Роберт гук в световой микроскоп наблюдал. Кто изобрёл микроскоп? Результаты дальнейших исследований клеток

Англичане XVII века считали Роберта Гука самым изобретательным человеком, который когда-либо жил. Посвятив много времени изучению упругости, он в конце концов сформулировал закон, названный его именем. Тем не менее научные интересы Гука не ограничивались физическими явлениями. Он также оставил заметный след в архитектуре, математике и астрономии.

Наследие Роберта Гука

Будущий ученый родился в 1635 году на острове Уаит. Учился в Оксфордском университете. Вместе с Робертом Бойлем, известным английским химиком и физиком, участвовал в создании воздушного насоса. В 1662 году Гук получил свое первое назначение – куратора экспериментов при Лондонском королевском обществе. В следующем году его избрали членом этого общества, а спустя еще два года Роберт Гук получил кафедру геометрии в Оксфордском университете.

В 1666 году Лондон пережил пожар невиданных масштабов, после чего Гук стал одним из тех, кому власти поручили восстановление города. Над этим проектом он трудился вместе с главным смотрителем королевских зданий Кристофером Реном. Первое здание Британского музея (Дом Монтегю) и Лондонский мемориал, возведенный в память о страшном пожаре, – свидетельства архитектурного таланта Роберта Гука.

Кроме того, он выполнил большую часть проекта, по которому впоследствии была построена Гринвичская обсерватория. Интересно, что Лондонский мемориал, представляющий собой самую высокую безопорную каменную колонну в мире (ее высота 62 м), ученый собирался использовать для проверки теории гравитации.

Роберт Гук был еще и неплохим астрономом. Например, он создал зеркальный телескоп, установил, что Юпитер вращается вокруг своей оси, и даже двести лет спустя его рисунки Марса использовались для расчетов скорости вращения этой планеты.

Сегодня Гук не столь известен, как его оппонент Исаак Ньютон, однако некоторые его изобретения до сих находят свое применение. Универсальный шарнир, используемый в автомобилях, – один из таких примеров. Другой пример – термин «клетка», введенный Робертом Гуком при описании строения пробки.

Кстати, пробку ученый исследовал под усовершенствованным микроскопом, который сконструировал по его проекту английский конструктор Кристофер Кок. С помощью этого микроскопа Гук изучал окаменелости и пришел к заключению, что перед ним останки древних организмов. Также он рассматривал различных насекомых, тщательно зарисовывал увиденное, а затем в 1665 году издал книгу «Микрография».

Ее выход наделал в Лондоне много шума. На гравюрах размером 30х45 см красовались насекомые, запечатленные в мельчайших деталях. Говорят, самым известным рисунком стал рисунок блохи. Во-первых, потому что Гук изобразил ее со всеми шипами, коготками, крючками и щетинками.

А, во-вторых, состоятельные англичане вдруг узнали, что эти насекомые нередко живут в их собственных домах, ведь с гигиеной в Новое время было далеко не благополучно. В общем, впечатлительные дамы падали в обморок, разглядывая «Микрографию» Роберта Гука.

Тем не менее, издавая книгу, ученый не ставил перед собой цель развлечь публику. Это был научный труд, один из первых, созданный на основе микроскопических наблюдений. Кроме усовершенствованной модели микроскопа, Роберт Гук изобрел спиральную пружину для часов, диафрагму, регулирующую размер отверстия объектива, и многое другое.

Почему забыт

Из всего сказанного выше, очевидно – Роберт Гук действительно был выдающимся изобретателем и ученым Нового времени. Неудивительно, что сегодня его часто сравнивают с Леонардо да Винчи. Однако удивительно другое – почему столь разносторонний ученый был забыт?

Усовершенствованный микроскоп Роберта Гука

Как это ни печально, Исаак Ньютон, ранее считавший Гука своим учителем, впоследствии стал его главным противником. Спустя 22 года после публикации «Микрографии» Ньютон издал «Математические начала натуральной философии». В этом труде он среди прочего описал закон гравитации, к исследованию которого его побудили идеи Гука в этой области.

Содержание книги вызвало не просто разногласия между двумя учеными, оно привело к окончательному разрыву. Обозленный Ньютон сначала из своей книги удалил ссылки на работы Гука, а затем дошел до того, что приложил все силы, дабы имя его оппонента исчезло со страниц истории науки.
Например, после назначения Ньютона президентом Королевского общества исчезли бумаги Гука, его единственный портрет и все принадлежавшие ему инструменты. (Тот портрет, который вы видете в начале статьи, – это современная реконструкция, выполненная по сохранившимся описаниям современников).

Сообщение о , которое изложено в этой статье, расскажем об английском натуралисте, физике и исследователе.

Роберт Гук вклад в биологию. Что открыл Роберт Гук?

Роберт Гук вклад в биологию состоит в том, что он был первым, кто применил микроскоп в целях исследования животных и растительных тканей. Изучая срез сердцевины бузины, ученый увидел, что он состоит из большого количества мелких образований. Гук назвал их клетками.

Краткая информация о Роберте Гуке

Родители хотели, чтобы их сын Роберт посвятил свою жизнь духовной деятельности. Из-за слабого здоровья и увлечения механикой, Гука отправляют изучать часовое мастерство. В дальнейшем юноша проявил интерес к науке и стал обучаться в Вестминстерской школе. Здесь будущий ученый изучал математику, механику, физику и языки. Благодаря своему острому уму Гук в 1653 году поступил в Оксфордский университет.

Роберт Гук открытия в биологии

В университете он стал изучать физические свойства обычной пробки. Его сильно заинтересовал вопрос, по какой причине она обладает высокой плавучестью. Дабы выяснить это, Гук провел много наблюдений, делая срезы на пробке и изучая их под микроскопом. В ходе исследований ученый выявил, что она состоит из большого количества маленьких ячеек, похожих на монашеские кельи. В 1665 году Роберт Гук впервые описал, как устроены эти ячейки с перегородками. Результаты наблюдений он описал в труде «Микрография, или некоторые физиологические описания мельчайших тел, сделанные посредством увеличительных стекол». В нем ученый впервые употребил термин «клетка». Потом натуралист изучал срез сердцевины бузины и пробки, рассматривая под микроскопом все те же образования, похожие на ячейки из пчелиных сот. Хотя, на самом деле, он рассматривал не сами клетки, а их оболочки. Вот как Роберт Гук открыл клетку.

