Джеймс трефил
| Вид материала | Закон |
- Джеймс А. Дискретная математика и комбинаторика [Текст] / Джеймс А. Андерсон, 42.79kb.
- Джеймс блиш города в полете 1-4 триумф времени вернись домой, землянин жизнь ради звезд, 10495.38kb.
- Джеймс Н. Фрей. Как написать гениальный роман, 2872.12kb.
- Мюриел Джеймс, Дороти Джонгвард, 4810.7kb.
- Кен Арнольд Джеймс Гослинг, 5058.04kb.
- Джеймс Джодж Бойл. Секты-убийцы (Главы из книги) Перевод с английского Н. Усовой, 844.92kb.
- Джеймс Хэрриот, 3697.74kb.
- В. К. Мершавки Доктор Джеймс Холлис известный юнгианский аналитик, директор Центра, 1972.4kb.
- В. К. Мершавки Доктор Джеймс Холлис известный юнгианский аналитик, директор Центра, 5237.48kb.
- Джеймс Боллард, 2244.23kb.
ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ
Электроны в атоме занимают ряд вложенных слоев (см. атом бора), при этом воздействию другого атома могут подвергаться, как правило, только электроны, находящиеся во внешнем слое (он называется валентным слоем). Когда электроны в двух атомах выстраиваются так, что возникает сила, удерживающая вместе эти два атома, мы говорим, что образуется химическая связь. Различают несколько видов химической связи.
Ионная связь
Когда внешние электронные слои полностью заполнены, общая энергия атомов понижается. Например, атом натрия, имеющий на внешнем слое один электрон, охотно отдает этот электрон. И наоборот, атом хлора, которому не хватает одного электрона для заполнения внешнего слоя, стремится присоединить электрон для завершения уровня. Когда атомы натрия и хлора оказываются рядом, натрий отдает электрон, а хлор его принимает. При этом атом натрия, потеряв отрицательный заряд, становится положительно заряженным ионом натрия, а атом хлора, получив дополнительный электрон, становится отрицательно заряженным ионом хлора. По закону кулона между двумя ионами возникает электростатическое притяжение, приводящее к образованию химической связи, которая и удерживает атомы вместе (см. также правило октета).
С этой реакцией связано одно из чудес химии: бурно реагирующее вещество натрий и сильно ядовитый газ хлор, соединяясь, образуют обычную поваренную соль, широко применяемую в питании.
Ковалентная связь
Некоторые атомы, в основном это касается углерода, образуют связи по-другому. Когда два таких атома достаточно приближаются друг к другу, между ними возникает взаимодействие, которое можно рассматривать как длительный взаимный обмен электронами. Как будто атом бросает один из своих внешних электронов другому атому, затем ловит электрон другого атома и снова бросает его обратно в бесконечной игре в мяч. В соответствии с законами квантовой механики такой обмен электронами вызывает силу притяжения, которая и удерживает атомы вместе.
Дело в том, что такой атом, как углерод, имеющий четыре электрона во внешнем слое, может дополнить этот валентный слой до восьми электронов, образуя ковалентные связи с четырьмя другими атомами. Поэтому атомы углерода способны образовывать молекулы с длинными цепями, какие мы наблюдаем в биологических системах. Некоторые ученые (и я в том числе) даже утверждают, что вследствие этого свойства атома углерода вся жизнь во Вселенной, как и жизнь на Земле, должна быть углеродной.
Металлическая связь
В металлах образуется химическая связь еще одного вида. Каждый атом в металле отдает один или два подвижных электрона, как бы делясь этими электронами со всеми соседними атомами металла. Эти квазисвободные электроны образуют что-то вроде желе, в котором располагаются тяжелые положительные ионы металла. Все это напоминает трехмерную пространственную решетку из стеклянных шариков в вязкой патоке — если толкнуть один из таких шариков, он слегка сдвинется, но сохранит свое положение относительно других. Точно так же атомы металла, потревоженные внешним механическим воздействием, останутся связанными друг с другом благодаря «электронному желе» (или «электронному газу»). Вот почему, если ударить по металлу молотком, останется вмятина, но сам кусок металла, скорее всего, не разломится. Именно «электронное желе» делает металлы хорошими проводниками электричества (см. электронная теория
Химическая связь определяется расположением электронов в атомах по отношению к другим электронам и ядру, а также электростатическим притяжением между положительными и отрицательными зарядами
проводимости).
