Роланд Глазер - Биология в новом свете

Если в механической системе один шар сталкивается с другими, импульс 'путешествует' по системе. При центральном ударе импульс передается полностью, при боковом — возникает рикошет: ударяющий шар, передав партнеру часть импульса, отклоняется от первоначального направления движения. Через небольшой промежуток времени все шары системы приходят в движение

Остановимся на этом вопросе поподробнее. Итак, хотя молекулы и атомы нельзя уподобить бильярдным шарам, они соударяются аналогично последним и передают импульс другим молекулам. Но, чтобы не попасть впросак, мы должны быть предельно осторожными, пытаясь перенести макрофизические явления в микромир. Прежде всего интересно выяснить, приходят ли через некоторое время молекулы, подобно бильярдным шарам, в состояние покоя? Как мы уже говорили, часть энергии бильярдных шаров в описанном ранее эксперименте затрачивается на то, чтобы привести в движение воздух. Когда речь идет о молекулах, это движение не играет роли, ибо молекулы — мельчайшие частички вещества, и они колеблются не в воздухе, а в вакууме. Если же молекулы находятся в растворе, то их можно рассматривать как некую "смесь" шаров различного типа, одни из которых представляют растворенное вещество, а другие — растворитель. В растворе молекулы растворенного вещества обмениваются импульсами как между собой, так и с молекулами растворителя; никакого препятствия, подобного воздуху между бильярдными шарами, для них не существует.

А как обстоит дело с потерей энергии, обусловленной пластичностью? Хотя в буквальном смысле нельзя говорить о пластичности молекул, определенное изменение состояния молекулы при ударе в принципе возможно. Молекула может двигаться в том или ином направлении, вращаться вокруг собственной оси, могут также вращаться ее отдельные части или внутри нее возникать колебания. В худшем случае часть молекулы может даже отделиться. С каждым из этих движений связаны соответствующие формы энергии, которые можно рассматривать как составные части общей кинетической энергии молекулы.

Почему в отличие от бильярдных шаров молекулы не нагреваются? Просто потому, что понятие теплоты здесь не совсем применимо. Теплота, температура — это понятия макрофизики. Теплота есть проявление кинетической энергии системы, включающей в себя множество молекул. Горячее тело состоит из чрезвычайно энергично движущихся и сталкивающихся частиц, а в холодном теле движение таких частиц замедлено. В системе с бильярдными шарами энергия движения шаров за счет трения и неупругих соударений превращалась в тепловое движение молекул, а в мире молекул энергия их движения и есть, собственно, теплота. И если теплоту не отводить от молекулярной системы, молекулы будут двигаться бесконечно.

С поступательным, т. е. тепловым, движением молекул, как и с другими видами их движения, связан целый ряд физических вопросов. Эти вопросы интересны и с биофизической точки зрения, однако мы коснемся только некоторых из них. Могут ли скорости поступательного движения, вращения или колебания молекулы меняться непрерывно, подобно тому как меняются скорости движения макротел? Конечно, нет! Это также одна из особенностей микрофизики. Благодаря открытию Макса Планка стало известно, что в микромире энергия может изменяться только отдельными порциями, квантами, которые неделимы. Можно, например, взвесить 1 кг сахара; 1 г; 1/100 г, или, что то же самое, 10 -2г; 10 -4г; 10 -8г и т. д. Однако это "и т. д." имеет свой предел. Если бы мы захотели взвесить 10 -22г, т. е. 0,0000000000000000000001 г, нам пришлось бы дробить молекулу сахара, и из этого ничего бы не вышло, ибо разрушенная молекула сахара — уже не сахар.

Аналогично обстоит дело и с энергией. Когда речь идет о движении макроскопического тела, его энергия выражается таким большим числом квантов, что уменьшение или увеличение этой энергии на один квант измерить нельзя. Следовательно, величина энергии большого тела изменяется практически непрерывно. С достаточно хорошим приближением сказанное справедливо и для поступательного движения отдельных молекул. Однако при других видах движения молекул, таких, как вращение и колебание, непрерывное изменение энергии невозможно. В этих случаях изменение энергии на один квант уже приводит к значительному изменению скорости движения. С изучением таких процессов связано целое направление биофизики, так называемая квантовая биофизика, которая охватывает вопросы фотосинтеза, природы зрения, действия излучений на вещество и т. д.

А теперь рассмотрим еще один вопрос. Длинную молекулу можно сравнить с цепочкой, каждое звено которой подвижно. Что произойдет с такой цепочкой при хаотическом тепловом движении? Если на молекулу не действуют никакие дополнительные силы, она закручивается в беспорядочный "статистический клубок". Каковы размеры такого клубка при данной длине цепочки и насколько ее концы удалены друг от друга? Как ведет себя такой клубок при движении?

Представим себе длинную линейную молекулу, состоящую из химически связанных между собой атомов. Углы между отдельными связями остаются постоянными, хотя сама связующая ось искривлена. В результате хаотического теплового движения эта молекулярная цепочка может достаточно сильно перекрутиться (А). Наиболее вероятное состояние молекулы при таком случайном движении — 'статистический клубок' (Б)

Опять новые вопросы! Пожалуй, нам грозит опасность безнадежно запутаться в лабиринте науки. А этого бы не хотелось. Так будем верны нашему правилу — рассматривать не все, а лишь самое главное, самое интересное. Мы, хотя и не без некоторых усилий, усвоили основные законы микрофизики, тонкости, присущие миру молекул. Мы узнали много удивительного, трудно постижимого.

Какая же картина предстала перед нами? Отсутствие четких границ у молекул и ионов, их непрерывное движение и взаимное превращение, сравнимое с постоянно волнующимся морем, — какой-то хаос! В этом хаосе возник и существует "космос" жизни — микрокосм биологической организации! Как это произошло? Этот вопрос зародился столь же давно, как и способность людей сознательно мыслить, но до сих пор его нельзя считать окончательно решенным. Как же возникла жизнь из хаоса, как могла она сохраниться?

В молекуле белка строительные кирпичики (аминокислоты) следуют друг за другом в определенном порядке. Эту последовательность аминокислот называют 'первичной структурой' белка. (Символами обозначены отдельные аминокислоты: например, Гли — глицин.)