Кроме исследования клетки, ученый в своей книге описал происхождение полезных ископаемых, удаленные планетные тела и вопросы теории света. Его труд «Микрография» вызвал неподдельный интерес в научных кругах.

Что открыл Роберт Гук?

Кроме биологии ученый Роберт Гук увлекался изучением окаменелостей. Поэтому его также считают основателем палеонтологии. Кроме того, он собственноручно иллюстрировал свою книгу и сделал для нее гравюры. Ученый придумал для арифметических сложных действий вычислительную машину и модернизировал прибор, который изучал магнитное поле планеты.

Надеемся, что из этой статьи Вы узнали, какое открытие сделал Роберт Гук.

До изобретения микроскопа самое маленькое, что люди могли видеть, было примерно такой же величины, как и человеческий волос. После изобретения микроскопа примерно в 1590 году мы внезапно узнали, что существует ещё удивительный микромир живых существ везде вокруг нас.

Правда до конца непонятно, кому стоит отдать лавры создания микроскопа. Некоторые учёные-историки утверждают, что это был Ханс Липперсгей, который известен за подачу первого патента на телескоп. Другие свидетельства указывают на Ханса и Захария Янссенов, отца и сына, настоящей команды изобретателей-энтузиастов, живших в том же городе, что и Липперсгей.

Липперсгей или Янссены?

Ханс Липперсгей родился в Везеле в Германии в 1570 году, но позже переехал в Голландию, которая затем стала местом инноваций в области искусства и науки, а эта эпоха была названа «Золотой век Голландии». Липперсгей поселился в Миддельбурге, где он изобрёл очки, бинокль и некоторые из самых ранних микроскопов и телескопов.

В Миддельбурге жили Ганс и Захарий Янссены. Часть историков приписывает изобретение микроскопа именно Янссенам, благодаря письмам голландского дипломата Уильяма Бореэля.

В 1650-х годах Бореэль написал письмо врачу французского короля, в котором он описал микроскоп. В своем письме Бореэль сказал, что Захарий Янссен начал писать ему о микроскопе в начале 1590-х годов, хотя Бореэль сам увидел микроскоп спустя годы. Некоторые историки утверждают, что Ханс Янссен помог построить микроскоп, поскольку Захария был подростком в 1590-х годах.

Ранние микроскопы

Ранние микроскопы Янссена были составными микроскопами, в которых использовались по меньшей мере две линзы. Линза объектива расположена близко к объекту и создает изображение, которое подбирается и увеличивается еще дальше второй линзой, называемой окуляром.

Музей Мидделбурга имеет один из первых микроскопов Янссена, датированный 1595 годом. Он имел три скользящих трубки для разных объективов без штатива и был способен увеличивать в три-девять раз истинные размеры объекта. Новости о микроскопах быстро распространились по всей Европе.

Галилео Галилей вскоре улучшил конструкцию сложного микроскопа в 1609 году. Галилей назвал свое устройство occhiolino или «маленький глаз».

Английский ученый Роберт Гук также улучшил микроскоп и исследовал структуру снежинок, блох, вшей и растений. Гук исследовал структуру пробкового дерева и придумал термин «клетка» из латинского cella, что означает «небольшая комната», потому что он сравнивал клетки, которые он видел у пробкового дерева, с небольшими комнатами, в которых жили монахи. В 1665 году он подробно описал свои наблюдения в книге «Микрография».

Микроскоп Гука около 1670-го года

Ранние составные микроскопы обеспечивали куда большее увеличение, чем микроскопы с одной линзой. Однако при этом они сильнее искажали изображение объекта. Голландский ученый Антуан ван Левенгук разработал мощные однообъективные микроскопы в 1670-х годах. Используя своё изобретение, он первым описал сперматозоиды собак и людей. Он также изучал дрожжи, эритроциты, бактерии из рта и простейших. Микроскопы Левенгука с одним объективом могут увеличивать в 270 раз фактические размеры рассматриваемого объекта. После ряда улучшений в 1830-х годах данный тип микроскопов стал очень популярным.

Ученые также разрабатывали новые способы подготовки и окраски образцов. В 1882 году немецкий врач Роберт Кох представил свое открытие микробактерии туберкулёза, бацилл, ответственных за туберкулез. Кох продолжил использовать свою методику окраски, чтобы изолировать бактерии, ответственные за холеру.

Самые лучшие микроскопы приближались к пределу увеличительной способности к началу 20-го века. Традиционный оптический (световой) микроскоп не способен увеличивать объекты, размер которых меньше длины волны видимого света. Но в 1931 году был преодолён этот теоретический барьер с помощью создания электронного микроскопа двумя учеными из Германии Эрнстом Руска и Максом Кноллом

Микроскопы развиваются

Эрнст Руска родился последним из пяти детей в Рождество 1906 года в Гейдельберге, Германия. Он изучал электронику в Техническом колледже в Мюнхене и продолжил изучать высоковольтные и вакуумные технологии в Техническом колледже в Берлине. Именно там Руска и его советник, доктор Макс Кнолл, сначала изобрели «линзу» магнитного поля и электрического тока. В 1933 году учёные смогли построить электронный микроскоп, который сумел превзойти предел увеличения светового микроскопа.

В 1986 году Эрнст был награждён Нобелевской премией по физике за своё изобретение. Увеличение разрешения электронного микроскопа достигалось за счёт того, что длина волны электрона была ещё меньше, чем длина волны видимого света, особенно при ускорении электронов в вакууме.

