Альберт Сент-Дьёрдьи (1893 — 1986) — американский биохимик. Выделил из животных и растительных тканей аскорбиновую кислоту (витамин С). Автор ряда теорий мышечного сокращения. В своих книгах «Биоэнергетика» и «Биоэлектроника» пытался ответить на вопросы, как преобразуется энергия в живых клетках, каким образом она приводит в движение «живую машину». Лауреат Нобелевской премии.
Когда мы наблюдаем за внешними проявлениями получения и расходования энергии, то вряд ли задумываемся о том, какие микроскопические механизмы лежат в их основе. Вы выпили горячего чая, потерли руки и почувствовали тепло; озябли на морозе и подпрыгиваете, пытаясь себя согреть... Оказывается, за всеми этими действиями скрываются незаметные, невидимые глазом, но крайне важные элементы жизни, которые, в конечном итоге, и определяют все потоки энергии, пронизывающие нас. Если все живое на Земле построено, как мы уже говорили, из клеток, то, значит, и обмен энергии протекает именно в этом кирпичике жизни. Эффективность преобразования энергии в клетках достигает 80 процентов — этого еще не удалось достичь в искусственных системах. Понимание протекающих в живой клетке процессов позволяет нам сегодня лучше разобраться в том, что происходит при работе мышц как людей, так и разных животных. Ведь мышцы — удивительный двигатель. Сравните: двигателю внутреннего сгорания необходимо топливо, нам — пища. Он преобразует энергию, выделяющуюся при сгорании бензина или солярки, в механическую работу, мы тоже можем двигаться и работать, лишь когда в нас «сгорает» съеденная нами пища. Хотя коэффициент этого преобразования у мышцы невелик — около 20 процентов, главное, что мышцы действуют в отличие от технических устройств при относительно низких температурах. Об этом давно мечтали все инженеры и конструкторы — научиться без огня и с минимальными потерями превращать запасенную химическую энергию в механическую работу. Разумеется, сопоставлять мощные преобразователи энергии, например, двигатели морских судов, самолетов или космических кораблей, с мышцами животных не стоит. Однако сколько возникает и транспортных, и бытовых проблем, справиться с которыми вполне могли бы достаточно компактные двигатели, сравнимые по мощности с теми, какими располагают живые организмы! Нельзя сказать, что на пути создания искусственной мышцы достигнуты впечатляющие результаты. Тем не менее построены интересные модели, приводимые, как, например, на рисунке, в движение воздухом.. Есть и устройства, в которых от состава жидкости, окружающей скрученные пластиковые нити, имитирующие мышцу, зависит, будет ли она «напрягаться» или «расслабляться». Таким образом, меняя состав жидкости, можно вызывать движение искусственной «мышцы». Здесь надо ждать интересных находок, связанных с созданием роботов. Имеется еще один вопрос, давно занимающий ученых. Как организовать работу для того, чтобы продуктивность наших действий была максимальной? К примеру, если вы работаете у станка, то можно рассчитать порядок движений, при котором вы будете меньше уставать. Еще в конце XVIII века французский ученый А. Лавуазье утверждал: «Можно определить, например, скольким фунтам в весе соответствуют усилия человека, произносящего речь, или музыканта, играющего на инструменте». Столетием позже наш соотечественник И. Сеченов в буквальном смысле собственноручно проводил опыты на сконструированном им приборе — эргографе. Он искал «наиболее выгодный для рабочей руки темп движений и наибольший груз, при котором высота его поднятия оставалась бы в течение нескольких часов постоянной». Вы легко добавите сюда примеры, связанные со спортом. Вот уж где важны экономия усилий и умение правильно распределить нагрузки. А что говорить о космонавтах, работа которых должна быть подчинена строжайшему энергетическому режиму!
Якоб Хендрик Вант Гофф (1852—1911) — голландский ученый, один из основателей физической химии. Впервые изложил теорию пространственного расположения атомов в молекулах органических соединений. Открыл законы, управляющие скоростью химических реакций, и законы осмотического давления в растворах. В последние годы жизни обратился к проблеме образования органических веществ в зеленых растениях. Лауреат первой Нобелевской премии по химии.
