Квантовая теория

Говоря о теориях, которые с успехом используются в физических, химических, биологических науках, мы не можем не упомянуть квантовую теорию. Началась она от гипотезы Планка, согласно которой атомы и молекулы излучают и поглощают энергию не непрерывным потоком, а отдельными порциями — квантами. Дальнейшее развитие этой теории связано с именами Резерфорда и Бора — постулаты Бора знает каждый, окончивший среднюю школу. А вот почему квантовые представления являются основой объяснения явлений в современной научной картине мира — это понятно далеко не каждому, изучившему курс школьной физики, химии и биологии.

Понятие о квантах мало применяется при объяснении явлений на уроках химии и биологии, да и на уроках физики используется крайне скудно — фотоэффект, давление света, фотография… А за школьным окном многокрасочный мир, весенний ветер гонит по синему небу облака и колышет ветви тополей… Почему мы видим всё это?

О зрении

Посредством зрения мы получаем около 90% информации о мире. Поэтому вопрос о механизме зрения интересовал человека всегда. Демокрит учил: «Видим мы оттого, что в нас попадают и остаются там видности». Для нас эти «видности» — кванты света. Атомисты под ними понимали другое. Например, Эпикур считал, что от светящихся и освещённых тел постоянно отделяются тончайшие плёнки, «слепки», летящие во всех направлениях и попадающие в глаза.

Строение глаза

А в чём заключается процесс видения мира? Первая стадия этого процесса — получение изображения предмета на сетчатке, что достигается при помощи оптической системы глаза (рис. а). При более внимательном рассмотрении этой системы мы увидим, что «объектив» нашего глаза состоит из двух частей: роговицы 1, обладающей неизменным фокусным расстоянием, и хрусталика 3, изменяющего свою кривизну — автоматически устанавливающегося на резкое изображение рассматриваемого предмета. Хрусталик выполняет также и роль светофильтра: он не пропускает ультрафиолетовые лучи, которые могли бы повредить сетчатку 4. Роль диафрагмы в глазу играет радужная оболочка 2 — зрачок в зависимости от освещённости меняет диаметр от 2 до 8 мм. Пигментный эпителий, расположенный за сетчаткой, поглощает свет, чтобы уменьшить его рассеивание, что могло бы ухудшить резкость изображения. Оптические приборы с этой же целью изнутри зачерняют. Глаз обладает постоянным временем экспозиции — 0,1 с. Все фотоны, попавшие в глаз за это время, воспринимаются им как одновременные. Оптическая часть глаза даёт чёткое изображение рассматриваемого предмета на «фотоплёнке» — сетчатке глаза. Как же оно «проявляется»? Как происходит вторая стадия видения: преобразование энергии электромагнитных излучений в другие виды энергии, перевод на «язык», дающий организму представление о мире?

Рассмотрим строение сетчатки (рис. б). Сетчатка состоит из слоя рецепторов 1 и нескольких слоёв других клеток. Рецепторы — это колбочки и палочки, расположенные на стороне, прилегающей к глазному дну. Нижние части колбочек и палочек имеют строение обычной клетки, фоторецептором у них служит наружный сегмент. У колбочек наружная мембрана образует складки, в палочках эти складки по мере развития отделяются от наружной мембраны, образуя замкнутые мешочки — диски.

Колбочки — «инструмент» цветного зрения; они бывают трёх сортов: «синие» с максимумом спектра поглощения, приходящимся на длину волны 450 нм, «зелёные» (530 нм) и «жёлтые» (570 нм).

Максимум спектра поглощения у палочек приходится на длину волны 500 нм, палочки обеспечивают чёрно-белое зрение. Палочки и колбочки содержат молекулы зрительного пигмента, которые находятся в наружных сегментах.

