Георгий Гамов - Мистер Томпкинс внутри самого себя

Как получить механическую энергию из двух лабораторных стаканов с водой

— И мышцы работают так же, как этот механохимический двигатель? — спросил мистер Томпкинс.

— В общих чертах примерно так, — ответил Сент. — Мышцы работают, используя то, что мы называем химическим потенциалом, источником которого служит АТФ. Чтобы объяснить, в чем здесь суть дела, мне придется показать вам, как примерно выглядит молекула АТФ. Входить в атомные детали было бы излишне, достаточно знать, что она состоит из весьма сложной органической молекулы, называемой аденозином, в которой 3 молекулы фосфорной кислоты прикреплены в следующей последовательности: аденозин-фосфорная кислота — фосфорная кислота — фосфорная кислота. Вместо АТФ, что означает аденозин-трифосфат, мы можем записать А-Ф-Ф-Ф.

— Выглядит несколько сложновато, — заметил мистер Томпкинс.

— Если поместить АТФ в воду, — продолжал Сент, — то произойдет, особенно в присутствии определенных ферментов, следующая реакция:

А-Ф-Ф-Ф + Н 2О —> А-Ф-Ф + Ф.

Иначе говоря, один из фосфатов отщепится, и образуется соединение, которое мы называем АДФ, или аненозиндифосфорной кислотой. Некоторое количество АТФ образуется из АДФ и фосфорной кислоты в результате обратной реакции, но длинная верхняя стрелка указывает на то, что АТФ распадается гораздо быстрее, чем образуется, поэтому когда достигается равновесие, АДФ в растворе оказывается гораздо больше, чем АТФ. Поэтому мы говорим, что АТФ обладает способностью спонтанно вырождаться в АДФ. Подобно тому, как коллагеновая машина работает, когда смешиваются соль и пресная вода, мышца работает, используя энергию, которая выделяется при переходе АТФ в состояние «АДФ и фосфорная кислота».

— Это достаточно понятно, — сказал мистер Томпкинс. — Какая же проблема, связанная с работой мышц, остается нерешенной?

— Проблема, над решением которой мы бьемся, заключается в выяснении того, какого рода машина может извлекать механическую энергию из этой реакции. Как вам известно, соль растворяется в пресной воде, но для того, чтобы построить машину, которая могла бы использовать это обстоятельство, требуется проявить смекалку. Сконструировав машину, которую мы называем мышцей, природа проявила необычайную смекалку.

— Но вы только что продемонстрировали мне, как сокращается актомиозин, — удивился мистер Томпкинс. Сент улыбнулся:

— Это только начало. Действительно, если мы добавим АТФ то актомиозин сократится, хотя и весьма слабо. Но реальная мышца — это нечто гораздо большее, чем комок актомиозина. Гораздо большее потому, что она должна делать гораздо больше. Мышца должна сильно и быстро сокращаться, а затем расслабляться и отдыхать до следующего сокращения. Она должна сокращаться, только если нерв передает ей команду сократиться, мышца должна вырабатывать АТФ, которая снабжает ее энергией. Наконец, не следует забывать о том, что со временем все молекулы, из которых состоит мышца, распадаются и подлежат замене, поэтому мышца должна знать, как синтезировать все белки и другие вещества, образующие ее. Вероятно, чтобы понять, что такое мышца, лучше всего взглянуть на нее сначала невооруженным глазом, а затем под все большим и большим увеличением, пока мы не дойдем до отдельных молекул.

В вашем теле встречаются молекулы всех размеров. Они не только связаны с костями и могут двигать тело, но и снабжены кровеносными сосудами, по которым к ним подводятся питательные вещества, а отводятся отходы жизнедеятельности. Кроме того, мышцы связаны с нервами, по которым к ним поступает сигнал из мозга, сообщающий мышце, когда ей нужно сократиться. Но каковы бы ни были величина и функция любой мышцы, она, как и любая другая ткань тела, состоит из клеток, мышечные клетки такие длинные и тонкие, что иногда их называют мышечными волокнами. Вы легко сможете понять, как устроена мышца, если представите себе мышечное волокно как трос, который состоит из более тонких тросов, в свою очередь скрученных из еще более тонких тросов размером с большую молекулу. В этом отношении мышца очень напоминает тросы, на которых держатся подвесные мосты. Вот, взгляните, пожалуйста, сначала в микроскоп с малым увеличением.

— А что это за странные поперечные полоски в мышечном волокне? Что это такое? — спросил мистер Томпкинс.