Биология в новом свете

Теперь настало время, задуматься, в чем смысл этого эксперимента. Что он означает? Какие выводы отсюда можно сделать? Молекулы, атомы, ионы, из которых состоит воздух в комнате, подвижны. Они движутся, сталкиваются, обмениваются друг с другом импульсами. Таким образом, мы получили грубую модель молекулярной системы, правда двумерную, в плоскости, параллельной потолку комнаты. Подобно тому как маятники двигались в плоскости, молекулы могут двигаться в трехмерном пространстве. Однако нам следует твердо усвоить, что молекулы не миниатюрные бильярдные шары, не тела с твердой и гладкой, четко очерченной поверхностью. И все-таки при соударении молекулы ведут себя как обычные макроскопические тела, хотя в случае молекул "сталкиваются" не твердые поверхности, а электрические поля, которые и вызывают силы отталкивания.

Если в механической системе один шар сталкивается с другими, импульс 'путешествует' по системе. При центральном ударе импульс передается полностью, при боковом — возникает рикошет: ударяющий шар, передав партнеру часть импульса, отклоняется от первоначального направления движения. Через небольшой промежуток времени все шары системы приходят в движение

Остановимся на этом вопросе поподробнее. Итак, хотя молекулы и атомы нельзя уподобить бильярдным шарам, они соударяются аналогично последним и передают импульс другим молекулам. Но, чтобы не попасть впросак, мы должны быть предельно осторожными, пытаясь перенести макрофизические явления в микромир. Прежде всего интересно выяснить, приходят ли через некоторое время молекулы, подобно бильярдным шарам, в состояние покоя? Как мы уже говорили, часть энергии бильярдных шаров в описанном ранее эксперименте затрачивается на то, чтобы привести в движение воздух. Когда речь идет о молекулах, это движение не играет роли, ибо молекулы — мельчайшие частички вещества, и они колеблются не в воздухе, а в вакууме. Если же молекулы находятся в растворе, то их можно рассматривать как некую "смесь" шаров различного типа, одни из которых представляют растворенное вещество, а другие — растворитель. В растворе молекулы растворенного вещества обмениваются импульсами как между собой, так и с молекулами растворителя; никакого препятствия, подобного воздуху между бильярдными шарами, для них не существует.

А как обстоит дело с потерей энергии, обусловленной пластичностью? Хотя в буквальном смысле нельзя говорить о пластичности молекул, определенное изменение состояния молекулы при ударе в принципе возможно. Молекула может двигаться в том или ином направлении, вращаться вокруг собственной оси, могут также вращаться ее отдельные части или внутри нее возникать колебания. В худшем случае часть молекулы может даже отделиться. С каждым из этих движений связаны соответствующие формы энергии, которые можно рассматривать как составные части общей кинетической энергии молекулы.

Почему в отличие от бильярдных шаров молекулы не нагреваются? Просто потому, что понятие теплоты здесь не совсем применимо. Теплота, температура — это понятия макрофизики. Теплота есть проявление кинетической энергии системы, включающей в себя множество молекул. Горячее тело состоит из чрезвычайно энергично движущихся и сталкивающихся частиц, а в холодном теле движение таких частиц замедлено. В системе с бильярдными шарами энергия движения шаров за счет трения и неупругих соударений превращалась в тепловое движение молекул, а в мире молекул энергия их движения и есть, собственно, теплота. И если теплоту не отводить от молекулярной системы, молекулы будут двигаться бесконечно.

С поступательным, т. е. тепловым, движением молекул, как и с другими видами их движения, связан целый ряд физических вопросов. Эти вопросы интересны и с биофизической точки зрения, однако мы коснемся только некоторых из них. Могут ли скорости поступательного движения, вращения или колебания молекулы меняться непрерывно, подобно тому как меняются скорости движения макротел? Конечно, нет! Это также одна из особенностей микрофизики. Благодаря открытию Макса Планка стало известно, что в микромире энергия может изменяться только отдельными порциями, квантами, которые неделимы. Можно, например, взвесить 1 кг сахара; 1 г; 1/100 г, или, что то же самое, 10^-2 г; 10^-4 г; 10^-8 г и т. д. Однако это "и т. д." имеет свой предел. Если бы мы захотели взвесить 10^-22 г, т. е. 0,0000000000000000000001 г, нам пришлось бы дробить молекулу сахара, и из этого ничего бы не вышло, ибо разрушенная молекула сахара — уже не сахар.