Фоторецептор палочки работает так. В мембранах дисков находится зрительный пигмент — родопсин. Его молекула состоит из белка опсина и альдегида витамина A — ретиналя. Молекула ретиналя в родопсине может существовать в двух изомерных формах — в цис-форме и транс-форме. Если бы мы изобразили структурную формулу цис-формы молекулы ретиналя, то получили бы что-то похожее на букву «Г» или кочергу. Такой «согнувшейся» «сидит» она в молекуле родопсина, пока на неё не упадёт квант видимого света. Как только это случится, молекула ретиналя распрямляется — переходит из одного изомерного состояния в другое. Энергия поглощённого фотона расходуется в основном на то, чтобы молекулу ретиналя перевести из одного изомерного состояния в другое. Значительная часть энергии поглощённого фотона переходит во внутреннюю энергию. И только небольшая её часть попадает на вход биологического усилителя. Изомерное превращение молекул ретиналя и запускает цепь событий, которые приводят к появлению зрительного сигнала. Как это происходит, как затем в мозгу строится представление о том, что мы видим?

Этот вопрос на сегодняшний день пока не совсем ясен. Но из того, что известно, мы можем сделать вывод, что в механизме зрения используются квантовые свойства света.

Задумывались ли вы когда-нибудь над таким вопросом: почему видимый свет на шкале электромагнитных волн занимает только небольшой участок? Иначе говоря: почему глаз человека, да и большинства обитателей Земли воспринимает только небольшой диапазон волн по сравнению с существующим в природе спектром электромагнитных излучений? Например, если бы человек обладал инфракрасным зрением… Ночью мы видели бы, как днём, все органические тела, потому что их температура отлична от тел неживой природы. Мы даже могли бы отличить одно живое существо от другого, если бы температуры воспринимали инфракрасные лучи?

Самым мощным источником таких лучей для нас было бы наше собственное тело. При температуре тела 37 ℃ максимум его излучения приходится на длину волны 9 000 — 10 000 нм. Внутренние стенки нашего глаза ежесекундно излучают 0,85 Дж энергии. Такую же энергию глаз получил бы от лампы зелёного света в 4 млн. кд, поставленной на расстоянии 1 м от глаза. А освещённость, создаваемая летним солнцем, равна освещённости, создаваемой лампой зелёного света в 200 000 кд, находящейся на расстоянии 1 м от глаза. Отсюда ясно, что при восприимчивости глаза к инфракрасным лучам свет Солнца для нас померк бы из-за собственного излучения. Следовательно, мы ничего не сможем увидеть — наши глаза будут бесполезны. А почему же глаза не реагируют на инфракрасные лучи? Энергия квантов инфракрасных лучей (𝜀=ℎ𝜈, где ℎ — постоянная Планка, 𝜈 — частота волны) слишком мала, чтобы вызвать изомеризацию ретиналя. Несколько квантов не могут «собраться», чтобы вызвать действие, которое не под силу одному кванту, — в микромире идёт взаимодействие кванта и частицы один на один. Может, правда, случиться и такое, что молекула родопсина вследствие поглощения многих квантов инфракрасных лучей накопит энергию, достаточную для того, чтобы произошла изомеризация молекулы ретиналя, но вероятность такого события крайне мала, так как наряду с поглощением энергии происходит её излучение. Другое дело, если молекула родопсина «встретится» с фотоном — квантом энергии видимого света. У него частота такая, что энергии будет достаточно, чтобы вызвать изменение конфигурации ретиналя, и на это изменение отреагирует палочка, состоящая из 109 молекул. Так высока её чувствительность. Если перейти к знакомым нам образам, то действие этого фотона можно сравнить с ударом теннисного мяча, который сдвинул с места многоэтажный дом…

Ультрафиолетовые лучи также невидимы для глаза, хотя энергия их квантов значительно больше, чем квантов видимого света.

Сетчатка чувствительна к ультрафиолетовым лучам, но они поглощаются хрусталиком — иначе они могут вызвать разрушающее действие. Почему же глаз в процессе эволюции не приспособился к ним?

У поверхности Земли солнечный спектр практически начинается от 290 нм, так как более короткие волны задерживаются слоем озона, находящегося в верхних слоях атмосферы (приблизительно на высоте 30 км). В нём непрерывно происходят химические реакции под действием квантов высокой энергии:

O2+ℎ𝜈→2O; 2O2+2O→2O3; O3+ℎ𝜈→O2+O и т. д.

В процессе эволюции глаза живых организмов приспособились воспринимать энергию излучения самого мощного источника на Земле — Солнца и именно те волны, на которые приходится максимум энергии солнечного излучения, попадающего на Землю.