В XX веке развитие электронных и световых микроскопов не останавливалось. Сегодня лаборатории используют различные флуоресцентные метки, а также поляризованные фильтры для изучения образцов или использовать компьютеры для обработки изображений, которые не видны человеческому глазу. Имеются отражающие микроскопы, фазово-контрастные микроскопы, конфокальные микроскопы, а также ультрафиолетовые микроскопы. Современные микроскопы могут даже изображать один атом.

Изобретение микроскопа началось с того, что однажды Галилей соорудил очень длинную подзорную трубу. Дело происходило днем. Закончив работу, он навел трубу на окно, чтобы на свету проверить чистоту линз. Прильнув к окуляру, Галилей оторопел: все поле зрения занимала какая-то серая искрящаяся масса. Труба немного покачнулась, и ученый увидел огромную голову с выпуклыми черными глазами по бокам. У чудовища было черное, с зеленым отливом туловище, шесть коленчатых ног… Да ведь это … муха! Отняв трубу от глаза, Галилей убедился: на подоконнике действительно сидела муха.

Так появился на свет микроскоп - состоящий из двух линз прибор для увеличения изображения маленьких предметов. Свое название - «микроскопиум» - он получил от члена «Академиа деи линчеи» («академии рысьеглазых»)

И. Фабера в 1625 г. Это было научное общество, которое, кроме прочего, одобряло и поддерживало применение оптических приборов в науке.

А сам Галилей в 1624 г. вставил в микроскоп более короткофокусные (более выпуклые) линзы, благодаря чему труба стала короче.

Роберт Гук и его достижения

Следующая страница в истории создании микроскопа связана с именем Роберта Гука. Это был очень одаренный человек и талантливый ученый. Наиболее значимыми достижениями Гука являются следующие:

• изобретение спиральной пружины для регулировки хода часов; создание винтовых зубчатых колес;
• определение скорости вращения Марса и Юпитера вокруг своей оси; изобретение оптического телеграфа;
• создание прибора для определения пресности воды; создание термометра для измерения низких температур;
• установление постоянства температур таяния льда и кипения воды; открытие закона деформации упругих тел; предположение о волновой природе света и природе земного тяготения.

По окончании Оксфордского университета в 1657 г. Гук стал помощником Роберта Бойля. Это была отличная школа у одного из крупнейших ученых того времени. В 1663 г. Гук уже работал секретарем и демонстратором опытов Английского Королевского общества (академии наук). Когда там стало известно о микроскопе, Гуку поручили провести наблюдения на этом приборе. Имевшийся в его распоряжении микроскоп мастера Дреббеля являл собой полуметровую позолоченную трубу, расположенную строго вертикально. Работать приходилось в неудобной позе - изогнувшись дугой.

Совершенствование микроскопа Гуком

Прежде всего Гук сделал трубу - тубус - наклонной. Чтобы не зависеть от солнечных дней, которых в Англии бывает немного, он установил перед прибором масляную лампу оригинальной конструкции. Однако солнце светило все же гораздо ярче. Поэтому пришла мысль лучи света от лампы усилить, сконцентрировать. Так появилось очередное изобретение Гука - большой стеклянный шар, наполненный водой, а за ним специальная линза. Такая оптическая система в сотни раз усиливала яркость освещения.

Находчивый Гук легко справлялся с любыми трудностями, появлявшимися на его пути. Например, когда понадобилось сделать очень маленькую линзу идеально круглой формы, он опустил острие иглы в расплавленное стекло и затем быстро вынул ее - на кончике иголки сверкала капелька. Гук подшлифовал ее немного - и линза была готова. А когда возникла необходимость улучшить качество изображения в микроскопе, то Гук между двумя традиционными линзами - объективом и окуляром - вставил третью, коллектив, и изображение стало более четким, при этом увеличилось поле зрения.

Когда микроскоп был готов, Гук принялся за наблюдения. Их результаты он описал в своей книге «Микрография», изданной в 1665 г. За 300 лет она переиздавалась десятки раз. Помимо описаний, она содержала замечательные иллюстрации - гравюры самого Гука.

Обнаружения и открытия, строение клетки

Особый интерес в ней представляет наблюдение № 17 - «О схематизме, или строении пробки и о клетках и порах некоторых других пустых тел». Гук так описывает срез обыкновенной пробки: «Вся она перфорированная и пористая, подобно сотам, но поры ее неправильной формы, и в этом отношении она напоминает соты… Далее, эти поры, или клетки, неглубоки, но состоят из множества ячеек, разделенных перегородками».

В этом наблюдении бросается в глаза слово «клетка». Так Гук назвал то, что и сейчас называется клетками, например, клетки растений. В те времена люди не имели об этом ни малейшего представления. Гук первым наблюдал их и дал название, оставшееся за ними навсегда. Это было открытие громадной важности.

Наблюдения Антони ван Левенгука

Вскоре после Гука начал вести свои наблюдения голландец Антони ван Левенгук. Это была интересная личность - он торговал тканями и зонтиками, но не получил никакого научного образования. Зато у него был пытливый ум, наблюдательность, настойчивость и добросовестность. Линзы, которые он сам шлифовал, увеличивали предмет в 200-300 раз, то есть в 60 раз лучше применявшихся тогда приборов. Все свои наблюдения он излагал в письмах, которые аккуратно посылал в Лондонское королевское общество. В одном из своих писем он сообщил об открытии мельчайших живых существ - анималькул, как Левенгук их назвал.

Оказалось, что анималькули присутствуют повсюду-в земле, растениях, теле животных. Это событие произвело революцию в науке - были открыты микроорганизмы.

В 1698 г. Антони ван Левенгук встретился с российским императором Петром I и продемонстрировал ему свой микроскоп и анималькул. Император был так заинтересован всем, что он увидел и что объяснил ему голландский ученый, что закупил для России микроскопы голландских мастеров. Их можно увидеть в Кунсткамере в Петербурге.

Левенгуку принадлежит еще одно важное открытие. Нагревая воду до кипения, он обратил внимание, что практически все анималькулы погибают. Значит, таким способом можно избавляться от болезнетворных микроорганизмов в воде, которую пьют люди.

