Что регулирует циклическую работу биологического двигателя

Автор: СТРЕЖНЕВ МИХАИЛ АЛЕКСЕЕВИЧ / STREZHNEV MIKHAIL ALEKSEEVICH

В свое время Константин Эдуардович Циолковский предположил возможность биологического двигателя в виде стеклянного шара – подобия «громадного земного шара, только в крохотном виде». В нем, как и на какой-нибудь планете, есть количество материи и совершается определенный круговорот веществ. «Наш стеклянный шар и представляет подобие гипотетического существа, обходящегося неизменным количеством материи и вечно живущего»[3]. Получается «вечный биологический двигатель».

Меня заинтересовала идея создания биологического двигателя, чтобы его можно было использовать как альтернативный источник энергии для обеспечения длительных беспосадочных полетов.

Я выбрал эту тему в своем исследовании как более сложную для меня, по которой не так много материала для изучения, в отличие от тех же астероидов. Также я давно увлекаюсь робототехникой и темы по разработке автоматизированных систем мне знакомы, но мне всегда хочется изучить что-то новое. Я посчитал данное направление наиболее актуальным для развития летательной техники, так как все существующие способы уже находятся на пике используемых возможностей и нужно рассматривать что-то альтернативное. Тема исследования выходит за рамки моей учебной деятельности, охватывая биологические и физико-химические процессы, но инженер в 2100 году и должен быть широкопрофильным специалистом.

Передо мной встала проблема: можно ли создать биологический двигатель?

Гипотеза: Биологический двигатель может стать альтернативным источником энергии.

Цель исследования: рассмотреть возможность использования биологического двигателя как источника энергии применительно для обеспечения длительного беспосадочного полета летательного аппарата.

Задачи исследования:

— собрать информацию о применении биоматериала для создания двигателя;

— познакомиться с существующими биологическими двигателями;

— рассмотреть возможность использования биологических двигателей в космосе;

— сделать вывод о возможности использования биологического двигателя, как источника энергии для обеспечения длительного беспосадочного полета летательного аппарата.

Биологические двигатели в природе.

В природе биомоторы существовали на протяжении всего времени. Ротационный мотор, присущий бактериям, является по своему устройству электродвигателем, так называемым жгутиковым комплексом. Он используется для вращения жгутиков и перемещения клеток в водной среде. Специальные моторные белки развивают значительное механическое усилие и совершают перемещения при работе с молекулами ДНК[2].

В последнее время в нашей стране активно изучаются и используются нанотехнологии. Биологические двигатели как раз и относятся к этой сфере. Они имеют наноразмеры и более высокую эффективность по сравнению с элекродвигателями, созданными человечеством. Они экологически безопасны и совместимы с окружающей средой. По сути биологические моторы — это молекулы белка, средствами генной инженерии возможно их конструирование с необходимыми свойствами. Привлекательность биомолекулярных моторов для нанотехнологий состоит и в том, что сегодня это практически единственные реально существующие нанодвигатели. В реальности современные нанороботы нигде не применяются из-за отсутствия приличных двигателей, способных заставить микро-ботов двигаться.

Недостатком биологических моторов служат специфичные условия работы: кислотность, жидкая среда солевого состава и температура.

Ученым уже очень давно известно, что некоторые виды бактерий и других микроорганизмов имеют хвосты, движение которых позволяет им перемещаться вперед. Ранее науке не удавалось выяснить, что приводит в движение жгутики бактерий. И только недавно исследователи из Великобритании, при помощи технологии электронной криотомографии получили первые в истории высококачественные снимки биологических двигателей естественного происхождения (рис.1), которые чем-то напоминают современные двигательные установки и состоят из множества различных движущихся элементов[2].

В своих исследованиях ученые использовали в качестве образцов бактерии различных типов и, как оказалось, каждый тип бактерии обладает уникальным биологическим двигателем, отличающимся от двигателей других бактерий формой, величиной, сложностью структуры, мощностью, скоростью вращения и другими параметрами[2].

Единственной общей чертой всех биологических двигателей является система неподвижных молекулярных колец, своего рода эквивалент статора обычного электрического двигателя. Этот молекулярный статор и позволяет двигателю вырабатывать вращающий момент, который передается на крутящиеся органы бактерий — своего рода пропеллеры, толкающие их вперед[2].

Некоторые из бактерий имеют «статоры» достаточно больших размеров, что позволяет им вырабатывать большую мощность и крутящий момент. Самый большой «статор» можно увидеть у бактерии Campylobacter, он в два раза больше, чем «статор» бактерии вида Salmonella[2].

Полученные учеными снимки служат разоблачением ошибочного представления о том, что подобные биологические машины невероятно сложны. Теперь же, имея информацию о строении биологических двигателей естественного происхождения, ученые, работающие в области нанотехнологий, могут создавать свои собственные биодвигатели, обладающие необходимыми им размерами, скоростью, мощностью и другими характеристиками.

Первые созданные биологические двигатели

Разработка искусственных наномоторов находится на самых ранних стадиях.

Ученые, работая над задачей превращения бактерий в нанороботов,
обратили внимание на бактериальные жгутики у бактерий.
Законы физики наномира значительно разнятся с известными нам, поэтому уменьшившись до наноразмера микроба, человек просто не смог бы двигаться в жидкой среде. Бактерии же отлично справляются с этой функцией, используя для движения свои природные механизмы.

Исследователи пытались клонировать их, создавая упрощенные нано-аналоги, но они обладали целым рядом недостатков, в числе которых была значительная дороговизна, плохая подвижность и повышенная хрупкость изделий.

Ученые вырастили колонию бактерий Salmonella typhimurium, а затем покрыли их жгутики оксидом кремния и никелем — это позволило воздействовать на них с помощью магнитных полей. В ходе исследований выявили, что они смогли передвигаться не хуже обычных, преодолевая за секунду расстояние, превышающее в два раза их собственную длину[2].

В 2015 году ученым удалось создать и запустить необычный биологический двигатель, использующий бактерий и процесс испарения воды, постоянно происходящий на Земле.

Создав на базе круговорота воды новый способ, ученые получили бесконечный источник экологически чистой энергии, основными элементами которого являются споры бактерий.

В естественных условиях споры большинства вида бактерий расширяются в несколько раз, попав под воздействие влаги. Попав опять в сухие условия, споры снова сокращаются, уменьшаясь в размерах. Именно это простое движение легло в основу принципов работы созданного учеными биологического двигателя.

В настоящее время ученые занимаются экспериментами со спорами различных бактерий, чтобы еще больше увеличить деформацию. Это позволит разработать другие подобные технологии, сырьем для которых будет выступать вода.

Исследователи итальянского института нанотехнологий разработали систему микродвигателей, приводимую в действие микроорганизмами и управляемую светом.

Для систем из нескольких микромоторов важно, чтобы все они двигались с одной скоростью. Для этого разработан алгоритмом, который обрабатывает данные о скорости вращения каждого микромотора и информирует о тех двигателях, которые вращаются медленнее других.

Таким образом, первые существующие наработки пока не позволяют в полной мере использовать биодвигатели в авиации, возможно их применение коснется в первую очередь беспилотных летательных аппаратов, но пока моя идея – это только будущая перспектива альтернативного использования энергии.

Возможность применение биологического двигателя в космических аппаратах

Смогут ли бактерии жить в космосе? Недавно в средствах массовой информации появилось сообщение о том, что на МКС обнаружились микроорганизмы, «прилетевшие из космоса». С обшивки космической станции были взяты пробы, в которых обнаружились споры. Семенной материал на Земле в обычных условиях дал живые бактерии. Кроме того, выяснилось, что микроорганизмы, отправленные на станцию, могут адаптироваться к условиям открытого космоса.

Использование бактерий в биологических двигателях поможет улучшить экологию планеты. У ченые усовершенствовали самые обычные бактерии, заставив перерабатывать углекислый газ в топливо.
Многие тяжелые металлы ядовиты для микробов, и некоторые бактерии разработали систему защиты против таких примесей, выращивая на своей поверхности полупроводниковые кристаллы, нейтрализующие негативное влияние. А значит, теперь мы можем перерабатывать топливо, не выбрасывая углекислый газ в атмосферу.

Принцип передвижения летающей тарелки

Во флорентийской ратуше Палаццо Веккьо есть картина «Мадонна со святым Джованнино», авторство которой приписывают Доменико Гирландайо. Если обратить внимание на второй план, в правом углу можно увидеть крошечных мужчину с собакой, которые внимательно разглядывают непонятное пятно в небе – судя по всему не что иное, как летающая тарелка, от которой во все стороны исходят лучи.

