называемые фибриллы. От отдельных фибрилл отходит часть ми­целлярных рядов и присоединяется к соседним фибриллам, обра­зуя таким образом структуру сетки (см. рис. 3.8).

Мицеллярные ряды и фибриллы направлены вдоль оси воло­кон под углом к ней (по спирали); при этом угол наклона мицелл и фибрилл в разных слоях оболочки может быть различным.

Поры. Поры в стенках оболочек представляют собой совокуп­ность двух отверстий, расположенных соосно в стенках двух смеж­ных клеток. Поры бывают простые, окаймленные и полуокайм - ленные (рис. 3.9). Простая пора представляет собой отверстие, за­тянутое очень тонкой неодревесневшей мембраной (часть первич­ной оболочки). Окаймленная пора со стороны каждой из двух смеж­ных клеток окантована выпуклой кольцеобразной «юбкой». Разде­ляющая окаймленную пору мембрана у хвойных пород имеет в центре утолщение — торус, который закрывает отверстие в «юбке» при отклонении мембраны из среднего положения. Окаймление и

Рис. 3.8. Мицеллярные ряды

отверстия поры могут иметь округлую или эллиптическую (даже щелевидную) фор­му. Иногда встречаются полуокаймленные поры, имеющие окаймление только с одной стороны.

Ткани. Все виды клеток можно под­разделить на две основные группы:

• паренхимные клетки, имеющие при­мерно одинаковые размеры по всем на­правлениям (от 0,01 до 0,1 мм), тонкие оболочки и большую внут­реннюю полость;

• прозенхимные клетки, имеющие вытянутую форму, напоми­нающую волокно, в большей или меньшей степени утолщенные оболочки и малую внутреннюю полость (диаметр прозенхимных клеток — 0,01 ...0,05 мм, длина — 0,5... 3,0 мм (иногда до 8 мм)). Паренхимные клетки служат для хранения запаса питательных веществ; прозенхимные клетки — для сокодвижения и придания древесине прочности. Совокупности клеток одинакового строе­ния, имеющих одни и те же функции, образуют ткани. В древеси­не различают опорные (механические), проводящие (сосудистые), запасающие и другие ткани.

Опорные (механические) ткани лиственных пород, называемые либриформом, состоят из длинных (от 0,7 до 1,6 мм) толстостен­ных клеток с заостренными концами и толстыми одревесневши-

ми оболочками (см. рис. 3.6). Чем больше в породе волокон либри - форма, тем она тяжелее, тверже и прочнее.

Масса древесины хвойных пород на 90...95 % состоит из оди­наковых волокнообразных клеток, называемых трахеидами. Роль механических клеток, придающих древесине прочность, выпол­няют трахеиды поздней древесины, имеющие очень толстую обо­лочку и малую внутреннюю полость.

Проводящие (сосудистые) ткани состоят из вытянутых тонко­стенных клеток с широкими полостями. Роль водопроводящих элементов в хвойных породах играют трахеиды ранней древесины. Эти трахеиды тонкостенные, имеют большую внутреннюю по­лость. Они сообщаются друг с другом посредством пор, сконцен­трированных на концах трахеид.

В лиственных породах водопроводящую функцию выполняют сосуды, которые образуются из клеток, расположенных одна над другой, и представляют собой длинные вертикальные каналы, поперечные перегородки в которых или исчезли совсем, или име­ют ряд сквозных отверстий. Диаметр сосудов у одних пород дости­гает 0,5 мм, у других пород они невидимы невооруженным глазом. Длина сосудов в среднем составляет около 100 мм, а у дуба — 2... 3 м.

Запасающие ткани располагаются большей частью в сердцеви­не и сердцевинных лучах и состоят из паренхимных клеток (см. рис. 3.6). Эти ткани рыхлые и легко загнивают.

У некоторых хвойных пород паренхимные клетки могут быть рассеяны и среди трахеид (пихта, можжевельник), а у некоторых пород они образуют смоляные ходы, представляющие собой длин­ные межклеточные каналы, заполненные смолой (сосна, кедр сибирский, лиственница, ель). Смоляные ходы бывают вертикаль­ные и горизонтальные, проходящие по сердцевинным лучам и сообщающиеся с вертикальными ходами.

В лиственных породах сердцевинных лучей по объему всегда больше, чем в хвойных. Древесина лиственных пород имеет па­ренхимные клетки и вне сердцевинных лучей, в совокупности образующие так называемую древесную, или вертикальную, па­ренхиму.