Показатель pH: измерение кислотности

Для водных растворов широко используется система определения концентрации кислоты или основания, которая лучше всего может быть объяснена в терминах теории Брёнстеда—Лаури. В чистой воде в каждый момент времени какие-то молекулы H₂O диссоциируют на ионы водорода (H+) и гидроксид-ионы (OH^-), и одновременно с этим какие-то соседние ионы H+ и OH^- соединяются с образованием молекул воды. Таким образом, в воде всегда присутствуют ионы водорода (протоны). Молярная концентрация (см. закон авогадро) водорода в чистой воде составляет 10^-7 моль на литр. Это означает, что одна молекула H₂O из каждых 10 миллионов находится в форме ионов.

Условились считать, что водородный показатель pH (сокр. от англ. power of hydrogen — «степень водорода») чистой воды равен 7 — это математический показатель степени из выражения 10^-7, взятый с положительным знаком. Мы можем повысить концентрацию ионов водорода в воде, добавив кислоту. Например, если мы добавим в чистую воду соляную кислоту (HCl), концентрация ионов водорода возрастет. Если мы достигнем точки, в которой молярная концентрация составляет 10^-1 моль на литр, мы получим примерное значение кислотности желудочного сока. pH этого раствора составит 1. Таким образом, pH ниже 7 характеризует кислоту, и чем меньше значение pH, тем сильнее кислота.

Подобным образом можно понизить концентрацию ионов водорода в чистой воде, добавив основание (ионы OH^- основания будут реагировать с ионами H⁺ с образованием молекул воды). Так, у аммиака, применяемого в домашнем хозяйстве, молярная концентрация ионов водорода составляет всего 10^-11 моль на литр, и, следовательно, pH равен 11. А поскольку pH больше 7, это основание.

 

Клеточная теория

•

1663, 1839

(1) Все живые организмы состоят из одной или нескольких клеток;

(2) химические реакции, происходящие в живых организмах, локализованы внутри клеток;

(3) все клетки ведут начало от других клеток;

(4) в клетках содержится наследственная информация, которая передается от одного поколения к следующему

КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ

Первым человеком, увидевшим клетки, был английский ученый Роберт Гук (известный нам благодаря закону гука). В 1663 году, пытаясь понять, почему пробковое дерево так хорошо плавает, Гук стал рассматривать тонкие срезы пробки с помощью усовершенствованного им микроскопа. Он обнаружил, что пробка разделена на множество крошечных ячеек, напомнивших ему монастырские кельи, и он назвал эти ячейки клетками (по-английски cell означает «келья, ячейка, клетка»). В 1674 году голландский мастер Антоний ван Левенгук (Anton van Leeuwenhoek, 1632-1723) с помощью микроскопа впервые увидел в капле воды «зверьков» — движущиеся живые организмы. Таким образом, к началу XVIII века ученые уже знали, что в живых организмах есть клетки.

Однако лишь в 1838 году Маттиас Шлейден, посвятивший много лет жизни подробнейшему изучению растительных тканей, предположил, что все растения состоят из клеток. А год спустя Шлейден и Теодор Шванн высказали гипотезу, что клеточное строение имеют все живые организмы. Так была заложена основа современной клеточной теории. В 1858 году теорию дополнил немецкий патолог Рудольф Вирхов (Rudolph Virchow, 1821-1902). Ему принадлежит высказывание: «Там, где есть клетка, должна быть и предшествующая ей клетка». Иными словами, живое может возникнуть только от другого живого. Когда были переоткрыты законы менделя и ученые заинтересовались вопросами наследственности, клеточная теория была дополнена четвертым из перечисленных выше тезисов. Сегодня хорошо известно, что наследственный материал содержится в клеточной ДНК (см. центральная догма молекулярной биологии).