Камера-обскура

Заканчивая разговор об оптических инструментах, необходимо упомянуть камеру-обскуру, изобретенную в 1420 г. итальянским инженером Дж. Фонтаной. Камера-обскура является простейшим оптическим приспособлением, позволяющим получать на экране изображения предметов. Это темный ящик с небольшим отверстием в одной из стенок, перед которым помещают рассматриваемый объект. Исходящие от него лучи света проходят через отверстие и создают на противоположной стене ящика (экране) перевернутое изображение объекта.

В 1558 г. итальянец Дж. Порта приспособил камеру-обскуру для исполнения рисунков. Ему же принадлежит идея применения камеры-обскуры для проецирования рисунков, помещенных у отверстия камеры и сильно освещаемых свечами или солнцем.

Жизнь началась на Земле много миллионов лет назад, когда в бушующих волнах Мирового океана возникла первая капля живого веще­ства.

Оглядываясь вокруг, мы восхищаемся ве­ликим многообразием природы и населяющих ее существ, происшедших из этой капли жи­вого вещества. Они отличаются друг от друга цветом, формой, величиной, сложностью строения. Но всех их объединяет одно - жизнь.

Проникнуть в тайны жизни человек пытался очень давно, чуть ли не на заре своей истории. Но этому препятствовали низкий уровень зна­ний и религиозный фанатизм. Религия в тече­ние многих веков стояла на пути человека к ис­тинному познанию происхождения жизни. Так возникли понятия «бог», «душа», «мировой дух». Жизнь стала рассматриваться как нечто сверхъ­естественное, созданное всемогущим богом и недоступное человеческому познанию.

Только развитие естественных наук дало людям ключ к изучению природы и раскрытию

Микроскоп Роберта Гука (60-е годы XVIII в.).

Срезы пробки под микроскопом Гука. Первое изображение клетки.

Рисунки растительных клеток, сделанные А. Левенгуком.

Особых процессов, свойственных живым суще­ствам. Было доказано, что различие между живой и неживой природой заключается в осо­бом строении живого существа и в специфиче­ских химических процессах, постоянно происхо­дящих между живым организмом и окружаю­щей его средой. Совокупность этих процессов и представляет собой основу жизни - обмен веществ.

На всех ступенях развития, начиная с по­явления первой капельки живого вещества и до самого совершенного организма - человека, об­мен веществ происходит непрерывно. С прекра­щением его наступает смерть.

КЛЕТКИ - ОСНОВА ОРГАНИЗМОВ

Живые существа отличаются от неживой природы не только обменом веществ (хотя это са­мое существенное, самое главное их отличие), но и своим строением.

Все живые организмы состоят из клеток. Только вирусы - возбудители некоторых инфек­ционных болезней (например, гриппа, кори, оспы) - не являются сами клетками и не состоят из клеток. Но размножаться они могут лишь в живой клетке.

Клетка впервые была открыта английским физиком Робертом Гуком в 1665 г. Гук конструи­ровал микроскопы, которые давали увеличение в 140 раз. Однажды при исследовании тонких срезов пробки он увидел, что вся пробка состоит из ячеек, или пор. Это и были клетки. Опубли­ковав свое наблюдение, Гук положил начало изучению клеточного строения живого мира. Но в его описаниях не было даже намека на представление о клетке как об основной струк­турной единице любого живого организма. Это был просто рассказ о клеточном строении пробки.

Только почти через 200 лет, в 1834г., русским ученым П. Ф. Горяниновым была выдвинута идея о всеобщей закономерности строения и развития растений и животных. Он считал, что все живые организмы состоят из соединенных между собой клеток. Скопления клеток состав­ляют ткани, которые в ходе роста и развития могут изменяться. Эта идея нашла свое подтвер­ждение в трудах немецких ученых - ботаника Маттиаса Шлейдена и зоолога Теодора Шванна, которые, собрав уже накопившийся к тому времени большой фактический материал, сформулировали клеточную теорию строения растений и животных.

Клеточная теория - одно из важнейших открытий человечества. Энгельс считал, что закон сохранения энергии, клеточная теория и теория эволюции Дарвина - три величайших открытия XIX в.

Клеточная теория доказала общность строе­ния растений и животных. Изучая различные живые ткани, ученые убеждались, что все живое состоит из клеток. По мере совершенствования микроскопа клетка подвергалась все более глубокому исследованию. В последние годы с помощью электронных микроскопов, дающих увеличение в сотни тысяч раз, стало возможным изучение внутреннего строения клетки. Хотя клетка и считается простейшей структурной единицей живого существа, сама по себе она представляет очень сложную систему. В клетке происходят обмен веществ, превращение энергии, биосинтез, она обладает способностью к размножению, раздражимостью, т. е. может реагировать на изменение условий среды. Чтобы нагляднее представить себе клетку, посмотрите на схему ее строения, наблюдаемую в электрон­ный микроскоп (стр. 36).

В организме человека есть самые различные клетки, отличающиеся друг от друга структурой и функцией. Например, клетки, из которых состоят мышцы, удлиненные, в них есть осо­бые нити (фибриллы), способные сокращаться. А клетки кожи (эпителиальная ткань) напоми­нают удлиненные кубики, стоящие плотными рядами. Жировые клетки - круглые, они напол­нены каплями жира.

Не будем перечислять всего разнообразия клеток, скажем только, что все клетки и расти­тельного и животного мира, несмотря на их раз­личия, имеют сходное строение. У них всегда есть более плотный наружный слой -оболочка, цитоплазма и ядро.

НЕПРЕРЫВНОЕ ОБНОВЛЕНИЕ

Кроме общности строения, клетки живого организма имеют и общие функциональные особенности. Прежде всего они обладают спо­собностью к использованию и превращению энергии. Кроме того, в живой клетке из более простых веществ происходит синтез (образова­ние) сложных молекул. Эти молекулы крупны и настолько своеобразны, что, встретив их где-нибудь в природе, мы всегда можем быть уверены в их «живом» происхождении. К та­ким крупным молекулам относятся белки. Образование белка из более простых соединений происходит только в клетке и регулирует­ся находящимися в ней двумя очень слож­ными, изученными лишь в последнее время ве­ществами. Это дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК) кислоты. ДНК в основном находится в ядре клетки, а РНК содержится и в ядре, и в особых включениях цитоплазмы, называемых рибосомами. В них и происходит синтез белка, т. е. они являются фабриками белка в клетке.

Белки очень разнообразны. В зависимости от клетки, где они образовались, белки отли-

Электронный микроскоп.

Клетка под электронным микроскопом.

Чаются друг от друга размерами и формой молекул, химическими и физическими свой­ствами. Но вместе с тем все они построены по одному и тому же объединяющему их прин­ципу. Их сложные молекулы состоят из простых молекул аминокислот, соединенных в определен­ном порядке в длинные цепочки. Вот этот-то порядок присоединения и распределения амино­кислот в молекуле белка зависит от ДНК и РНК. ДНК служит как бы программой, по которой определяется порядок и количество присоединяемых аминокислот, а РНК - осно­вой для построения белковой молекулы. Кроме того, РНК отвечает еще за доставку аминокис­лот к непрерывно растущей цепочке белковой молекулы. Растет эта цепочка очень быстро. Молекула белка, состоящая из 150-200 амино­кислот, строится за 1,5-2 минуты. Весь про­цесс синтеза белка можно сравните с работой архитектора и инженера-строителя при по­стройке дома. Архитектор (ДНК) создает план, инженер (РНК) претворяет его в жизнь.

Открытие значения этих веществ в синтезе белка создает реальные возможности искус­ственного получения белковой молекулы. В ла­бораториях учеными уже получены наиболее простые белковые молекулы. Можно безошибоч­но предсказать, что уже в нашем веке челове­чество сможет искусственно получать белок.

В состав клетки, кроме ДНК, РНК и амино­кислот, входят жировые вещества, углеводы, вода и растворенные в ней минеральные соли. Соотношения всех этих веществ в клетке по сравнению с общим ее весом в среднем пример­но такие: вода составляет 80-85%, белки- 7 -10%, жировые вещества - 1-2%, угле­воды - 1-2%, минеральные соли -1 -1,5%. Все эти вещества активно участвуют в жизнен­ных процессах, происходящих в клетке.

В нашем организме непрерывно происходят два процесса: образование и обновление клеток и их разрушение. Эти внешне противополож­ные состояния - две стороны обмена веществ в организме. Процесс усвоения веществ, по­ступающих в организм извне, и образование из них живого вещества клеток называется ассимиляцией; а процесс распада, раз­рушения веществ и связанного с ним освобож­дения энергии - диссимиляцией. Они едины и неразрывны, но в течение жизни меня­ется их соотношение и интенсивность. В детстве и юности, когда идет усиленный рост организ­ма, преобладает ассимиляция, а в старости, наоборот, распад - диссимиляция. Интенсив­ность этих процессов зависит от состояния организма. Так, во время работы или тяже­лой физической нагрузки обмен веществ усили­вается, а в покое он ослабевает. Ослабевает обмен веществ и при понижении температуры тела. Ученые заметили это, когда стали изу­чать зимнюю спячку у сурков, хомяков, сус­ликов, ежей и других зимнеспящих животных. Зимой, когда трудно раздобыть пищу, эти жи­вотные впадают в состояние оцепенения, пере­стают есть, температура их тела значительно снижается. При этом резко замедляются дыха­ние и сердцебиение, падает уровень всех дру­гих жизненно важных физиологических про­цессов, направленных на поддержание обмена веществ.

Обмен веществ значительно замедляется и у человека, если искусственно понизить темпера­туру его тела. Это свойство в последние годы широко используется при операциях на сердце и крупных сосудах (см. стр. 194).

Мы пока рассматривали только одну сто­рону обмена веществ - обновление и построе-

ние клеток. Но человек живет, двигается, занимается умственным и физическим трудом, и вся его деятельность неразрывно связана с расходом энергии. Даже если он находится в полном покое, происходит затрата энергии на работу сердца, дыхательных мышц, внутрен­них органов и т. п. Следовательно, другая сторона обмена веществ - это освобождение энергии и ее использование.

ОБЩИЙ ЗАКОН ПРИРОДЫ

Закон сохранения вещества и движения впервые сформулировал М. В. Ломоносов. Суть этого закона заключается в том, что материя и энергия не зарождаются и не пропадают, а только видоизменяются.

Спустя сто лет немецкий врач Роберт Майер обнаружил, что цвет венозной крови в тропиках имеет более алый оттенок, чем в северных райо­нах земного шара. Это наблюдение навело его на мысль, что между потреблением и обра­зованием тепла в человеческом организме есть прямая связь. Развивая эту мысль, Майер после изучения баланса между потреблением и выделением тепла организмом, в 1841 г., сформулировал закон превращения и сохранения энергии.

Гладкие мышечные клетки.

Почти в то же время, но независимо от его работ к аналогичному выводу пришли английский физик Джемс Джоуль и немецкий ученый физик и физиолог Герман Гельмгольц.

Костная ткань.

После их работ стало очевидным, что этот закон имеет всеобщий характер, т. е. ему подчинены и все процессы, происходящие в жи­вом организме.

Пищевые вещества, попадая в организм, проходят ряд сложных превращений, распадают­ся на простые по строению вещества и посту­пают в клетки. Здесь продолжается их дальней­ший распад. При этом освобождается энергия, которая в свое время была поглощена при их образовании. Эта освободившаяся энергия и используется организмом.

