62. Молекулярные основы жизни

Живое вещество, как и вообще всякое вещество, состоит из атомов. Для проведения биологических исследований на современном уровне необходимо знать строение и свойства атомов. Еще несколько лет назад биологи не могли и мечтать о таком тонком проникновении в механизм некоторых химических процессов, какое стало возможным благодаря успехам атомной физики. В наши дни изучению молекулярной организации живых систем посвящено большое количество работ в области биологии. В этой главе мы познакомимся со строением и некоторыми свойствами атомов и молекул и посмотрим, какое значение имеют эти сведения для биологии.

Строение атома. Хотя различные виды атомов существенно различаются по свойствам, все они состоят из одних и тех же компонентов, а именно из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных частиц — электронов. Рассмотрим в качестве примера атом углерода. Представьте себе, что перед вами черная сажа (почти чистый углерод) и вам удалось каким-то образом выделить из нее один атом углерода. Если бы этот атом можно было увеличить в миллиарды раз, то вы бы увидели в центре крупное ядро. Оно состоит из двух видов частиц: шести протонов, несущих положительный заряд, и шести нейтронов, имеющих приблизительно такую же величину и вес, как и протоны, но незаряженных. Вокруг ядра вращаются шесть электронов, из которых два находятся на внутренней орбите, а четыре — на внешней. Описанная структура атома во многом напоминает строение солнечной системы. Действительно, Солнце расположено в центре, подобно большому ядру, а вокруг него вращаются 9 значительно меньших по массе планет. Правда, в солнечной системе каждая планета занимает свою собственную орбиту, так что всего имеется 9 орбит. Сила притяжения планет к Солнцу уравновешивается действием центробежной силы, возникающей при вращении планет; благодаря этому равновесию сил планеты не падают на Солнце и в то же время не уносятся в пространство.

Скорость космических кораблей и ракет тоже рассчитывают с учетом силы земного притяжения. Если надо вернуть корабль на Землю, то его скорость уменьшают, и тогда он снижается, приближаясь к Земле под действием силы земного притяжения. Наоборот, при запуске ракеты ей придают настолько высокую скорость, что она преодолевает силу притяжения и удаляется от Земли. Внутри атома действуют аналогичные силы: положительно заряженное ядро притягивает электроны, но эта сила притяжения уравновешивается скоростью вращения электронов. Такое тонкое равновесие удерживает электроны на их орбитах.

Общий заряд атома равен нулю, так как число электронов равно числу протонов, т. е. в целом атом нейтрален. Известно, что частицы, несущие противоположные заряды, притягиваются, а одинаково заряженные — отталкиваются. Возникает вопрос: Как могут находиться в ядре шесть положительно заряженных протонов? Почему они не отталкиваются, вызывая в результате расщепление ядра? Как могут шесть одинаково заряженных частиц располагаться так близко друг к другу? Оказывается, все дело в нейтронах. Нейтроны вклиниваются между протонами и оказывают стабилизирующее действие. Для стабилизации ядра необходимо строго определенное число нейтронов. Однако иногда нейтронов в ядре слишком много или слишком мало, и тогда равновесие нарушается; вследствие этого происходит расщепление атома с освобождением частиц и энергии. Именно такое явление имеет место при ядерном взрыве.