С радиолокатором внутрь клетки
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Мы предлагаем вам заглянуть в микрокосмос. Сделать это можно с помощью прибора, который называется радиоспектрометром электронного парамагнитного резонансного поглощения или, коротко, ЭПР. Прибор ЭПР — родной брат радиолокатора. Читатель, конечно, не удивится, что для изучения биологических явлений мы будем использовать устройство со сложным и очень «физическим» названием, так как ни биология, ни медицина не могут в настоящее время развиваться без привлечения оружия, находящегося в арсенале ведущих наук естествознания — физики и химии. Только используя этот арсенал, мы сможем приблизиться к ответам, на такие, пока еще не ясные вопросы: почему одни клетки делятся и размножаются, а другие нет?
Почему нормальное деление и развитие клеток вдруг резко нарушается, и среди обычных, необходимых организму клеток появляется бурно растущая агрессивная ткань — злокачественная опухоль? Что происходит в живых тканях под действием радиоактивного облучения? Какие процессы лежат в основе памяти? Как работают ферменты? Что происходит в мышце при ее сокращении и каким образом мышца преобразует в полезную работу до 80 процентов химической энергии, хотя к. п. д. лучших тепловых машин не превышает 20—30 процентов?
ХИМИЯ + ФИЗИКА = ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
Жизнь немыслима без обмена веществ, без образования одних и распада других химических соединений. При этом вещества проходят через промежуточное состояние, когда новые химические связи еще не образовались, а старые только что разорвались. Что такое химическая связь? Какие новые свойства появляются у осколков молекул после разрыва связи? Изучением этих явлений занимаются близкие науки: химическая физика и физическая химия.
Исследуя химические реакции с точки зрения физики, ученые установили, что атомы и молекулы соединяются, связываются между собой несколькими способами. Ионные связи возникают за счет простого притяжения друг к другу частиц, несущих электрические заряды противоположного знака. Например, в кристалле поваренной соли атомы хлора и натрия удерживаются в прочной кристаллической решетке потому, что ион натрия несет положительный заряд, а ион хлора — отрицательный. Вместе же они образуют пробную электрически нейтральную систему.
В некоторых реакциях, особенно в органической химии, большую роль играет другой тип химической связи — ковалентная. Вот, например, молекула водорода. Каждый атом водорода состоит из положительно заряженного ядра — протона, около которого движется отрицательно заряженный электрон. Естественно, что электрически атом водорода нейтрален, так как «плюс» ядра уравновешен «минусом» электрона. Как же образуется молекула водорода, состоящая из двух атомов, если оба они электрически нейтральны и не должны поэтому притягиваться друг к другу? Природу ковалентчой химической связи помогла выяснить одна из наиболее сложных областей теоретической физики — квантовая механика.
Оказалось, если два атома водорода постепенно сближаются друг с другом, то наступает такой момент, когда электрон, ранее двигавшийся вокруг первого ядра, начнет перескакивать к достаточно близко расположенному второму ядру и пребывать некоторое время около него. То же самое можно сказать об электроне второго ядра. Частота этого «перескока» электронов, или, как говорят физики, электронного обмена, зависит от расстояния между ядрами. Например, при расстоянии в один сантиметр электроны не сумеют обменяться местами и одного раза за все время существования солнечной системы. А при расстоянии около 0,7 ангстрем[1. Ангстрем равен десятимиллионной доле сантиметра] (на такой дистанции как раз и находятся атомы водорода в его молекуле) электроны перескакивают от ядра к ядру около 1 000 000 000 000 000 раз в секунду.
При достаточно малом расстоянии электроны проводят большую часть времени между ядрами. При этом они как бы стягивают ядра, удерживая их друг возле друга. Так образуются химические ковалентные связи в молекулах водорода и других молекулах. Такое «совместное пользование» электронами энергетически более выгодно. Ведь ядро и взаимодействующий с ним электрон в какой-то мере напоминают человека, подкидывающего мяч вверх. А два атома водорода, соединенные ковалентной химической связью, подобны двум игрокам, пасующим двумя мячами..
Автор: А Калмасон.