طبیعت ( یا فیزیولوژی) چوب
- ترکیبات1 و ساختار2
- رشد3 و ویژگیهای4 آن
نفوذ پذیری و دوام از جمله خواص چوب میباشند که در رابطه مستقیم با حفاظت چوب میباشند. با هدف فراهم آوری پیش زمینهای برای مباحث دیگر به بررسی ترکیبات شیمیایی و ساختمان چوب می پردازیم و در آن حلقه رویشه، چوب
1- Composition 2- Structure
3- Growth 4- Characteris tics
5- Growth ring
برون1 و چوب درون2 توضیح داده میشوند.
- ترکیبات و ساختار:
ترکیب شیمیایی:
عناصر اصلی ساختمان چوب از سلولز3، همی سلولز4 و لیگنین5 تشکیل یافته است
این مواد از دسته پلیمرهای طبیعی میباشند و همانند نایلون مصنوعی، پلی تن و P. T. F. E از اجزاء ریزتری که زنجیروار به هم پیوسته اند، تشکیل یافتهاند.
سلولز فراوانترین ماده طبیعی آلی بر روی زمین میباشد و گیاهان همه ساله میلیونها تن از آن را تولید میکنند. به عنوان يك پلی ساکارید شناخته شده است. این واژه به معنی «قند مجتمع» میباشد که از اجتماع قند ساده گلوکز ساخته شده است. انواع همی سلولز نیز در دسته پلی ساکاریدها جای دارند، با این تفاوت که از بیش از يك نوع قند ساخته شدهاند و در آنها قندهای آرابینوز6، مانوز7 و گزیلوز8 یافت میشوند. از طرف دیگر، لیگنین جزو پلی ساکاریدها نیست و در واقع از مشتقات بنزن9 میباشد.
چوب اضافه بر ترکیبات عمده نامبرده، دارای مواد بیشمار دیگری میباشد. این مواد به عنوان «مواد استخراجی10» شناخته شدهاند. برخی از این مواد هنگام تبدیل چوب برون به چوب درون بر روی دیواره سلولی رسوب میکنند و به وسیله حلالها میتوان آنها را خارج کرد. از جمله این مواد میتوان از رزین ها11 در چوب درختان کاج و لاریکس، صمغ ها12 در چوب درختان اکالیپتوس، و تانن ها13 در بلوط و شاه بلوط نام برد. مواد دیگری از جمله نشاسته14، پروتئین ها15،
1- Sopwood 2- Heart wood
3- Cellulose 4- Hemicellulose
5- Lignin 6- Arabinose
7- Mannose 8- Xylose
9- Benzene 10- Extractives
11- Resins 12- Gums
13- Tannins
مواد غیر آلی16 نیز همچون سیلیس وجود دارند.
ساختار:
بلوکهای سازنده تمامی موجودات زنده یاخته است. هر یاخته حاوی بك هسته17 و مادهای ژله مانند به نام پروتوپلاسم است که توسط پوششی به نام غشاء یا پرده18 محصور شدهاند. یاختههای گیاهی دارای يك ديواره19 سلولی نیز میباشند که باعث استحکام گیاه میشود.
14- Starch 15- Proteins
16- Inorganics 17- Nucleus
18- Cell membrane 19- Cell wall
دیواره سلولی:
این جزء سلول گیاهی، در چوب ساختار لایهای پیچیدهای دارد. مجموعاً این دیواره شامل يك غشاء اولين، يك غشاء دومین که متشکل از ۳ لایه به نامهای لایه بیرونی (S1)، لایه میانی (S2) و لایه داخلی (S3) و يك غشاء یا پرده تاولی میباشد (شکل ۴۹). ساختار لایهای در دیواره سلولی بسیار شبیه تخته لایه عمل میکند چرا که لایههای مجزا ضعیف میباشند ولی وقتی به یکدیگر میپیوندند، دیواره مستحکمی را تولید میکنند.
