Униформизм
В начале XIX в. возникла новая геологическая теория, которая помогла убедить людей в невероятной древности Земли. Чарлз Дарвин согласился с этим видением, дававшим, по его мнению, время на совершение эволюции.
Шотландский геолог Джеймс Хаттон заинтересовался геологическими областями, где имелись осадочные отложения, затвердевшие, подвергшиеся эрозии и затем покрывшиеся более поздними наслоениями породы. Ученый осознал, что для этого потребовалось невероятное количество времени. «Мы не находим ни следа начала; и никакой перспективы конца», – написал он. Теории Хаттона развил Чарлз Лайель в книге «Основы геологии» (1830), оказавшей влияние на Чарлза Дарвина. Лайель объяснил геологическую историю на примере современных процессов, заключив, что они происходили сходным образом миллионы лет. Теория получила известность как униформизм, и она все еще имеет вес сегодня, хотя мы знаем, что ход истории время от времени нарушается катастрофами.
Фронтиспис книги Лайеля «Основы геологии», на котором показаны геологические процессы.
Ферменты
Ферменты, или энзимы, – это биологические катализаторы, которые обеспечивают химические реакции и ускоряют их. Они жизненно необходимы животным и растениям.
В 1833 г. французские химики Ансельм Пайя и Жан-Франсуа Персо получили из солодового экстракта химическое вещество, ускоряющее превращение крахмала в сахара́. Они назвали ускоритель диастазой. Это был первый энзим, полученный в концентрированной форме, хотя само это слово (нем. Enzym) немецкий физиолог Вили Кюне придумал только в 1878 г. Названия всех открытых с тех пор ферментов имеют суффикс «аз». Известно, что ферменты ускоряют более 5000 биохимических реакций. Они действют при оптимальных температурах и уровнях кислотности. Если слишком холодно, реакции замедляются; слишком жарко – фермент меняет форму и становится менее эффективным. Как правило, ферменты – это белки, которые соединяются в сложные структуры, позволяющие разместить другие молекулы, или субстраты, и затем объединяют или расщепляют их для создания новых молекул, или продуктов. Таким образом, некоторые ферменты ускоряют биохимические реакции в тысячи раз. Почти все процессы обмена веществ внутри клеток нуждаются в ферментах – реакции должны проходить с должной скоростью для поддержания жизни.
В одной из реакций клеточного дыхания фермент гексокиназа смыкается над двумя субстратами, АТФ и ксилозой, чтобы ускорить их объединение. Участки, отмеченные голубым, – это место соединения фермента с другими молекулами.
Аэробное дыхание и пищеварение
Некоторые из наиболее важных реакций обмена веществ происходят в крошечной митохондрии внутри клетки: ферменты способствуют превращению глюкозы и кислорода в углекислый газ, воду и энергию, а энергия нужна для поддержания жизни. Другой важный набор ферментов находится в кишечнике. Ферменты особого рода существуют для всех видов питательных веществ: жиров, белков и углеводов.
Например, крахмал расщепляется на молекулы глюкозы, которые попадают через стенки кишечника в кровь и служат источником энергии для клеток организма. Ферменты амилазы ускоряют эту реакцию. Альфа-амилазу, или птиалин, производят слюнные железы, и когда слюна смешивается во рту с пищей, птиалин ускоряет гидролиз (расщепление соединения при помощи дополнительной молекулы воды) углеводов и их превращение в глюкозу. Птиалин продолжает воздействовать на углеводы в желудке до тех пор, пока высококислотные желудочные соки не разрушат птиалин или не изменят его форму.
Кроме открытия диастаза, Ансельм Пайя разработал процессы рафинирования сахара и синтеза буры из соды и борной кислоты. Он также выделил волокнистый карбогидрат и назвал его целлюлозой.
Осмос
Осмос – это прохождение жидкости через полупроницаемую мембрану со стороны, где концентрация раствора ниже, на сторону, где концентрация раствора выше. Осмос – это основа водного обмена в живых существах.
Осмос был открыт в 1748 г. французским священником и физиком Жаном-Антуаном Нолле, который в качестве грубой мембраны использовал для своих демонстраций мочевой пузырь свиньи. Осмос – это разновидность диффузии, процесса, при котором вещества в жидкости или газе естественным образом равномерно распределяются по раствору. При осмосе мембрана останавливает более крупные молекулы, но вода легко проходит сквозь нее. Вода выравнивает концентрацию веществ в растворе – она перетекает из области с низкой концентрацией вещества к области с более высокой концентрацией. Действие осмоса прекращается, когда концентрация по обе стороны мембраны выравнивается, то есть с одной из сторон становится больше влаги.
ТРАНСПИРАЦИЯ
Транспирация – это, по сути, встроенный в растения водяной насос. В ходе этого процесса жидкость проходит через растение от корней до мелких пор на нижней стороне листьев, там она испаряется и попадает в воздух в виде водяного пара. По мере испарения воды в верхней части растения в результате осмоса от корней поднимается дополнительная влага – по системе трубок, состоящих из рядов специальных клеток – ксилем. Транспирация совершается быстрее в теплых и ветреных условиях.
Срезанные цветы помещают в гипотоническую воду (свежая чистая вода подойдет), чтобы в ходе осмоса их стебли наполнились влагой. Свежий вид цветов поддерживается дольше – но в конечном итоге мертвые растения подвергнутся естественному процессу разложения. Живое растение увядает, когда ему не хватает воды, и с помощью воды его можно возродить.
Биологические мембраны полупроницаемы: например, молекулы белка слишком крупные, чтобы пройти сквозь нее. Мембраны также остановят заряженные ионы. В диффузии участвуют маленькие молекулы, в том числе молекулы кислорода, углекислого газа, азота и окиси азота. Осмос – главный способ транспортировки воды в клетки и из них. В биологических системах вода с концентрацией растворенных веществ меньше нормы называется гипотонической; больше нормы – гипертонической. Когда клетка попадает в гипотонический раствор, осмос притягивает воду, и клетка разбухает. Это происходит, например, когда клетку помещают в чистую воду. В гипертоническом растворе, таком как соленая вода, молекулы воды покидают клетку, и она сжимается. С помощью осмоса растения забирают воду из почвы. В клетках корней содержатся растворенные вещества, поэтому молекулы воды поступают внутрь, повышая внутреннее давление и делая клетки упругими. Если растение долгое время лишено воды, давление падает, клетки сжимаются, и растение увядает.