Стоит заметить, что НЛО на картинах авторов Средневековья не были редкостью, но с тех пор наука мало продвинулась в их изучении.

Сам факт существования НЛО до сих пор ставится под сомнение. Но нас скорее интересует принцип передвижения летающей тарелки. И здесь очень убедительно выглядит версия, представленная В.Н.Мегре в серии книг «Звенящие Кедры России». Он описывает энергоустановку как деятельность живых организмов. Для движения различных механизмов в настоящее время мы используем преимущественно энергию взрыва – расширения. Но как следует из законов физики, должна быть и обратная ей энергия сжатия, которую человечество практически не использует. Но если объединить эти энергии в одном устройстве, можно представить себе механизм перемещения НЛО в пространстве. Нам известны микроорганизмы, превращающие газообразные вещества в твердые, при этом скорость этих процессов может быть различной. Эти бактерии и находятся с внутренней стороны верхней поверхности летающей тарелки, всасывают воздух, превращая его в твердое тело, при этом образуя вакуум впереди по ходу движения. Затвердевшие струи воздуха, проходя через основание тарелки, снова благодаря микробам распадаются на газы, толкая летательный аппарат вперед. Достичь значительной скорости этого процесса для поступательного движения кажется невероятно, но д вадцать лет назад сотовый телефон для каждого тоже был фантастикой, как говорят родители. Эта сфера очень привлекательна для исследования двигателей в энергетике, возможно к 2100 году мы уже будем пользоваться этими открытиями.

Заключение

Итак, мы рассмотрели возможность использования альтернативной энергии в виде биологического двигателя. Выяснили, что такие двигатели существуют в природе и даже реализуются учеными. До практического применения в качестве альтернативного источника энергии для обеспечения полетов еще далеко, но я думаю, что это очень перспективное направление.

В настоящее время используется энергия расширения вещества в виде взаимодействия (взрыва) других веществ для осуществления движения как в воздухе, так и в космосе. Но ведь согласно закону сохранения энергии должна быть и обратная энергия сжатия. Этот вопрос наука пока не изучила в достаточной степени, чтобы использовать его в авиации и космонавтике, но возможно его решение лежит в области микромира и нанотехнологий, когда бактерии будут создавать вакуум или разряжение на пути движения, а затем использовать ту же энергию для расширения позади летательных аппаратов. Фантастика? Нет, ведь мы пока не научились использовать энергию от взрыва водородной бомбы, используя этот процесс в мирных целях. Значит существует и обратная реакция, когда пространство может мгновенно сжаться. И созданные природой бактерии могут быть полезны в работе рассматриваемого биологического двигателя.

Поэтому считаю, что за биологическим двигателем будущее, как бы невероятно это сейчас не выглядело. Надеюсь, что уже в скором времени мою теорию возьмут на вооружение и через несколько лет биомоторы станут такими же привычными.

Что регулирует циклическую работу биологического двигателя

Дата публикации: 15.07.2014

Библиографическая ссылка:
Косарев А.В. Митохондрия как биологический тепловой двигатель внутри клеточного конвейера // Портал научно-практических публикаций [Электронный ресурс]. URL: https://portalnp.snauka.ru/2014/07/8911 (дата обращения: 12.07.2023)

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены морфологические и физиологические особенности клеточной органеллы митохондрии. Митохондрии являются “энергетическими станциями клетки”, участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразуют порядка 40% энергии окисления субстратов в АТФ, в форму энергии доступную при использовании в многочисленных клеточных процессах. Принято считать, что остальные 60% выделившейся при окислении энергии превращаются в тепло и выводятся из клетки и организма. В статье высказано предположение, что, митохондрия использует энергию окисления более рационально, чем принято считать. 40% используется в процессе фосфорилирования АТФ, а 60%, выделяясь в объёме матрикса митохондрии, вызывают местный подъём температуры и как следствие давления. Повышенное давление в области матрикса сдавливает кристы и митохондрия работает как сильфонный насос. Биологический раствор выдавливается в форме гидродинамического потока из межмембранного пространства и матрикса митохондрии, обеспечивая все внутриклеточные перемещения.

Все живые организмы вне зависимости от их сложности имеют в своей основе клеточное строение. Однако “даже в случае простейшей клетки в процесс метаболизма вовлечены несколько тысяч сопряжённых химических реакций, что, безусловно, требует тонких механизмов координации и регуляции. Иными словами, здесь требуется чрезвычайно сложная функциональная организация. Если рассмотреть, как клетка выполняет сложную последовательность операций, то можно заметить, что клетка работает по тем же принципам, что и современный сборочный конвейер”. [9].

Основным источником энергии, функциональную основу жизни представляют циклические ферментативные реакции окисления и синтеза. Именно в силу цикличности этих реакций поддерживается постоянство неравновесности живой системы, формируются градиенты температур и давлений. Согласно синергетике и теории диссипативных структур наличие градиентов – необходимое условие для формирования в системе кооперативных потоков. Как пишет автор [10]: “Весьма вероятно, что через созидание диссипативных структур возникла жизнь”. К тому же на стадии окисления до 40% выделившейся энергии связывается в универсальном энергоносителе АТФ в удобный для живого вид потенциальной энергии, используемый во многих активных процессах.

Транспорт веществ внутри клетки и во всём организме обеспечивается кооперативными потоками энергии, продуцируемыми в клетках, т.к. только такие потоки способны совершать работу против сил диссипации, совершать внешнюю работу. В животной клетке действует своеобразный двигатель внутреннего сгорания, преобразующий энергию химических связей в механическую энергию гидродинамических потоков биологического раствора. Особенностью биологического двигателя является то, что производство механической работы в биоцикле сопряжено с синтезом высокомолекулярных соединений из низкомолекулярных субстратов. Так, процессы окисления, идущие с выделением тепла, сопровождаются промежуточным синтезом АТФ, а процессы синтеза белков и других высоко молекулярных соединений, идут с поглощением тепла.

Вся кооперативная энергия в организме вырабатывается на клеточном уровне и расходуется на жизнеобеспечение самой клетки и на внешнюю по отношению к клетке работу (деятельность).

Первичная метаболическая энергия (в виде АТФ и кооперативных гидродинамических потоков гиалоплазмы) производится в митохондриях и частично в цитоплазме за счёт реакций окисления. Цикличность переноса вещества вовнутрь митохондрии и клетки и обратно обеспечивается цикличностью реакций синтеза и диссоциации.

МИТОХОНДРИЯ КАК БИОЛОГИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Условный цикл производства кооперативной энергии в животной клетке представляется следующим. По причине того, что и межклеточная жидкость, окружающая клетку, и цитоплазма, окружающая эндоплазматическую систему, состоят на 70% из воды, т.е. несжимаемой жидкости, даёт нам основание условно принять процесс в месте протекания реакций окисления и синтеза изохорическим. В местах изохорического разогрева происходит местное повышение давления, возникает перепад давления между зонами протекания реакций и остальной цитоплазмой. Органоидами эндоплазма- тической системы клетки, главным образом в которых протекают циклические процессы окисления, являются митохондрии, где синтезируется энергоноситель организма АТФ.

Митохондрии – наиболее обособленные структурные элементы цитоплазмы клетки, обладающие в значительной степени самостоятельной жизнедеятельностью, обладающие собственной ДНК. Они являются “энергетическими станциями клетки”, участвуют в процессах клеточного дыхания и преобразуют порядка 40% энергии окисления субстратов в АТФ, в форму энергии доступную при использовании в многочисленных клеточных процессах. Принято считать, что остальные 60% выделившейся при окислении энергии превращаются в тепло и выводятся из клетки и организма. В световом микроскопе митохондрии выглядят в виде округлых (шарообразных) или удлинённых (палочкообразных) структур длиной 0,3 – 5 мкм и шириной 0,2 – 1 мкм. С помощью электронной микроскопии установлено, что митохондрии являются органеллами с двойными мембранами. Между наружной и внутренней митохондриальными мембранами расположено межмембранное пространство толщиной 10 – 20 нм. Внутренняя мембрана, имея большую площадь чем внешняя, образует многочисленные гребневидные складки – кристы. Кристы существенно увеличивают поверхность внутренней мембраны, обеспечивая значительное место для размещения дыхательной цепи. В митохондриях локализованы и ферменты, катализирующие окислительные реакции. Большая часть белков митохондрий синтезируется вне митохондрий и контролируется ядром, митохондриальная ДНК кодирует лишь немногочисленные митохондриальные белки. Наблюдались случаи перемещения митохондрий в протоплазме. Считается, что доставка АДФ, ферментов, кислорода, субстратов для реакций окисления в матрикс, и вывод из матрикса в цитоплазму углекислого газа и АТФ, последовательно через две мембраны митохондрии, осуществляется методом активного транспорта. В зависимости от функциональной активности клеток, количество митохондрий в них изменяется от сотен до десятков тысяч. [2,4,11,12].