В процессе фотосинтеза световая энергия поглощается содержащимся в растениях веществом — хлорофиллом. Роль хлорофилла при этом столь велика, что когда его искусственно синтезировали около сорока лет назад, то решили, что сбылось пророчество К.А. Тимирязева: «Тогда явится находчивый изобретатель и предложит изумленному миру аппарат, подражающий хлорофилловому зерну, — с одного конца получающий даровой воздух и солнечный свет, а с другого подающий печеные хлебы». Увы, предсказание пока еще не осуществилось... В поисках ответа на вопрос, как преобразуется энергия при фотосинтезе, ученые столкнулись с совершенно иным природным решением — без участия хлорофилла и света. Произошло это совсем недавно, в семидесятые годы, когда с помощью глубоководных аппаратов удалось опуститься на океанское дно вблизи действующих подводных гидротермальных источников. Именно источники интересовали исследователей. А вот встретиться там — на глубине 2—3 километра — с кем-либо из представителей животного или растительного мира они не предполагали. Ведь на таких глубинах царит кромешная тьма, а раз солнечная энергия не поступает, то откуда же взяться растениям и питающимся ими животным? Конечно, кое-кому удается прокормиться за счет того, что опускается из верхних слоев воды, но этот мир очень беден. Каково же было удивление ученых, когда вокруг извергавших потоки горячей жидкости источников они обнаружили вовсю бушующую жизнь! Оказалось, что без фотосинтеза все же можно обойтись. Здесь, в этих подводных сообществах, роль производителей биомассы играют особые бактерии, использующие энергию сероводорода, которым насыщена вода подводных гейзеров. Живут эти бактерии не сами по себе, а внутри удивительных животных, называемых погонофорами, которые не имеют ни рта, ни желудка, а своими щупальцами улавливают питательный океанский раствор. Дальше идет процесс, получивший название «хемосинтез». Бактерии перерабатывают сероводород, накапливая энергию, и передавая ее часть погонофорам. В результате погонофоры вместе с бактег риями выполняют роль зеленых растений, поскольку, в свою очередь, служат пищей другим животным. Таким образом выстраивается пищевая цепочка лакомящихся друг другом подводных обитателей. Какие выводы можно сделать из этого открытия? Во-первых, природа оказалась поразительно изобретательной в поисках способов получения энергии для живых существ. Во- вторых, это урок всем нам: подражая природе, при создании искусственных аккумуляторов химической энергии не следует двигаться только по одному из начертанных ею путей, надо искать и другие. «Фронт» работы для исследователей расширяется. Они, кстати, полагают, что хемосинтез может являться способом преобразования энергии микроорганизмами глубоко под землей, а, возможно, и на других планетах.
Джозеф Пристли (1733—1804) — английский философ и химик. Открыл кислород, аммиак, сернистый газ. Растворив в воде углекислый газ, впервые приготовил газированную воду. Первым использовал в химии электрический ток. Ему принадлежит открытие «метода исправления воздуха» — явление фотосинтеза. Считал, что ученый должен давать свободу воображению и стремиться к сочетанию далеких друг от друга идей.
Поверите ли вы, со времен Аристотеля полагали, что пищей растениям служит не что иное, как... почва. И правда, разве дерево не твердое? А раз так, значит, оно и потреблять в пищу должно что-то похожее по плотности, словно какой-нибудь зверь, которого головой засунули в плодородную землю. Чтобы разобраться с этими, кажущимися нам теперь нелепыми, представлениями, голландский ученый ван Гельмонт более 300 лет назад поставил такой опыт. Взяв черенок ивы, он посадил его в бочонок с тщательно взвешенной землей. Прикрыв землю плотной крышкой с отверстием для черенка, он только поливал растение в течение ни много ни мало — пяти лет! Выросло симпатичное деревце, прибавив в весе более 60 килограммов. А повторное взвешивание почвы показало, что ее вес практически не изменился. Опыт ван Гельмонта явился убедительным доказательством того, что не твердая почва, а доставляемые из нее с водой вещества составляют основу питания растений. Но до истины было еще далеко. Следовало развеять еще одно заблуждение — что растениям, как и животным, нужен чистый воздух. Действительно, в герметически закрытом помещении ни зверь, ни человек долго не протянут. Что мы говорим, когда тяжело дышится? Верно, «не хватает кислорода». Однако опыты в замкнутом пространстве доказали, что зеленое растение не потребляет, а, напротив, выделяет этот газ, в свою очередь, поглощая газ углекислый. Важно еще, что происходит этот процесс под действием солнечного света. Именно благодаря ему поступающие из почвы с водой вещества вместе с углеродом из углекислого газа превращаются в кладовые энергии растений. Изучение в течение многих лет этого явления, названного фотосинтезом, привело сегодня к созданию стройной теории преобразования энергии в живой природе. Поглощая солнечные лучи, растения преобразуют неорганические вещества в то, что мы называем органикой, — основу всего живого, состоящую из углеродных цепочек. Сколько в ней запасено энергии, мы можем выяснить, сжигая, то есть вновь соединяя с кислородом, органическое топливо. Ведь нефть, уголь, торф — это остатки буйной растительности, которая миллионы лет назад существовала на Земле. Но почему бы сегодня же не перейти к прямому улавливанию и использованию солнечной энергии нашими приборами и машинами, как это делает зеленый лист? Ведь запасы ископаемого топлива сокращаются. Эту задачу еще предстоит решить, поскольку полностью смоделировать фотосинтез никому пока не удалось. Справедливости ради скажем, что отдельные его стадии ученые уже смогли воспроизвести в лаборатории. Важно отметить, что преобразовывать энергию нашего светила в электрическую люди уже научились — с помощью солнечных батарей, которые установлены, например, на космических кораблях. Здесь же речь идет о способности преобразовывать световую энергию в энергию химических веществ, которую можно накапливать, хранить, перерабатывать и использовать по мере надобности так, как это делают растения. Представьте, ведь в процессе фотосинтеза образуется 200 миллиардов тонн древесной биомассы в год! А в общем всего лишь одна тысячная от приходящего к нам излучения Солнца, которая аккумулируется растениями, в 10 раз превышает годовое производство энергии человеком! Как видите, овчинка стоит выделки.