Вот мы и рассмотрели проявление квантовых свойств света в механизме зрения. Пора нам и отдохнуть. Давайте побродим в весеннем лесу, пройдёмся по любимым местам и попытаемся объяснить встречающиеся нам явления с помощью знаний о дискретности энергии в микромире.

В лесу по-весеннему пахнет землёй, на берёзках появились первые листики, и началась работа зелёных тружеников. Ни на секунду в них не прекращается процесс, благодаря которому всё живое получает кислород для дыхания и пищу. Его название — фотосинтез. Начинается этот процесс с поглощения молекулой хлорофилла кванта света, а оканчивается синтезом углеводов из углекислого газа и воды.

Возьмём берёзовый листок, присмотримся к нему. Он плоский и широкий — ему необходима максимальная поверхность как для восприятия солнечных лучей, так и для газообмена с воздухом. Внешние клетки верхней и нижней поверхностей листа образуют бесцветный защитный слой — эпидермис или кожицу. Его клетки тонкие, прочные, с плотными стенками — они хорошо защищают внутреннюю мякоть листа и предохраняют её от потерь воды. Между верхним и нижним эпидермисом находятся тонкостенные клетки, содержащие много хлорофилловых зёрен. Лист пронизан сосудисто-волокнистыми пучками, по ним уходят продукты ассимиляции от переполненных ими клеток.

Фотосинтез происходит в зелёных пластидах — хлоропластах, специализированных участках цитоплазмы. У высших растений они имеют эллиптическую форму. В зависимости от освещённости листа хлоропласты меняют своё расположение, что защищает их от перегрева.

Лист имеет зелёную окраску благодаря присутствию в его клетках хлорофилла. К группе хлорофиллов относят сложные органические соединения с атомом магния в центре молекулы (наверное, вы вспомнили, что молекулы хлорофилла похожи на молекулы гемоглобина, только в центре их вместо атома железа находится атом магния). Молекулы хлорофилла и «ответственны» за уникальный процесс превращения энергии света в энергию органических веществ. Он начинается с поглощения кванта света молекулой хлорофилла…

Итак, солнечный свет падает на зелёный лист. Часть упавших фотонов поглощается молекулами хлорофилла. В тот момент, когда одна молекула хлорофилла поглотит один фотон, один из её электронов перейдёт с более низкого энергетического уровня на более высокий. Этот электрон, получивший добавочную энергию и перешедший на более высокий энергетический уровень, называется «возбуждённым» электроном. Таких электронов в клетке в каждый момент времени столько, сколько молекул хлорофилла, поглотивших каждая «свой» фотон. А если бы мы сказали «квант» вместо «фотон», не было бы здесь ошибки? Не было бы, если бы мы написали «квант света», потому что и в первом, и во втором случае имеется в виду видимый свет. Энергии квантов этого излучения достаточно для того, чтобы один из электронов молекулы хлорофилла (её порфиринового кольца) перешёл на более высокий энергетический уровень. Возбуждённые электроны долго не остаются в новом для них энергетическом состоянии. Часть их возвращается на прежний энергетический уровень, излучив при этом полученную в результате поглощения кванта света энергию; часть переходит к иону магния, расположенному в центре молекулы хлорофилла: поглощение кванта света приводит к процессу обмена электронами — химическим реакциям фотосинтеза, которые включают много звеньев. В начале этих реакций стоят молекулы хлорофилла, назначение которых — превратить энергию кванта света в энергию электрона, переходящего на более высокий энергетический уровень. Весь световой день молекулы хлорофилла «занимаются» тем, что, получив фотон, используют его энергию, превращая её в потенциальную энергию электрона. Их действие можно сравнить с действием механизма, поднимающего мячик на некоторую ступеньку лестницы. Скатываясь по её ступенькам, мячик теряет свою энергию, но она не исчезает — постепенно превращается… во внутреннюю энергию образующихся в процессе фотосинтеза веществ: ведь мы под «мячиком» подразумеваем электрон. Конечно, это грубая аналогия, но она нам поможет понять, почему молекулы хлорофилла «трудятся» только на протяжении светового дня, только когда на них попадает видимый свет. Ночью они «отдыхают», несмотря на то что недостатка в электро-магнитных излучениях, попадающих на листья, нет: земля сама излучает инфракрасные лучи, да и растения в процессе своей жизнедеятельности также их излучают. Но энергия квантов инфракрасных лучей меньше той, которая необходима для перевода электрона порфиринового кольца молекулы хлорофилла с более низкого энергетического уровня на более высокий. Сколько бы листья ни поглощали инфракрасные лучи, они от них только нагреются. Реакции фотосинтеза вызываются только видимым светом. В процессе эволюции растения приспособились аккумулировать энергию самого мощного источника энергии на Земле — Солнца. Когда в условиях полярного дня попробовали выращивать растения, они плохо развивались и плодоносили. По-видимому, это у растений наследственное — ночью выполнять одну работу, днём — другую: фотосинтез состоит из световых и темновых реакций. Такое разделение на дневную и ночную «смену» возможно благодаря квантовым свойствам света. Если бы происходило непрерывное поглощение света объектами микромира, то растения были бы совершенно другими…