В [5] высказано предположение, что, митохондрия использует энергию окисления, получаемую в соответствии с законом Гесса, более рационально, чем принято считать. 40% используется в процессе фосфорилирования АТФ, а 60%, выделяясь в объёме матрикса митохондрии, вызывают местный подъём температуры и как следствие давления. Повышенное давление в области матрикса сдавливает кристы, происходит сжатие митохондрии и она работает как сильфонный насос. Биологический раствор выдавливается в форме гидродинамического потока из межмембранного пространства и матрикса митохондрии.

Строение внутренней мембраны митохондрии – классический пример рациональности природы. С одной стороны это большая, развитая поверхность для течения реакций окисления и синтеза АТФ, с другой – возможность получения гидродинамического потока на принципах сильфона.

Прежде чем описать принцип производства гидродинамических потоков митохондрией отметим, что в клетке есть ещё одна структура с двойной мембраной. Это ядро. В ядре имеются многочисленные ядерные поры, соединяющие внутреннее пространство ядра с цитоплазмой и протоки, соединяющие межмембранное пространство ядра с полостью ретикулума. “Ядерная оболочка пронизана множеством расположенных упорядоченно ядерных пор округлой формы диаметром 50 – 70 нм, которые в общей сложности занимают до 25% поверхности ядра. Через ядерные поры осуществляется избирательный транспорт крупных частиц, а также обмен веществ между ядром и цитоплазмой”. [11, стр.31]. “Перинуклеарное пространство составляет единую полость с эндоплазматическим ретикулумом”. [11, стр.31 и Рис.1, стр. 18].

Схожесть морфологии митохондрии и ядра позволяет, во-первых, высказать предположение о единстве эволюционного происхождения митохондрии и клеточного ядра. Во-вторых, высказать предположение о наличии у митохондрии пор наподобие ядерных, соединяющих матрикс митохондрии с цитоплазмой и наличие проток, соединяющих межмембранное пространство митохондрии с эндоплазматическим ретикулумом.

Рис.1

Митохондрия исполняет свои функции в два этапа (два такта). На рисунке – 1 показана последовательность этапов функционирования митоходрии. Здесь цифрой -1 обозначены митохондриальные поры, соединяющие полость матрикса с цитоплазмой. Цифрой -2 обозначены протоки, соединяющие межмембранное пространство митохондрии с пространством ретикулума. На рисунке -1 слева изображён этап сжатия. В этот период в матриксе и на кристах протекают реакции окисления цикла Кребса и дыхательной цепи. Выделяющееся в результате экзотермических реакций окисления тепло вызывает местный рост давления. Давление, воздействуя на площадь крист, заставляет митохондрию сжиматься, и она из палочкообразной формы превращается в округлую, уменьшаясь в объёме. При этом гиалоплазма из межмембранного пространства через протоку поступает в эндоплазматическую сеть, вызывая все внутриклеточные перемещения. Из матрикса гиалоплазма вместе с наработанной АТФ и углекислым газом вытесняется через митохондриальные поры в цитоплазму. На втором этапе (на рисунке -1 справа) в межмембранное пространство сжатой митохондрии из ретикулума через протоку начинает подаваться гиалоплазма. Это приводит к распрямлению митохондрии и она принимает палочкообразную форму, увеличиваясь в объёме. В матриксе создаётся разрежение и в него через митохондриальные поры поступают АДФ, субстраты для реакций окисления и кислород. Митоходрия готовится к новому циклу. Когда часть митохондрий в клетке сжимается, другая часть распрямляется.

Гидродинамические потоки, вырабатываемые митохондриями, и являются движущей силой внутриклеточного сборочного конвейера, основой активного внутриклеточного транспорта. Потоки упорядоченно движутся по развитой циркуляционной системе клеточного ретикулума.

В предложенной модели отпадает необходимость в прохождении крупных молекул в матрикс через две мембраны с помощью активного трансмембранного транспорта. Замеченные активные перемещения митохондрий в цитоплазме можно объяснить следующим. Когда случается отрыв протоки митохондрии от ретикулума, то в процессе сжатия у митохондрии возникает реакция струи, которая и вызывает её перемещение. Интересно отметить и такой факт. В [12, Том1] на Рис. 5.31 изображена электронная микрофотография лизосомы, внутри которой перевариваются, захваченные ею, старые митохондрии. Все митохондрии на фото имеют округлую форму, нет ни одной палочкообразной. Это можно объяснить тем, что оторвавшаяся старая митохондрия, сработав остатки субстратов внутри матрикса, успевает принять округлую форму. А вот для принятия палочкообразной формы у неё уже нет возможности.

Окислительные реакции, протекающие в митохондриях, или реакции цикла Кребса, в которых высвобождается и запасается большая часть энергии, по праву получили название – энергетический котёл, так как основываются на тех же законах физической химии, что и технические устройства. На фотографиях, полученных с помощью электронных микроскопов, митохондрии имеют или округлую или вытянутую цилиндрическую форму. Это говорит не о различной морфологии, а о различных функциональных состояниях митохондрии.

Возникшим кооперативным гидродинамическим потоком, с одной стороны, выносятся в межклеточную жидкость продукты распада от реакций окисления и продукты синтеза в клетке, которые используются всем организмом, с другой стороны – происходят перемещения по эндоплазматической системе, обеспечивающие функционирование самой клетки. Скажем, перенос информационной РНК, сформировавшейся в ядрышке на матричном гене ДНК, к тому месту эндоплазматической сети, где в рибосоме на матричной базе информационной РНК происходит синтез соответствующего белка. Процесс кооперативного движения протекает до тех пор, пока давление в зонах повышения давления не сравняется с давлением в межклеточной жидкости. Поток из митохондрии и клетки вовне прекращается. Однако в течение кооперативного процесса в соответствующие зоны эндоплазматической системы доставлены исходные материалы для протекания реакций синтеза высокомолекулярных соединений, необходимых организму для функционирования и регенерации. Реакции синтеза – это эндотермические реакции и они протекают с затратой энергии. То есть в полостях эндоплазматической сети, где протекают реакции синтеза, снижается температура и соответственно давление, в результате чего вновь появляется перепад давлений между межклеточной жидкостью и средой эндоплазматической сети, но направленный во внутрь клетки. Вновь возникает кооперативный гидродинамический поток по эндоплазматической сети от меж- клеточной жидкости через внешнюю мембрану во внутрь клетки. При этом в клетку из межклеточной жидкости доставляется новая порция субстратов и других необходимых элементов для протекания следующего функционального цикла клетки и в частности “перезарядка” митохондрий. Как на Рис.1 справа. Поток вовнутрь продолжается до выравнивания давления и температуры внутри клетки и в межклеточной жидкости. Функциональный цикл окисления – синтеза животной клетки замкнулся.

Митохондриальный и клеточный цикл энергопревращения в целом соответствует циклу сильфонно поршневого двигателя. [7,8]. Отметим, что для возможности таких процессов мы предполагаем у митохондрии дополнительные морфологические особенности. А именно наличие двойных пор – 1 (Рис.1) как у клеточного ядра и наличие трубчатых каналов – 2 (Рис.1), соединяющих межмембранную полость с полостью ретикулума. Без таких морфологических особенностей митохондрия не сможет циклически работать. На эту мысль нас навела работа сильфонно поршневого двигателя. А конструкция сильфонно поршневого двигателя зародилась при изучении морфологии митохондрии. Отметим ещё раз, что при таких морфологических особенностях снимается проблема интенсивного пропуска субстратов через двойную мембрану митохондрии. В [7,8] показано, что митохондриальный цикл реализует принципиально иной способ преобразования тепла в работу, нежели тот, что реализуется в сегодняшних тепловых машинах. Этот, реализованный в живой природе принцип преобразования тепла в работу позволяет снять противоречие между теоретической термодинамикой и экспериментальной биофизикой. В экспериментальной биологии ещё более 50-ти лет назад установлены удивительные факты, противоречащие устоявшимся представлениям классической термодинамики. Так КПД мышечной деятельности черепахи достигает эффективности в 75-80%. [1]. При этом перепад температур в клетке не превышает долей градуса, что необъяснимо с позиций классической термодинамики.

В качестве примера опишем возможный механизм обмена между внутренней полостью ядра и цитоплазмой.