В начале предыдущей главы, говоря об архитектуре растений, мы ответили на вопрос о том, как по деревьям поднимаются питательные соки. Помимо двух указанных тогда причин — капиллярные явления и осмос — существует еще одна. И связана она с испарением воды листьями. Действительно, корни воду всасывают, передают побегам, а куда она потом девается? Для ответа на это вопрос в XIX веке были проведены интересные эксперименты. Лист помещали, как это показано на рисунке, посередине разрезанного надвое сосуда и определяли, сколько воды «прокачает» он сквозь себя. Это можно было установить, сравнив количество жидкости в нижней и верхней чашечках, а также по показаниям приборов, регистрирующих давление. Все подтвердилось: испаряясь с поверхности листа, причем нижней, вода словно освобождает место, на которое снизу, по стеблю, подтягиваются новые ее порции. Безусловно, эти исследования вносили ясность в понимание того, как происходит питание растений. Помимо этого, испарение связано с теплообменом: вспомните, как зябко даже в жаркую погоду выходить мокрыми из моря или реки. Это связано с тем, что испаряющаяся вода отнимает тепло у окружающих тел. Разговор об этом мы продолжим в следующих рассказах, а пока отметим другой, важный с точки зрения бионики, факт. Что вода с листьев испаряется, известно, а вот каким именно образом она испаряется? Наверняка вы знаете, что выделение влаги на нашей коже происходит через потовые железы. Так вот, и у растений обнаружено нечто подобное. Это устьица — отверстия, которые, будто множество форточек, могут приоткрываться, выпуская влагу из листьев, или закрываться, удерживая ее. Мысль использовать что-то похожее не раз приходила в голову строителям — вот если бы можно было регулировать автоматическими клапанами потоки влаги, а значит, и тепла, непосредственно через поры в стенах зданий! Это было бы намного удобнее, чем использовать нынешние системы кондиционирования и вентиляции. Это пока лишь мечта. Однако знание того, как растения регулируют влагообмен, позволяет помочь им самим сберечь воду. Так, например, созданы наносимые на поверхность листьев полимерные пленки, способствующие удержанию влаги в растениях, что особенно важно в засушливых районах. Этими же пленками покрывают созревшие плоды, чтобы они дольше не увядали.
Нет-нет, разговор сейчас пойдет вовсе не о безопасности маленькой мышки. На рисунке вы видите, скорее, свидетельство того, что ее испугался слон и инстинктивно отдернул ногу. Нас же будет интересовать, почему мышь такая «проворная и юркая» по сравнению со слоном, и только ли от страха дрожат животные. И отчего нет мышки величиной с мелких насекомых? Наверняка вы ощущали, беря на руки домашнего питомца, как часто бьется его сердечко. И чем меньше ваш любимец, тем это биение чаще. Обратите внимание, что и дышат «малыши» интенсивнее, чем мы, а тем более крупные животные, например... тот же слон. Еще немного наблюдений, и вы заметите, что «малышам» и есть тоже приходиться гораздо чаще, чем крупным млекопитающим. Такого рода наблюдения давно заставили людей задуматься, почему так по-разному происходят процессы энергообмена у различных теплокровных животных. Да и не только у них, но и у холоднокровных — земноводных и рыб, даже у насекомых. Ведь приведенные примеры, в том числе и потребление пищи, касаются получения и расходования энергии. Эти вопросы, естественно, напрямую относятся и к нам, людям. Благодаря энергообмену с окружающей средой мы и существуем — растем, работаем, занимаемся спортом или... развлекаемся. Вспомните, сколько энергии требуют быстрые танцы! Изучение того, как передается, накапливается и расходуется энергия в живом мире, привело ученых к представлению о всеобщем круговороте энергии в природе. Более того, благодаря подсказкам природы они пришли к выводу о сохранении энергии. Этот фундаментальный закон оказался одинаково справедлив как для живого, так и для неодушевленного мира, а значит, и для машин, для техники. Какое место в этих процессах занимает человек? Все ли тайны природы, связанные с движением энергии, ему теперь открыты? Разве здесь ему уже нечему учиться у природы, нечего позаимствовать у нее? Вот мы и попытаемся рассказать о том, как человек искал ответы на эти вопросы. А поскольку, как мы уже знаем, на долю зеленых растений приходится 97 процентов всей биомассы Земли, с них и начнем.