О наследственности

Мы уже говорили о том, что наследственные признаки организмов закодированы в молекулах ДНК и передаются из поколения в поколение матричным путём. Чтобы вызвать единичную мутацию, необходимо молекуле ДНК сообщить энергию, достаточную для того, чтобы изменить структуру какого-то участка ДНК — гена. Известно, что гамма-лучи и рентгеновские лучи, как выражаются биологи, сильно мутагенны — их кванты несут энергию, достаточную для изменения структуры участка ДНК. Инфракрасным лучам такое действие не «под силу» — их частота, а значит, и энергия слишком малы для этого. Вот если бы энергия электромагнитного поля поглощалась не порциями, а непрерывно, тогда бы инфракрасные лучи смогли проявить себя в действии на молекулы ДНК, ведь по отношению к своим половым клеткам сам организм является самым близким и самым мощным, постоянно действующим источником инфракрасных лучей.

Да, никак нам не удаётся отдохнуть. Человек не может не мыслить. Но вот наш глаз остановился на сон-траве. Будем только любоваться этим созданием природы.

Об окраске цветков

Как красивы лепестки нежно-фиолетового венчика сон-травы! И весь он, как чудесная чашечка, в которую льются лучи неяркого весеннего солнца. Зачем цветку красота? Постараемся это понять. Форма цветка нам понятна сразу: он, как вогнутое зеркало, фокусирует отражённые от лепестков пучки света в центральной части цветка — там происходит оплодотворение. Даже если температура воздуха около 0 ℃, внутри цветка сравнительно тепло (около 8 ℃).

А почему цветок сон-травы, как и цветки других ранневесенних растений, имеет окраску фиолетовых, лиловых тонов? Биологам известно, что окраска цветков обусловлена наличием в них фенольных соединений — флавоноидов, а сине-фиолетовой и красно-малиновой расцветкой растения обязаны группе флавоноидов под названием антоцианы (от греч. «антос» — цветок, «кианос» — синий). Многие учёные сходятся во мнении, что наличие антоцианов предохраняет растения от действия пониженных температур. Сине-фиолетовая окраска цветков позволяет им поглощать больше энергии солнечного света, чем это было бы, например, при жёлтой или оранжевой окраске. Лепестки сон-травы отражают те пучки света, которые несут меньше всего энергии, остальные же лучи они поглощают, чтобы «согреться» в холодные дни ранней весны. И заметьте, в центральной части фокусируются отражённые от лепестков лучи с самыми «сильнодействующими» квантами видимого света.

Но вот отцветут ранние фиолетовые и сине-малиновые цветы, пригреет майское солнце, появятся жёлтые лютики на склонах, и золотом покроются берега самых незначительных озёр и болот — зацветёт калужница. Присмотритесь к этому цветку. Живёт он у воды, где мало тени, да её и вообще мало в это время — ведь листва деревьев ещё редкая. Светит на цветки горячее майское солнце да греют отражённые от воды лучи. Если не от-разить те из них, на которые в спектре Солнца приходится максимальная энергия — жёлтые лучи — «живьём сваришься». Вот почему калужница такого золотого цвета. Красота цветка связана с его жизнестойкостью…

В каждом растеньи ты видишь влияние вечных законов,

Громче и громче с тобой каждый цветок говорит…

В. Гёте                

Источник:

5 3 голоса
Рейтинг статьи

Автор: admin

Подписаться
Уведомить о
guest

0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии