От химической энергии к сокращению мышц

 

Итак, то, что попадает к нам в желудок, может приносить пользу с медицинской точки зрения и доставлять удовольствие, но все же главное, для чего мы едим, – это производство энергии. Мы уже говорили о том, что переваривание пищи представляет собой процесс медленного горения, в ходе которого вырабатывается энергия. Она запасается в молекулах АТФ, откуда ее берут мышцы, совершающие движения. Сокращение мышц происходит благодаря двум белкам, один из которых «ползет» по волокну другого, попеременно совершая захват и подтягиваясь, словно при лазании по канату. Этот процесс инициируется электрическим сигналом.

О возбуждении мышц при помощи электричества было известно уже давно, и это привело к созданию очень известного фильма ужасов. Как‑то летом одна молодая женщина по имени Мэри Уолстонкрафт Годвин отправилась в романтическую поездку со своим женихом и захватила с собой несколько книг для чтения. В их числе оказался отчет итальянского ученого Луиджи Гальвани о своей работе. Выйдя замуж, Мэри сменила фамилию на Шелли. Однажды в Швейцарии в дождливый день ей пришла в голову идея романа «Франкенштейн».

Проводя эксперименты с препарированными лягушками, Гальвани случайно коснулся проводом под напряжением мышцы лягушачьей ноги, и та дернулась, словно лягушка была еще жива. Хотя многое в этом явлении в то время интерпретировалось неверно (в том числе и миссис Годвин), это было началом понимания того, какую роль электричество играет в организме животных и каким образом с его помощью передаются сигналы.

 

Как совершается работа

 

До сих пор я говорил об энергии как о хорошо понятной всем концепции, однако все же следует пояснить, о чем идет речь. Мы уже видели, что энергия и материя – разные проявления одной и той же сущности, однако для того, чтобы превратить материю в энергию, необходим особый процесс, например термоядерный синтез или аннигиляция материи и антиматерии. В организме человека химическая энергия, запасенная в электронных связях, которые обеспечивают соединение атомов в молекулах, высвобождается и превращается в механическую энергию мышц.

Как это происходит? Энергия сама по себе не совершает работы. Работа – это трансформация энергии из одного состояния в другое. Например, когда мы передвигаем предметы, работа измеряется количеством прилагаемых усилий, умноженным на расстояние.

Когда‑то под работой понимался только физический труд. В наши дни работа многих людей не связана с физическими усилиями, но даже умственный труд требует трансформации энергии, и зачастую необходимо сначала поработать головой и только потом руками. Например, чтобы написать книгу, надо сначала придумать оригинальную идею.

Процесс обдумывания не связан с физическими усилиями. Они понадобятся позже, в процессе печатания рукописи и издания книги. В общих чертах можно сказать, что задача тела заключается в преобразовании химической энергии в работу.

Работа и энергия измеряются в джоулях. В повседневной жизни мы все еще пользуемся устаревшей единицей измерения – калорией, которая составляет чуть больше четырех джоулей. Энергетическую ценность продуктов питания мы измеряем в тысячах калорий (килокалориях). Американские диетологи посчитали, что приставка «кило» будет вводить публику в заблуждение, поэтому в обиходе заменяют, к примеру, 129 килокалорий на 129 калорий (что явно неправильно) или 129 Калорий (написание с заглавной буквы в данном случае формально верно, но приводит к путанице).

 

Великая загадка шмеля

 

Каждый раз, совершая движение, вы используете энергию, запасенную организмом. Это совершенно очевидно. Однако некоторые животные, похоже, расходуют на движение больше энергии, чем получают ее с пищей. Получается, что они берут энергию как бы ниоткуда. Самым известным примером является шмель. Возможно, вам уже приходилось слышать: «Это просто загадка какая‑то. Никто не понимает, почему шмель способен летать. У науки нет ответа». Зачастую подобные высказывания приводятся в качестве доказательства, что Бог способен создать то, чего не может объяснить наука.