Водородная связь
Строго говоря, это не химическая связь в том смысле, в каком мы рассматривали предыдущие три типа связи. Это, скорее, притяжение между отдельными молекулами. Многие молекулы хотя и являются в целом нейтральными (то есть имеют одинаковое коли-
Ионная
связь
Ковалентная
связь
Металлическая
Атом кислорода
Атом водорода
связь
связь
чество отрицательных электронов и положительных протонов в своем ядре), оказываются поляризованными. Это значит, что некоторые части таких молекул имеют суммарный отрицательный заряд, в то время как другие части — положительный. Конечно, суммарный заряд молекулы нейтрален, но положительный и отрицательный заряды распределены неравномерно.
Представим, что полярная молекула, как ее называют, приближается своей отрицательной областью к молекуле-мишени. Электростатическая сила со стороны этой отрицательной области больше, чем со стороны положительной, т.к. положительная область расположена дальше. Эта электростатическая сила вызывает в молекуле-мишени передвижение электронов прочь от точки контакта, тем самым создавая в этом месте молекулы-мишени незначительный положительный заряд. В результате между двумя молекулами возникает сила притяжения и, следовательно, образуется связь.
Самая известная полярная молекула — это молекула воды. Отрицательный заряд собирается вокруг атома кислорода, приводя к образованию слабого положительного заряда около атомов водорода. Благодаря такой поляризации вода является хорошим растворителем. Ее молекулы способны создавать связи более прочные, чем те, которые удерживают молекулы-мишени вместе. Связи, создаваемые посредством положительно заряженных атомов водорода, называются водородными связями. Поскольку молекул водорода очень много в биологических молекулах, водородные связи в них образуются достаточно часто. В частности, именно водородные связи удерживают вместе две спирали молекулы ДНК.
Центральная догма молекулярной биологии
Один ген молекулы ДНК кодирует один белок, отвечающий за одну химическую реакцию в клетке
•
1828
Древний • САМОЗАРОЖДЕНИЕ мир ЖИЗНИ
СИНТЕЗ МОЧЕВИНЫ
ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА
МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ
XIX — • ВИТАЛИЗМ нач. XX
1958
Открытие химической основы жизни было одним из величайших открытий биологии XIX века, получившим в XX веке немало подтверждений. В природе нет никакой жизненной силы (см. витализм), как нет и существенного различия между материалами, из которого построены живые и неживые системы. Живой организм больше всего похож на крупный химический завод, в котором осуществляется множество химических реакций. На погрузочных платформах поступает сырье и транспортируются готовые продукты. Где-то в канцелярии — возможно, в виде компьютерных программ — хранятся инструкции по управлению всем заводом. Подобным образом в ядре клетки — «руководящем центре» — хранятся инструкции, управляющие химическим бизнесом клетки (см. клеточная теория).
Эта гипотеза получила успешное развитие во второй половине XX века. Теперь нам понятно, как информация о химических реакциях в клетках передается из поколения в поколение и реализуется для обеспечения жизнедеятельности клетки. Вся информация в клетке хранится в молекуле днк (дезоксирибонуклеиновая кислота) — знаменитой двойной спирали, или «скрученной лестницы». Важная рабочая информация хранится на перекладинах этой лестницы, каждая их которых состоит из двух молекул азотистых оснований (см. кислоты и основания). Эти основания — аденин, гуанин, цитозин и тимин — обычно обозначают буквами А, Г, Ц и Т. Считывая информацию по одной цепи ДНК, вы получите последовательность оснований. Представьте себе эту последовательность как сообщение, написанное с помощью алфавита, в котором всего четыре буквы. Именно это сообщение и определяет поток химических реакций в клетке и, следовательно, особенности организма.