Организм в целом и каждая его клетка в от­дельности могут сохранить свою структуру и нормальную жизнедеятельность только благо­даря непрерывному потреблению энергии. Как только прекращается поступление и превраще­ние энергии, прекрасная, стройная структура клетки распадается и ее жизнедеятельность заканчивается. Энергию клетка получает в ос­новном при расщеплении глюкозы 1 и жиров. Процесс этот происходит в особых включениях цитоплазмы, которые называются митохондрия­ми. Митохондрии - это силовые, или энергетические, станции клетки. Каждая клет­ка содержит от 50 до 5000 митохондрий. В них-то и происходит в результате расщепления глю­козы образование довольно сложного вещества - аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). АТФ- основной источник энергии для большинства

1 Глюкоза - виноградный сахар.

жизненных процессов клетки и организма. Она очень легко расщепляется, выделяет при этом энергию и является, таким образом, аккумуля­тором, отдающим энергию по мере ее надобно­сти. В виде синтеза АТФ клетка получает бо­лее 55% энергии, образующейся при окислении глюкозы. Даже самые блестящие успехи со­временной техники бледнеют перед таким высо­ким коэффициентом полезного действия (к.п.д.) этого уникального клеточного механизма.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ

Обмен веществ - это непрерывная цепь слож­ных химических процессов, протекающих в клетке; им предшествует переваривание пи­щи в желудке и кишечнике, в ходе которого пищевые вещества расщепляются на более про­стые составные части. Только они усваиваются клетками, в которых из принесенных кровью веществ образуются новые сложные и разно­образные вещества, освобождается и исполь­зуется энергия. Если бы мы попробовали хи­мические реакции, происходящие в организ­ме, провести в лаборатории, то потребовались бы высокая температура, повышенное дав­ление и другие несвойственные организму условия.

В чем же дело? Ведь мы знаем, что в орга­низме нет ни очень высокой температуры, ни повышенного давления. Происходит это по­тому, что в организме есть такие вещества, которые ускоряют ход химической реакции, а сами при этом не изменяются. Их действие по­добно химическим катализаторам.

Приведем простой пример. Известно, что вода состоит из водорода и кислорода. При смешении чистого водорода и кислорода вода не образуется, если держать эту смесь даже многие годы. Но если прибавить к этой смеси немного платины, реакция пойдет очень быстро и образуется вода. Платина, не являясь состав­ной частью воды, резко ускоряет эту реакцию, а сама выходит из нее без изменений. Нечто подобное происходит и в организме. Все хи­мические превращения в нашем организме протекают с участием специальных биоло­гических ускорителей, или катализаторов, - ферментов.

Ферменты - сложные органические ве­щества, во много миллионов раз увеличивающие скорость химических реакций. Это основная и единственная их функция в организме. Клетки нашего тела имеют огромный набор ферментов,

Способных произвести все необходимые превра­щения. Каждый фермент действует только на определенные вещества, определенный процесс или его этап и только при определенной темпе­ратуре, реакции среды и т. д., т. е. обладает специфичностью и избирательностью действия. По меткому определению одного ученого, фер­мент подходит к веществу так же, как ключ к замку. Бывают ферменты пищеварительные, дыхательные, окислительные, восстановительные и другие с самым разнообразным характером дей­ствия. Одни участвуют в расщеплении поступаю­щих веществ, другие обладают синтезирующей способностью - помогают организму в образова­нии новых молекул. Словом, ферменты являются необходимыми участниками обмена веществ, без них он невозможен.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ

Обмен веществ, происходящий в организме человека и животных, - это часть общего круго­ворота веществ в природе. Сложные вещества, которые человек и животные получают с пищей, расщепляются на более простые, усваиваются, а затем в виде углекислоты, воды и некоторых других веществ выделяются наружу и исполь­зуются растениями. Растения под влиянием солнечной энергии вновь синтезируют из них сложные вещества. И так непрерывно, пока существует жизнь на Земле, будет происходить круговорот веществ в природе.

В состав живых организмов входят практи­чески все существующие в природе химические элементы и соединения. Основную их массу составляют углерод, кислород и азот, поэтому круговорот этих веществ представляет для нас наибольший интерес. Углерод входит в состав очень многих химических соединений. Наш организм получает его с пищевыми веществами и выделяет при дыхании в виде углекислого газа. Из углекислого газа и воды в клетках зеленых растений, содержащих зеленый пигмент - хлоро­филл, под влиянием солнечного света образуются сложные органические соединения - углеводы. Этот процесс называется фотосинтезом, в ре­зультате его образуются крахмал или другие углеводы, например глюкоза, и выделяется кислород.

Громадная поверхность всех зеленых расте­ний очищает воздух от углекислого газа и выделяет миллиарды тонн кислорода. Так, наши зеленые друзья ежегодно поглощают около 170 млрд. т углекислого газа, выделяют

123 млрд. т кислорода, и запасы кислорода воз­духа непрерывно пополняются.

Животные организмы, в конечном итоге, находятся в зависимости от растений, которые обладают способностью перерабатывать неорга­нические вещества в органические. Благодаря этому запасы органических веществ в природе не истощаются, и нам не угрожает голодная смерть.

Круговорот азота не менее важен для под­держания жизни на Земле, так как азот входит в состав белка. Люди и животные получают нуж­ный им азот с белковой пищей и выделяют его с потом и мочой в виде аммиачных соедине­ний. Растения получают азот из почвы, куда он попадает после разложения белковых веществ, или с азотистыми удобрениями.

Круговорот других элементов тесно связан с круговоротом углерода и азота и подчиняется общему закону природы - закону сохранения материи и энергии. Взаимоотношения живой и неживой природы полностью вытекают из этого закона. Жизненные процессы, происхо­дящие в одних организмах, необходимы для существования других.

ПИЩА И ПИТАТЕЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Как разнообразна человеческая пища! Ка­ких только блюд не существует на свете! Но все эти лакомства и яства, в конечном счете, состоят из белков, жиров, углеводов, витами­нов, минеральных солей и воды. Все, что мы едим или пьем, в нашем организме распадается на эти или еще более простые составные части.

