К концу семнадцатого века произошло несколько важных событий не только в совершенствовании микроскопии как средства познания окружающего мира, но также и в целях этого познания.
На заре реставрации королевского дома Стюартов, в лице короля Чарльза II (как будто бы и не было девятнадцати лет протектората семейства Кромвелей), в январе 1665 года, англичанин Роберт Гук (Robert Hooke) -- автор закона, названного его собственным именем (тот самый который звучит «растяжение пропорционально приложенной силе» или как-то так), публикует свой высокоученый и, надо сказать, великолепно иллюстрированный труд «Микрография» (Micrographia) отражающий потрясающе огромный круг интересов Гука.
В этой работе описывается множество различных предметов и явлений, начиная с особенностей и закономерностей отражения и преломления световых лучей в различных средах,
продолжая подробным морфологическим описанием срезов волос, и морфологии искр, получаемых при помощи огнива,
а также некоторых насекомых,
заканчивая снежинками,
кратерами на луне и звездами.
Что интересно, Гук не только описывает микроскопическое устройство, но и проводит параллели между их строением и физическими (физиологическими) свойствами, но эта работа примечательна даже не всеми этими, безо всякого сомнения, достоинствами, а тем, что в этой книге впервые в истории естествознания, описана наименьшая частица, которая может быть названа жизнью - клетка “cellula” и именно в этой книге, она получила свое название, которое осталось за ней по сей день и вероятно, навсегда. Кстати книга чудесно написана, весьма, рекомендую ознакомиться с чудесным старомодным английским и полюбоваться прекрасными гравюрами. Одно интересное наблюдение, строчные буквы “s” и некоторые “th” в использованном шрифте очень напоминают буквы “f” отчего вся книга кажется, немного шепелявой пока не привыкнешь. Как жалко, что у меня нет достаточно времени, чтобы ее прочесть, наверное, займусь этим, когда стану совсем старым пердуном и смогу ходить только под себя.
Однако мы немного отвлеклись. Микроскоп, который использовал Роберт Гук в общем напоминал остальные, обычные для той эпохи микроскопы. К тому моменту микроскоп претерпел несколько конструктивных усовершенствований и намного больше напоминал известный нам сейчас. Микроскоп состоял из раздвижного тубуса, сделанного из дерева или папье-маше, обтянутого тонкой выделки кожей с тиснением. Тубус был снабжен окулярной чашкой, для того чтобы сохранять необходимую дистанцию между глазом и окуляром, на объективе была устроена резьба, которая также позволяла фокусировать микроскоп поворачивая его в держателе, прикрепленным шарнирным соединением, (позволявшим наклонять тубус) к утяжеленной платформе, на которой находилось острие для фиксации исследуемого образца.
И хотя Гук не изобретал свой собственный велосипед микроскоп, тем не менее, он сделал несколько значительных усовершенствований в отношении его оптического аппарата. Так, Гук использовал двояковыпуклую линзу в объективе и две дополнительных плосковыпуклых линзы, расположенных выпуклыми поверхностями друг к другу, одно размещенное в окуляре, а другое -- в тубусе микроскопа. Линзы в тубусе и в окуляре были съемными и линзу в тубусе микроскопа могла быть извлечена для того, чтобы уменьшив сильные сферические и хроматические аберрации изображения (такие искажения изображения, которые возникают в результате неравного преломления лучей света с разной длинной волны, разными участками линзы), рассмотреть мелкие детали. Линзы в тубусе и в окуляре Гук фиксировал и герметизировал воском, а между ними заливал чистую воду.
Увеличение достигалось значительное кратностью - от 30 до 50 раз, лучшее возможное на тот момент аберрации при этом возникали страшные, представление о том, на что было похоже такое изображение можно получить на этой картинке, при этом также нужно учитывать, что прозрачность линз была довольно далека от совершенства.
Для того чтобы преодолеть такие искажения изображения Гук попытался использовать диафрагму, с крохотным отверстием, помещая ее на оптической оси, для того, чтобы ограничить лучи от краевых отделов линзы, пытаясь таким образом увеличить резкость, до какой-то степени это удавалось, но в таком случае, света просто катастрофически не хватало (следует принять во внимание еще и то, что свет использовался не проходящий, а отраженный), но Гук нашел остроумный выход из этого положения -- надо дать дополнительный свет, БОЛЬШЕ СВЕТА!
Для этого, им была изобретена хитроумная система искусственного освещения, которая располагалась на отдельной стойке отдельно от микроскопа и состояла из масляной лампы, свет от которой фокусировался на объекте исследования при помощи сосуда заполненного водой, и плосковыпуклой линзы.
Но, несмотря на все эти ухищрения преодолеть порог пятидесятикратного увеличения так и не удалось. «Да и хватит с него уже славы» -- подумала дама история и продолжила свой неспешный ход.
Другой интересной и концептуально новой идеей была идея бинокулярного микроскопа, впервые пришедшая в голову монаха Ордена Братьев Меньших Капуцинов в 1670 году отца Д’Орлеаня (Cherubin d"Orléans) серьезно занимавшемся изучением оптики, а также физики зрения и патологии аккомодации (фокусировки глаза), на фото ниже модель глазного яблока, авторство над которым, приписывается ему самому
Его стереомикроскоп обладал не только двумя окулярами, но и двумя объективами...