Гены, открытые Грегором Менделем (см. законы менделя), на самом деле не что иное, как последовательности пар оснований на молекуле ДНК. А геном человека — совокупность всех его ДНК — содержит приблизительно 30 000-50 000 генов (см. проект «геном человека»). У наиболее развитых организмов, в том числе и человека, гены часто бывают разделены фрагментами «бессмысленной», некодирующей ДНК, а у более простых организмов последовательность генов обычно непрерывна. В любом случае клетка знает, как прочитать содержащуюся в генах информацию. У человека и других высокоразвитых организмов ДНК обвернута вокруг молекулярного остова, вместе с которым она образует хромосому. Вся ДНК человека помещается в 46 хромосомах.
Точно так же, как информацию с жесткого диска, хранящуюся в канцелярии завода, необходимо транслировать на все устройства в цехах завода, информация, хранящаяся в ДНК, должна быть транслирована с помощью клеточного технического обеспечения в химические процессы в «теле» клетки. основная роль в этой химической трансляции принадлежит молекулам рибонуклеиновой кислоты, РНК. Мысленно разрежьте двуспиральную «лестницу»-ДНК вдоль на две половины, разъединяя «ступеньки», и замените все молекулы тимина (Т) на сходные с ними молекулы урацила (У) — и вы получите молекулу РНК. Когда необходимо транслировать какой-либо ген, специальные кле-
точные молекулы «расплетают» участок ДНК, содержащий этот ген. Теперь молекулы РНК, в огромном количестве плавающие в клеточной жидкости, могут присоединиться к свободным основаниям молекулы ДНК. В этом случае, так же как и в молекуле ДНК, могут образоваться лишь определенные связи. Например, с цитозином (Ц) молекулы ДНК может связаться только гуанин (Г) молекулы РНК. После того как все основания РНК выстроятся вдоль ДНК, специальные ферменты собирают из них полную молекулу РНК. Сообщение, записанное основаниями РНК, так же относится к исходной молекуле ДНК, как негатив к позитиву. В результате этого процесса информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на РНК.
Этот класс молекул РНК называется матричными, или информационными РНК (мРНК, или иРНК). Поскольку мРНК намного короче, чем вся ДНК в хромосоме, они могут проникать через ядерные поры в цитоплазму клетки. Так мРНК переносят информацию из ядра («руководящего центра») в «тело» клетки.
В «теле» клетки находятся молекулы РНК двух других классов, и они оба играют ключевую роль в окончательной сборке молекулы белка, кодируемого геном. Одни из них — рибосомные РНК, или рРНК. Они входят в состав клеточной структуры под названием рибосома. Рибосому можно сравнить с конвейером, на котором происходит сборка.
Другие находятся в «теле» клетки и называются транспортные РНК, или тРНК. Эти молекулы устроены так: с одной стороны находятся три азотистых основания, а с другой — участок для присоединения аминокислоты (см. белки). Эти три основания на молекуле тРНК могут связываться с парными основаниями молекулы мРНК. (Существует 64 молекулы тРНК — четыре в третьей степени — и каждая из них может присоединиться только к одному триплету свободных оснований на мРНК.) Таким образом, процесс сборки белка представляет собой присоединение определенной молекулы тРНК, несущей на себе аминокислоту, к молекуле мРНК. В конце концов все молекулы тРНК присоединятся к мРНК и по другую сторону тРНК выстроится цепочка аминокислот, расположенных в определенном порядке.
Последовательность аминокислот — это, как известно, первичная структура белка. Другие ферменты завершают сборку, и конечным продуктом оказывается белок, первичная структура которого определена сообщением, записанным на гене молекулы ДНК. Затем этот белок сворачивается, принимая окончательную форму, и может выступать в роли фермента (см. катализаторы и ферменты), катализирующего одну химическую реакцию в клетке.
