Биология в новом свете - [37]
Так схематически можно изобразить избирательную проницаемость мембраны для ионов с позиций 'теории ионного сита' в ее механистическом представлении. Малые по размерам ионы калия проходят через отверстия, а ионы натрия в толстой водяной рубашке — нет. Знакомство с физическим смыслом понятия 'размер иона' показывает ограниченность этой теории
Итак, нет таких нелепых вопросов, которые не научили бы нас чему-нибудь. Если теперь мы поняли, почему нельзя видеть молекулы и ионы, если мы хоть что-то узнали об этих мельчайших частицах вещества, составляющих все живое, то первую нашу экскурсию в таинственный мир молекул можно считать успешной. Правда, наши познания, которые можно было бы применить к биологии, еще так малы, что нам придется продолжить путешествие в микромир.
Теперь мы займемся новой проблемой — движением материи. Как мы уже говорили, хотя и можно построить модель молекулы, которая будет спокойно лежать перед нами на столе, реальная молекула находится в непрерывном движении. Как оно происходит? Каково его значение для наших рассуждений?
Начнем опять с самого наглядного — модели, взятой из повседневной жизни. Ввинтим в потолок крючки в произвольном порядке, но не слишком далеко друг от друга и подвесим к ним на тонких нитях бильярдные шары так, чтобы они висели на одинаковой высоте достаточно близко друг к другу, но не соприкасаясь. Закроем двери и окна, чтобы никакое движение воздуха нам не мешало, и подождем, пока шары не перестанут раскачиваться. Вот теперь и начнем эксперимент. Сильно толкнем один из шаров в произвольном направлении. Шар не улетит далеко, вскоре он столкнется с соседним шаром. Бильярдные шары изготовляют из качественной древесины, поэтому их соударение будет упругим. Под упругим в физике понимают такой удар, когда импульс полностью передается от одного тела к другому:
При упругом ударе импульс одного тела передается другому. Это легко увидеть на примере бильярдных шаров. Шар, который первоначально двигался и произвел удар, останавливается, а шар, получивший удар, приходит в движение
Если бы первый шар не висел на нити, подобно маятнику, он сразу бы остановился. То, что он продолжает раскачиваться, безусловно, некоторый недостаток нашей модели, но им можно пренебречь. В любом случае второй шар, приобретя тот же импульс, что имел первый, будет двигаться до тех пор, пока не столкнется со следующим шаром. Итак, первоначальный импульс передается в нашей системе от одного шара к другому. Но не всегда происходит прямое попадание. Часто два шара сталкиваются так, что импульс передается от одного к другому лишь частично. Легко представить, что очень скоро в движение окажутся вовлеченными все шары нашей системы.
Как долго оно будет продолжаться? Это зависит от массы шаров и толщины нитей. Однако в какой-то момент обязательно наступит покой: шары перестанут раскачиваться и неподвижно повиснут на нитях. Но куда же пропала энергия? Ведь она не может бесследно исчезнуть! В то же время ее нет. Точный термометр покажет нам, что температура в комнате (конечно, при условии ее идеальной термоизоляции) слегка повысилась. Механическая энергия превратилась в тепло. Это произошло из-за движения воздуха, а также потому, что шары не являются абсолютно упругими, а обладают некоторой пластичностью.
Теперь настало время, задуматься, в чем смысл этого эксперимента. Что он означает? Какие выводы отсюда можно сделать? Молекулы, атомы, ионы, из которых состоит воздух в комнате, подвижны. Они движутся, сталкиваются, обмениваются друг с другом импульсами. Таким образом, мы получили грубую модель молекулярной системы, правда двумерную, в плоскости, параллельной потолку комнаты. Подобно тому как маятники двигались в плоскости, молекулы могут двигаться в трехмерном пространстве. Однако нам следует твердо усвоить, что молекулы не миниатюрные бильярдные шары, не тела с твердой и гладкой, четко очерченной поверхностью. И все-таки при соударении молекулы ведут себя как обычные макроскопические тела, хотя в случае молекул "сталкиваются" не твердые поверхности, а электрические поля, которые и вызывают силы отталкивания.
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.
