Молекулы-переносчики энергии

Жизнедеятельность требует затрат энергии. В частности, нужно, чтобы энергия, произведенная в одном месте, могла быть использована в другом. Эту функцию в клетке осуществляет целая армия специализированных молекул. Пожалуй, самые важные из них — аденозин трифосфат (АТФ) и аденозин дифосфат (АДФ).

 

Обе молекулы устроены так: группа из атомов углерода, водорода и азота (она называется аденин) присоединена к молекуле рибозы (это сахар), и все это вместе крепится к хвосту из фосфатов. Из названий молекул понятно, что в хвосте АДФ содержится два фосфата, а в хвосте АТФ — три. Когда в клетке происходит химический процесс, например фотосинтез, образующаяся энергия идет на присоединение третьего фосфата к хвосту АДФ. Полученная молекула АТФ затем переносится в другие части клетки. Там запасенная энергия может быть использована в других химических процессах: она выделяется при отщеплении последнего фосфата от АТФ, в результате чего АТФ вновь превращается в АДФ.

Как мы уже упоминали, существуют и другие молекулы, которые переносят энергию в клетке. Набор таких молекул чем-то напоминает разные варианты оплаты счетов. Вы можете выбрать наличные, банковский перевод, кредитную карту и т.д. — в зависимости от того, какой способ вам удобнее. Так же и клетка для поддержания своей жизнедеятельности может использовать АТФ (эквивалент наличных денег) или любую другую из большого набора более сложных молекул.

 

Астрономия

Большой взрыв

Вселенная возникла около 15 миллиардов лет назад в виде раскаленного сгустка сверхплотной материи, и с тех пор она расширяется и остывает

 

Астрономы употребляют термин «Большой взрыв» в двух взаимосвязанных значениях. С одной стороны, этим термином называют само событие, ознаменовавшее зарождение Вселенной около 15 миллиардов лет назад; с другой — весь сценарий ее развития с последующим расширением и остыванием.

Концепция Большого взрыва появилась с открытием в 1920-е годы закона хаббла. Этот закон описывает простой формулой результаты наблюдений, согласно которым видимая Вселенная расширяется и галактики удаляются друг от друга. Нетрудно, следовательно, мысленно «прокрутить пленку назад» и представить, что в исходный момент, миллиарды лет назад, Вселенная пребывала в сверхплотном состоянии. Такая картина динамики развития Вселенной подтверждается двумя важными фактами.

 

1742, 1823

Е

•

•

•

ПАРАДОКС ОЯЬБЕРСА

ЗАВИСИМОСТЬ

ПЕРИОД—

СВЕТИМОСТЬ

КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ

ЗАКОН ХАББЛА

ТЕОРИЯ

СТАЦИОНАРНОЙ ВСЕЛЕННОЙ

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

РАННЯЯ ВСЕЛЕННАЯ

ИНФЛЯЦИОННАЯ

СТАДИЯ

РАСШИРЕНИЯ

ВСЕЛЕННОЙ

Космический микроволновой фон

В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили, что Вселенная наполнена электромагнитным излучением в микроволновом диапазоне частот. Последовавшие измерения показали, что это характерное классическое излучение черного тела, свойственное объектам с температурой около -270°С (3 К), т.е. всего на три градуса выше абсолютного нуля.

Простая аналогия поможет вам интерпретировать этот результат. Представьте, что вы сидите у камина и смотрите на угли. Пока огонь горит ярко, угли кажутся желтыми. По мере затухания пламени угли тускнеют до оранжевого цвета, затем до темно-красного. Когда огонь почти затух, угли перестают испускать видимое излучение, однако, поднеся к ним руку, вы почувствуете жар, что означает, что угли продолжают излучать энергию, но уже в инфракрасном диапазоне частот. Чем холоднее объект, тем ниже излучаемые им частоты и больше длина волн (см. закон стефана—больцмана). По сути, Пензиас и Уилсон определили температуру «космических углей» Вселенной после того, как она остывала на протяжении 15 миллиардов лет: ее фоновое излучение оказалось в диапазоне микроволновых радиочастот.

Исторически это открытие и предопределило выбор в пользу космологической теории Большого взрыва. Другие модели Вселенной (например, теория стационарной вселенной) позволяют объяснить факт расширения Вселенной, но не наличие космического микроволнового фона.

 

Изобилие легких элементов

ранняя вселенная была очень горячей. Даже если протоны и нейтроны при столкновении объединялись и формировали более тяжелые ядра, время их существования было ничтожным, потому что уже при следующем столкновении с еще одной тяжелой и быстрой частицей ядро снова распадалось на элементарные компоненты. Выходит, что с момента Большого взрыва должно было пройти около трех минут,

 

прежде чем Вселенная остыла настолько, чтобы энергия соударений несколько смягчилась и элементарные частицы начали образовывать устойчивые ядра. В истории ранней Вселенной это ознаменовало открытие окна возможностей для образования ядер легких элементов. Все ядра, образовывавшиеся в первые три минуты, неизбежно распадались; в дальнейшем начали появляться устойчивые ядра.