Он мог выглядеть в оригинале примерно, так как этот бинокулярный телескоп из музея истории науки во Флоренции (хотя учитывая конструктивную схожесть, они могли с легкостью быть взаимозаменены)…
Но этот прибор все же можно было назвать стереомикроскопом весьма условно, его также называют псевдоскоп, имея ввиду особенности получаемого изображения. Напомню, что стереоскопическим изображение получается тогда, когда правый и левый глаз отдельно друг от друга, получают свое собственное, но совершенно одинаковое изображение, но в случае с псевдоскопом отца Д’Орлеаня каждый глаз получал не только немного разное изображение, но также и перевернутое снизу вверх и «вывернутое наизнанку», то есть точки поверхности изучаемого предмета располагающиеся ближе к объективу располагались в получаемом оптическом образе дальше, а те которые ближе, в оптическом образе - дальше в итоге это получалась как бы форма для оттиска рассматриваемого предмета. В общем, ввиду всех этих недостатков, этот несомненно прогрессивный, но несвоевременный концепт, был оставлен еще почти на двести лет до тех самых пор, пока профессор Джон Леонард Риделл (John Leonard Riddell) из далеких как во времени, так и в пространстве Соединенных Штатов, в 1850 году, не додумался разместить две трапециевидные призмы позади линз объектива, которые разделяли оптический образ, полученный одним объективом на два совершенно одинаковых изображения для правого и левого глаза. Но, это уже совсем другая история.
Гука смело можно назвать одним из отцов физики , в особенности экспериментальной , но и во многих других науках ему принадлежат зачастую одни из первых основополагающих работ и множество открытий.
Биография [ | ]
Отец Гука подготавливал его первоначально к духовной деятельности, но ввиду слабого здоровья Роберта и проявляемой им способности к занятию механикой предназначил его к изучению часового мастерства. Впоследствии, однако, молодой Гук проявил интерес к научным занятиям и вследствие этого был отправлен в Вестминстерскую школу, где успешно изучал языки (латинский , древнегреческий , иврит), но в особенности интересовался математикой и показал большую способность к физике и химии.
Способность его к занятиям физикой и химией была признана и оценена учёными Оксфордского университета , в котором он стал заниматься с 1653 года. Он стал помощником химика Виллиса, а потом известного физика Роберта Бойля .
Открытия [ | ]
К числу открытий Гука принадлежат:
и многое другое.
Первое из этих открытий, как утверждает он сам в своём сочинении «De potentia restitutiva », опубликованном в , сделано им за 18 лет до этого времени, а в было помещено в другой его книге под видом анаграммы «ceiiinosssttuv », означающей «Ut tensio sic vis ». По объяснению автора, вышесказанный закон пропорциональности применяется не только к металлам, но и к дереву, камням, рогу, костям, стеклу, шёлку, волосу и проч. В настоящее время этот закон Гука в обобщённом виде служит основанием математической теории упругости . Что касается прочих его открытий, то в них он не имеет такого исключительного первенства; так, цвета тонких плёнок в мыльных пузырях Бойль заметил за 9 лет ранее; но Гук, наблюдая цвета тонких пластинок гипса, подметил периодичность цветов в зависимости от толщины: постоянство температуры таяния льда он открыл не ранее членов флорентийской академии, но постоянство температуры кипения воды подмечено им ранее Ренальдини ; идея о волнообразном распространении света высказана им позже Гримальди , хотя и в более четком, определенном и чистом виде.
Идею же об универсальной силе тяготения, следуя Кеплеру , Гук имел с середины 1660-х годов, затем, ещё в недостаточно определённой форме, он выразил её в в трактате «Попытка доказательства движения Земли » , но уже в письме 6 января 1680 года Ньютону Гук впервые ясно формулирует закон всемирного тяготения и предлагает Ньютону, как математически более компетентному исследователю, строго математически обосновать его, показав связь с первым законом Кеплера для некруговых орбит (вполне вероятно, уже имея приближённое решение). С этого письма, насколько сейчас известно, начинается документальная история закона всемирного тяготения. Непосредственными предшественниками Гука называют Кеплера , Борелли и Буллиальда , хотя их взгляды достаточно далеки от ясной правильной формулировки. Ньютону также принадлежат некоторые работы по тяготению, предшествовавшие результатам Гука, однако большинство самых важных результатов, о которых позднее вспоминал Ньютон, во всяком случае не было им никому сообщено.
Изобрёл множество различных механизмов, в частности для построения различных геометрических кривых (эллипсов, парабол). Предложил прототип тепловых машин.
Кроме того, он изобрёл термометр-минима, усовершенствованный барометр , гигрометр , анемометр , регистрирующий дождемер; делал наблюдения с целью определить влияние вращения Земли на падение тел и занимался многими физическими вопросами, например, о влияниях волосности, сцепления, о взвешивании воздуха, об удельном весе льда, изобрёл особый ареометр для определения степени пресности речной воды (water-poise). В Гук представил Королевскому обществу модель изобретённых им винтовых зубчатых колёс, описанных им впоследствии в «Lectiones Cutlerianae » (). Эти винтовые колёса известны теперь под именем Вайтовых колёс. Карданово сочленение , служащее для подвеса ламп и компасных коробок на судах, Гук применил для передачи вращений между двумя валами, пересекающимися под произвольным углом.