 

XIX-XX

XIX-XX

•

БИОЛОГИЧЕСКИЕ МОЛЕКУЛЫ

РАСПРОСТРАНЕНИЕ НЕРВНЫХ ИМПУЛЬСОВ

ТЕОРИЯ ЭВОЛЮЦИИ ДНК

ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ

БИОЛОГИИ

МАТТИАС ЯКОБ ШЛЕЙДЕН (Matthias Jacob Schleiden, 1804-81) — немецкий ботаник, родился в Гамбурге в семье известного врача. Он учился на адвоката, но забросил юриспруденцию, чтобы изучать ботанику, и со временем стал профессором Йенского университета. В отличие от других ботаников, которые в то время ограничивались систематикой растений, основным инструментом Шлейдена при изучении роста и структуры растений был микроскоп.

ТЕОДОР ШВАНН

(Theodor Schwann, 181082) — немецкий физиолог, родился в Нёйсе. Он готовился стать священником, но вскоре увлекся медициной. Получив степень доктора медицины в Берлине, Шванн совершил ряд открытий в области биохимии. Позднее, уже будучи профессором Льежского университета, Шванн перешел на позиции религиозного мистицизма.

Е

СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ

Сер. 1960-х

ИММУННАЯ СИСТЕМА

КЛОНИРОВАНИЕ

Клонирование

•

1663, 1839

Можно получить потомство млекопитающих, генетически идентичное живым взрослым особям

•

Клеточная теория

Законы менделя

Днк

Центральная догма

Молекулярной

1960-е

Биологии

Стволовые клетки

КЛОНИРОВАНИЕ

В 1996 году весь мир был взбудоражен новостью об овечке Долли. В результате экспериментов, выполненных под руководством Яна Уилмута, родилась овца, генетически идентичная взрослой овце. В норме (см. законы менделя) особь вырастает из одной оплодотворенной яйцеклетки, получив половину генетического материала от одного родителя и вторую половину — от второго. При клонировании же генетический материал берут из клетки одной живущей особи. Делается это так: из одной оплодотворенной клетки (зиготы) удаляют ядро (в котором находится днк). Затем извлекают ядро из клетки взрослой особи этого же вида и имплантируют его в лишенную ядра зиготу. Это яйцо имплантируют в матку самки данного вида и дают ему возможность расти, пока не придет время родов.

Сенсационность клонирования, принесшая Яну Уилмуту и Долли мировую известность, заключается в характере изменений клеточной ДНК по мере развития эмбриона. В начале в зиготе «включены» все гены, другими словами, все они могут работать. Однако в определенные сроки клетки становятся специализированными — в них отключаются разные гены, и их эффект больше не проявляется (на языке генетиков это называется «они не могут экс-прессироваться»). Например, в каждой клетке вашего организма есть гены, отвечающие за синтез инсулина, но при этом инсулин вырабатывается только определенными участками поджелудочной железы. Во всех остальных клетках вашего тела (например, в клетках кожи, нервных клетках головного мозга) ген инсулина отключен.

Очевидно, что в ДНК, имплантированной в оплодотворенную яйцеклетку, какие-то гены уже отключены; какие именно и в какой последовательности — определяется тем, из какого органа взрослой особи была получена клетка. Оказывается, оплодотворенное яйцо — мы до конца не понимаем, как это происходит, — способно вновь установить часы клетки на 0, т.е. вновь включить все гены, благодаря чему становится возможным нормальное развитие эмбриона. В этом суть великого открытия Уилмута.

Не все попытки клонирования оказываются успешными. Одновременно с Долли эксперимент по замене ДНК был проведен на 273 других яйцеклетках, и лишь в одном случае выросло живое взрослое животное. После Долли были клонированы многие виды млекопитающих, назовем лишь некоторых — корова, мышь и свинья. Из яйцеклетки мыши получено несколько поколений клонированных животных — клоны, клоны из клонов, клоны из клонов и т.д.

