Журнал Наука и жизнь, 1980 № 01

Если, пропуская свет через раствор того или иного вещества, получить на специальном приборе зависимость поглощения света от длины его волны, то такой спектр может много рассказать и о внутреннем устройстве молекулы и о распределении в ней электронов по уровням.

Еще более ценны спектры поглощения веществ в инфракрасной области. Тут поглощение связано с колебаниями атомов в молекуле друг относительно друга. Стоит химику взглянуть на инфракрасный спектр вещества, как он по наличию или отсутствию полос в соответствующих местах может определить, есть или нет в молекуле кетонная, нитрильная, гидроксильная и многие другие группы. Вот как химики теперь узнают строение полученных ими соединений.

Вещества могут поглощать не только свет, но электромагнитные волны в диапазоне радиочастот — длиной порядка метра. Метод, основанный на таком поглощении, называется ядерным магнитным резонансом. Очень грубо смоделировать принцип магнитного резонанса нам поможет… обычный детский волчок.

Пустите по полу вращающуюся детскую юлу. Обратите внимание — ось волчка смотрит в строго заданном направлении. Отклоните ось от вертикали. Ось медленно начнет крутиться вокруг вертикального направления. Это явление называется прецессией. Теперь начните в такт вращения подталкивать ось рукой. Вы увидите, что угол отклонения от вертикали увеличится. Следовательно, волчок поглощает энергию, подводимую извне рукой.

А теперь мысленно заменим вращающийся волчок ядром атома водорода — протоном. Оказывается, в магнитном поле с протоном происходят явления, по физическому характеру сходные с прецессией волчка. В опыте с волчком мы подталкивали его рукой. Когда речь идет о протоне, ту же роль играют колебания магнитного поля.

Рассматривая этот спектр поглощения инфракрасного света веществом, можно сказать, что в молекуле вещества есть кетонная и нитрильная группа, бензольное кольцо и атом кислорода, входящий в состав эфирной группировки.

Так выглядит спектр ядерного магнитного резонанса уксусной «кислоты. Он содержит два пика, соответствующие двум протонам, занимающим в молекуле различное положение.

Будем постепенно изменять частоту этих колебаний. Когда она сравняется с частотой прецессии протона, вещество поглотит энергию поля. Это поглощение отражается прибором, который выписывает пик на графике.

Нужно сказать, что разные ядра водорода в молекуле вступают в резонанс, то есть поглощают энергию при немного отличающихся частотах переменного поля. Это-то свойство и позволяет различать атомы в молекуле и дает богатейшую информацию о ее составе и строении.

Мы рассказали далеко не о всех методах, которые предоставили физики в распоряжение химиков и которые так облегчили работу последним. Мы ничего не сказали об электронном парамагнитном резонансе и комбинационном рассеянии света, об электронографии и масс-спектрометрии, о ядерном квадрупольном резонансе и фотоэлектронной спектроскопии… Все эти методы сегодня на вооружении ученых.

С тех пор как с возникновением и развитием акустики океана расширились исследования звуков моря, ученым известно, что поговорка «нем как рыба» не соответствует действительному положению дел. Чуткие приборы показали, что море полно звуков, издаваемых рыбами. «Речь» некоторых видов рыб настолько громка, что может вызвать взрывы акустических мин, которые срабатывают в ответ на шум корабельного двигателя, — такие случаи отмечались в конце второй мировой войны.

Менее известны до сих пор звуковые сигналы пресноводных рыб. Несколько интересных открытий сделал недавно австрийский биоакустик Фридрих Шаллер, профессор Венского университета, побывавший с гидрофоном в бассейне Амазонки. Оказалось, что примерно каждый второй или третий из двух тысяч видов рыб, известных в Амазонке, обладает «даром речи». Особенно много таких рыб среди сомов и харациновидных. Чем можно объяснить, что самые разные виды, не родственные между собой, в условиях великой тропической реки развили звуковые средства общения? Может быть, малой прозрачностью вод Амазонки? Ее главные притоки несут два различных вида вод — так называемые «белые» и «черные» воды. И те и другие мутны и непроницаемы. В реках, стекающих со склонов Анд, много минеральных взвесей, они напоминают разбавленное молоко. Реки, основную часть пути проходящие по джунглям, обогащаются гумусовыми веществами жирной лесной почвы, их воды кажутся совершенно черными. Чтобы рыбы, живущие в таких биотопах, могли общаться между собой, отпугивать врагов или приманивать жертвы, им надо прибегать не к раскраске, разнообразным формам тела или специфическим позам, а к звукам. (Есть, впрочем, и другие средства — длинные «усы» и более или менее сильные электрические разряды.) Поэтому у рыб образовались звуковые аппараты.

Если у высших позвоночных и птиц звуковой орган один — гортань, то рыбы для воспроизведения звука используют и плавники, и зубы (челюстные и глоточные), и жаберные крышки, и плавательный пузырь.

На снимках — некоторые из «поющих» рыб Амазонки: хараки, пескада и мандим. Обратите внимание на зубчатый отросток грудного плавника мандима — он служит для воспроизводства чирикающих звуков.

Один из сомов, называемый местными индейцами «пирарара», достигает метра в длину, а весит иногда до ста килограммов. Несколько измененный жаберный аппарат с особо сильными мышцами, обеспечивающими обычно дыхательные движения, позволяет пирараре с силой выталкивать воду и воздух через прижатые жаберные крышки. Раздаются трубные звуки, поразительно напоминающие рев слона. Они слышны на расстоянии до ста метров. Звуки эти, видимо, служат для отпугивания хищников.

Основная промысловая рыба Амазонки — хараки — относится к харациновидным. Самцы хараки имеют по обе стороны от плавательного пузыря специальные мышцы, могущие сокращаться с частотой до ста герц. К нересту они достигают особого развития. Рычащий звук усиливается пузырем и через ткани тела передается в воду. Звук напоминает работу мотоцикла на холостых оборотах, когда водитель все сильнее жмет на педаль акселератора. Хараки совершают в период нереста длинные миграции, на расстояние нескольких сот километров. Самцы следуют впереди самок, собираются в местах нереста и здесь в течение нескольких вечеров устраивают фантастические концерты. Шаллер пишет, что, когда сотни самцов одновременно «заводят мотоциклы», рев разносится вдаль, его издает вся водная гладь. Слушать хор хараки — одно из сильнейших впечатлений, какое может вынести натуралист из посещения бассейна Амазонки.