Рис. 2

Условная схема циклического обмена между полостью ядра и цитоплазмой изображена на Рис.2. Здесь: 1 и 2 – внутренняя и внешняя мембрана ядра; 3 – ядерная пора; 4 – ДНК.

Если предположить, что внутренняя мембрана ядра по площади больше внешней мембраны (как у митохондрии), то при поступлении потоков в межмембранное пространство ядра, (как на Рис.2, слева) межмембранное пространство раздувается, а внутренняя полость ядра сдавливается и содержимое ядра выдавливается через ядерные поры в цитоплазму. Этим потоком смывается сформировавшаяся в ядрышке информационная РНК и выносится к рибосомам цитоплазмы. На второй стадии (Рис.2, справа) содержимое межклеточной полости двойной ядерной оболочки, по причине циклической работы митохондрий, перетекает в митохондрии, что приводит к поступлению в полость ядра из цитоплазмы мономеров для формирования РНК или ДНК. Округлая форма и общий объём ядра за цикл не меняется по причине меньшей по площади поверхности внешней ядерной мембраны. Происходит только локальное перетекание гиалоплазмы. В случае с ядром разница в площадях внешней и внутренней мембран не приводит к изменению внешней формы как у митохондрии по причине того, что с одной стороны у ядра имеется большое количество пор, с другой – внутренняя мембрана ядра не имеет кристов. В [3] показана решающая роль митохондрий в сократительных процессах миоцитов. В [8] описана конструкция теплового двигателя, работающего на тех же физико-химических принципах, что и митохондрия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимо проведение исследований митохондрий с помощью электронного микроскопа для выявления митохондриальных пор и проток, соединяющих межмембранное пространство митохондрии с полостью эндоплазматического ретикулума, как у клеточного ядра. В случае их обнаружения изменится, принятая на сегодня картина обмена между матриксом митохондрии и цитоплазмой. Будет подтверждён принципиально новый биологический принцип преобразования тепла в работу. Получит объяснение высокий КПД мышечной деятельности, вытекающий из опытов Хилла и противоречащий классической термодинамике.

ЛИТЕРАТУРА

1. Антонов В.Ф. и др. Биофизика. – М.: “Владос”, 2003г., 288с.

2. Бышевский А.Ш., Терсенёв О.А. Биохимия для врача. Екатеринбург. Изд-во “Уральский рабочий”, 1994г., 384с.

3. Долгов М.А., Косарев А.В. Взаимодействие эластического и гидродинамического компонентов в процессе сокращения и расслабления мышечного волокна. //Вестник Оренбургского гос. у-та №12(79), 2007г., с. 106-112. http://vestnik.osu.ru/2007_12/21.pdf.

4. Каменский А.А. и др. Биология. – М.: ЭКСМО, 2003г., 640с.

5. Косарев А.В. Биодинамика, механизм и условия производства кооперативных потоков энергии в биологических структурах. // Вестник Оренбургского гос. у-та. №6, 2004г., – с. 93-99. http://vestnik.osu.ru/2004_6/17.pdf.

6. Косарев А.В. О морфологических и функциональных особенностях митохондрии. //Материалы Всероссийской научно – технической конференции “Современные проблемы математики и естествознания”. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр “Диалог” , 2009г., с.6-7.

7. Косарев А.В. Монография “Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред”. Издание второе, переработанное и дополненное. – Из-во: LAMBERT Academic Publishing, г. Саарбрюккен, Германия, 2013г., 354с.

8. Косарев А.В. Тепловой двигатель на новом термодинамическом принципе преобразования тепла в работу и его работа на естественных перепадах температур возобновляемых источников энергии.

9. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. – М.: “Мир”, 1979г., 512с.

10. Самойлов В.О. Медицинская биофизика. – Санкт-Петербург: “СпецЛит”, 2004г., 496с.

11. Сапин и др. Анатомия человека. Т.1 –М.: “ОНИКС”, 2002г., 464с.

12. Тейлор Д. и др. Биология. / Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. /Пер. с англ. Ю.Л. Амченкова, М.Г. Дуниной и др.). – М.: “Мир”. Том 1, 2001г., 454с. Том 2, 2002г., 436с. Том 3, 2002г., 451с.

Урока : Вступительное слово учителя, постановка целей. Движение как перемещение

Цель урока: обобщить полученные на уроках химии, физики, биологии знания о процессе движения.

Познавательные. Углубить знания о движении и его видах; проверить понимание

учащимися сущности движения и его причин; продолжить формирование знаний о единстве мира природы.

Развивающие. Развивать умения применять и обобщать полученные знания, умения

сравнивать, анализировать результаты опытов, устанавливать

причинно-следственные связи; способствовать развитию логического

Воспитательные. Формировать научное мировоззрение, целостную картину мира;

воспитывать познавательный интерес к предметам естественнонаучного цикла на основе межпредметных связей.

Оборудование. Мультимедийный проектор, экран, презентации к уроку,

составленные в программе Power Point, листы с вопросами и заданиями для учащихся, материалы, посуда и реактивы для проведения опытов.

Вступительное слово учителя, постановка целей.
Движение как перемещение.
Движение тепла.
Движение как качественное изменение. Химические реакции.
Движение в живой природе.
Движение как распространение. Волны.
Закрепление материала.
Итог урока.

1. ВСТУПИТЕЛЬНОЕ СЛОВО УЧИТЕЛЯ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛЕЙ.

Учитель химии.

Современный научный опыт свидетельствует о том, что в природе нет покоя. Даже в холодных застывших камнях происходиТ непрерывное не видимое глазом движение. Движение присуще природе, природа не существует без движения. Однако форма движения может быть различной. Движение нельзя свести просто к перемещению какого-либо объекта в пространстве. В общем случае под движением понимают любое изменение рассматриваемой системы со временем. О различных формах движения и о свойствах таких движений и пойдет речь сегодня на уроке.

Мы рассмотрим движение с разных сторон, чтобы связать воедино разрозненные сведения об этом процессе.

«Движенья нет», — сказал мудрец брадатый.

Другой смолчал и стал пред ним ходить.

Сильнее он не мог бы возразить.

Хвалили все ответ замысловатый,

Но, господа, забавный случай сей

Другой пример на память мне приходит,

Ведь каждый день пред нами Солнце ходит,

Однако ж прав упрямый Галилей…

Обратимся к словарю В.Даля с вопросом: что же такое движение?

«Движение – пихать, переть, толкать, совать, таскать, волочить, перемещать вещи»

2. ДВИЖЕНИЕ КАК ПЕРЕМЕЩЕНИЕ

Учитель физики.

Физик добавит, что движение как изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени называется механическим движением. Тело, относительно которого рассматривается движение, связанная с ним система координат и часы для измерения времени образуют систему отсчета.

Еще Галилей установил характер относительности движения. Движение всегда происходит относительно чего-либо. С давних времен людей интересовал вопрос, не существует ли какой-либо абсолютно покоящейся системы отсчета. Древний философ Птолемей считал, что такой системой является наша Земля, а остальные небесные тела и другие объекты движутся относительно Земли. На рис.1 приведена схема движения небесных тел по Птолемею.

Коперник предложил описывать движение планет в другой системе отсчета, где неподвижным является Солнце.

Во времена Галилея споры о правильном описании движения планет носили не шуточный характер. Но в силу относительности движения оба описания можно признать эквивалентными, они просто соответствуют описанию движений в разных системах отсчета. А вот абсолютно неподвижной системы отсчета ученые до сих пор не обнаружили. Солнце вместе с другими звездами движется вокруг центра Галактики. Галактика, как и другие наблюдаемые астрономами галактики, также движется. Чего-то, что можно было бы считать абсолютно неподвижным во Вселенной, не обнаружено.

Рис.1 Система движения планет. Вверху по Птолемею, внизу – современные представления, впервые высказанные Коперником.

На первый взгляд может показаться, что схема движения по Копернику проще, чем схема движения по Птолемею. Но простота эта кажущаяся. Чтобы наблюдать движение планет вокруг Солнца, нам необходимо удалиться от Солнечной системы на значительное расстояние, чего мы не можем сделать даже в настоящее время. Мы наблюдаем движение, находясь на нашей планете, и наблюдаем, как и написал Пушкин, что «пред нами Солнце ходит». Оказывается, что описания движения в различных системах отсчета (Птолемея и Коперника) эквивалентны, пока мы исследуем кинематику движения, то есть, не рассматриваем причины, вызывающие движения.