Установив постоянство температур замерзания и кипения воды, вместе с Гюйгенсом, около предложил эти точки в качестве реперных для шкалы термометра.
Другие достижения [ | ]
Вилленская церковь
Память о Роберте Гуке [ | ]
В память о Роберте в 1935 г. Международный астрономический союз присвоил имя Роберта Гука
Микроскоп Роберта Гука (60-е годы XVIII в.).
Срезы пробки под микроскопом Гука. Первое изображение клетки.
Рисунки растительных клеток, сделанные А. Левенгуком.
особых процессов, свойственных живым существам. Было доказано, что различие между живой и неживой природой заключается в особом строении живого существа и в специфических химических процессах, постоянно происходящих между живым организмом и окружающей его средой. Совокупность этих процессов и представляет собой основу жизни - обмен веществ.
На всех ступенях развития, начиная с появления первой капельки живого вещества и до самого совершенного организма - человека, обмен веществ происходит непрерывно. С прекращением его наступает смерть.
КЛЕТКИ - ОСНОВА ОРГАНИЗМОВ
Живые существа отличаются от неживой природы не только обменом веществ (хотя это самое существенное, самое главное их отличие), но и своим строением.
Все живые организмы состоят из клеток. Только вирусы - возбудители некоторых инфекционных болезней (например, гриппа, кори, оспы) - не являются сами клетками и не состоят из клеток. Но размножаться они могут лишь в живой клетке.
Клетка впервые была открыта английским физиком Робертом Гуком в 1665 г. Гук конструировал микроскопы, которые давали увеличение в 140 раз. Однажды при исследовании тонких срезов пробки он увидел, что вся пробка состоит из ячеек, или пор. Это и были клетки. Опубликовав свое наблюдение, Гук положил начало изучению клеточного строения живого мира. Но в его описаниях не было даже намека на представление о клетке как об основной структурной единице любого живого организма. Это был просто рассказ о клеточном строении пробки.
Только почти через 200 лет, в 1834г., русским ученым П. Ф. Горяниновым была выдвинута идея о всеобщей закономерности строения и развития растений и животных. Он считал, что все живые организмы состоят из соединенных между собой клеток. Скопления клеток составляют ткани, которые в ходе роста и развития могут изменяться. Эта идея нашла свое подтверждение в трудах немецких ученых - ботаника Маттиаса Шлейдена и зоолога Теодора Шванна, которые, собрав уже накопившийся к тому времени большой фактический материал, сформулировали клеточную теорию строения растений и животных.
ТАЙНА ЖИЗНИЖизнь началась на Земле много миллионов лет назад, когда в бушующих волнах Мирового океана возникла первая капля живого вещества.
Оглядываясь вокруг, мы восхищаемся великим многообразием природы и населяющих ее существ, происшедших из этой капли живого вещества. Они отличаются друг от друга цветом, формой, величиной, сложностью строения. Но всех их объединяет одно - жизнь.
Проникнуть в тайны жизни человек пытался очень давно, чуть ли не на заре своей истории. Но этому препятствовали низкий уровень знаний и религиозный фанатизм. Религия в течение многих веков стояла на пути человека к истинному познанию происхождения жизни. Так возникли понятия «бог», «душа», «мировой дух». Жизнь стала рассматриваться как нечто сверхъестественное, созданное всемогущим богом и недоступное человеческому познанию.
Только развитие естественных наук дало людям ключ к изучению природы и раскрытию
Микроскоп Роберта Гука (60-е годы XVIII в.).
Срезы пробки под микроскопом Гука. Первое изображение клетки.
Рисунки растительных клеток, сделанные А. Левенгуком.
Особых процессов, свойственных живым существам. Было доказано, что различие между живой и неживой природой заключается в особом строении живого существа и в специфических химических процессах, постоянно происходящих между живым организмом и окружающей его средой. Совокупность этих процессов и представляет собой основу жизни - обмен веществ.
На всех ступенях развития, начиная с появления первой капельки живого вещества и до самого совершенного организма - человека, обмен веществ происходит непрерывно. С прекращением его наступает смерть.
КЛЕТКИ - ОСНОВА ОРГАНИЗМОВ
Живые существа отличаются от неживой природы не только обменом веществ (хотя это самое существенное, самое главное их отличие), но и своим строением.
Все живые организмы состоят из клеток. Только вирусы - возбудители некоторых инфекционных болезней (например, гриппа, кори, оспы) - не являются сами клетками и не состоят из клеток. Но размножаться они могут лишь в живой клетке.
Клетка впервые была открыта английским физиком Робертом Гуком в 1665 г. Гук конструировал микроскопы, которые давали увеличение в 140 раз. Однажды при исследовании тонких срезов пробки он увидел, что вся пробка состоит из ячеек, или пор. Это и были клетки. Опубликовав свое наблюдение, Гук положил начало изучению клеточного строения живого мира. Но в его описаниях не было даже намека на представление о клетке как об основной структурной единице любого живого организма. Это был просто рассказ о клеточном строении пробки.
Только почти через 200 лет, в 1834г., русским ученым П. Ф. Горяниновым была выдвинута идея о всеобщей закономерности строения и развития растений и животных. Он считал, что все живые организмы состоят из соединенных между собой клеток. Скопления клеток составляют ткани, которые в ходе роста и развития могут изменяться. Эта идея нашла свое подтверждение в трудах немецких ученых - ботаника Маттиаса Шлейдена и зоолога Теодора Шванна, которые, собрав уже накопившийся к тому времени большой фактический материал, сформулировали клеточную теорию строения растений и животных.