Белки

В начале прошлого столетия стало известно, что из всех тканей животного и растительного мира можно выделить вещества, по своим свойст­вам очень похожие на белок куриного яйца. Выяснилось, что они близки друг к другу и по составу. Поэтому им и было дано общее назва­ние - белки. Затем появился термин «про­теины», от греческого слова «протос» - первый, важнейший, что указывает на первостепенную роль белка.

Белки - это очень сложные высокомоле­кулярные соединения. Молекула воды (Н 2 О) состоит всего из трех атомов: одного атома кис­лорода и двух атомов водорода, молекула же белка состоит из многих десятков и сотен тысяч атомов. В ее состав входят азот, углерод, водо­род, кислород и некоторые другие элементы. Если нагреть в присутствии кислоты какой-либо белок, то он расщепляется на наиболее простые составные части, названные химиками амино­кислотами. В их состав всегда входит азот.

В природе есть очень много разнообразных белков и трудно найти два похожих друг на друга. Между тем состоят они из небольшого количества различных аминокислот - всего около 20.

Чем же объяснить такое исключительное разнообразие белков, если они состоят только из 20 аминокислот? Математики подсчитали, что если из нескольких равных частей составить комбинации, в которых меняется только распо­ложение частей, то число таких возможных комбинаций очень быстро возрастет при увели­чении составных частей. Так, из 3 частей можно составить только 6 комбинаций; из 5 частей - 120; из 8 -до 40 тыс., а при 12 составных частях - 500 млн. Из 20 амино­кислот можно составить колоссальное количе­ство комбинаций, а так как в белковой моле­куле одна и та же аминокислота может повто­ряться несколько раз и может меняться способ их соединения, то великое многообразие белка станет совершенно понятным.

Белковый обмен в организме происходит постоянно и очень быстро. О его скорости можно судить по обмену азота. Определяя количество азота, введенного с пищей и выве­денного из организма, можно установить суточ­ный азотистый баланс. Если количество вво­димого и выделяемого азота одинаково, то гово-

Продукты, богатые белками: мясо, рыба, творог, сыр, хлеб, крупа, зерна бобовых растений, орехи, яйца.

рят об азотистом равновесии. Когда азота вводится больше, чем выделяется, то налицо положительный азотистый баланс. Чаще это бывает у детей, когда идет рост организма, или у людей, выздоравливающих после тяже­лой болезни. Но бывает, что азота выводится больше, чем вводится, - это отрицательный азотистый баланс. Такое состояние наблюдает­ся при голодании или при инфекционных забо­леваниях.

Белки в организме могут строиться только из поступающего с пищей белка, точнее, ами­нокислот. А так как в живом организме обра­зование белка идет непрерывно, то и поступ­ление белка должно быть постоянным. Более или менее продолжительная недостаточность белка в пище может вызвать очень серьезные расстройства здоровья; ведь организм человека и животных не может синтезировать свой соб­ственный белок из других питательных веществ - жиров и углеводов.

Белки, как мы уже упоминали, в пищевари­тельном тракте расщепляются на аминокислоты, которые всасываются в кровь. Из этих амино­кислот организм синтезирует свой собственный белок. Если же, минуя пищеварительный тракт, ввести чужой белок непосредственно в кровь, то он не только не будет использован нашим организмом, но и вызовет серьезные осложне­ния: повышение температуры, судороги, нару­шение дыхания и сердечной деятельности. Это объясняется строгой специфичностью белков каждого организма. В ответ на проникновение в кровь чужого белка организм вырабатывает специальные вещества - антитела, которые его разрушают.

Вот почему попытки пересадить чужие орга­ны и ткани животному или человеку заканчи­ваются пока неудачей. Технически хирурги с этой задачей вполне справляются, но возни­кает белковая несовместимость, и пересажен­ный орган не приживается.

Примером может служить попытка эква­дорских хирургов пересадить чужую руку матросу, лишившемуся руки. Сложная опера­ция прошла блестяще, были сшиты все мышцы, сосуды, нервы, соединена кость. В руке вос­становилась циркуляция крови, передавалось раздражение по нервам. Казалось, что все уже в порядке и рука прижилась, но через две неде­ли из-за белковой несовместимости ее пришлось ампутировать, так как чужеродная ткань начала отравлять весь организм.

Только у близнецов, развившихся из одной яйцеклетки матери, нет белковой несовместимости. У них, как правило, бывает полное ана­томическое сходство и однородный белковый состав. Поэтому органы и ткани их взаимо­заменяемы. В медицине уже известны случаи удачных пересадок органов, в частности почек, от одного близнеца другому.

Мы уже говорили, что белки состоят из 20 аминокислот. Однако не всякий белок имеет полный набор всех аминокислот и не все ами­нокислоты одинаково важны для организма. Примерно половина из них незаменима, и их поступление в организм обязательно. В зависи­мости от набора аминокислот, входящих в моле­кулу белка, белки делятся на полноценные, содержащие необходимые аминокислоты, и не­полноценные, не содержащие некоторых из них. Полноценные белки преимущественно животного происхождения (мясо, рыба), неполноценные - растительного, хотя белки бобовых растений содержат полноценный белок.

Пища человека должна содержать столько белка, сколько его нужно для удовлетворения всех потребностей организма (а это "зависит от возраста, пола, профессии и т. д.). В среднем считается достаточным ежедневное потребление белка в пределах 100-120 г. А при тяжелом физическом труде эта норма повышается до 130-150 г. Белки - это преимущественно стро­ительный материал, хотя они могут быть ис­пользованы организмом и как источник энергии.

Углеводы

Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода. Они широко распространены в расти­тельном мире. Это основной источник энергии в нашем организме (они дают 75% всей необходи­мой нам энергии). Углеводы делятся на простые и сложные. С пищей мы получаем и те и дру­гие, причем простые сразу всасываются в кровь, а сложные вначале должны расщепиться. Сложные углеводы - это крахмал, тростни­ковый и свекловичный сахар, простые - вино­градный сахар, или глюкоза, фруктоза и др. У здорового человека концентрация глюкозы в крови всегда строго постоянна - 80-120 мг в 100 г крови. Излишек ее вновь может синте­зироваться в сложный углевод, так называе­мый гликоген, или животный крахмал, основ­ные запасы которого откладываются в печени, достигая 300 г. Этот резерв организм исполь­зует в случае непредвиденного расхода энергии. Гликоген откладывается также и в мышцах.

