Текст книги "Концепции современного естествознания: конспект лекций"

2. Квантовая механика

Квантовая механика по-другому называется волновой механикой. Итак, квантовая механика – это теория, которая устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и их системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.

Квантовая механика помогла человечеству описать и осознать такие явления, как:

1) ферромагнетизм твердых тел;

2) сверхтекучесть твердых тел;

3) сверхпроводимость твердых тел;

4) была объяснена природа и происхождение нейтронных звезд, белых карликов и других астрофизических объектов.

На этом значение квантовой механики не заканчивается. В теории квантовая механика делится на два вида:

1) нерелятивистскую квантовую механику;

2) релятивистскую квантовую механику.

Различие релятивистской и нерелятивистской квантовой механики. Естественно, что если существует два направления квантовой механики, то значит, они должны противоречить друг другу. Через это противоречие можно просмотреть значение как нерелятивистской, так и релятивистской квантовой механики. Вот эти характеристики, различающие оба направления:

1) нерелятивистская квантовая механика более «строгая», это законченная фундаментальная физическая теория, главной особенностью которой является ее непротиворечивость. Релятивистская квантовая механика является более «мягкой», она допускает наличие противоречий в теории;

2) в нерелятивистской теории принято считать, что информация, помогающая взаимодействию, передается мгновенно. Релятивистская же квантовая механика утверждает, что взаимодействие распространяется со строго определенной скоростью (так называемой «конечной скоростью»). Следовательно, должно существовать что-то, что будет способствовать такой передаче. И этим «помощником» является физическое поле.

Одним из основоположников квантовой механики можно назвать Планка. Он первым выступил против существовавшей в то время теории теплового излучения. В основе теории теплового излучения лежала статистическая физика и классическая электродинамика. Эти две отрасли науки не дополняли друг друга, а наоборот, приводили к противоречию всю теорию теплового излучения.

В чем же заключается точка зрения Планка? А суть его точки зрения заключается в том, что свет излучается не непрерывно (как считалось ранее), а порциями. А точнее – дискретными порциями энергии, т. е. квантами.

В квантовой механике выделяют так называемые дискретные состояния. Смысл данного состояния в том, что тело большого масштаба непрерывно изменяет свою скорость. Причем изменение этой скорости может происходить как в сторону ее увеличения, так и в сторону ее уменьшения. Для изменения скорости имеют большое значение разнообразные физические явления. Именно эти явления способствуют увеличению скорости или же, наоборот, ее уменьшению. Примером физического явления, которое способствует уменьшению скорости тела, можно назвать сопротивление воздуха. Чтобы понять это, достаточно вспомнить маятник часов: сначала маятник колеблется довольно «часто», а затем останавливается вообще.

Понятно, что не только Планк сыграл выдающуюся роль в развитии квантовой механики. Этапы развития квантовой механики (это развитие можно проследить в хронологическом порядке) выглядят так:

1) в 1905 г. Альберт Эйнштейн построил теорию фотоэффекта. Данная теория была построена с целью развития идей Планка. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами. Следовательно, дискретность присуща самому свету;

2) в 1913 г. Бор применяет идею квантов по отношению к планетарной системе атомов. Данная идея Бора привела к научному парадоксу. Согласно Бору, радиус орбиты электрона постоянно уменьшался. Электрон в конце концов должен был просто «упасть» на ядро. Бор решил, что электрон испускает свет не постоянно, а лишь тогда, когда он переходит на другую орбиту;

3) в 1922 г. американец Комптон доказал, что рассеяние света происходит путем столкновения двух частиц;

4) эффект Комптона привел также к парадоксу. Он утверждал о корпускулярно-волновой природе света. И это было явное противоречие: эти два явления не могли смешиваться. В 1924 г. французский ученый Луи де Бройль выдвинул теорию, согласно которой каждой частице надо поставить волну, которая связана с импульсом частицы;

5) австриец Шредингер доказал гипотезу де Бройля. Шредингер придумал уравнение, которое соответствует поведению волн де Бройля. Данное уравнение получило название «уравнение Шредингера»;

6) в 1926 г. ученые-физики проводили опыты, которые экспериментально окончательно подтвердили теорию де Бройля;

7) в 1927 г. Дирак придумывает свое уравнение, которое становится главным аргументом релятивистской квантовой механики. Это уравнение описывает движение электрона во внешнем силовом поле.

Окончательно квантовая механика как последовательная теория сформировалась благодаря трудам немецкого ученого – физика В. Гейзенберга, создавшего формальную схему. Особенностью данной схемы было то, что вместо математических координат и математических скоростей фигурировали абстрактные величины, так называемые матрицы.