Рис.2 Движение планеты Марс относительно звезд

Несмотря на кажущуюся простоту механического движения его правильное описание невозможно без введения четких и определенных характеристик движения. Отсутствие таких характеристик приводит к парадоксам, изложенным в апориях Зенона. Одна из них говорит о том, что Ахиллес никогда не догонит черепаху. Доказательство утверждения очень простое. Пусть в данный момент черепаха находится в некоторой точке А. Чтобы догнать черепаху, Ахиллес должен прийти в точку А. Но когда Ахиллес достигнет точки А, черепаха окажется уже в другой точке В. Рассуждения эти можно повторять сколь угодно долго, а значит, Ахиллес никогда не догонит черепаху.

Послушайте сообщение о характеристиках движения.

Характеристика движения, показывающая, насколько изменяются координаты со временем, называется скоростью. Движение, при котором скорость остается постоянной по величине и направлению, называется равномерным движением.

Если скорость изменяется, то величина такого изменения характеризуется ускорением. Материальная точка движется с ускорением, если скорость изменяется по величине, по направлению, или одновременно по величине и направлению.

Важной характеристикой движения материальной точки является траектория движения. Траекторией называется воображаемая линия в пространстве, по которой движется материальная точка.

Если при кинематическом описании движения все системы отсчета полностью эквивалентны, то при динамическом описании, то есть, при описании с исследованием причин движения, некоторые из систем оказываются выделенными.

Читать:

Как поменять батарейку в ключе киа соул

Учитель физики.

Что же является причиной движения?

Древнегреческий философ Аристотель считал, что для равномерного движения тела необходимо воздействие на него некоторой силы. Галилей, проделав ряд опытов, пришел к выводу, что тело движется равномерно в случае, когда оно не взаимодействует с другими телами. В том, что это не совсем так, можно убедиться на простейшем опыте (хотя бы мысленном). Представьте, что в вагоне поезда метро посередине пустого вагона лежит мячик. Что будет с мячом, когда вагон тронется? Без действия дополнительных сил мяч начнет двигаться с ускорением. Чтобы уточнить формулировку Галилея, Ньютон ввел понятие инерциальной системы отсчета. Инерциальной системой отсчета называется такая система, в которой тело в отсутствие взаимодействия с другими телами покоится или движется равномерно. В нашем примере вагон метро является неинерциальной системой отсчета.

Строго говоря, инерциальных систем отсчета в природе нет. Например, стол учителя в классе вращается вместе с Землей, а следовательно, движется с ускорением. Однако во многих случаях, например, при демонстрации школьных опытов, такая система отсчета может рассматриваться приближенно инерциальная. А вот если мы попытаемся динамически описать в этой системе отсчета движение планет, то это будет совершенно неправильно. Для описания движения планет инерциальной системой отсчета можно приближенно считать систему, центр которой находится в центре Солнца, а оси ориентированы по звездам. Именно по этой причине движение небесных тел в системе Коперника описывается лучше, чем в системе Птолемея.

Мы приходим, таким образом, к выводу, который известен как первый закон Ньютона: в инерциальной системе отсчета тело, не взаимодействующее с другими телами, покоится или движется равномерно.

Но равномерное движение есть лишь частный, практически не реализуемый случай движения. Все реально наблюдаемые нами тела движутся с ускорением. Причины движения с ускорением формулируются во втором законе Ньютона, который Вам знаком из курса физики: ускорение тела в инерциальной системе отсчета пропорционально сумме всех сил, действующих на него, и обратно пропорционально массе тела.

3. ДВИЖЕНИЕ ТЕПЛА

Учитель химии

Развитие науки о движении тепла – термодинамики – шло не по прямой дороге. Первоначально под теплом понимали нечто, что нужно было передать телу, чтобы оно нагрелось, и отнять у тела, чтобы его охладить. Как это часто бывает, при развитии науки вначале некоторые понятия вводятся полуинтуитивно, не строго. Затем с ними учатся работать, измерять соответствующие величины, создавать математическую теорию, описывающую процессы и явления, в которых участвуют введенные понятия. И лишь спустя какое-то время начинается осмысление того, с чем уже научились работать.

Так произошло с теплом и температурой. Первоначально она была введена для того, чтобы измерять степень «нагретости» тела. Ее научились измерять, сконструировав приборы – термометры, основанные на том, что при нагревании тел их объем возрастает. Научившись измерять температуру, нашли способ измерять тепло, а точнее, количественно определили тепло как нечто пропорциональное изменению температуры. Для измерения тепла стали пользоваться стандартным способом – сравнение с чем-то эталонным. Таким эталоном послужила вода. Под единицей тепла, которую назвали калория, стали понимать количество тепла, необходимого для нагревания 1 г воды на 1 о .

Первое осмысление природы тепла привело к появлению представлений о том, что тепло эквивалентно некоторой жидкости, которая невидима и передается телу при нагревании. Жидкость эту назвали теплородом, или флогистоном. Знание этого факта, возможно, позволит лучше осознать такое понятие, как теплоемкость. Способность тела принимать тепло, если понимать под ним некоторую жидкость, обусловлено имеющимися в теле емкостями для этой жидкости.

Учитель физики

В современном школьном учебнике по физике можно прочитать, что: «Энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче, называется количеством теплоты». Однако переопределение понятия тепла произошло лишь спустя достаточно большое время, после того, как с ним научились работать. Произошло это после постановки Джоулем опытов, доказывающих, что процесс передачи тепла эквивалентен процессу совершения над телом механической работы.

Эквивалентность процесса совершения над телом работы и процесса передачи тепла нашла отражение в первом начале термодинамики. Одна из возможных его формулировок следующая: внутренняя энергия системы может изменяться при совершении работы над системой и при совершении работы над системой и при передаче ей тепла. Эта словесная формулировка выражается соотношением: ∆U=∆A+∆Q (запись на доске).

Первое начало термодинамики вовсе не противоречило понятию теплорода. Он оказался не «рождающим тепло», а носителем тепла – энергии, подобно тому, как, например, бензин является носителем энергии. Энергия перемещалась посредством теплорода.

Есть еще один термодинамический закон, которому посвящено следующее выступление (выступление ученика сопровождается компьютерной презентацией).

Тепло или тепловая энергия, обладают рядом специфических свойств по отношению к другим видам энергии. Одним из важных свойств энергии в мехнике является способность преобразовываться из одного вида в другой и передаваться от одного тела к другому.

Так, например, биллиардный шар, налетев на такой же другой шар, может остановиться, полностью передав своему соседу энергию. Однако, возможен и обратный процесс, когда этот второй шар, налетев на первый, отдаст ему свою энергию.

Для процессов, связанных с передачей тепла или с превращением механической энергии в тепло, обратимость, характерная для механических процессов, исчезает. Механическая энергия может полностью перейти в тепло. Обратный переход тепла в механическую энергию возможен не для любых процессов, а для тех процессов, когда тепло переходит в механическую энергию, имеются ограничения, запрещающие полный переход тепла в механическую энергию. Обратимость процессов перехода механической энергии в тепло исчезает. Исчезает и обратимость перехода тепла от одного тела к другому. Тепло всегда переходи только от более горячего тела к более холодному. Тепло, таким образом, не полностью эквивалентно энергии, а имеет свою специфику.

Следовательно, есть еще один термодинамический закон, который «разрешает» одни процессы, не противоречащие I-му началу, и запрещает другие. Этот закон – его называют II-м началом термодинамики – имеет несколько формулировок.

Одна из них констатирует тот факт, что тепло всегда передается от горячего тела к холодному. Оказывается, это утверждение можно выразить на языке математики, если ввести в дополнение к таким величинам, как энергия, тепло, температура еще одну физическую величину – энтропию. Подобно таким величинам, как энергия, энтропия вводится через ее изменение при протекании различных процессов. В простейшем случае, когда тело получает или отдает тепло, изменение энтропии вводится как ∆S=∆Q/T, где ∆Q – полученное (∆Q>0) или отданное (∆Q 0, а ∆Q_х 0.

Таким образом, в процессе теплопередачи энтропия замкнутой системы увеличивается. Подобное определение энтропии было дано немецким физиком Рудольфом Клаузиусом (1822—1888). Итак, II начало термодинамики в формулировке Р.Клаузиуса гласит: в изолированной системе самопроизвольно могут протекать только процессы, которые ведут к увеличению энтропии. Более общее определение энтропии, а следовательно, и II начала термодинамики было предложено австрийским физиком Людвигом Больцманом (1844—1906 гг.). Согласно Больцману, энтропия есть мера хаотичности, неупорядоченности системы. Сравним, к примеру, три объекта: лед, жидкую воду и водяной пар. В кристаллах льда молекулы расположены упорядочение. В жидкости порядка меньше — там есть так называемый ближний порядок (т. е. сохраняется более или менее правильное окружение каждой частицы), но дальний порядок нарушен. Молекулы же газа движутся хаотически. Тогда II начало термодинамики можно сформулировать так: в изолированной системе самопроизвольно могут протекать только такие процессы, которые ведут к увеличению неупорядоченности системы, т. е. энтропии. С проявлением закона возрастания энтропии мы сталкиваемся довольно часто: когда наблюдаем процессы растворения, диффузии газов и жидкостей, испарения жидкостей, когда при нагревании твердое или жидкое тело разлагается с выделением газа, когда мы разбиваем яйцо или что-то ломаем и т.д.

