Биология в новом свете

Физические методы позволяют измерять самые разные формы энергии, которыми обладают растения, животные и микроорганизмы. А — за счет работы осмотических сил растение создает гидростатическое давление Δp, которое гонит воду вверх по стволу; Б — все живые организмы производят механическую работу. Белка увеличивает свою потенциальную энергию E_пот, поднимая свое тело массой m вверх по стволу на высоту h и преодолевая при этом ускорение силы тяжести g; В — электрические рыбы (на рисунке изображен электрический угорь) создают напряжение сотен вольт; Г — в светлячке "спрятаны микроорганизмы, испускающие свет, энергия квантов которого равна произведению постоянной Планка h на частоту ν

Анатомическое изучение скелетной мышцы показывает, что она состоит из многих длинных мышечных волокон, так называемых миофибрилл. Под микроскопом, особенно в поляризованном свете, эта структура представляет собой чередующиеся темные и светлые полосы. На основании электронно-микроскопических исследований разработана следующая модель молекулярного строения мышцы: к прочным поперечным стенкам, так называемым пластинкам Z, в строгом порядке прикреплены нитевидные белковые молекулы. Эта структура напоминает щетку с гексагонально расположенными щетинками. Расстояние между отдельными "щетинками" намного больше их диаметра. Теперь представим себе две щетки, размещенные так, что их щетинки находятся друг против друга. Щетинки не должны касаться друг друга, но расстояние между их кончиками должно быть меньше их длины. Теперь между щетинками, параллельно им, поместим спички так, чтобы их концы оказались на разных щетках. Модель готова. Щетинки изображают тонкие актиновые нити, а спички — лежащие между ними толстые нити молекул миозина. Щетки могут сдвигаться относительно друг друга, при этом спички будут больше или меньше" углубляться в область между щетинками.

В мышце происходит интенсивное взаимодействие между молекулами актина и миозина, которое регулируется обменом веществ. Между этими параллельно расположенными молекулами образуются мостики — поперечные связи. Эти связи имеют химическую природу и возникают только между совершенно определенными участками молекул, так называемыми активными центрами. Под действием энергии, вырабатываемой в процессе обмена веществ, например при участии уже неоднократно упоминавшегося аккумулятора химической энергии — аденозинтрифосфата (АТФ), места соединений мостиков с молекулами непрерывно меняются; миозиновая молекула тянет молекулу актина, подобно тому как группа рыбаков вытягивает сеть. Актиновые нити, увлекаемые поперечными связями, скользят между нитями миозина — мышца сокращается. Эта гипотеза скользящих нитей в настоящее время рассматривается как наиболее правдоподобное объяснение механизма мышечного сокращения.

Строение скелетной мышцы и ее модель. Мышца состоит из миофибрилл (А), которые под микроскопом выглядят как чередующиеся светлые и темные полосы (Б). Модель миофибриллы можно представить следующим образом: между тонкими нитями молекул актина, расположенными в строгом геометрическом порядке, лежат толстые нити молекул миозина (В). Порядок расположения нитей показан на поперечном сечении миофибриллы (Г). Сокращение мышцы можно объяснить скольжением этих нитей относительно друг друга, которое приводит к сближению пластинок Z