Работы Гейзенберга были развиты другими учеными (например, Борном, Иорданом и др.). Работа немецкого физика Гейзенберга стала основой для матричной механики.

Также Гейзенберг является автором гипотезы о том, что любая физическая система никогда не может находиться в состоянии, в котором координаты ее центра инерции и импульса принимают одновременно равные значения.

Этот принцип известен в науке как «соотношение неопределенностей».

Согласно этому принципу, понятие координат и импульса неприменимо к микроскопическим объектам. Это объясняется тем, что эксперимент никогда не приводит к каким-либо точным данным. Это связано не с тем, что измерительная техника несовершенна, а с объективными свойствами микромира.

ЛЕКЦИЯ № 7. Биохимия

1. Понятие биохимии, история ее появления

Биохимию по-другому называют органической химией. Оба названия, на мой взгляд, верны. Биохимия – это наука, которая изучает соединения углерода с другими элементами, т. е. органическими элементами и законами их превращения. Эта наука изучает химические вещества, их структуру и распределение в организме.

Использование законов биохимии относится к глубокой древности. Человек уже издавна научился обрабатывать животные шкуры, научился готовить вино, брагу, т. е. использовал процессы брожения и т. п. Термин «органическая химия» был введен в 1827 г. ученым Й. Берцелиусом. Как же развивалась органическая химия?

Все началось с того, что была подорвана точка зрения, согласно которой в синтезе присутствует так называемая «жизненная сила». Это произошло после того, как в 1828 г. Ф. Велер исследовал мочевину.

На органической химии основаны все жизненные процессы, потому что углероды способны соединяться со многими элементами и могут образовывать молекулы самого разного состава и строения (например, цепного, циклического и т. д.). Именно этой способностью углерода и обусловлено такое множество органических соединений: к 90-м гг. XX в. их число составляло более 10 млн.

И весь этот процесс синтеза углерода с различными элементами привел к тому, что стали появляться отдельные отрасли науки и новые отрасли промышленности (например, производство синтетических красителей и т. д.).

Сама биохимия состоит из общей и аналитической химии, которые были ее «родителями». На сегодняшний день органическая химия уже сама давно обзавелась «потомством». В середине 20-х гг. XX в. произошло выделение молекулярной биологии. В связи с ростом народного хозяйства в отдельную науку выделилась техническая биохимия.

Молекулярная биология занимается тем, что исследует основные свойства и проявления жизни на молекулярном уровне, а также выясняет, каким образом и в какой мере рост и развитие организмов, хранение и передача наследственной информации и многие другие явления обусловлены структурой и свойствами биологических белков и нуклеиновых кислот, т. е. макромолекул.

Молекулярная биология тесно связана не только с органической химией, но и с:

1) биофизикой;

2) генетикой;

3) микробиологией.

Когда же все-таки возникла микробиология? Это точно неизвестно, но существуют две точки зрения:

1) молекулярная биология выделилась в 20-е гг. XX в. В это время происходит активное внедрение в биологию идей и методов, которые были позаимствованы из физики. Такое заимствование произошло для того, чтобы объяснить ряд явлений, таких как мышечное сокращение, наследственность и многие другие;

2) молекулярная биология возникла в 1953 г. Именно в этом году Дж. Уотсон и Ф. Крик разработали свою идею двойной спирали ДНК.

В Советском Союзе наука также не стояла на месте, а развивалась. Огромный вклад в это развитие внесли такие советские ученые, как А. Н. Белозерский, В. А. Энгельгардт.

Молекулярную биологию, биофизику, биохимию и т. п. включают в единый комплекс наук – физико-химическую биологию.

2. Белозерский Андрей Николаевич и его научные работы

Белозерский Андрей Николаевич родился в г. Ташкенте 16 (а по старому стилю 29) августа 1905 г. Он стал выдающимся российским биохимиком, лауреатом множества всесоюзных и международных премий.

Отец Андрея Николаевича Николай Андреевич Белозерский, был одним из первых русских поселенцев в Средней Азии. Его мать была педагогом и преподавала в гимназии. В 1913 г. семью Белозерских постигает несчастье: оба родителя Андрея Николаевича умирают, и он остается круглым сиротой. Начались трудные годы для мальчика: несколько лет он просто скитается по родственникам, а потом попадает в Гатчинский детский приют, где жизнь была также нелегка. В революционный 1917 г., весной, мальчика забирает к себе его родная тетка – сестра матери. Они поселяются в Казахстане, а точнее в г. Верном (ныне этот город называется Алма-Ата) Ему удается, не имея среднего образования, поступить в высшее учебное заведение – в Среднеазиатский государственный университет на физико-математический факультет. Позже он начинает работать в этом университете. Поначалу Белозерский устроился работать лаборантом. По прошествии нескольких лет, в 1925 г., Андрей Николаевич уже приступает к преподавательской деятельности.

Белозерскому повезло в том смысле, что в эти годы в САГУ работали множество выдающихся ученых-биологов из обеих столиц (т. е. и из Москвы, и из Петрограда).

Андрей Николаевич Белозерский попадает под положительное влияние известного биолога А. В. Благовещенского. Именно под его руководством Белозерский готовит свою первую научную работу, которая была посвящена концентрации водородных ионов в вытяжках из листьев некоторых горных растений.

Не секрет, что именно в эти годы в советской биологии играл самую важную роль лжеученый – биолог Лысенко, точка зрения которого была в корне неправильна и нелогична. Но Андрей Николаевич рискнул заняться молекулярной биологией именно в эти годы.

Белозерский занялся тем, что стал искать ДНК не только у животных, но и у растений. Спустя какое-то время, время упорного труда, он обнаружил ДНК у обычного гороха, а затем еще у ряда других растений и даже у бактерии. Он сделал вывод, что ДНК присуща не только животным. ДНК присуща вообще всем живым организмам. Этот открытие принесло Андрею Николаевичу мировую известность. Своим открытием он помог возродиться в Советском Союзе такой науке, как генетика. При Лысенко генетика была не практически запрещена. Андрея Николаевича приглашают посетить ряд престижных научных симпозиумов, которые должны пройти в зарубежных странах (например, Бельгии и Соединенных Штатах Америки). Естественно, что никто Белозерского туда так и не отпустил.

Имя Белозерского связано с открытием не только ДНК у растений, но и рядом других открытий, которые заслуживают внимания. В 1957 г. Белозерский и Спирин высказывают предположение, согласно которому клетки содержат не только ДНК, но и РНК. Вслед за этим Андрей Николаевич успешно защищает свою докторскую диссертацию.

Через небольшой промежуток времени, в 1958 г., происходит то, что и должно было произойти, – Андрей Николаевич Белозерский, еще при жизни Лысенко, избирается членом-корреспондентом Академии наук СССР. Спустя три года, в 1962 г., Белозерский становится действительным членом Академии наук СССР, а еще через девять лет произошло нечто вообще малообъяснимое: Андрей Николаевич Белозерский был избран вице-президентом Академии наук СССР. Почему же это малообъяснимо? Дело в том, что вице-президент Академии Наук была должность чисто номенклатурная, ее всегда занимали члены коммунистической партии. Белозерский же вообще был беспартийный, т. е. он не являлся членом коммунистической партии. Это, можно объяснить тем, что после Лысенко советская биология (и молекулярная биология в частности) была в таком плачевном состоянии, что практически не развивалась. Теперь же советскую науку возглавил человек, который не был причастен к антинаучной агитации.

Также благодаря усилиям Андрея Николаевича была организована современная лаборатория биохимии и микроорганизмов (тогда она называлась лабораторией антибиотиков); кафедра вирусологии на биолого-почвенном факультете МГУ в 1964 г.; при его поддержке был создан Институт белка Академии наук в г. Пущино в 1968 г. В 1965 г. Белозерский в Московском государственном университете создал межфакультетскую лабораторию биоорганической химии. Для того чтобы показать, как важен вклад Андрея Николаевича Белозерского в развитие молекулярной биологии, организованная им в 1965 г. лаборатория была переименована в Институт физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского.

В памяти своих современников и учеников Андрей Николаевич остался как человек, обладающий вспыльчивым характером. Но, несмотря на свою вспыльчивость, Белозерский быстро успокаивался и быстро сглаживал обострившуюся ситуацию. Интересен также принцип его отношения к своим ученикам: Белозерский считал, что ученик должен превзойти своего учителя, он даже сам признавал первенство своего ученика.

Андрей Николаевич не считал себя каким-то выдающимся ученым – он просто работал ради науки и для науки. За свой огромный вклад в развитие науки Андрей Николаевич был удостоен множества наград и премий:

1) в 1951 г. ему присвоили орден Трудового Красного Знамени;

2) в «космический» 1961 г. Белозерскому вручают первый орден Ленина;

3) в 1965 г., спустя всего около четырех лет, Андрею Николаевичу вручают второй орден Ленина;

4) в 1969 г. ему вручают третий орден Ленина;

5) в 1969 г. Андрею Николаевичу присваивают звание Героя Социалистического Труда;

6) в 1971 г. в Германской Демократической Республике его избирают членом Германской академии естествоиспытателей – «Леопольдины».

ЛЕКЦИЯ № 8. Биофизика

1. Общие понятия и история

Биофизика – это наука, которая изучает физические и физико-химические явления, которые происходят в живых организмах. Также данная наука изучает структуру и свойства биополимеров, а также влияние различных физических факторов на живые организмы и живые системы.

На протяжении наиболее продолжительного периода истории человечества считалось, что науки являются «несмешиваемыми». Прошло множество веков, и человечество поняло, что для дальнейшего развития надо изучать «гибридные науки». Первые в мире попытки применить физические методы и идеи к изучению живого организма были предприняты еще в XVII в.

Дальнейшее развитие биофизики связано с:

1) изучением работ Луиджи Гальвани. В своих работах он выдвигал существование «животного электричества» (более подробно о нем будет рассказано ниже);

2) изучением работ Г. Гельмгольца, а также с изучением и развитием акустики и оптики;

3) изучением механики и энергетики живых организмов;

4) изучением работ П. П. Лазарева и работ Ю. Бернштейна, а также с изучением ионной и мембранной теории возбуждения.

Биофизика изучает целостные системы, не разлагая их на составные части. Если же будут выделяться составные части, то в процессе такого «выделения» частного из целого будут утрачены важные для дальнейшего нормального существования свойства целостной системы. Это прежде всего негативно отразится на самой биофизической науке. Полимеры нормально функционируют исключительно в условиях ненарушенной, целостной системы. Поэтому биофизики должны изобрести новые приемы и методы исследования. Главной особенностью таких методов является то, что они изучают полимеры именно в тех условиях, в которых они и живут.

Если были нарушены важные для дальнейшего нормального существования свойства и процессы клетки, то, соответственно, изменяются и ее физические и химические параметры. При определенных воздействиях клетка может потерять ряд своих способностей (например, способность к поляризации), хотя внешний вид клеток может оставаться неизменным.

Но клетка может не только потерять свои способности, но и приобрести так называемые артефакты. Артефакт для биофизики – это вновь образованные структуры и соединения. Главная особенность артефактов заключается в том, что их нет в неповрежденных, т. е. в целых клетках.

С появлением микроскопов, а затем с использованием электронных микроскопов значительно расширились границы исследования биологии, химии, биофизики и многих других наук. Ученые, используя методы электронной микроскопии, пытаются вскрыть детали тонкого строения молекулярного вещества. При этом они могут наткнуться и на артефакты. К чему это может привести? А вот к чему:

1) если артефакт по внешним признакам неотличим, то это может привести к ошибочным результатам. Помимо «внешнего сходства», здесь также играют заметную роль такие факторы, как наличие достаточных знаний у ученого и проявление им в процессе исследования клетки предельного внимания;

2) артефакт может быть обнаружен, если ученый обладает достаточным объемом знаний и информации, а также проявил максимальное внимание.

Перед биофизической наукой стоит ряд сложных теоретических и практических задач. Эти задачи входят в компетенцию биофизики, а другие науки могут оказывать ей помощь:

1) вопрос размена энергии в биологическом субстрате;

2) исследование роли субмикроскопических и физико-химических свойств и структур в жизнедеятельности клеток и тканей;

3) возникновение возбуждения и происхождение биоэлектрических потенциалов;

4) вопросы авторегулирования физико-химических процессов в живых организмах.

Значение четвертой задачи, т. е. задачи, касающейся вопросов авторегулирования физико-химических процессов в живых организмах, состоит в том, что надмолекулярные структуры, которые отсутствуют в живых организмах, были выявлены в гистологических препаратах. Достоверно установлено, что живым клеткам присущи следующие свойства:

1) наличие электрического потенциала между непосредственно самой клеткой и окружающей ее средой;

2) живая клетка удерживает ионный градиент по калию и натрию между клеткой и окружающей ее средой;

3) способность поляризировать электрический ток.

Эти свойства присущи только живым клеткам. Одну из самых заметных ролей в истории появления и развития биофизики сыграл выдающийся ученый Луиджи Гальвани.

2. Луиджи Гальвани, его теория. Спор с Вольтом

Луиджи Гальвани (1737–1798 гг.) – выдающийся ученый, он занимался анатомией и физиологией. Гальвани стал одним из основателей учения об электричестве. Луиджи Гальвани также известен тем, что он первый обратил внимание на то, что электрические явления возникают при мышечном сокращении (этот эффект, а точнее, явление, был назван «животным электричеством»).