Клеточная теория - одно из важнейших открытий человечества. Энгельс считал, что закон сохранения энергии, клеточная теория и теория эволюции Дарвина - три величайших открытия XIX в.
Клеточная теория доказала общность строения растений и животных. Изучая различные живые ткани, ученые убеждались, что все живое состоит из клеток. По мере совершенствования микроскопа клетка подвергалась все более глубокому исследованию. В последние годы с помощью электронных микроскопов, дающих увеличение в сотни тысяч раз, стало возможным изучение внутреннего строения клетки. Хотя клетка и считается простейшей структурной единицей живого существа, сама по себе она представляет очень сложную систему. В клетке происходят обмен веществ, превращение энергии, биосинтез, она обладает способностью к размножению, раздражимостью, т. е. может реагировать на изменение условий среды. Чтобы нагляднее представить себе клетку, посмотрите на схему ее строения, наблюдаемую в электронный микроскоп (стр. 36).
В организме человека есть самые различные клетки, отличающиеся друг от друга структурой и функцией. Например, клетки, из которых состоят мышцы, удлиненные, в них есть особые нити (фибриллы), способные сокращаться. А клетки кожи (эпителиальная ткань) напоминают удлиненные кубики, стоящие плотными рядами. Жировые клетки - круглые, они наполнены каплями жира.
Не будем перечислять всего разнообразия клеток, скажем только, что все клетки и растительного и животного мира, несмотря на их различия, имеют сходное строение. У них всегда есть более плотный наружный слой -оболочка, цитоплазма и ядро.
НЕПРЕРЫВНОЕ ОБНОВЛЕНИЕ
Кроме общности строения, клетки живого организма имеют и общие функциональные особенности. Прежде всего они обладают способностью к использованию и превращению энергии. Кроме того, в живой клетке из более простых веществ происходит синтез (образование) сложных молекул. Эти молекулы крупны и настолько своеобразны, что, встретив их где-нибудь в природе, мы всегда можем быть уверены в их «живом» происхождении. К таким крупным молекулам относятся белки. Образование белка из более простых соединений происходит только в клетке и регулируется находящимися в ней двумя очень сложными, изученными лишь в последнее время веществами. Это дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты. ДНК в основном находится в ядре клетки, а РНК содержится и в ядре, и в особых включениях цитоплазмы, называемых рибосомами. В них и происходит синтез белка, т. е. они являются фабриками белка в клетке.
Белки очень разнообразны. В зависимости от клетки, где они образовались, белки отли-
Электронный микроскоп.
Клетка под электронным микроскопом.
Чаются друг от друга размерами и формой молекул, химическими и физическими свойствами. Но вместе с тем все они построены по одному и тому же объединяющему их принципу. Их сложные молекулы состоят из простых молекул аминокислот, соединенных в определенном порядке в длинные цепочки. Вот этот-то порядок присоединения и распределения аминокислот в молекуле белка зависит от ДНК и РНК. ДНК служит как бы программой, по которой определяется порядок и количество присоединяемых аминокислот, а РНК - основой для построения белковой молекулы. Кроме того, РНК отвечает еще за доставку аминокислот к непрерывно растущей цепочке белковой молекулы. Растет эта цепочка очень быстро. Молекула белка, состоящая из 150-200 аминокислот, строится за 1,5-2 минуты. Весь процесс синтеза белка можно сравните с работой архитектора и инженера-строителя при постройке дома. Архитектор (ДНК) создает план, инженер (РНК) претворяет его в жизнь.
Открытие значения этих веществ в синтезе белка создает реальные возможности искусственного получения белковой молекулы. В лабораториях учеными уже получены наиболее простые белковые молекулы. Можно безошибочно предсказать, что уже в нашем веке человечество сможет искусственно получать белок.
В состав клетки, кроме ДНК, РНК и аминокислот, входят жировые вещества, углеводы, вода и растворенные в ней минеральные соли. Соотношения всех этих веществ в клетке по сравнению с общим ее весом в среднем примерно такие: вода составляет 80-85%, белки- 7 -10%, жировые вещества - 1-2%, углеводы - 1-2%, минеральные соли -1 -1,5%. Все эти вещества активно участвуют в жизненных процессах, происходящих в клетке.
В нашем организме непрерывно происходят два процесса: образование и обновление клеток и их разрушение. Эти внешне противоположные состояния - две стороны обмена веществ в организме. Процесс усвоения веществ, поступающих в организм извне, и образование из них живого вещества клеток называется ассимиляцией; а процесс распада, разрушения веществ и связанного с ним освобождения энергии - диссимиляцией. Они едины и неразрывны, но в течение жизни меняется их соотношение и интенсивность. В детстве и юности, когда идет усиленный рост организма, преобладает ассимиляция, а в старости, наоборот, распад - диссимиляция. Интенсивность этих процессов зависит от состояния организма. Так, во время работы или тяжелой физической нагрузки обмен веществ усиливается, а в покое он ослабевает. Ослабевает обмен веществ и при понижении температуры тела. Ученые заметили это, когда стали изучать зимнюю спячку у сурков, хомяков, сусликов, ежей и других зимнеспящих животных. Зимой, когда трудно раздобыть пищу, эти животные впадают в состояние оцепенения, перестают есть, температура их тела значительно снижается. При этом резко замедляются дыхание и сердцебиение, падает уровень всех других жизненно важных физиологических процессов, направленных на поддержание обмена веществ.
Обмен веществ значительно замедляется и у человека, если искусственно понизить температуру его тела. Это свойство в последние годы широко используется при операциях на сердце и крупных сосудах (см. стр. 194).
Мы пока рассматривали только одну сторону обмена веществ - обновление и построе-
ние клеток. Но человек живет, двигается, занимается умственным и физическим трудом, и вся его деятельность неразрывно связана с расходом энергии. Даже если он находится в полном покое, происходит затрата энергии на работу сердца, дыхательных мышц, внутренних органов и т. п. Следовательно, другая сторона обмена веществ - это освобождение энергии и ее использование.
ОБЩИЙ ЗАКОН ПРИРОДЫ
Закон сохранения вещества и движения впервые сформулировал М. В. Ломоносов. Суть этого закона заключается в том, что материя и энергия не зарождаются и не пропадают, а только видоизменяются.
Спустя сто лет немецкий врач Роберт Майер обнаружил, что цвет венозной крови в тропиках имеет более алый оттенок, чем в северных районах земного шара. Это наблюдение навело его на мысль, что между потреблением и образованием тепла в человеческом организме есть прямая связь. Развивая эту мысль, Майер после изучения баланса между потреблением и выделением тепла организмом, в 1841 г., сформулировал закон превращения и сохранения энергии.
Гладкие мышечные клетки.
Почти в то же время, но независимо от его работ к аналогичному выводу пришли английский физик Джемс Джоуль и немецкий ученый физик и физиолог Герман Гельмгольц.
Костная ткань.
После их работ стало очевидным, что этот закон имеет всеобщий характер, т. е. ему подчинены и все процессы, происходящие в живом организме.
Пищевые вещества, попадая в организм, проходят ряд сложных превращений, распадаются на простые по строению вещества и поступают в клетки. Здесь продолжается их дальнейший распад. При этом освобождается энергия, которая в свое время была поглощена при их образовании. Эта освободившаяся энергия и используется организмом.
Организм в целом и каждая его клетка в отдельности могут сохранить свою структуру и нормальную жизнедеятельность только благодаря непрерывному потреблению энергии. Как только прекращается поступление и превращение энергии, прекрасная, стройная структура клетки распадается и ее жизнедеятельность заканчивается. Энергию клетка получает в основном при расщеплении глюкозы 1 и жиров. Процесс этот происходит в особых включениях цитоплазмы, которые называются митохондриями. Митохондрии - это силовые, или энергетические, станции клетки. Каждая клетка содержит от 50 до 5000 митохондрий. В них-то и происходит в результате расщепления глюкозы образование довольно сложного вещества - аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). АТФ- основной источник энергии для большинства
1 Глюкоза - виноградный сахар.
жизненных процессов клетки и организма. Она очень легко расщепляется, выделяет при этом энергию и является, таким образом, аккумулятором, отдающим энергию по мере ее надобности. В виде синтеза АТФ клетка получает более 55% энергии, образующейся при окислении глюкозы. Даже самые блестящие успехи современной техники бледнеют перед таким высоким коэффициентом полезного действия (к.п.д.) этого уникального клеточного механизма.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ
Обмен веществ - это непрерывная цепь сложных химических процессов, протекающих в клетке; им предшествует переваривание пищи в желудке и кишечнике, в ходе которого пищевые вещества расщепляются на более простые составные части. Только они усваиваются клетками, в которых из принесенных кровью веществ образуются новые сложные и разнообразные вещества, освобождается и используется энергия. Если бы мы попробовали химические реакции, происходящие в организме, провести в лаборатории, то потребовались бы высокая температура, повышенное давление и другие несвойственные организму условия.
В чем же дело? Ведь мы знаем, что в организме нет ни очень высокой температуры, ни повышенного давления. Происходит это потому, что в организме есть такие вещества, которые ускоряют ход химической реакции, а сами при этом не изменяются. Их действие подобно химическим катализаторам.
Приведем простой пример. Известно, что вода состоит из водорода и кислорода. При смешении чистого водорода и кислорода вода не образуется, если держать эту смесь даже многие годы. Но если прибавить к этой смеси немного платины, реакция пойдет очень быстро и образуется вода. Платина, не являясь составной частью воды, резко ускоряет эту реакцию, а сама выходит из нее без изменений. Нечто подобное происходит и в организме. Все химические превращения в нашем организме протекают с участием специальных биологических ускорителей, или катализаторов, - ферментов.
Ферменты - сложные органические вещества, во много миллионов раз увеличивающие скорость химических реакций. Это основная и единственная их функция в организме. Клетки нашего тела имеют огромный набор ферментов,
Способных произвести все необходимые превращения. Каждый фермент действует только на определенные вещества, определенный процесс или его этап и только при определенной температуре, реакции среды и т. д., т. е. обладает специфичностью и избирательностью действия. По меткому определению одного ученого, фермент подходит к веществу так же, как ключ к замку. Бывают ферменты пищеварительные, дыхательные, окислительные, восстановительные и другие с самым разнообразным характером действия. Одни участвуют в расщеплении поступающих веществ, другие обладают синтезирующей способностью - помогают организму в образовании новых молекул. Словом, ферменты являются необходимыми участниками обмена веществ, без них он невозможен.