4. ДВИЖЕНИЕ КАК КАЧЕСТВЕННОЕ ИЗМЕНЕНИЕ. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Учитель химии

Движение — это не только механическое перемещение. Под движением понимают также любое изменение, происходящее в окружающем нас мире. Примером может служить любая химическая реакция, т. е. процесс превращения одних веществ в другие.

Ученик пишет на доске уравнение

Химические реакции идут с различными скоростями. Диапазон их скоростей чрезвычайно широк — от практически мгновенных реакций (взрыв, многие реакции в растворах) до крайне медленных, идущих столетиями (например, окисление бронзы на воздухе)

В XIX веке было установлено, что химические реакции в подавляющем большинстве представляют собой многостадийные процессы, т.е. совершаются не путем непосредственного одновременного столкновения частиц-реагентов с образованием продуктов, а через ряд простых (элементарных) процессов. Действительно, если бы, к примеру, реакция окисления аммиака

Ученик записывает уравнение на доске

шла в одну стадию, то это потребовало бы огромных затрат энергии на одновременный разрыв связей в молекулах аммиака и кислорода. Кроме того, вероятность столкновения трех частиц очень мала, четырех — практически равна нулю. Одновременное же столкновение семи частиц (четырех молекул аммиака и трех молекул кислорода) — просто невероятно.

Каждая элементарная стадия химической реакции — это либо химический процесс (скажем, распад одной молекулы или столкновение двух частиц), либо переход частицы в возбужденное состояние (или, наоборот, переход ее из возбужденного в основное или низковозбужденное состояние).

Даже простая на первый взгляд реакция

идет по стадиям, причем каждая стадия протекает со своей скоростью:

1-я стадия (быстрая): Вr₂ Вr . + Вr .

2-я стадия (относительно медленная): Вr . + Н₂ НВr + Н . и т. д.

Совокупность элементарных стадий химической реакции, следующих одна за другой (т. е. последовательно) или совершающихся параллельно, называется механизмом химической реакции.

Рис.3 Пространственно-временная структура реакции

Для химика очень важно знать, от каких факторов зависит скорость химической реакции. Особенно важна зависимость скорости реакции (или ее стадий) от концентраций реагирующих веществ.

Чтобы доказать это, выполните опыт. Ответы на вопросы запишите в тетрадь, сделайте выводы.

Опыт «Скорость реакции окисления иодоводорода пероксидом водорода»

Налейте в цилиндр 10 мл разбавленного раствора иодида калия (0,0001 моль/л), 10мл раствора серной кислоты (0,00005 моль/л), 20 мл воды и 5 мл раствора крахмала. В другой цилиндр налейте 20 мл раствора иодида калия той же концентрации, 20 мл раствора серной кислоты той же концентрации и 5 мл раствора крахмала. Растворы тщательно перемешайте стеклянной палочкой. Затем одновременно добавьте в каждый цилиндр по 5 мл раствора пероксида водорода Н₂О₂ (1 : 10). Отметьте время вливания пероксида водорода и наблюдайте, через какой промежуток времени появится синее окрашивание в каждом из цилиндров. Происходящая реакция выражается следующими уравнениями:

Выделяющийся иод дает с крахмалом синюю окраску. В каком из цилиндров окраска появилась раньше? Почему в этом цилиндре она появилась за меньший промежуток времени?

Подробным изучение скорости и механизма химических реакций занимается химическая кинетика, о которой пойдет речь в следующих сообщениях.

Начало развития химической кинетики — области химии, изучающей скорости и механизмы химических реакций, — пришлось на вторую половину XIX в. Фундамент этой дисциплины был заложен в 1880-х гг. голландским физико-химиком Я.Вант-Гоффом и шведским ученым С.Аррениусом.

Несколько ранее, начиная с 1860-х гг., в различных лабораториях мира стали проводиться исследования в области структурной химии. Таким образом, разработка идей о структуре химических соединений шла практически параллельно с изучением структуры химической реакции.

Более того, уже с конца XVIII в. в естествознании начинает формироваться новое представление о природном, особенно о сложном природном объекте. С этого времени такой объект (растение, животное, минерал, сложное вещество и т. д.) все чаще мыслится уже не как некая механическая конструкция, в одночасье созданная в готовом виде Богом. В конце XVIII и особенно в XIX столетии сложный природный объект начинают рассматривать как систему, прошедшую длительную эволюцию во времени (например, биологические виды). Или же — как некий целостный объект, стоящий в ряду других, все более усложняющихся объектов (например, какой-либо химический элемент в Периодической системе). Аналогичный подход тогда же начинает проникать и в социологию. Представление об обществе как продукте исторической эволюции, т.е. направленного стадиального развития от варварства к цивилизации, получает все большее распространение и в гуманитарных науках, и в художественной литературе. (Так, в «Предисловии» к «Человеческой комедии» (1842) О. де Бальзак, сравнивая общество и природу, писал: «Обычаи, одежда, речь, жилице…меняются на каждой ступени цивилизации».) Сознание людей XIX в. Пронизано историзмом. Это был период осознания векторности, стадиальности исторических и природных процессов, осознания каждого этапа истории в его неповторимости и своеобразии. Но вернемся к химической кинетике.

Уже давно было замечено, что некоторые вещества способны заметно увеличивать скорость химической реакции, хотя, сами при этом не расходуются. Такие вещества называют катализаторами. Например, пероксид водорода при комнатной температуре разлагается (2Н₂О₂ = 2Н₂О + О₂), но медленно. В присутствии же платины скорость его разложения возрастает более чем в 2000 раз, а фермент каталаза (содержится в крови) увеличивает скорость реакции в 90 миллиардов раз!

То что катализатор не расходуется в химическом процессе, не означает, что он в нем вообще не участвует. Катализатор включается в промежуточные стадии процесса и регенерируется в конце его. Поэтому в итоговом уравнении реакции он не фигурирует.

Мир катализаторов широк и многообразен, как и способы их действия. Но в целом можно сказать, что катализатор, включаясь в механизм реакции, изменяет и направляет процесс по энергетически более выгодному пути. При этом, что особенно важно, катализаторы могут вызывать протекание с заметной скоростью таких процессов, которые без них практически не идут.

Каждый катализатор может ускорять лишь определенные классы реакции, а в ряде случаев — только отдельные реакции. Такая особенность катализаторов называется селективностью (избирательностью). Селективность действия катализаторов позволяет получать лишь определенный нужный продукт, определенным образом «направить» действие лекарства и т. д. Наибольшей селективностью и эффективностью отличаются биологические катализаторы — ферменты, которые катализируют практически все важные биохимические реакции.

Есть вещества, которые замедляют или вообще прекращают химические процессы. Их называют ингибиторами. Однако в отличие от катализаторов ингибиторы расходуются в ходе реакции.

Учащиеся проводят опыт – влияние катализатора на скорость реакции. Выводы записывают в тетрадь.

Опыт «Влияние катализатора на скорость реакции».

Возьмите два стакана и налейте в них по 10 мл раствора пероксида водорода. Происходят ли при этом какие-либо изменения? Затем положите в один из стаканов несколько гранул диоксида марганца. Что при этом наблюдается? Докажите, какой газ выделяется в одном из стаканов? Как объяснить результат этого опыта? Какую роль при этом играет диоксид марганца?

5. ДВИЖЕНИЕ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ

Учитель биологии

Подвижность — одно из фундаментальных свойств живого. В повседневной жизни мы сталкиваемся в основном с движением, которое осуществляется благодаря работе мышц, — это и бег кота, и полет бабочки, и ползание дождевого червя, и плавание карася. В основе этих внешне столь различных форм движения лежит активность мышечных волокон. Но не только сокращение мышц обеспечивает движение. Одноклеточные организмы, например амебы, жгутиконосцы, инфузории, тоже обладают способностью к перемещению в пространстве. Перемещения разного рода осуществляются и внутри самих клеток — движение вакуолей, транспортных пузырьков, содержащих выработанный клеткой секрет, расхождение хромосом делящейся клетки. Есть ли что-либо общее между всеми этими столь различными на первый взгляд процессами?