Луиджи Гальвани родился 9 сентября 1737 г. в Италии, в г. Болонье. Он не планировал заниматься науками, а искал уединения и хотел беседовать в своих молитвах с Творцом, Богом. Поэтому Гальвани сначала готовился постричься в монахи, но уйти жить в монастырь у него не получилось. Скорее всего, Гальвани понял, что аскетический образ жизни не для него, и мировая история приобрела еще одного выдающегося ученого.

Гальвани поступил в местный университет, после окончания которого в 1759 г. начал готовить свою научную диссертацию. На свою научную работу Луиджи Гальвани тратит целые годы. В 1762 г. Гальвани с успехом защищает свою диссертацию, которая была названа «О костях». Успех Гальвани был настолько огромен, что он сразу же занял пост главы кафедры анатомии университета, который он сравнительно недавно окончил. Таким образом, была по достоинству оценена работа молодого ученого.

Параллельно с научной работой Луиджи Гальвани занимался и практикой: хирургией и акушерством. Через 12 лет, в 1774 г., Гальвани, проводя опыт над лягушкой, открывает «животное электричество». Луиджи Гальвани заинтересовался этим явлением как физиолог. Его заинтересовала способность мертвого препарата проявлять себя как живой материал. Он менял положение металлического провода в теле лягушки, менял источники тока и множество других параметров.

Проводя такой опыт, Луиджи Гальвани хотел использовать в качестве источника тока природное электричество, но погода стояла ясная и на небе не было ни облачка. Ученый чисто случайно прижал электроды, которые были воткнуты в спинной мозг лягушки, к железной решетке, на которой и лежала лягушка. Луиджи Гальвани был очень сильно удивлен, когда увидел, что появились такие же сокращения, как и во время опытов, которые проводились во время грозы.

Еще больше Луиджи Гальвани был удивлен, когда выяснил, что мышцы сокращаются и в то время, когда внешний источник тока отсутствует. Оказалось, что мышцы начинают сокращаться и при простом наложении на них двух пластин разных металлов, соединенных проводником.

Этими опытами физиолога Луиджи Гальвани заинтересовался другой известный ученый – физик Алессандро Вольта. Вольта высказал предположение, что электричество заключается в тех двух пластинах разных металлов, которые использовал Гальвани. И электричество возникает при соединении этих пластин проводником. Таким образом, физик Алессандро Вольта стал оппонентом в научном споре физиолога Луиджи Гальвани.

Так начался величайший спор между двумя учеными. Алессандро Вольта настаивал на том, что источник электричества – это металлы, а другой настаивал на том, что источник тока – это животные. Оба ученых проводили эксперименты в подтверждение своей теории. Луиджи Гальвани, как ему показалось, нашел неопровержимые доказательства своей точки зрения, которая состоит из двух элементов:

1) доказал, что электричество возникает и без участия металлов;

2) сняв кожный покров с нерва лапки лягушки, Луиджи Гальвани поднес его к мышцам. Мышца начала сокращаться.

Алессандро Вольта, однако, не успокоился и не отступился.

Он тоже привел весьма и весьма убедительные доказательства в пользу своей точки зрения.

Хотя и Гальвани, и Вольта считали, что в споре прав только один из них, по прошествии продолжительного периода времени стало ясно, что обе точки зрения имеют право на существование.

Алессандро Вольта был соотечественником Луиджи Гальвани, так как оба они родились в Италии, но в разных городах. Важнейшим его вкладом в развитие науки было изобретение им принципиально нового источника постоянного тока. В 1800 г. Алессандро Вольта создал так называемый вольтов столб. Это был первый химический источник электричества. Имя Алессандро Вольта было увековечено тем, что в честь него назвали единицу разности потенциалов электрического поля (вольт). Свое заслуженное признание Вольта получил в XIX в. В 1800 г. Наполеон Бонапарт открывает университет в Павии и Вольта назначают профессором кафедры экспериментальной физики.

Также Вольта был введен в комиссию института Франции; через несколько лет он получает золотую медаль, а также премию первого консула; его приглашают работать в Петербург. Папа римский назначает ему пожизненную пенсию, а во Франции он получает орден Почетного легиона.

Позже Вольта переезжает жить и работать в Австрию, в университет города Павия. К этому времени ученый был уже удостоен дворянского титула графа.

Австрийские власти так берегли Вольта, что разрешили ему работать, не посещая службу, а также подтвердили его право на пожизненную пенсию. В Павии Вольта был деканом философского факультета.

Умер Алессандро Вольта 5 марта 1827 г. у себя на родине, в итальянском городе Комо.