Продукты, богатые углеводами: овощи, картофель, крупа, хлеб, сахар, варенье.

Если человек сразу потребляет большое количество сахара, то его излишек выделяется с мочой. Это быстро проходит и не опасно для организма. Однако надо помнить, что здоровому человеку не рекомендуется съедать в один прием больше 100 г сахару. Но если сахар обнаруживается в моче в течение длительного времени, то это может быть признаком серьез­ного заболевания - сахарного диабета.

Углеводы не только источник энергии; они играют очень большую роль и в жизнедея­тельности организма как полисахариды, или сложные сахара. Это высокомолекулярные со­единения, которые не уступают по своей слож­ности белкам. Они входят в состав соединитель­ной ткани, костей и хрящей. Кроме того, поли­сахариды играют очень большую роль в борьбе организма с инфекционными заболеваниями. Антитела, которые вырабатывает организм в ответ на проникновение различных микробов и вирусов,- полисахариды. К полисахаридам относится и очень широко распространенное в животных тканях вещество - гепарин, кото­рый предохраняет кровь от свертывания.

В нашей обычной смешанной пище количе­ство углеводов вполне достаточно для удовле­творения потребностей организма, и практически организм никогда не испытывает в них нужды. А если углеводов не хватает, то организм может синтезировать их из белков и жиров.

Жиры

Жиры - это в первую очередь энергети­ческий материал: в 1 г жиров содержится в два раза больше энергии, чем в 1 г углеводов. В пи­щеварительном тракте жир расщепляется на

Жирные кислоты и глицерин. Проходя через слизистую оболочку кишечника и всасываясь в кровь, они вновь соединяются друг с другом и образуют новый, свойственный данному орга­низму жир, во многом отличающийся от по­требляемого. Свой собственный жир организм синтезирует при употреблении разнообразных животных и растительных жиров. Но если человек будет употреблять какой-нибудь один вид жира, например свиное сало, то и его соб­ственный жир по своим свойствам будет близок к свиному салу.

Всосавшийся жир откладывается в так назы­ваемых «жировых депо»: в подкожной клетчат­ке, сальнике, околопочечной клетчатке, в обла­сти таза.

Жировая клетчатка в организме - это запас­ной энергетический материал, который способ­ствует теплоизоляции нашего организма и слу­жит амортизатором. Последнее видно из такого примера: мы не замечаем тяжести своего тела, когда стоим. Большую роль в этом играют естественные жировые подушки, которые нахо­дятся в области сводов стопы и принимают на себя, амортизируют, весь наш вес. В этом вы легко убедитесь, если станете на колени: очень быстро тяжесть тела даст о себе знать сильной болью.

Жировая клетчатка есть только у тепло­кровных животных. Особенно она развита у зве­рей Заполярья - тюленей, моржей, белых медведей. У холоднокровных - лягушек, рыб - ее нет.

Количество жира в человеческом теле инди­видуально, но у женщин на долю жира в общем весе тела приходится почти 30 %, а у мужчин- только 10%.

Значительное отложение жира в теле-при­знак нарушения обмена веществ. У тучного

Продукты, богатые жирами: сливочное масло, подсолнечное масло, шоколад, орехи, желток яйца.

человека обмен веществ протекает медленнее, чем у худощавого. Ожиревший человек теряет бодрость и жизнерадостность, становится вя­лым, неинициативным. Даже в сказках, этом кладезе вековой народной мудрости, отважные рыцари, умные, энергичные люди, стремящиеся к достижению своих целей, всегда худощавые, а неповоротливые и ленивые - толстые.

Жир - это необходимая составная часть клеток. В организме он находится также в виде жироподобных веществ - липоидов. Липоиды входят в состав нервной ткани, оболочки клетки и являются основой для образования гормонов.

Состав пищевого жира неоднороден, и раз­ные жиры имеют разную биологическую цен­ность. Для человека наиболее целесообразно содержание жира в пище от 1 до 1,25 г на кило­грамм веса. Это значит, что если человек весит 70 кг, то он должен в день употреблять от 70 до 100 г жира, а так как жир входит в состав почти каждого пищевого продукта, то в эту норму включается общее количество жиров, поступивших в организм во всех видах. Поло­вина потребляемых жиров должна быть живот­ного, а половина растительного происхождения.

Это важно потому, что, как мы уже гово­рили, все жиры при расщеплении в пищева­рительном тракте распадаются на жирные кис­лоты и глицерин. Жирных кислот два вида - на­сыщенные и ненасыщенные. Все жиры содержат и те и другие, но в животных жирах больше насыщенных, а в растительных, наоборот, боль­ше ненасыщенных жирных кислот. Исследова­ния последних лет показали, что ненасыщенные жирные кислоты имеют важное значение для организма. Они повышают его сопротивляе­мость к различным инфекциям, снижают чув­ствительность к радиоактивному излучению, входят в соединение с холестерином 1 и препят­ствуют его отложению в стенках сосудов, пре­дупреждают болезнь сосудов - атеросклероз.

Из ненасыщенных жирных кислот особенно большое значение имеют три - линолевая, линоленовая и арахидоновая. Первые две содер­жатся в большом количестве в конопляном, льняном и подсолнечном масле, а третья (ее называют витамином F) - главным образом в животном жире - свином сале и яичном желт­ке. Из всех трех ненасыщенных жирных кислот только арахидоновую организм может синте­зировать при наличии линолевой кислоты и витаминов группы В.

Если жир полностью исключить из пищи, организм будет синтезировать его из белков и углеводов.

Таким образом, питательные вещества - белки, углеводы и жиры - необходимые участ­ники обмена веществ, без них он невозможен.