سلولز مهمترین ماده ساختمانی دیواره سلولی است که در هر لایه از این در آرایشی متمایز نسبت به دیگر لایهها قرار گرفته است. زنجيره پلیمرهای سلولز تارچههای ریزی به نام میکروفیبریل را تشکیل میدهند. خود این میکروفیبریلها نیز به هم پیوست مجموعه بزرگتری را به نام تار گروه (ماکروفیبریل2) میسازند. ماکروفیبریلها با نظم خاصی شکل شعاعی در لایههای نازکی به نام غشاء مجتمع گردیده و در نهایت از مجموع آنها دیواره سلولی حاصل میشود. بنابراین سلولز نقش اسکلت یا چهارچوب هر لایه دیواره سلولی را بازی میکند و در بافت زمینهای از همی سلولز جای میگیرد و سرانجام ترکیب حاصله به وسیله بافت سیمانی لیگنین به یکدیگر متصل میشوند.
غشاء میانی3 عمدتاً از لیگنین تشکیل یافته است. مواد استخراجی عموما در حفره سلولی، دیواره سلولی، و پرده تاولی یافت میشوند ولی گاهی در فضاهای بین سلولی نیز به چشم میخورند.
دانش پایهای از ساختار دیواره سلولی به فهم بهتر ویژگیهائی از قبیل مقاومت كمك میکند. مقاومت کششی چوب به خاطر وجود ترکیبات محکم تمامی سلولهای چوب میباشد ولی این خود نیز به دلیل دسته بندی سلولز با نظم خاصی در لایههای دیواره سلولی میباشد. همی سلولز و لیگنین نیز سلولز را در برگرفته و آن را تقویت میکنند، از این رو خاصیت ارتجاعی و مقاومت فشاری آن را سبب میشوند
ساختار سوزنی برگان:
تمام گونههای چوبی از ۲ سیستم الیاف بندی و آرایش سلولی تشکیل شدهاند. یکی آرایش تارها یا الیافی که از ریشه تا تاج کشیده شدهاند و به نام الياف طولی4 نامیده میشوند و دیگری الیافی که در عرض قرار گرفته و از پوست تا مغز امتداد دارند و به نام الياف شعاعی5 نامیده میشوند. این سلولها در اندازه، شکل، عملکرد تنوع دارند. بیشتر سلولهای يك درخت به برگها هدایت کرده و مواد غذائی اضافی را ذخیره مینماید مردهاند و وظیفه آنها ایجاد استحکام میباشد، ولی سلولهای زنده آب و مواد معدنی6 را از ریشه به برگها هدایت کرده و مواد غذائی اضافی را ذخیره مینمایند.
1- Microfibrils 2- Macrofibrils
3- Middle Lamellae 4- Longitudinally
5- Radially 6- Minerals
در سوزنی برگان، وظیفههای استحکام و هدایت آب و املاح توسط سلولهایی به نام تراکنید1 انجام میشود. تراکئیدها دارای منافذ دیواره ای2 هستند که در واقع سوراخها با روزنه هائی در دیواره ثانویه میباشند که آب را از خود عبور داده و بین سلولهای همسایه ارتباط برقرار میکنند. هدایت طولی از طریق تراکئیدها که طولشان حدود ۱۰۰ برابر قطرشان میباشد
1- Tracheids 2- Pits
انجام میگیرد و در دو انتها بسته میباشد. طول متوسط تراکئیدها حدود ۴ میلیمتر و قطرشان 03/0 میلیمتر میباشد. هدایت املاح همچنین در جهت شعاعی نیز وجود دارد که از طریق سلولهایی به نام تراکئیدهای عرضی صورت میگیرد. تراکئیدهای عرضی در مقایسه با تراکئیدهای طولی بسیار کوتاهتر هستند و در حدود 2/0تا 1/0 طول و 02/0 میلی متر قطر1 دارند.
ذخیره سازی مواد غذایی از قبیل نشاسته، در سلولهای پارانشیم2 صورت میگیرد که این سلولها توأم با تراکئیدهای عرضی پره چوبی را تولید میکنند. پرههای چوبی معمولا تنها به اندازه يك سلول پهنا داشته و در جهت شعاعی به سمت پوست امتداد مییابند. سلولهای پارانشیمی به شکل آجر و باندازه تراکئیدهای عرضی بوده و دارای منافذ دیوارهای نیز میباشند. البته گاهی نیز سلولهای پارانشیمی در جهت طولی و در راستای تراکئیدهای طولی هم دیده میشوند.