Хотя на ДНК различных живых организмов записаны разные сообщения, все они записаны с использованием одного и того же генетического кода — у всех организмов каждому триплету оснований на ДНК соответствуют одна и та же аминокислота в образовавшемся белке. Это сходство всех живых организмов — наиболее весомое доказательство теории эволюции, поскольку оно подразумевает, что человек и другие живые организмы произошли от одного биохимического предка.
Центробежная сила
Во вращающейся системе отсчета наблюдатель испытывает на себе действие силы, уводящей его от оси вращения
•
1659
1604, • уравнения 1609 равноускоренного движения
1687
ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА
1835
законы механики ньютона
1905,
1916
эффект кориолиса
теория
относительности
Вам, наверное, доводилось испытывать неприятные ощущения, когда машина, в которой вы едете, входила в крутой вираж. Казалось, что сейчас вас так и выбросит на обочину. И если вспомнить законы механики ньютона, то получается, что раз вас буквально вдавливало в дверцу, значит, на вас действовала некая сила. Эту видимую силу обычно называют «центробежная сила». именно из-за центробежной силы так захватывает дух на крутых поворотах, когда эта сила прижимает вас к бортику автомобиля. (Между прочим, этот термин, происходящий от латинских слов centrum (центр) и fugus (бег), ввел в научный обиход в 1689 году Исаак Ньютон.)
Стороннему наблюдателю, однако, все будет представляться иначе. Когда машина закладывает вираж, наблюдатель сочтет, что вы просто продолжаете прямолинейное движение, как это и делал бы любой объект, на который не оказывает действия никакая внешняя сила, а автомобиль отклоняется от прямолинейной траектории. Такому наблюдателю покажется, что это не вас прижимает к дверце машины, а, наоборот, дверца машины начинает давить на вас.
Впрочем, никаких противоречий между этими двумя точками зрения нет. В обеих системах отсчета события описываются одинаково и для этого описания используются одни и те же уравнения. Единственным отличием будет интерпретация происходящего внешним и внутренним наблюдателем. В этом смысле центробежная сила напоминает силу Кориолиса (см. эффект кориолиса), которая также действует во вращающихся системах отсчета.
Поскольку не все наблюдатели видят действие этой силы, физики часто называют центробежную силу мнимой силой, или псевдосилой. Однако мне кажется, что такая интерпретация может вводить в заблуждение. В конце концов, едва ли можно назвать мнимой силу, которая ощутимо придавливает вас к дверце автомобиля. Просто все дело в том, что, продолжая двигаться по инерции, ваше тело стремится сохранить прямолинейное направление движения, в то время как автомобиль от него уклоняется и из-за этого давит на вас.
Чтобы проиллюстрировать эквивалентность двух описаний центробежной силы, давайте немного поупражняемся в математике. Тело, движущееся с постоянной скоростью по окружности, движется с ускорением, поскольку оно все время меняет направление. Это ускорение равно v2/r, где v — скорость, а r — радиус окружности. Соответственно, наблюдатель, находящийся в движущейся по окружности системе отсчета, будет испытывать центробежную силу, равную mv2/r.
Теперь обобщим сказанное: любое тело, движущееся по криволинейной траектории, будь то пассажир в машине на вираже, мяч на веревочке, который вы раскручиваете над головой, или Земля на орбите вокруг Солнца, испытывает на себе действие силы, которая обусловлена давлением дверцы автомобиля, натяжением
веревки или гравитационным притяжением солнца. Назовем эту силу Б. С точки зрения того, кто находится во вращающейся системе отсчета, тело не движется. Это означает, что внутренняя сила Б уравновешивается внешней центробежной силой:
Б = гпу2/к
однако с точки зрения наблюдателя, находящегося вне вращающейся системы отсчета, тело (вы, мяч, Земля) движется равноускоренно под воздействием внешней силы. Согласно второму закону механики Ньютона, отношение между силой и ускорением в этом случае Б = ша. Подставив в это уравнение формулу ускорения для тела, движущегося по окружности, получим:
Б = ша = шу2/к
Но тем самым мы получили в точности уравнение для наблюдателя, находящегося во вращающейся системе отсчета. Значит, оба наблюдателя приходят к идентичным результатам относительно величины действующей силы, хотя и исходят из разных предпосылок.