Однако это первичное образование ядер (так называемый нуклеосинтез) на ранней стадии расширения Вселенной продолжался очень недолго. Вскоре после первых трех минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения между ними стали крайне редкими, и это ознаменовало закрытие окна синтеза ядер. В этот краткий период первичного нуклеосинтеза в результате соударений протонов и нейтронов образовались дейтерий (тяжелый изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре), гелий-3 (два протона и нейтрон), гелий-4 (два протона и два нейтрона) и в незначительном количестве литий-7 (три протона и четыре нейтрона). Все более тяжелые элементы образуются позже — при формировании звезд (см. эволюция звезд).

Теория Большого взрыва позволяет определить температуру ранней Вселенной и частоту соударений частиц в ней. Как следствие, мы можем рассчитать соотношение числа различных ядер легких элементов на первичной стадии развития Вселенной. Сравнив эти прогнозы с реально наблюдаемым соотношением легких элементов (с поправкой на их образование в звездах), мы обнаруживаем впечатляющее соответствие между теорией и наблюдениями. По моему мнению, это лучшее подтверждение гипотезы Большого взрыва.

Помимо двух приведенных выше доказательств (микроволновой фон и соотношение легких элементов) недавние работы (см. инфляционная стадия расширения вселенной) показали, что сплав космологии Большого взрыва и современной теории элементарных частиц разрешает многие кардинальные вопросы устройства Вселенной. Конечно, проблемы остаются: мы не можем объяснить саму первопричину возникновения Вселенной; не ясно нам и то, действовали ли в момент ее зарождения нынешние физические законы. Но убедительных аргументов в пользу теории Большого взрыва на сегодняшний день накоплено более чем достаточно.

 

АрНО АллАН ПЕНЗиАО (Arno Allan Penzias, р. 1933) и РОБЕРт вудРО вильсОН (Robert Woodroe Wilson, р. 1936) — американские физики. Пензиас родился в Мюнхене, эмигрировал в США вместе с родителями в 1940 году. Уилсон родился в Хьюстоне (США). Оба приступили к работе в лабораториях Bell в Холмдейле, штат Нью-Джерси в начале 1960-х годов. В 1963 году перед ними была поставлена задача выяснить природу шумов в радиодиапазоне, создающих помехи для радиосвязи. Отметя

целый ряд вероятных причин (вплоть до загрязнения антенн голубиным пометом), они пришли к выводу, что источник стабильного фонового шума находится за пределами нашей Галактики. Иными словами, это был космический радиационный фон, предсказанный астрофизиками-теоретиками, включая Роберта Дика (Robert Dick), Джима Пиблза (Jim Peebles) и Георгия Гамова (George Gamov). За свое открытие Пензиас и Уилсон были удостоены в 1978 году Нобелевской премии по физике.

Бритва Оккама

Самое простое объяснение, скорее всего, и есть правильное

 

В XIV веке Уильям Оккам был одним из самых известных философов своего времени, но сегодня мы знаем его лишь как автора принципа простоты, который он сформулировал в одной из своих книг, предложив «сбривать» лишнюю сложность в аргументации. Этот принцип получил название «бритва Оккама»* и звучал приблизительно так: «Non sunt entia multiplicanda praeter necessitatem», что означает: «Не нужно множить сущности без необходимости». Это предупреждение о том, что не надо прибегать к сложным объяснениям там, где вполне годятся простые.

Допустим, кто-то увидел яркий и необычный свет в ночном небе — неопознанный летающий объект. Конечно, можно предположить, что это огни космического корабля, управляемого инопланетянами. Однако такое объяснение требует множества излишних, по Оккаму, «допущений» — что существуют инопланетяне, что они умеют управлять межпланетными кораблями, что они проявляют интерес к планете Земля, что они не могут пролететь незамеченными (несмотря на свои передовые технологии) и т. п. Но для огней на небе существует множество других, более простых объяснений: что это был самолет, или планета Венера (причина номер один «появления» всяческих НЛО), или пресловутые погодные зонды и т. п. Каждое из этих объяснений требует относительно небольшого количества допущений. И хотя никто не может доказать, что свет исходил не от инопланетного космического корабля, большинство из нас (сознательно или бессознательно) воспользуется бритвой Оккама и отвергнет это предположение.

Должен сказать, что, хотя ученые часто говорят о бритве Оккама и даже используют ее, когда речь идет о таких псевдонаучных вещах, как НЛО, я не припомню, чтобы к ней прибегали во время серьезных научных дискуссий. Причина, я думаю, в том, что ученые чувствуют себя неуютно, когда им приходится использовать философские аргументы, а имея под рукой надежные экспериментальные данные, незачем прибегать к общим соображениям. Иными словами, выбирая между теориями А и В, ученый будет полагаться на наблюдения и экспериментальные данные, а не на философские принципы вроде бритвы Оккама. В этом отношении бритва Оккама подобна критерию красоты — ученым удобно, что они существуют, они даже не сомневаются в их правильности, но редко используют их в работе.

 

уильяМ ОККАМ (William of Occam, 1285-1349) — английский философ и богослов. Родился в Оккаме, деревушке в графстве Суррей. Стал монахом-францисканцем, изучал богословие в Оксфордском университете. В 1324 году был обвинен в ереси и оказался вовлечен в споры между орденом францисканцев и

Ватиканом. Уильям закончил свою жизнь в Баварии, написав трактаты о церкви и государстве, в которых выступал против абсолютной власти папы. Первоначально он ввел свою «бритву» для упрощения богословской аргументации.

Броуновское движение

Малые частицы взвеси хаотично движутся под воздействием ударов молекул жидкости