در برخی از سوزنی برگان، بویژه کاجها، نوئل ها، لاریکسها و دوگلاس فرها3 فضاهایی بین سلولهای چوبی به چشم میخورد که همان کانالها یا مجراهای رزین4 میباشند. این مجراهای رزین همچون شبکهای تمامی چوب را در برمی گیرند و در راستای تراکئیدهای طولی و در بین تراکئیدهای عرضی امتداد دارند، درون این مجراها به وسیله سلولهای5 پیرامونی که رزین را به درون مجرا ترشح میکنند، پوشیده شده است. اگر نگاهی به درصد ترکیبی انواع سلولها در کاج سفید6 بیافکنیم میبینیم که ۹۳ درصد حجم چوب را تراکئیدهای طولی شامل میشوند، 6% را پرههای چوبی و ۱٪ باقیمانده را نیز ماجراهای رزین تشکیل میدهند.
ساختار پهن برگان:
ساختار این درختان از سوزنی برگان پیچیدهتر است. سلولهای موجود در پهن برگان دارای تنوع بیشتری در اندازه و شکل میباشند برخلاف سوزنی برگان که در آنها
۱ - تراکئید عرضی در کلیه سوزنی برگان یافت نمیشود. ولی اغلب در خانواده کاج وجود دارند و از علائم مهم شناسائی چوبی بشمار میروند (مترجمین).
2 - Parenchyma cells 3. Douglas fir
4 - Resin Canals 5 - Epithelial Cells
6 - Pinus Strobus
سلولهای تراکئید ۲ وظیفه استحکام و هدایت را به عهده دارند، در پهن برگان برای هر کدام از این وظایف، سلولهای خاصی وجود دارد.
استحکام توسط فیبرها که سلولهای اصلی پهن برگان میباشند انجام میشود. این سلولها دراز و باریك، با دو طرف بسته و نوك تيز و بسیار شبیه تراکئیدهای سوزنی برگانها با این تفاوت که کوتاهترند. طول آنها در هرگونه پهن برگ متفاوت است و بین ۱ تا ۲ میلیمتر، با قطری در حدود 05/0 میلیمتر میباشد.. فیبرها نیز دارای منافذ دیوارهای بوده و ممکن است در وظیفه هدایت نیز کمک کنند. درصد این سلولها به گونه درخت بستگی دارد و در بسیاری از درختان در حدود 50% كل سلولها و حجم چوب را شامل میشود.
انتقال مواد نیز به كمك سلولهایی به نام عناصر1 آوندی انجام میشود. سلولهای آوندی که به نام عنصر نامیده میشوند، به صورت سر به سر به یکدیگر متصل میگردند تا ساختار ناودانی شکلی به نام آوند تشکیل دهند. سرهای عناصر آوندی (دریچه ها) میتواند يك روزنه بزرگ و با چند روزنه کوچك داشته باشد. عناصر آوندی قطورترین سلولهای چوبی میباشند که طولی در حدود 2/0 تا 3/1 میلیمتر و قطری در حدود 05/0تا 5/0 میلیمتر دارند. آوندهایی که در نتیجه اتصال این عناصر بهم حاصل میشوند چندین متر طول دارند. در تعداد کمی از پهن برگان نیز تراکنید به تعداد بسیار کم و در کنار عناصر آوندی به چشم میخورند ولی این تراکئیدها با تراکئید سوزنی برگان متفاوتند.
بافت ذخيره شامل سلولهای پارانشیمی میباشد. ولی در پهن برگان تعداد پارانشیمهای طولی (محوری در مقایسه با سوزنی برگان بیشتر است. پرههای چوبی در پهن برگان تقریبا به طور کلی از پارانشیمهای شعاعی ساخته شدهاند. طول این پرههای چوبی در گونههای مختلف متفاوت میباشد و ممکن است ۵ تا ۳۰٪ کل حجم چوب را شامل شوند.
در برخی از پهن برگان مجاری2 صمغی وجود دارد. ساختار این مجراها بسیار شبیه مجاری رزین در سوزنی برگان است که سلولهای پوششی پیرامون مجرا را فرا گرفتهاند. مجاری صمغی ممکن است طولی و یا شعاعی باشند ولی برخلاف سوزنی برگان که مجراهای طولی و شعاعی تواما وجود دارند، در پهن برگان به ندرت هر دو نوع مجرا یافت میشود.