Это очень важная иллюстрация того, что представляет собою механика как наука. Наблюдатели, находящиеся в различных системах отсчета, могут описывать происходящие явления совершенно по-разному. однако, сколь бы принципиальными ни были различия в подходах к описанию наблюдаемых ими явлений, уравнения, их описывающие, окажутся идентичными. А это не что иное, как принцип инвариантности законов природы, лежащий в основе теории относительности.
Цикл
и теорема Карно
Ни один тепловой двигатель, работающий по замкнутому циклу при двух заданных температурах, не может быть эффективнее идеального двигателя Карно
1798 механическая теория теплоты
1824 ЦИКЛ И ТЕОРЕМА
КАРНО
1842 термодинамика,
первое начало
1850 термодинамика,
второе начало
Идеальных машин в реальной жизни не существует, это всего лишь мысленный конструкт. Каждая из таких гипотетических машин, среди которых двигатель Карно занимает немаловажное место, иллюстрирует какое-нибудь важное теоретическое заключение. (Даже воздушный замок под названием вечный двигатель служит, по сути, лишь для того, чтобы показать: нельзя получать энергию из ничего.) Двигатель Карно, лежащий в основе работы идеального теплового двигателя, был придуман французским инженером Сади Карно за двадцать лет до того, как были сформулированы основы термодинамики, однако он иллюстрирует важное следствие из второго начала термодинамики.
Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная, силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Поршень может свободно перемещаться между двумя тепловыми резервуарами — с высокой температурой и с низкой температурой. (Для удобства представим, что горячий тепловой резервуар нагревается посредством сжигания смеси бензина с воздухом, а холодный — остужается водой или воздухом комнатной температуры.) В этой тепловой машине происходит следующий идеальный четырехфазный цикл:
- Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром и идеальный газ расширяется при постоянной температуре и постоянном давлении. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.
- Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
- На третьей фазе теплоизоляция снимается и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
- Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.
Двигатель Карно имеет много общего с реальными двигателями: он работает по замкнутому циклу (который называется, соответственно, циклом Карно); он получает энергию извне благодаря высокотемпературному процессу (например, при сжигании топлива); часть энергии рассеивается в окружающую среду. При этом производится определенная работа (в случае двигателя
Карно — за счет поступательного движения поршня). КПД, или эффективность двигателя Карно, определяется как отношение работы, которую он производит, к энергии (в форме тепла), отнятой у горячего резервуара. Нетрудно доказать, что эффективность (Е) выражается формулой:
Е = 1 - (Г/д,
где Тс и Ть — соответственно температура холодного и горячего резервуаров (в кельвинах). Очевидно, что эффективность двигателя Карно меньше 1 (или 100%).
Великое прозрение Карно состоит в том, что он показал, что ни один тепловой двигатель, работающий при двух заданных температурах, не может быть эффективнее идеального двигателя Карно (это утверждение называют теоремой Карно). В противном случае мы столкнулись бы с нарушением второго начала термодинамики, поскольку такой двигатель отбирал бы тепло от менее нагретого резервуара и передавал бы его более нагретому. (На самом деле второе начало термодинамики является следствием теоремы Карно.) Таким образом, полученное Карно соотношение устанавливает предел эффективности реальных двигателей, работающих в реальном мире. К нему можно приблизиться, но достичь и тем более превзойти его инженеры не смогут. Так что чисто гипотетический двигатель Карно играет немаловажную роль в мире реальной, шумной и пахнущей разогретым машинным маслом техники, и это еще один пример прикладного значения чисто теоретических, на первый взгляд, изысканий.