Эразм Дарвин, родной дед Чарльза Дарвина, в своем знаменитом произведении «Храм природы», поражается разнообразию форм движения микроскопических существ. Вряд ли мог он в то время предполагать, что в основе двигательной активности многих простейших и движений его руки, водящей пером по бумаге, в сущности, лежат одни и те же молекулярные механизмы. Выяснить это удалось только с началом эры электронной микроскопии и появлением приборов для проведения тонких биохимических экспериментов, которые позволяют ученым-биологам работать на уровне клеток и молекул.

Причины движения живого

Из приведенных примеров следует, что движение живых организмов является механическим движением. Что же является причиной движения живых организмов?

Субстратом жизни являются полимерные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Все процессы в живом организме происходят вследствие химических реакций между этими и другими молекулами, составляющими живой организм или поступающими в организм. Именно химические реакции и являются причиной механического движения живых организмов. Каким же образом химические превращения способны вызвать механическое движение?

Среди различных белков, составляющих организм, важную роль играют молекулы, получившие название белки-молекулярные моторы. Характерным свойством таких молекул является способность изменять свою форму, то есть взаиморасположение отдельных составляющих молекулы. Примером такого белка является молекула миозина, которая при наблюдении в электронный микроскоп видна как короткая толстая нить с утолщением-головкой на одном из концов. Эта головка способна поворачиваться относительно нити.

Если головку к какой-либо другой молекуле, при повороте она способна совершать механическую работу. Откуда берется энергия для такой работы? Энергию поставляет молекула АТФ – универсальный источник энергии клеток всех живых организмов.

Однако при движении головки относительное изменение длины молекулы миозина оказывается незначительным. Мышцы, созданные из таких молекул, могли бы сокращаться на единицы процентов (реальное сокращение мышц может доходить до 50%). И природа «исхитрилась создать» мотор, работающий по циклу, подобно тепловым двигателям, созданным человеком. Правда, произошло это за миллиарды лет до создания человеком тепловых двигателей. Биологический двигатель состоит из двух молекул — миозина, осуществляющего движение, и актина, молекулы которого, соединяясь между собой, образуют длинные тонкие нити.

Рис.4. Движение головки миозина

Следует отметить, что КПД такого двигателя (отношение совершенной механической работы к затраченной энергии) в несколько раз превосходит КПД тепловых двигателей, созданных человеком. Человек, еще не достиг совершенства, имеющегося в природе, возможно двигатели, подобные биологическим, будут изобретены в будущем.

Что же регулирует циклическую работу биологического двигателя? Под воздействием нервного импульса в цитоплазме увеличивается концентрация ионов Са 2+ . Они способствуют контакту актина с миозиновой головкой и соединению миозина с одной из составляющих молекулы АТФ (в определенном смысле действие ионов кальция подобно действию катализаторов при химической реакции). После того как миозиновая головка совершила очередное тянущее движение, концентрация ионов кальция уменьшается.

Биологические моторы основаны на взаимодействии двух типов молекул — молекулы, изменяющей форму, и перемещаемой молекулы. Эти молекулярные комплексы работают циклично и обусловливают практически все движения, которые наблюдаются в природе.

Рис.5 Схема рабочего цикла актин-миозинового мотора: 1 – головка миозина прикрепляется к актиновой нити, 2 – «рабочий ход», головка миозина тянет актиновую нить, 3 – отсоединение головки миозина, 4 – возврат в исходное положение

Учащиеся выступают с сообщением «Универсальный характер биологического движения», которое сопровождается компьютерной презентацией. Вывод записывают в тетрадь.

Описанные биологические моторы обусловливают самые различные движения живых организмов. Примерами таких движений являются изменение формы клетки и образование перетяжки между дочерними клетками в ходе клеточного деления. Движение жгутиков и ресничек простейших живых организмов (жгутиконосцы, инфузории), амебовидного движения — одного из самых распространенных способов перемещения клеток.

Так, например, исследование амебовидного движения показало, что в прилежащем к наружной плазматической мембране амеб слое цитоплазмы имеется сеточка из нитей актина и миозина. Сокращение и расслабление этой сеточки фактически изменяет упругость наружной оболочки, в результате чего цитоплазма перетекает в область, где эта упругость меньше. В этой области образуется вырост — псевдоподия, — который закрепляется на окружающих амебу телах. Затем вещество амебы постепенно перекачивается в область, где закрепилась псевдоподия, после чего цикл повторяется.

Подобный способ движения характерен также для лейкоцитов — элементов крови человека и позвоночных животных, участвующих в иммунном ответе организма. Перемещаясь как амебы, эти клетки скапливаются вокруг проникших в организм инородных объектов и нейтрализуют их вредное воздействие на организм.

Движение при помощи жгутиков и ресничек чрезвычайно распространено среди одноклеточных организмов. Изгибаясь, жгутики и реснички совершают сложное движение. Движение жгутика напоминает движение гребного винта. Движение реснички напоминает движение рук пловца, плывущего брассом: вначале следует прямой удар ресничкой, затем она изгибается и медленно возвращается в исходное положение. Жгутики и реснички не содержат мышц. Под микроскопом видно, что жгутики и реснички состоят из микротрубочек, образованных молекулами белков. К каждой миротрубочке прикреплены ручки, образованные белком-молекулярным мотором.

Цикл движения состоит в том, что ручки микротрубочки цепляются за соседнюю микротрубочку, затем, изгибаясь, подтягивают соседнюю микротрубочку, после чего, отцепляясь, возвращаются в исходное положение. Таким образом, функцию актина в актин-миозиновом комплексе в данном случае выполняют микротрубочки. Если одни из концов микротрубочек скреплены между собой, то при циклическом движении ручек просходит изгиб микротрубочек.

Вывод: Несмотря на огромное разнообразие форм движения живых существ и составляющих их организмов, все они оказываются достаточно сходными и основанными на одних и тех же молекулярных механизмах.

6. ДВИЖЕНИЕ КАК РАСПРОСТРАНЕНИЕ. ВОЛНЫ

Учитель физики

Движение волн человек наблюдал с древних времен.

Океан беснуется и стонет,

Волны долетают до небес,

Ничего не видно, только где-то,

Видимо, шумит и темный лес.

Крича, летают чайки в океане,

С утра пустились волны в чехарду.

Вода смывала пляжи и причалы

И прочь гнала песок на берегу.

Гремела галькой, вышибала сваи,

Швыряла клочья пены, как тряпье.

Но дурь прошла, и волны все устали.

Уходит океан в свое жилье…

Научное понятие волны появилось значительно позднее. Что же такое волна в научном понимании? В литературных произведениях под волнами обычно понимаются гребни, следующие один за другим. Однако, выделить один гребень и рассматривать лишь его было бы неправильно. В науке о природе под волной понимают все совокупное движение в какой-либо области пространства. То, что волны движутся, следует из опыта. Мы можем измерить время, за которое волна дошла от места падения камня до некоторой точки на поверхности воды, и, зная это расстояние, вычислить скорость волны. Однако движение волны не просто движение частичек воды. В этом легко убедиться, бросив в волну щепку. Если бы частички воды двигались вместе с волной, они увлекали бы за собой щепку. Однако, поколебавшись с волной, остается на месте.

Волна на воде — это процесс распространения колебания частиц. В более общем случае, например, в электромагнитной волне, колеблются не частицы, а поля. При этом нельзя сказать, что поле перемещается в пространстве. Оно просто исчезает в одной точке пространства и возникает в другой точке пространства. Таким образом, можно сделать вывод, что волна — это процесс распространения колебаний в различных системах.

Вывод: Волна — это процесс распространения колебаний различной природы во времени и в пространстве.

Учащиеся проводят опыт «Демонстрация волны», когда рукой натягивается веревка и затем движением руки вверх и вниз по веревке «посылается» волна (см. рис.6)

Рис.6 Волна в натянутой веревке

Учащиеся выступают с сообщениями, сопровождающимися компьютерной презентацией. Выводы записывают в тетрадь.

ПРИРОДА ВОЛН

Попробуем ответить на вопросы: что же колеблется при распространении волны и где в природе встречаются волны. Проще всего ответить на второй вопрос: волны существуют везде. В различных уголках нашей огромной Вселенной можно найти места, где практически нет вещества, то есть атомов и молекул. Однако нет места, куда не доходит свет звезд, который представляет собой электромагнитную волну. Но, может быть, закрывшись в темной комнате, мы спрячемся от волн. И это невозможно. В комнату проникают радиоволны, а стены комнаты и мы сами излучаем электромагнитные волны, невидимые для глаза.