1. Vessel Members 2 - Gum Canals
رشد و ویژگیها:
چوب دارای مشخصات ویژهای همچون حلقه رویش1، چوب درون2 و چوب برون3 میباشد که بهترین روش برای تفهیم آنها، توضیح چگونگی رشد درخت میباشد.
شکل ۵۳ مقطع عرضی تنه يك درخت
رشد درخت:
هنگامی که بك بذر جوانه میزند، ریشه باریکی به عمق خاك در جستجوی آب، و ساقه
1 - Growth ring 2 - Heart wood
3 - Sap wood
شکنندهای به سمت بالا و در جستجوی نور رویش مییابند. اولین برگها با كمك ذخیره غذایی درون بذر تولید میشوند ولی پس از آن تمامی رویش درخت براساس فرآیند تولیدی به نام فتوسنتز1 حاصل میشود. در این فرآیند، انرژی نورانی در حضور سبزینه2 گیاه که به نام کلروفیل3 معروف است، دی اکسید کربن هوا و آب زمین را با هم ترکیب میکند (شکل ۵۴).
شکل ۵۴: ترکیبات اصلی فتوسنتز، تمامی اکسیژن روی زمین از این طریق تولید شده است.
1 - Photosynthesis 2 - Green pigments
3. Chlorophyll
حرکت آب، مواد معدنی و ترکیبات رویشی در داخل خطوط انتقالی گیاه و یا همانهای اوندی انجام میشود. آب و مواد معدنی از خاك به سمت بالا و برگهای گیاه از طریق سلولهای بافت1 چوبی حمل میشوند. کربوهیدراتهای ساخته شده در برگها نیز توسط سلولهای بافت2 آبکشی به قسمتهای زنده گیاه برده میشوند. در نشاها، سلولهای تشکیل اوردی از دستههای کوچکی تشکیل شدهاند که در این دستهها بافت چوبی داخلی از بافت اپنی خارجی توسط لایه زاینده با کامبیوم3 جدا شده است (شکل ۵۵ بالا). هنگامی که گیاه بزرگتر میشود لایه کامپیوم تشكيل يك حلقه کامل میدهد و بافت چوبی را در سمت داخل و بافت آبکشی را در سمت خارجی خود تولید میکند. سلولهای كامبيوم در بین دیگر انواع سلولهای گیاه، عمر طولانی تری دارند. سلولهای کامبیوم در طی فصل رویش4 بافت چوبی و آبکشی تازه تولید میکند و در نتیجه بر قطر تنه گیاه افزوده میشود (شکل ۵۵ وسط و پایین).
این حالت افزایش قطر تنه یکی از مشخصات بارز گیاهان چوبی میباشد. جالب است که گفته شود یکی از گونههای شاه5 بلوط قطری بالغ بر ۶۰ متر دارد. همچنانکه سلولهای تازه شکل میگیرند برای انجام وظایف ویژه خود تغییر حالت میدهند. بسیاری از سلولهای بافت چوبی به آرامی بزرگ شده و شکل نهایی خود را (به عنوان فیبر، تراکئید، آوند و غیره) به دست میآورند. این عمل بدین شکل انجام میگیرد که لایه دیواره اولیه سلولی تازه تشکیل شده امتداد مییابد و این کار باعث میشود که پروتوپلاسم به فضای باریک حفره سلولی محدود شود. پس از این مرحله لایه دیواره ثانویه سلولی به وسیله پروتوپلاسم ساخته میشود. در طی این مرحله منافذ دیوارهای نیز شکل میگیرند. چوبی6 شدن آخرین مرحله تولید سلول است و پس از این مرحله پروتوپلاسم تحلیل میرود و با ایجاد پرده تاولی سلول نیز میمیرد. از این رو به استثنای چند ردیف از سلولهای جوان و سلولهای پارانشیم در چوب برون سایر سلولهای بالغ درخت مردهاند.