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ
Обмен веществ, происходящий в организме человека и животных, - это часть общего круговорота веществ в природе. Сложные вещества, которые человек и животные получают с пищей, расщепляются на более простые, усваиваются, а затем в виде углекислоты, воды и некоторых других веществ выделяются наружу и используются растениями. Растения под влиянием солнечной энергии вновь синтезируют из них сложные вещества. И так непрерывно, пока существует жизнь на Земле, будет происходить круговорот веществ в природе.
В состав живых организмов входят практически все существующие в природе химические элементы и соединения. Основную их массу составляют углерод, кислород и азот, поэтому круговорот этих веществ представляет для нас наибольший интерес. Углерод входит в состав очень многих химических соединений. Наш организм получает его с пищевыми веществами и выделяет при дыхании в виде углекислого газа. Из углекислого газа и воды в клетках зеленых растений, содержащих зеленый пигмент - хлорофилл, под влиянием солнечного света образуются сложные органические соединения - углеводы. Этот процесс называется фотосинтезом, в результате его образуются крахмал или другие углеводы, например глюкоза, и выделяется кислород.
Громадная поверхность всех зеленых растений очищает воздух от углекислого газа и выделяет миллиарды тонн кислорода. Так, наши зеленые друзья ежегодно поглощают около 170 млрд. т углекислого газа, выделяют
123 млрд. т кислорода, и запасы кислорода воздуха непрерывно пополняются.
Животные организмы, в конечном итоге, находятся в зависимости от растений, которые обладают способностью перерабатывать неорганические вещества в органические. Благодаря этому запасы органических веществ в природе не истощаются, и нам не угрожает голодная смерть.
Круговорот азота не менее важен для поддержания жизни на Земле, так как азот входит в состав белка. Люди и животные получают нужный им азот с белковой пищей и выделяют его с потом и мочой в виде аммиачных соединений. Растения получают азот из почвы, куда он попадает после разложения белковых веществ, или с азотистыми удобрениями.
Круговорот других элементов тесно связан с круговоротом углерода и азота и подчиняется общему закону природы - закону сохранения материи и энергии. Взаимоотношения живой и неживой природы полностью вытекают из этого закона. Жизненные процессы, происходящие в одних организмах, необходимы для существования других.
ПИЩА И ПИТАТЕЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Как разнообразна человеческая пища! Каких только блюд не существует на свете! Но все эти лакомства и яства, в конечном счете, состоят из белков, жиров, углеводов, витаминов, минеральных солей и воды. Все, что мы едим или пьем, в нашем организме распадается на эти или еще более простые составные части.
Белки
В начале прошлого столетия стало известно, что из всех тканей животного и растительного мира можно выделить вещества, по своим свойствам очень похожие на белок куриного яйца. Выяснилось, что они близки друг к другу и по составу. Поэтому им и было дано общее название - белки. Затем появился термин «протеины», от греческого слова «протос» - первый, важнейший, что указывает на первостепенную роль белка.
Белки - это очень сложные высокомолекулярные соединения. Молекула воды (Н 2 О) состоит всего из трех атомов: одного атома кислорода и двух атомов водорода, молекула же белка состоит из многих десятков и сотен тысяч атомов. В ее состав входят азот, углерод, водород, кислород и некоторые другие элементы. Если нагреть в присутствии кислоты какой-либо белок, то он расщепляется на наиболее простые составные части, названные химиками аминокислотами. В их состав всегда входит азот.
В природе есть очень много разнообразных белков и трудно найти два похожих друг на друга. Между тем состоят они из небольшого количества различных аминокислот - всего около 20.
Чем же объяснить такое исключительное разнообразие белков, если они состоят только из 20 аминокислот? Математики подсчитали, что если из нескольких равных частей составить комбинации, в которых меняется только расположение частей, то число таких возможных комбинаций очень быстро возрастет при увеличении составных частей. Так, из 3 частей можно составить только 6 комбинаций; из 5 частей - 120; из 8 -до 40 тыс., а при 12 составных частях - 500 млн. Из 20 аминокислот можно составить колоссальное количество комбинаций, а так как в белковой молекуле одна и та же аминокислота может повторяться несколько раз и может меняться способ их соединения, то великое многообразие белка станет совершенно понятным.
Белковый обмен в организме происходит постоянно и очень быстро. О его скорости можно судить по обмену азота. Определяя количество азота, введенного с пищей и выведенного из организма, можно установить суточный азотистый баланс. Если количество вводимого и выделяемого азота одинаково, то гово-
Продукты, богатые белками: мясо, рыба, творог, сыр, хлеб, крупа, зерна бобовых растений, орехи, яйца.
рят об азотистом равновесии. Когда азота вводится больше, чем выделяется, то налицо положительный азотистый баланс. Чаще это бывает у детей, когда идет рост организма, или у людей, выздоравливающих после тяжелой болезни. Но бывает, что азота выводится больше, чем вводится, - это отрицательный азотистый баланс. Такое состояние наблюдается при голодании или при инфекционных заболеваниях.
