З радіолокатором всередину клітини
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Ми пропонуємо вам зазирнути в мікрокосмос. Зробити це можна за допомогою приладу, який називається радіоспектрометром електронного парамагнітного резонансного поглинання або, коротко, ЕПР. Прилад ЕПР – рідний брат радіолокатора. Читач, звичайно, не здивується, що для вивчення біологічних явищ ми будемо використовувати пристрій зі складною і дуже «фізичною» назвою, так як ні біологія, ні медицина не можуть в даний час розвиватись без залучення зброї, що знаходиться в арсеналі провідних наук природознавства – фізики і хімії. Тільки використовуючи цей арсенал, ми зможемо наблизитись до відповідей, на такі, поки ще не ясні питання: чому одні клітини діляться і розмножуються, а інші ні?
Чому нормальний розподіл і розвиток клітин раптом різко порушується, і серед звичайних, необхідних організму клітин з’являється бурхливо зростаюча агресивна тканина – злоякісна пухлина? Що відбувається в живих тканинах під дією радіоактивного опромінення? Які процеси лежать в основі пам’яті? Як працюють ферменти? Що відбувається в м’язі при його скороченні і яким чином м’яз перетворює в корисну роботу до 80 відсотків хімічної енергії, хоча к. к. д. кращих теплових машин не перевищує 20-30 відсотків?
ХІМІЯ + ФІЗИКА = ХІМІЧНА ФІЗИКА
Життя немислиме без обміну речовин, без освіти одних і розпаду інших хімічних сполук. При цьому речовини проходять через проміжний стан, коли нові хімічні зв’язки ще не утворились, а старі тільки що розірвались. Що таке хімічний зв’язок? Які нові властивості з’являються у осколків молекул після розриву зв’язку? Вивченням цих явищ займаються близькі науки: хімічна фізика і фізична хімія.
Досліджуючи хімічні реакції з точки зору фізики, вчені встановили, що атоми і молекули з’єднуються, зв’язуються між собою декількома способами. Іонні зв’язки виникають за рахунок простого тяжіння один до одного часток, що несуть електричні заряди протилежного знака. Наприклад, в кристалі кухонної солі атоми хлору і натрію утримуються в міцній кристалічній решітці тому, що іон натрію несе позитивний заряд, а іон хлору – негативний. Разом же вони утворюють пробну електрично нейтральну систему.
У деяких реакціях, особливо в органічній хімії, велику роль грає інший тип хімічного зв’язку – ковалентний. Ось, наприклад, молекула водню. Кожен атом водню складається з позитивно зарядженого ядра – протона, біля якого рухається негативно заряджений електрон. Природно, що електричний атом водню нейтральний, так як «плюс» ядра урівноважений «мінусом» електрона. Як же утворюється молекула водню, що складається з двох атомів, якщо обидва вони електрично нейтральні і не повинні тому притягатись один до одного? Природу ковалентного хімічного зв’язку допомогла з’ясувати одна з найбільш складних областей теоретичної фізики – квантова механіка.
Виявилося, якщо два атоми водню поступово зближуються один з одним, то наступає такий момент, коли електрон, що раніше рухався навколо першого ядра, почне перескакувати до досить близько розташованого другого ядра і перебувати якийсь час біля нього. Те ж саме можна сказати про електрон другого ядра. Частота цього «перескока» електронів, або, як кажуть фізики, електронного обміну, залежить від відстані між ядрами. Наприклад, при відстані в один сантиметр електрони не зуміють обмінятись місцями і одного разу за весь час існування Сонячної системи. А при відстані близько 0,7 ангстрем[1. Ангстрем дорівнює десятимільйонній частці сантиметра] (на такій дистанції якраз і знаходяться атоми водню в його молекулі) електрони перескакують від ядра до ядра близько 1 000 000 000 000 000 разів на секунду.
При досить малій відстані електрони проводять велику частину часу між ядрами. При цьому вони як би стягують ядра, утримуючи їх один біля одного. Так утворюються хімічні ковалентні зв’язки в молекулах водню та інших молекулах. Таке «спільне користування» електронами енергетично більш вигідно. Адже ядро і взаємодіючий з ним електрон в якійсь мірі нагадують людину, яка підкидає м’яч вгору. А два атоми водню, з’єднані ковалентним хімічним зв’язком, подібні двом гравцям, які пасують двома м’ячами.
Автор: А Калмасон.
Продовження буде.