بخش آبکشی (فلوئم) به صورت لایه نازکی از سلولهای فعال و زایا که بیشتر آنها طويل شدهاند باقی میماند. در بخش بیرونی فلوئم حلقه فعال دیگری از سلولهای تکثیر شونده وجود
1- Xylem cells 2- Phloem cells
3. Cambium 4. Growth period
5. Castanea sativa 6 - Lignification
وسط: همچنانکه درخت رشد میکند، کامبيوم تشكيل يك حلقه کامل میدهد.
- ویژگیهای چوب:
حلقه رویش:
در اقلیمهای معتدل، چوب تازه به صورت مستمر تولید نشده و رویش تنها در مقاطع معینی از سال انجام میشود به طوری که ممکن است در بهار آغاز و تا چند هفته و یا چند ماه به طول بیانجامد. سلولهای بافت چوبی که به وسیله کامبیوم در ابتدای فصل رویش تولید میشوند، حجیم ترند و دیوارههای نازکتری در مقایسه با سلولهائی که در بقیه سال تولید میشوند دارند
به همین دلیل در سطح مقطع عرضی چوب دایرههای مشخصی از چوب بهاره2 و چوب تابستانه3 دیده میشود. حلقههای رویش در برخی گونهها نسبت به گونههای دیگر واضح ولی در نوئل4 تفاوت بارزی احساس نمیشود. در پهن برگانی همچون بلوط5 چوب بهاره آوندهای فراخ و چوب تابستانه آوندهای ریز تری دارد ولی حجم اصلی را فیبرها تشکیل میدهد. این گونه چوبها که در آنها آوندهای بزرگ حتی با چشم غیر مسلح قابل رویت میباشند، به نام چوبهای بخش روزنه ای6 معروف میباشند. وقتی که آوندها از یکنواختی بیشتری برخوردار باشند و با چشم دیده نشوند به نام چوبهای پراکنده آوند7 شناخته میشوند.
در مناطق گرمسیری که فصول مشخصی وجود ندارد، حلقههای رویش در تعداد کمی از گونهها یافت میشود. گونه تیك (ساج) یکی از این استثناها میباشد.
1. Warty layer 2. Early wood
3. Late wood 4- Picea abies
5. Quercus robur 6- Ring - porous
7. Diffuse - porus
سن يك درخت معمولاً به وسیله شمردن حلقههای رویش یا دوایر سالیانه امکانپذیر است. ولی يك حلقه همیشه بیانگر يك سال رویش نیست. اگر برگهای يك درخت بر اثر آتش سوزی یا حمله حشرات در ابتدای فصل رویش از بین برود، تجدید رویش لایه کامبيوم پس از يك وقفه کوتاه ممکن است باعث ایجاد یک دایره کاذب1 شود.
در نقطه مقابل، در طي يك دوره خشکسالی هیچ حلقه رویشی برای آن سال به وجود نمیآید. به رغم تمامی این مشکلات تخمین سن درخت از روی دوایر سالیانه نشان داده است
1 - False ring
ان محسوب میشوند و يك پايه مقطوعه در که برخی از گونههای کاج مسنترین درختان جهان محسوب میسال ۱۹۶۴ سنی بالغ بر ۴۹۰۰ سال داشت (شكل ۵۷).
چوب درون و چوب برون:
حی، وجود مناطقی با رنگهای متفاوت در مقطع تنه از ویژگیهای بسیاری از گونههای چوبی، وجود مناطقی درخت میباشد. بخش داخلی با چوب درون به رنگهای سیاه، قهوه ای، قرمز، صورتی، و سبز دیده شده است در حالی که قسمت خارجی شیری رنگ است. با این حال مواقعی که چوب ادرون نیز روشن میباشد مرزبندی بین آنها مشکل میباشد. در نتیجه رنگ نمیتواند معرف چوب درون یا چوب برون باشد و تفاوتهای علمی تری مورد نیاز است.