Серьезнейшие разногласия вызвала возможность применения данной технологии к человеку. С одной стороны, новая технология несет ужасающую угрозу нравственности, поэтому клонирование человека надо запретить. С другой стороны, благодаря этой технологии много бесплодных супружеских пар получают шанс иметь

 

биологически родственных им детей, и, значит, по мнению многих, это вполне этично.

Пока споры продолжаются, обратим внимание на один важный аспект. С технической точки зрения клон, каким является Долли, всего лишь особь, ДНК которой идентична ДНК другой особи. Нам нередко приходится сталкиваться с особями, имеющими идентичную ДНК — мы называем их близнецами. Клон — это просто-напросто близнец, родившийся на несколько лет или десятилетий позже — «асинхронный близнец». Так же как нам никогда не пришло бы в голову ожидать, что один близнец может отдать другому свое сердце для пересадки, перспектива выращивания клонов для заготовки пересаживаемых органов — лишь страшный сон, который никогда не станет явью. Я на собственном опыте убедился, что стоит заменить слово «клон» на «близнец», как дебаты по клонированию человека утрачивают пафос.

Не могу поручиться, но думаю, что ближе к 2010 году клонирование будет считаться не более предосудительным, чем оплодотворение в пробирке или другие современные методы лечения бесплодия. Поскольку клонирование — довольно простая процедура, предусматривающая использование стандартных приемов, я ожидаю в скором времени появления клонированных людей (если только это уже не произошло к тому моменту, когда вы читаете эти строки).

 

ЯН УИЛМУТ (Ian Wilmut, р. 1944) — шотландский эмбриолог, родился в английском городке Хэмптон-Люси. В 1971 году окончил Ноттин-гемский университет, а в 1974 году получил докторскую степень за разработку методов замораживания свиной спермы. В том же году перешел в Институт Рослина рядом с Эдинбургом, где продолжает заниматься генетической инженерией

Домашнего скота. Уилмут установил причины внутриутробной смерти овец и свиней, связанные с нарушением развития и физиологией, затем начал исследовать методы улучшения поголовья домашнего скота. В связи с полемикой по поводу клонированных животных Уилмут заметил: «Я не провожу бессонных ночей. Я верю в высокую нравственность нашего вида».

Космический треугольник

Распределение совокупной массы и энергии Вселенной по трем независимым пространственным измерениям неизбежно приводит к тому, что большая часть материи Вселенной остается невидимой для нас в силу особенностей ее структурного строения

 

1917 ^ космологическая постоянная

1933 ^ темная материя

1948 ^ БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

1990-е ^ КОСМИЧЕСКИЙ ТРЕУГОЛЬНИК

Со времени доказательства существования темной материи мы знаем, что большая часть вещества Вселенной для нас невидима, и о самом существовании скрытой материи мы можем судить лишь по неизбежным гравитационным проявлениям ее присутствия. Один из таких эффектов — расширение Вселенной (см. большой взрыв, закон хаббла): скорость расширения зависит от плотности вещества в ней. До недавних пор у астрофизиков было единственное средство для оценки плотности материи (как видимой, так и скрытой) во Вселенной — посредством прямого измерения скорости разбегания галактик с последующими весьма приблизительными расчетами нынешней плотности вещества во Вселенной по ее предполагаемой исходной массе, поделенной на пространственный объем, который успело занять разбегающееся вещество с момента Большого взрыва. Традиционно речь шла о выборе между двумя моделями замкнутой Вселенной, в которой достаточно материи, чтобы со временем расширение сменилось сжатием, или открытой Вселенной, которая так и будет расширяться до бесконечности.

В конце 1990-х годов астрофизикам удалось связать воедино три метода наблюдения за веществом Вселенной — три микроскопа, если хотите, позволяющих пристально рассматривать процессы в космических глубинах. Одни из этих методов были совершенно новыми, другие — усовершенствованными старыми. Главное, что каждый из трех методов позволяет дать достаточно полную картину строения Вселенной и определить собственные пределы допустимого. и вот что поразительно: все три метода дали картину совершенно неожиданную: никто и представить не мог, что Вселенная ведет себя именно таким образом.