Природа волн очень разнообразна, однако увидеть волны можно только в исключительных случаях, примером являются волны на поверхности воды и волна в натянутой веревке. В этих случаях мы видим колебания. Колебания, происходящие в других волнах, невидимы и могут быть изучены только при применении специальных приборов. Примером является звук, представляющий собой распространяющиеся колебания давления воздуха. Эти колебания, доходя до барабанной перепонки уха вызывают ощущение звука, но установить, что это именно колебания можно лишь используя приборы. Звук распространяется не только в газах, но и в жидкостях и твердых телах, важно, чтобы такие тела обладали достаточной упругостью. Более общее название таких волн — волны упругости. К подобным волнам относятся также и волны в натянутых нитях, например волны в струнах музыкальных инструментов.

При распространении волн упругости происходит движение частиц, составляющих вещество. При распространении электромагнитных волн никакие частицы не движутся, происходит просто изменение электрических и магнитных полей в пространстве. Электромагнитные поля обычно регистрируются приборами, однако некоторые из них, например, свет, воспринимаются органами чувств, хотя никаких колебаний мы при этом не видим. Мы привели далеко не все примеры волн, однако и этих примеров достаточно, чтобы составить представление о большом разнообразии волн.

Вывод: Волны могут иметь разнообразную природу (волны на поверхности воды, волны упругости, электромагнитные волны). В природе волны встречаются повсеместно.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ВОЛН И ЧАСТИЦ

Такой объект природы, как волны, совсем не похож на частицы, а «элементарные кирпичики», из которых можно составить любую волну – синусоидальные волны, бесконечны в пространстве и во времени. Тем не менее, у волн и частиц есть общие свойства. Начнем с примера. Бросив камень в окно, можно разбить стекло. Но, как Вы, наверное, знаете, оконные стекла разбиваются при взрывах, в результате которых образуется ударная звуковая волна. Следовательно, такая волна действует с некоторой силой на стекло. Какими должны быть свойства брошенного камня, чтобы он разбил стекло? У него должна быть достаточно большая масса и достаточно большая скорость. Произведение этих величин дает импульс тела. То есть камень разобьет стекло при достаточно большом импульсе. Из аналогии между камнем и ударной волной можно сделать вывод, что волна обладает импульсом и переносит импульс через пространство. Это свойство характерно для волн любой природы.

Примером проявления импульса волны являются хвосты комет. Они возникают вследствие того, что при приближении кометы к Солнцу, вещество кометы испаряется и образующихся газ под воздействием солнечных лучей начинает светиться. Поскольку солнечные лучи (электромагнитная волна) обладают импульсом, они давят на газ, отклоняя его в направлении, противоположном Солнцу. Поэтому хвосты комет всегда вытянуты в сторону от Солнца.

Помимо импульса волны обладают энергией и переносят энергию через пространство. То что электромагнитная волна, приходящая к нам от Солнца, снабжает нас энергией, необходимой для жизни, мы, конечно, знаем. Однако энергией обладают любые волны. В последнее время, например, ведутся активные работы по использованию энергии морских волн для производства электроэнергии.

Вывод: Волны и частицы обладают некоторыми общими свойствами. Волна любой природы переносит энергию и импульс через пространство.

7. ЗАКРЕПЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА

На заключительном этапе урока учащимся предлагаются вопросы и задания.

1. По произведению А.С. Пушкина «Руслан и Людмила».

… Там на неведомых дорожка Следы невиданных зверей…

Вопрос. Можно ли по следам определить направление движения зверей? Что называется траекторией?

Ответ. По следам зверей действительно можно определить направление движения зверей. Траекторией называется невидимая или видимая линия, которую описывает тело при своем движении.

А Черевик, как будто облитый горячим кипятком, схвативши на голову горшок вместо шапки, бросился к дверям и, как полоумный, бежал по улицам, не видя земли под собою, одна усталость только заставила его уменьшить
немного скорость бега.

Ответ. Так как скорость Черевика уменьшилась, то это движение равнозамедленное.

B изнеможении готов уже был он (Черевик) упасть на землю, как вдруг послышалось ему, что сзади кто-то гонится за ним . Дух у него занялся . «Черт! Черт!» — кричал он без памяти, утроя силы.

Ответ. Такой вид движения называется равноускоренным.

3. Отгадайте загадку.

Один говорит: «Побежим, побежим», другой говорит: «Постоим, постоим», третий говорит: «Пошатаемся, пошатаемся», (вода, берег, трава)

Вопрос. Объясните эту загадку с точки зрения относительности движения.
Ответ. Вода движется относительно берега, трава колеблется относительно берега и наоборот.

4. Вопрос. Почему железная проволока не горит на воздухе, но сгорает в чистом кислороде?

5. Вопрос. Скорость реакции водорода, с хлором в некоторых условиях описывается уравнением

а водорода с парами иода —

Как изменится скорость этих реакций, если при неизменной температуре в 4 раза увеличить общее давление в смеси? (Предполагается, что механизмы обеих реакций при этом не изменяются, и соответственно — не изменяются кинетические уравнения.)

Ответ. При повышении давления в 4 раза во столько же раз повысятся концентрации водорода и паров иода, а скорость реакции увеличится в 16 раз.

В случае же реакции водорода с хлором концентрации реагентов также увеличивается в 4 раза, но скорость реакции увеличится, в соответствии с кинетическим уравнением, только в 4 . 4 1 ₂=8 раз.

6. Вопрос. Может ли реакция синтеза аммиака

идти в одну стадию? Можно ли для этой реакции записать уравнение скорости в виде

Ответ. Одностадийная реакция

потребовала бы столкновения четырех молекул с одновременным разрывом и образованием шести химических связей, что невозможно. Поэтому скорость этой реакции никогда не описывается уравнением.

8. ИТОГ УРОКА

Учитель химии

Вот и подошел к концу наш урок. На нем мы попытались объединить знания химии, физики, биологи об универсальном природном явлении – движении.

Движение в сложных системах представляет собой совокупность различных форм движений, взаимосвязанных между собой. Всем видам движения присущи некоторые общие качества, в частности перенос энергии, импульса, информации. При движении в сложных системах может происходить образование нового качества и новых структур.

Нанодвигатель: как работает мотор, созданный бактериями

С тех пор как десять лет назад в России случился нанотехнологический бум, мы с нетерпением ждем обещанной революции – «умных» приборов, материалов и механизмов, с ювелирной точностью собранных из отдельных молекул и даже атомов. К сожалению, до сих пор разработать, пустить в массовое производство и с успехом применять молекулярные наномашины удалось разве что самой природе. Один из самых поразительных примеров этому дают жгутики обыкновенных бактерий.

Их устройство столь совершенно, что сторонники некоторых псевдонаучных концепций часто упоминают жгутики в числе систем с «неупрощаемой сложностью»: дескать, этот механизм настолько сложен и внутренне взаимосвязан, что никак не мог возникнуть в ходе постепенной эволюции, по частям, а появился сразу в готовом виде, в результате «разумного замысла». Обоснованную критику подобных взглядов легко найти в Сети. Мы же лучше взглянем на устройство этой поразительной машины – пример высоких нанотехнологий от организмов, которые мы привыкли считать низшими.

Двигатель

Большинство бактерий, способных к активному движению, используют для этого жгутики – длинные и упругие белковые нити, быстрое вращение которых проталкивает клетку в жидкости. Мощность этого молекулярного устройства поразительна, позволяя микробу преодолевать дистанцию до 100 длин собственного тела в секунду. Для сравнения, разогнавшийся гепард покрывает за секунду порядка 25 длин своего тела, – а ведь бактерии приходится двигаться в водной среде, весьма вязкой для крошечных микроорганизмов.

Жгутик приводится в движение огромным молекулярным комплексом, сложенным из примерно 20 различных белков – базальным телом, или «бактериальным жгутиковым двигателем» (BFM – Bacterial Flagellar Motor). Эта громадная (40-45 нм в диаметре) машина намертво вмонтирована в оболочку клетки, вращая свой ротор с частотой до 40-50 тыс. об./мин (для сравнения, двигатели болидов Формулы 1 совершают около 15 тыс. об./мин). При этом бактериальный «мотор» способен затормозить всего за четверть оборота – и тут же запуститься в противоположном направлении.

В устройстве BFM действительно находится много общего с «настоящим» роторным двигателем. Помимо подвижной части – собственно, ротора, – здесь имеется и толкающий винт (жгутик), соединенный с ним посредством карданного шарнира (крюка). Он вращается, удерживаясь в полых втулках скольжения, и приводится в действие неподвижной частью – статором. Часть устройства играет роль трансмиссии, обеспечивая переключение «передней» (по часовой стрелке) и «задней» (скоростей). Впрочем, обо всем по порядку.