چوب برون به بخشی از چوب درخت زنده گفته میشود که حاوی سلولهای فعال میباشد و دارای مواد غذایی ذخیرهای همچون نشاسته است. قطر چوب برون در گونههای مختلف متفاوت است. میتواند تمام درخت را شامل شود و یا تنها خارجیترین حلقههای رویش را شامل شود
به طور کلی، هرچه درخت با سرعت بیشتری رشد کند و هرچه جوانتر باشد، لایه چوب برون ضخیمتر میباشد. معمولا فیبرها و تراکئیدها به نسبت خیلی سریع میمیرند. (مردن یعنی از دست دادن هسته و پروتوپلاسم) در حالی که سلولهای پارانشیم برای سالیان متمادی زنده مانده و در مسیر خود آب و مواد معدنی را هدایت میکنند و به ذخیره مواد غذایی میپردازند. پس از زمان معینی، این سلولها نیز میمیرند و چوب درون شکل میگیرد. در برخی موارد زمان بسیار زیادی برای تبدیل چوب برون به چوب درون نیاز است. به عنوان مثال گونهای از راش به ۵۰ سال و گونه Alstonia" به ۱۰۰ سال وقت برای چوب درونی شدن نیاز دارد.
پس چوب درون بدین گونه تعریف میشود که بخشی از چوب درخت سرپاست که سلولهای زنده در آن وجود نداشته و مواد غذائی ذخیرهای همچون نشاستهای به قسمتهای دیگر حمل شده و با تبدیل به مواد استخراجی چوب درون شدهاند. مکانیزم تبدیل چوب برون به چوب درون هنوز شناخته نشده ولی کاوشگران این طور گفتهاند که مرگ سلولهای پارانشیمی در | نتیجه تجمع مواد زایدی است که از بین سلولها به طرف مغز درخت هدایت میشوند. طی این
2 - Notholagus Cunninghamii
1. Pinus aristata
3. Alstonia Scholaris
نمو طبیعی که به تشکیل چوب درون منتهی میشود، تغییرات دیگری که جریان مایعات را داخل سلولهای چوب درون باعث میشود، رخ میدهد. این تغییرات در فصل بعد مورد بررسی
قرار میگیرند.
خلاصه:
۱) مهمترین مواد ساختمانی چوب عبارتند از: سلولز، همی سلولز و لیگنین. دیوارههای چوبی که از این مواد ساخته میشوند در واقع ساختارهای پیچیده لایه - لایه میباشند.
۲) سوزنی برگان عمدتا از سلولهایی به نام تراکئید تشکیل یافتهاند. در حالی که در پهن برگان اجزاء تشکیل دهنده بافت چوبی عبارتند از: فیبرها و عناصر آوندی.
۳) رویش درخت در نتیجه عمل فتوسنتز حاصل میشود. انتقال مواد در بافت چوبی و بافت آبشکی که نتیجه تولید کامبیوم میباشند انجام میگیرد.
۴) حلقههای رویش وقتی تشکیل میشوند که سلولهای چوب بهاره و تابستانه از نظر درون هیچ سلول زندهای ندارد. ظاهر با یکدیگر متفاوت باشند. وجه تمایز چوب درون از چوب برون نیز در این است
منابع بیشتری برای مطالعه
مطالب کلی
The following excellent text covers in detail all the topics dealt with in this chapter. TSOUMIS, G. (1968) Wood as raw material. Pergamon, London.
ترکیب و ساختار چوب:
The chemical composition of wood is described in: KOLLMANN, F.F.P. & COTÉ, W.A. Jnr. (1968) Principles of wood science and technology. Vol. 1. Solid wood. Allen & Unwin, London. Wood structure is simply explained in the following text: SIAU, J.F. (1971) Flow in wood. Syracuse Univ. Press, New York. Compilations of electron microscope photographs are also available. These give a unique insight into wood structure: COTÉ, W.A. Jnr. (1967) Wood ultrastructure. Univ. of Washington Press, Seattle. MEYLAN, B.A. & BUTTERFIELD, B.G. (1972) Three-dimensional structure of wood. Chapman & Hall, London. Among the handbooks available for identifying wood species is: ANON. (1963) D.S.I.R. Forest Products Research Bulletin, No. 26. An atlas of end-grain photomicrographs for the identification of hardwoods. H.M.S.O., London.
رشد و ویژگیهای چوب:
Tree growth is detailed in the following book: MOREY, P.R. (1973) How trees grow. Edward Arnold, London. The characteristic features and properties of wood are covered by: JOHNSON, H. (1973) The international book of trees. Mitchell Beazley, London.
DESCH, H.E. (1968) Timber, its structure and properties. Macmillan, London.