Белки в организме могут строиться только из поступающего с пищей белка, точнее, аминокислот. А так как в живом организме образование белка идет непрерывно, то и поступление белка должно быть постоянным. Более или менее продолжительная недостаточность белка в пище может вызвать очень серьезные расстройства здоровья; ведь организм человека и животных не может синтезировать свой собственный белок из других питательных веществ - жиров и углеводов.
Белки, как мы уже упоминали, в пищеварительном тракте расщепляются на аминокислоты, которые всасываются в кровь. Из этих аминокислот организм синтезирует свой собственный белок. Если же, минуя пищеварительный тракт, ввести чужой белок непосредственно в кровь, то он не только не будет использован нашим организмом, но и вызовет серьезные осложнения: повышение температуры, судороги, нарушение дыхания и сердечной деятельности. Это объясняется строгой специфичностью белков каждого организма. В ответ на проникновение в кровь чужого белка организм вырабатывает специальные вещества - антитела, которые его разрушают.
Вот почему попытки пересадить чужие органы и ткани животному или человеку заканчиваются пока неудачей. Технически хирурги с этой задачей вполне справляются, но возникает белковая несовместимость, и пересаженный орган не приживается.
Примером может служить попытка эквадорских хирургов пересадить чужую руку матросу, лишившемуся руки. Сложная операция прошла блестяще, были сшиты все мышцы, сосуды, нервы, соединена кость. В руке восстановилась циркуляция крови, передавалось раздражение по нервам. Казалось, что все уже в порядке и рука прижилась, но через две недели из-за белковой несовместимости ее пришлось ампутировать, так как чужеродная ткань начала отравлять весь организм.
Только у близнецов, развившихся из одной яйцеклетки матери, нет белковой несовместимости. У них, как правило, бывает полное анатомическое сходство и однородный белковый состав. Поэтому органы и ткани их взаимозаменяемы. В медицине уже известны случаи удачных пересадок органов, в частности почек, от одного близнеца другому.
Мы уже говорили, что белки состоят из 20 аминокислот. Однако не всякий белок имеет полный набор всех аминокислот и не все аминокислоты одинаково важны для организма. Примерно половина из них незаменима, и их поступление в организм обязательно. В зависимости от набора аминокислот, входящих в молекулу белка, белки делятся на полноценные, содержащие необходимые аминокислоты, и неполноценные, не содержащие некоторых из них. Полноценные белки преимущественно животного происхождения (мясо, рыба), неполноценные - растительного, хотя белки бобовых растений содержат полноценный белок.
Пища человека должна содержать столько белка, сколько его нужно для удовлетворения всех потребностей организма (а это "зависит от возраста, пола, профессии и т. д.). В среднем считается достаточным ежедневное потребление белка в пределах 100-120 г. А при тяжелом физическом труде эта норма повышается до 130-150 г. Белки - это преимущественно строительный материал, хотя они могут быть использованы организмом и как источник энергии.
Углеводы
Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода. Они широко распространены в растительном мире. Это основной источник энергии в нашем организме (они дают 75% всей необходимой нам энергии). Углеводы делятся на простые и сложные. С пищей мы получаем и те и другие, причем простые сразу всасываются в кровь, а сложные вначале должны расщепиться. Сложные углеводы - это крахмал, тростниковый и свекловичный сахар, простые - виноградный сахар, или глюкоза, фруктоза и др. У здорового человека концентрация глюкозы в крови всегда строго постоянна - 80-120 мг в 100 г крови. Излишек ее вновь может синтезироваться в сложный углевод, так называемый гликоген, или животный крахмал, основные запасы которого откладываются в печени, достигая 300 г. Этот резерв организм использует в случае непредвиденного расхода энергии. Гликоген откладывается также и в мышцах.
Продукты, богатые углеводами: овощи, картофель, крупа, хлеб, сахар, варенье.
Если человек сразу потребляет большое количество сахара, то его излишек выделяется с мочой. Это быстро проходит и не опасно для организма. Однако надо помнить, что здоровому человеку не рекомендуется съедать в один прием больше 100 г сахару. Но если сахар обнаруживается в моче в течение длительного времени, то это может быть признаком серьезного заболевания - сахарного диабета.
Углеводы не только источник энергии; они играют очень большую роль и в жизнедеятельности организма как полисахариды, или сложные сахара. Это высокомолекулярные соединения, которые не уступают по своей сложности белкам. Они входят в состав соединительной ткани, костей и хрящей. Кроме того, полисахариды играют очень большую роль в борьбе организма с инфекционными заболеваниями. Антитела, которые вырабатывает организм в ответ на проникновение различных микробов и вирусов,- полисахариды. К полисахаридам относится и очень широко распространенное в животных тканях вещество - гепарин, который предохраняет кровь от свертывания.
В нашей обычной смешанной пище количество углеводов вполне достаточно для удовлетворения потребностей организма, и практически организм никогда не испытывает в них нужды. А если углеводов не хватает, то организм может синтезировать их из белков и жиров.
Жиры
Жиры - это в первую очередь энергетический материал: в 1 г жиров содержится в два раза больше энергии, чем в 1 г углеводов. В пищеварительном тракте жир расщепляется на
Жирные кислоты и глицерин. Проходя через слизистую оболочку кишечника и всасываясь в кровь, они вновь соединяются друг с другом и образуют новый, свойственный данному организму жир, во многом отличающийся от потребляемого. Свой собственный жир организм синтезирует при употреблении разнообразных животных и растительных жиров. Но если человек будет употреблять какой-нибудь один вид жира, например свиное сало, то и его собственный жир по своим свойствам будет близок к свиному салу.