В действительности так называемый парадокс шмеля – это не более чем заблуждение. Да, на первый взгляд кажется странным, что такое большое тело удерживается в воздухе с помощью маленьких и хрупких крылышек. Но шмель имеет на удивление низкий вес, а его крылья совсем не похожи на крылья птиц, и их подъемная сила создается за счет иных явлений. Они напоминают вертолетный винт, создающий вертикально направленные вращающиеся потоки воздуха, которые обладают большей подъемной силой, чем потоки воздуха, обтекающие крыло обычного самолета. Таким образом, здесь нет никакой проблемы. Шмелю не приходится тратить больше энергии, чем он потребляет.

 

Кенгуру на пружинах

 

Есть еще один представитель животного мира, который в определенном смысле расходует больше энергии, чем получает. Это кенгуру. Если сложить всю энергию, которая нужна ему для прыжков в течение дня, то она явно окажется выше, чем та, что он потребляет с пищей. Создается впечатление, что он производит энергию из ничего.

Однако при выполнении этих расчетов биологи упустили из виду, что мышцы ног кенгуру устроены наподобие резинового мяча. Если уронить мяч, то при ударе об пол он сжимается, накапливая энергию, а затем за счет упругости восстанавливает форму. При этом высвобождается энергия, отталкивающая его от пола. Точно так же энергия накапливается в пружине и растягиваемой резиновой ленте. Никакой дополнительной энергии извне в систему не поступает, но мяч подпрыгивает в воздух за счет энергии, запасенной при деформации от удара об пол.

Нечто похожее происходит и с кенгуру. Его мышцы устроены таким образом, что, когда ноги ударяются о землю, в них накапливается энергия, словно при растяжении резиновой ленты. Затем она высвобождается и используется для следующего прыжка. Таким образом, кенгуру для движения нуждается в меньшем количестве пищи. Если бы не эта специфическая конструкция мышц, то вся энергия при приземлении превращалась бы в звук и тепло. Однако, как мы видим, часть ее запасается для повторного использования. Точно так же электрический транспорт использует процесс торможения для пополнения заряда аккумуляторов, который будет расходоваться при последующем разгоне.

 

Тепло – это движение

 

Рассматривая движение энергии в своем теле и в теле кенгуру, мы имеем дело с термодинамикой. Если разложить это слово на составные части, получается «движение тепла». Так оно и есть, если вспомнить, что тепло является одной из форм энергии. Тепло – это кинетическая энергия движущихся молекул вещества. Нагрейте любой предмет – и его молекулы начнут двигаться быстрее. Термодинамика приобрела особое значение в XIX веке, так как позволила объяснить принцип работы паровых двигателей. С тех пор она стала фундаментальной частью науки.

О значении термодинамики свидетельствует изречение одного из самых великих ученых XX века Артура Эддингтона: «Если кто‑то указывает на то, что ваша теория устройства Вселенной противоречит уравнениям Максвелла (описывающим электромагнитные явления), то тем хуже для Максвелла. Если обнаруживается, что она противоречит наблюдениям, то не исключено, что экспериментаторы что‑то напутали. Но если ваша теория вступает в противоречие со вторым началом термодинамики, то у вас нет никакой надежды. Вы потерпите крах и будете осмеяны».

Ко второму началу термодинамики, о котором говорит Эддингтон, мы вернемся чуть позже, а пока поговорим об остальных. Как ни парадоксально, но термодинамика начинается с нулевого закона (или начала). Он получил такое название потому, что был сформулирован после первых трех, но фактически является для них основой. Этот закон гласит, что при контакте двух тел, имеющих одинаковую температуру, передачи тепла между ними не происходит. Поскольку тепло представляет собой движение молекул, то передача энергии от одного тела другому и обратно, конечно же, осуществляется, но она взаимно компенсируется и сводится к нулю.

Первое начало термодинамики состоит в том, что в любой изолированной системе запас энергии остается неизменным (закон сохранения энергии). Ее нельзя ни создать, ни уничтожить. Что вложили, то и получите на выходе. Второе начало, о котором говорил Эддингтон, устанавливает, что тепло (то есть энергия) переходит из более нагретого места в менее нагретое. Для полноты картины необходимо упомянуть и о третьем начале, которое гласит, что тело невозможно охладить до абсолютного нуля с помощью конечного числа операций. С каждым шагом вы можете чуть ближе подходить к абсолютному пределу холода, но никогда не сможете его достичь.