Первый «микроскоп» измеряет рентгеновские излучения межгалактического газа в скоплениях галактик. идея такова, что, чем массивнее скопление, тем больше межгалактического газа оно «засасывает» и тем горячее будет этот газ. Поскольку основная масса вещества Вселенной (как видимого, так и скрытого) сосредоточена именно в галактических скоплениях, такая техника позволяет оценить общую плотность материи во Вселенной. Результаты таких оценок показали: совокупная масса вселенской материи составляет порядка 20-30% от массы, необходимой для перехода Вселенной от расширения к сжатию. То есть, по этим оценкам, мы живем в открытой Вселенной.

Вторым «микроскопом» стали тщательные измерения реликтового микроволнового фона (см. большой взрыв). Полная однородность и изотропность этого фона указывают, что Вселенная является совершенно «плоской» в геометрическом понимании, хотя данные исследования рентгеновских лучей, казалось бы, показывают, что массы вселенской материи недостаточно, чтобы «расплющить» пространство до совершенно плоского состояния. иными словами, два первых «микроскопа» показывают прямо противоположные результаты (если не предположить, что кроме

 

видимой и скрытой материи во Вселенной не существуют и еще какие-то формы материи), а из этого следует одно из двух: либо нам открывается неполная картина явлений во вселенском масштабе, либо в корне неверны наши основополагающие гипотезы и теории.

И наконец, самый новый «микроскоп» — метод прямого измерения скорости расширения Вселенной. Идея такова: изучая излучение галактики, удаленной от нас на расстояние в 10 миллиардов световых лет, мы видим Вселенную такой, какой она была за 10 миллиардов лет до нас. В частности, мы видим, с какой скоростью она в то время расширялась. Сравнив эту скорость с текущей скоростью расширения Вселенной, мы можем определить, насколько снизилась скорость расширения за прошедшие 10 миллиардов лет и по этому показателю рассчитать совокупную массу материи во Вселенной.

Астрономы долго боролись с т. н. параметром замедления, не зная которого, невозможно определить истинное расстояние до удаленного космического объекта, каковым является соседняя галактика. И тут подоспел на помощь новый инструмент измерения. Имеется несколько типов сверхновых звезд (сверхмощных вспышек при смерти массивной звезды; см. эволюция звезд). Один из типов вспышки сверхновой называется сверхновая типа Ы — такая вспышка происходит в двойных звездных системах, где одна из звезд представляет собой белый карлик и «перетягивает» на себя вещество второй, горячей звезды. После накопления на поверхности белого карлика критической массы «ворованного» вещества запускается цепная реакция термоядерного синтеза, и весь этот наносной слой взрывается наподобие гигантской водо-

 

Упрощенная схема космического треугольника, на которой отражены три области допустимых состояний Вселенной

 

родной бомбы. Поскольку критическая масса и мощность такого ядерного взрыва поверхности любой сверхновой типа 1а не отличаются друг от друга, яркость любой сверхновой типа 1а практически неизменна, это и есть ключ к работе третьего «микроскопа». Отыскав в далекой галактике сверхновую типа 1а и сравнив наблю-

 

даемую яркость вспышки с расчетной, астрофизики могут определить реальное расстояние до галактики.

ркисть вспышек т-. и Вселенная состоит лишь из видимой

И тут результаты получились просто ошеломляющие: расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется! Это явление вообще невозможно объяснить, оставаясь в рамках предположения, что

и скрытой материи, поскольку в этом случае ее гравитационное притяжение неизбежно должно приводить к замедлению темпов разбегания галактик. Единственно возможное объяснение — во Вселенной существует нечто, какая

 

то субстанция бытия, до сих пор выходившая за пределы понимания бледной в своей традиционности научной мысли. Это своего рода антигравитация — сила взаимного отталкивания материи, действующая на космических расстояниях (и действие ее усиливается с ростом расстояния, чем это поле принципиально отличается от всех других силовых полей, начиная с обычного гравитационного, которые убывают с расстоянием). Астрофизики условились обозначать природу этой непостижимой пока силы термином темная энергия. Лично мне это название нравится, поскольку мы пока что ничего не знаем о происхождении этого явления.