Всосавшийся жир откладывается в так называемых «жировых депо»: в подкожной клетчатке, сальнике, околопочечной клетчатке, в области таза.
Жировая клетчатка в организме - это запасной энергетический материал, который способствует теплоизоляции нашего организма и служит амортизатором. Последнее видно из такого примера: мы не замечаем тяжести своего тела, когда стоим. Большую роль в этом играют естественные жировые подушки, которые находятся в области сводов стопы и принимают на себя, амортизируют, весь наш вес. В этом вы легко убедитесь, если станете на колени: очень быстро тяжесть тела даст о себе знать сильной болью.
Жировая клетчатка есть только у теплокровных животных. Особенно она развита у зверей Заполярья - тюленей, моржей, белых медведей. У холоднокровных - лягушек, рыб - ее нет.
Количество жира в человеческом теле индивидуально, но у женщин на долю жира в общем весе тела приходится почти 30 %, а у мужчин- только 10%.
Значительное отложение жира в теле-признак нарушения обмена веществ. У тучного
Продукты, богатые жирами: сливочное масло, подсолнечное масло, шоколад, орехи, желток яйца.
человека обмен веществ протекает медленнее, чем у худощавого. Ожиревший человек теряет бодрость и жизнерадостность, становится вялым, неинициативным. Даже в сказках, этом кладезе вековой народной мудрости, отважные рыцари, умные, энергичные люди, стремящиеся к достижению своих целей, всегда худощавые, а неповоротливые и ленивые - толстые.
Жир - это необходимая составная часть клеток. В организме он находится также в виде жироподобных веществ - липоидов. Липоиды входят в состав нервной ткани, оболочки клетки и являются основой для образования гормонов.
Состав пищевого жира неоднороден, и разные жиры имеют разную биологическую ценность. Для человека наиболее целесообразно содержание жира в пище от 1 до 1,25 г на килограмм веса. Это значит, что если человек весит 70 кг, то он должен в день употреблять от 70 до 100 г жира, а так как жир входит в состав почти каждого пищевого продукта, то в эту норму включается общее количество жиров, поступивших в организм во всех видах. Половина потребляемых жиров должна быть животного, а половина растительного происхождения.
Это важно потому, что, как мы уже говорили, все жиры при расщеплении в пищеварительном тракте распадаются на жирные кислоты и глицерин. Жирных кислот два вида - насыщенные и ненасыщенные. Все жиры содержат и те и другие, но в животных жирах больше насыщенных, а в растительных, наоборот, больше ненасыщенных жирных кислот. Исследования последних лет показали, что ненасыщенные жирные кислоты имеют важное значение для организма. Они повышают его сопротивляемость к различным инфекциям, снижают чувствительность к радиоактивному излучению, входят в соединение с холестерином 1 и препятствуют его отложению в стенках сосудов, предупреждают болезнь сосудов - атеросклероз.
Из ненасыщенных жирных кислот особенно большое значение имеют три - линолевая, линоленовая и арахидоновая. Первые две содержатся в большом количестве в конопляном, льняном и подсолнечном масле, а третья (ее называют витамином F) - главным образом в животном жире - свином сале и яичном желтке. Из всех трех ненасыщенных жирных кислот только арахидоновую организм может синтезировать при наличии линолевой кислоты и витаминов группы В.
Если жир полностью исключить из пищи, организм будет синтезировать его из белков и углеводов.
Таким образом, питательные вещества - белки, углеводы и жиры - необходимые участники обмена веществ, без них он невозможен.
Роберт Гук краткая биография изложена в этой статье.
Роберт Гук краткая биография
Роберт Гук - английский естествоиспытатель, учёный-энциклопедист. Гука смело можно назвать одним из отцов физики
Родился 18 июля 1635 года на острове Уайт (Англия), в семье священника местной церкви.
Учился в Вестминстерской школе, где изучал языки, математику, физику. В 1653 году поступил в Оксфордский университет, где проявил способности к физике и химии. Впоследствии он стал ассистентом Р.Бойля.
В 1663 году учёный становится членом Лондонского королевского общества. С 1665 года работает профессором в Лондонском университете, а в 1677-1683 — секретарём Лондонского Королевского общества. Роберт Гук был разносторонним учёным и изобретателем. В 1659 году он построил воздушный насос, в 1660 году совместно с Х.Гюйгенсом Гук установил точные температуры таяния льда и кипения воды. Помимо этого он сконструировал зеркальный телескоп, прибор для измерения силы ветра, машину для деления круга и т.д.
В 1660 году Гук сформулировал закон пропорциональности между силой, приложенной к упругому телу, и его деформацией (закон Гука). Он также дал общую картину движения планет. Используя усовершенствованный им микроскоп, Гук наблюдал структуру растений и ввёл в научную терминологию понятие «клетка». Эти исследования он описал в своей научной работе «Микрография» в 1665 году. Также Гук совершил несколько открытий в области акустики (показал, что высота звука определяется частотой колебаний). Гук был также талантливым архитектором. По его проектам было построено несколько зданий, главным образом в Лондоне. Последним изобретением Гука был морской барометр