Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

Каждый из нас полагается в жизни на три системы жизнеобеспечения: наше тело, планета Земля и человеческая цивилизация. Параллели между ними очевидны, поскольку все они существуют в рамках одной и той же физической системы. Обрести более глубокое понимание этих систем – наверное, лучшее из того, что мы можем сделать для сохранения жизни на планете и обеспечения процветания нашей цивилизации. Вряд ли что-либо другое может быть более прагматичным и вдохновляющим, чем такая задача. Вот почему последняя глава представляет собой некий общий обзор, посвященный описанию указанных трех систем. Рассмотрим каждую из них в отдельности.

Я дышу, как и все другие люди. Наш организм нуждается в молекулах кислорода и получает их из окружающего воздуха. При каждом выдохе мы избавляем организм от углекислого газа. Каждый из нас существует в собственной, личной системе жизнеобеспечения, коей есть наше тело. Оно представляет собой сочетание внутреннего содержания и наружной оболочки. Внутреннее содержание может выполнять множество функций, однако лишь при условии определенной «подпитки» извне, а это энергия, вода и молекулярные строительные блоки, необходимые человеческому организму. Дыхание – лишь один из маршрутов, по которым она осуществляется. Процесс дыхания восхитителен сам по себе: вы расширяете грудную клетку, увеличиваете объем легких – и огромное множество микроскопических молекул воздуха, пребывающих поблизости вашего рта, проталкивается в ваши дыхательные пути воздухом, находящимся дальше от вас. Вдохните глубже – и ваши легкие расширятся еще больше, создавая пространство для поступления большей порции воздуха, которая вступит в соприкосновение с крошечными структурами в ваших легких. Затем, когда вы расслабите мышцы, окружающие вашу грудную клетку, ваши ребра сожмутся, объем легких сократится и под действием возросшего давления молекулы воздуха, содержащиеся в легких, устремятся наружу и снова окажутся в окружающем воздухе. Кислород – не единственный вид молекул, попадающих в ваши легкие и используемых организмом. Когда воздух проходит мимо рецепторов, расположенных в верхней части носа, какая-то часть из множества молекул, соударяющихся со стенками, сталкивается с более крупной молекулой, прикрепленной к стенке, и входят в нее, как ключ в замок. Клетка рецептора фиксирует удар молекулы, попадающей в нее. Это начальная стадия обоняния: попадание в нужное место небольшого количества молекул определенного типа. Теперь внутренняя составляющая вашего организма получила какую-то информацию о том, что происходит снаружи.

Человеческое тело – это огромное множество хорошо скоординированных клеток (согласно самым последним подсчетам их количество составляет примерно 37 триллионов), каждая из которых представляет собой крошечную фабрику. Каждая отдельно взятая клетка нуждается в подпитке. Кроме того, ей требуется безопасная и комфортная среда: надлежащая температура, уровень pH и уровень влажности, поскольку человеческому организму постоянно приходится приспосабливаться к изменчивым окружающим условиям. Если вы проводите много времени в теплом помещении, то молекулы, расположенные вблизи вашего кожного покрова, колеблются быстрее, так как получают больше энергии. Если бы эти колебания передавались глубже в ваше тело, они нарушили бы нормальное функционирование клеток организма. Таким образом, когда вы находитесь в теплом помещении, вам необходимо отдавать энергию. На первый взгляд это не должно составлять проблемы: в теплом помещении молекулы воды легко испаряются, забирая с собой энергию, а организм человека содержит очень много воды, которая может испаряться. Однако она не торопится его покидать, потому что ваше тело водонепроницаемо. Человек нуждается в потении.

Ваша кожа имеет очень тонкий слой жирных молекул, расположенный непосредственно под ее наружными клетками и исполняющий роль барьера, который препятствует выходу/поступлению жидкости в организм. Но когда вы находитесь в теплом помещении, в вашем кожном покрове (в упомянутом выше барьере) открываются туннели, так называемые поры. Пот просачивается через них, проникает в водозащитный слой и выходит наружу. Отдельные молекулы воды соударяются друг с другом и теплой поверхностью кожи до тех пор, пока самые энергичные не вырвутся наружу. Одна за другой они выходят в окружающее пространство, в результате чего ваша кожа охлаждается. Когда она достаточно охладится, поры закроются и кожа снова станет водонепроницаемой. Водонепроницаемость кожи препятствует не только свободному проникновению воды в ваше тело, но и ее свободному выводу из него, поскольку внутренний резерв воды в организме весьма ограничен. Вода в нем переносится потоком крови – внутренней системой снабжения, распределяющей ресурсы организма между разными органами и клетками. Эта система снабжения должна работать непрерывно, обеспечивая нормальную жизнедеятельность всех клеток. Каждый из нас может убедиться в ее функционировании, просто пощупав свой пульс.

Наш пульс представляет собой пространственное возмущение: перемещающуюся волну давления, которая позволяет получить определенную информацию о кровотоке. Сердце человека прокачивает кровь через свои камеры, повышая давление жидкости и заставляя кровь двигаться по артериям. Сердце человека – довольно мощный насос. Сокращение его мышц придает крови сильный толчок. Когда цикл очередного сокращения сердца подходит к концу, давление жидкости в его камерах падает. Теперь направление силы, действовавшей на кровь, меняется на противоположное, и только что вытолкнутая кровь хлынула бы обратно, если бы не наличие препятствующих этому обратных клапанов. Под напором крови, которая пытается вернуться обратно, клапаны закрываются, и обратное движение крови останавливается. Обратный удар настолько силен, что раздвигает окружающие ткани, которые, в свою очередь, воздействуют на ткани, расположенные дальше. Эта волна давления распространяется по всему телу, слегка сжимая мышцы и кости на пути своего движения. Чтобы она достигла кожного покрова тела, требуется примерно шесть миллисекунд. Если приложить к телу человека стетоскоп или просто ухо, вы можете услышать этот удар. Это не что иное, как сердцебиение. Если бы волны давления не распространялись по тканям организма, то мы бы его не слышали. На самом деле каждый удар сердца не одиночный, а двойной. Мы слышим сдвоенную пульсацию: «тук-тук», поскольку сердце содержит четыре клапана, причем закрываются они попарно: сначала одна пара, потом другая. Это случайное сочетание физики и физиологии – самый важный признак того, что мы живем.