итак, три описанных микроскопа дают нам такую картину устройства Вселенной, из которой следует, что обычного вещества во Вселенной недостаточно, чтобы до конца «распрямить» ее в пространстве, однако этот дефицит с запасом покрывается темной энергией непонятной нам природы, под воздействием которой Вселенная расширяется ускоряющимися темпами, и будет расширяться до бесконечности, невзирая на то, что геометрия Вселенной уже в целом выпрямилась. Если взглянуть на вещи именно так, кажущаяся противоречивость картины, которую мы наблюдаем посредством трех вышеописанных «микроскопов», устраняется, и мы видим перед собой то, что принято называть космическим треугольником, схематическое представление которого представлено на рисунке. Внутри треугольника разной штриховкой заполнены «теоретически» допустимые области согласно результатам наблюдений через каждый из трех «микроскопов», а реальная Вселенная находится в точке взаимного пересечения всех трех областей. из диаграммы видно, что около одной трети энергии Вселенной пребывает в материальном состоянии (в форме наблюдаемой и скрытой материи), а около двух третей — в форме темной энергии. И опять же мы видим, насколько мизерен по своим масштабам наш обыденный мир на фоне устройства Вселенной в целом.

Возможное (и самое распространенное среди астрофизиков) объяснение происхождения темной энергии состоит в том, что она — суть физическое проявление космологической постоянной, предложенной Альбертом Эйнштейном в начале XX века. Однако у гипотезы объяснения темной энергии физическим проявлением космологической константы сегодня имеются и противники. Ими выдвигается гипотеза о существовании квинтэссенции — неизвестной нам новой силы, свойства которой пока совершенно не изучены. Само ее название в переводе с греческого означает «пятый элемент» — в дополнение к четырем элементам или стихиям, из которых, по представлениям древнегреческих философов, состоял мир: земля, огонь, воздух и вода. Какая из двух гипотез в будущем подтвердится фактами, станет ясно лишь после того, как ученые разработают новые эксперименты и методы измерения.

 

Космологическая постоянная

Космологическая

постоянная,

если таковая

действительно

существует, могла

бы послужить

объяснением

наблюдаемому

расширению

Вселенной с

нарастающей

скоростью

расширения

 

1905, • ТЕОРИЯ

•

ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ

ЗАКОН ХАББЛА

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

1948 • ТЕОРИЯ

СТАЦИОНАРНОЙ ВСЕЛЕННОЙ

Постулируя общую теорию относительности Альберт Эйнштейн был уверен в стационарности Вселенной, то есть в том, что положение галактик относительно друг друга практически не меняется. Однако он не мог не заметить, что в силу действия закона всемирного тяготения ньютона Вселенная должна сжиматься, что противоречит здравому смыслу. Поэтому, чтобы уравновесить силы гравитации, ведущие Вселенную к неизбежному и скоропостижному коллапсу, Эйнштейну пришлось ввести в уравнения общей теории относительности дополнительное слагаемое — космологический член, своего рода антигравитационную поправку на необъяснимую силу отталкивания, буквально растаскивающую галактики и противодействующую силе их взаимного гравитационного притяжения. Эта сила, согласно Эйнштейну, возрастает с расстоянием с коэффициентом пропорциональности, равным так называемой космологической постоянной, которую ученый обозначил греческой прописной буквой Л (лямбда).

Противореча, на первый взгляд, критерию красоты теории, эта добавка оказалась неизбежной с точки зрения сохранения ее непротиворечивости. Однако после открытия явления расширения Вселенной (см. закон хаббла), Эйнштейн понял, что нужда в космологической постоянной отпала. Эйнштейн тут же исключил космологический член из своих уравнений и впоследствии неоднократно называл его первоначальное появление в них грубейшей из допущенных им за всю свою жизнь ошибок.

После этого почти до конца ХХ столетия космологическая постоянная впала в немилость в теоретической физике. Редкие смельчаки из числа физиков-теоретиков, пытавшихся хотя бы заикнуться об ее возвращении в модель устройства Вселенной для объяснения той или иной неразрешимой головоломки, немедленно подвергались жестокому высмеиванию со стороны коллег. А затем в конце 1990-х годов история физики приняла неожиданный поворот, и Л гордо вернулась на сцену и оказалась в центре всеобщего внимания.

Теория большого взрыва неизбежно подразумевает вопрос: и чем все это представление завершится? Либо разбегающиеся галактики в какой-то момент повернут вспять под воздействием сил гравитационного притяжения, и Вселенная сожмется обратно в точку в момент того, что иногда называют большой крах по аналогии с большим взрывом; либо Вселенная так и будет расширяться до бесконечности во тьму пространства, пока не обратится в рассеянный холодный прах в результате тепловой смерти. Казалось бы, третьего не дано. Как правоверные христиане не видят для себя после смерти иной альтернативы, кроме попадания в рай или ад, все космологи строили догадки исключительно на предмет того, какая из двух судеб предначертана Вселенной.

одним из методов получения ответа на этот вопрос явилось измерение скорости удаления галактик, отстоящих от Земли на самые большие расстояния — в миллиарды световых лет. Пос-

 

кольку свет от них шел до Земли миллиарды лет, по доплеровскому смещению в их спектрах мы можем вычислить, с какой скоростью они удалялись миллиарды лет назад. Сравнив эту скорость с современной скоростью разбегания ближайших галактик, мы узнаем, насколько силы гравитационного притяжения успели замедлить расширение Вселенной, а там, можно надеяться, и вычислим ее

судьбу.

Измерение скорости удаления галактик на сегодняшний день задача решаемая (см. эффект доплера) — достаточно измерить красное смещение в спектре излучения их звезд. Гораздо труднее

 

альберт Эйнштейн (Albert

Einstein, 1879-1955) — один из величайших физиков-теоретиков XX века. Родился в Ульме, Германия; жил и работал в Германии, Швейцарии и США. Сын владельца маленького электрохимического заводика в Мюнхене; в этом городе и началось его формальное образование. После того как семейный бизнес пришел в полный упадок, семья Эйнштейнов перебралась в Италию, а юный Альберт отправился в Цюрих (Швейцария), где и продолжил формальное образование. (Тут самое время развенчать устойчивый миф о том, что в юности Эйнштейн был нерадивым студентом и даже получал двойки по математике. С учебой у Эйнштейна проблем не возникало, зато он имел массу дисциплинарных взысканий, однако проблемы с администрацией закостенелой в те годы германской системы образования возникали у многих студентов, отличавшихся свободомыслием.) В 1901 году Эйнштейн устроился на работу в Швейцарское патентное бюро в Берне и в том же году получил швейцарское гражданство по причине острого недовольства жестким и милитаризированным режимом, воцарившимся в Германии. За семь лет, проведенных на этой должности, он и внес свой основной вклад в науку, включая теоретическое объяснение фотоэлектрического эффекта и броуновского движения и специальную теорию относительности. В 1909 году, получив признание в академических кругах, стал профессором Цюрихского, затем Пражского университетов и, наконец, возглавил Институт физики им. Кайзера Вильгельма в Берлине. Ранний брак с однокурсницей Милевой Марич (Mileva Marie) сложился неудачно; в 1919 году Эйнштейн развелся со своей первой