Микроскоп гука, первый микроскоп. Кто изобрёл микроскоп? Р. Гук. Краткая биография

, Англия

В течение своей 68-летней жизни Роберт Гук, несмотря на слабость здоровья, был неутомим в занятиях, сделал много научных открытий, изобретений и усовершенствований.

Более 350 лет назад он открыл клетку , женскую яйцеклетку и мужские сперматозоиды.

Открытия

К числу открытий Гука принадлежат:

• открытие пропорциональности между упругими растяжениями, сжатиями и изгибами, и производящими их напряжениями (закон Гука),
• правильная формулировка закона всемирного тяготения (приоритет Гука оспаривался Ньютоном , но, по-видимому, не в части формулировки - сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния; кроме того, Ньютон утверждал о независимом и более раннем открытии этой формулы, которую, однако, до открытия Гуком никому не сообщал),
• открытие цветов тонких плёнок (то есть, в конечном итоге, явления интерференции света),
• идея о волнообразном распространении света (более или менее одновременно с Гюйгенсом), экспериментальное обоснование её открытой Гуком интерференцией света, волновая теория света,
• гипотеза о поперечном характере световых волн,
• открытия в акустике, например, демонстрация того, что высота звука определяется частотой колебаний,
• теоретическое положение о сущности теплоты как движения частиц тела,
• открытие постоянства температуры таяния льда и кипения воды,
• закон Бойля (каков здесь вклад Гука, Бойля и его ученика Ричарда Таунли (Richard Townley) - не до конца ясно),
• Живая клетка с помощью усовершенствованного им микроскопа. Гуку же принадлежит сам термин «клетка» - англ. cell.

и многое другое.

Первое из этих открытий, как утверждает он сам в своём сочинении «De potentia restitutiva », опубликованном в , сделано им за 18 лет до этого времени, а в было помещено в другой его книге под видом анаграммы «ceiiinosssttuv », означающей «Ut tensio sic vis ». По объяснению автора, вышесказанный закон пропорциональности применяется не только к металлам, но и к дереву, камням, рогу, костям, стеклу, шёлку, волосу и проч. В настоящее время этот закон Гука в обобщённом виде служит основанием математической теории упругости . Что касается до прочих его открытий, то в них он не имеет такого исключительного первенства; так, цвета тонких плёнок в мыльных пузырях Бойль заметил за 9 лет ранее; но Гук, наблюдая цвета тонких пластинок гипса, подметил периодичность цветов в зависимости от толщины: постоянство температуры таяния льда он открыл не ранее членов флорентийской академии, но постоянство температуры кипения воды подмечено им ранее Ренальдини ; идея о волнообразном распространении света высказана им позже Гримальди.

Идею же об универсальной силе тяготения, следуя Кеплеру , Гук имел с середины 1660-х годов, затем, ещё в недостаточно определённой форме, он выразил её в в трактате «Попытка доказательства движения Земли » , но уже в письме 6 января 1680 года Ньютону Гук впервые ясно формулирует закон всемирного тяготения и предлагает Ньютону, как математически более компетентному исследователю, строго математически обосновать его, показав связь с первым законом Кеплера для некруговых орбит (вполне вероятно, уже имея приближённое решение). С этого письма, насколько сейчас известно, начинается документальная история закона всемирного тяготения. Непосредственными предшественниками Гука называют Кеплера , Борелли и Буллиальда , хотя их взгляды достаточно далеки от ясной правильной формулировки. Ньютону также принадлежат некоторые работы по тяготению, предшествовавшие результатам Гука, однако большинство самых важных результатов, о которых позднее вспоминал Ньютон, во всяком случае не было им никому сообщено.

Изобрёл множество различных механизмов, в частности для построения различных геометрических кривых (эллипсов, парабол). Предложил прототип тепловых машин.

Кроме того, он изобрёл термометр-минима, усовершенствованный барометр , гигрометр , анемометр , регистрирующий дождемер; делал наблюдения с целью определить влияние вращения Земли на падение тел и занимался многими физическими вопросами, например, о влияниях волосности, сцепления, о взвешивании воздуха, об удельном весе льда, изобрёл особый ареометр для определения степени пресности речной воды (water-poise). В Гук представил Королевскому обществу модель изобретённых им винтовых зубчатых колёс, описанных им впоследствии в «Lectiones Cutlerianae » (). Эти винтовые колёса известны теперь под именем Вайтовых колёс. Карданово сочленение , служащее для подвеса ламп и компасных коробок на судах, Гук применил для передачи вращений между двумя валами, пересекающимися под произвольным углом.

Установив постоянство температур замерзания и кипения воды, вместе с Гюйгенсом, около предложил эти точки в качестве реперных для шкалы термометра.

Другие достижения

Гук был главным помощником Кристофера Рена при восстановлении Лондона после великого пожара . В сотрудничестве с Реном и самостоятельно построил в качестве архитектора множество зданий (например, Гринвичскую обсерваторию, церковь Вилленского прихода в Милтон Кинсе, см. рисунки). В частности, сотрудничал с Реном в строительстве

18 июля 1635 г. В этот день родился известный английский естествоиспытатель Роберт Гук (Hooke, Robert, 1635-1703), который вошел также и в историю МКС, благодаря своим экспериментам по искусственной вентиляции легких с помощью мехов на животных (1667 г.). Эти эксперименты состоялись в рамках исследований систем кровообращения и дыхания, проводимых знаменитой «оксфордской группой», основавшей Лондонское Королевское научное общество.
Однако следует отметить, что еще в 1530 г. Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм (Philippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim, 1493 -1541), более известный как Парацельс , использовал для ИВЛ каминные мехи и специальный ротовой воздуховод.

ГУК, РОБЕРТ (Hooke, Robert, 1635–1703), знаменитый английский естествоиспытатель. Родился 18 июля 1635 г. во Фрешуотере на острове Уайт (графство Айл-оф-Уайт) в семье приходского священника. В детском возрасте он был очень слабым и болезненным, но весьма рано обнаружил живой интерес к изобретению механических игрушек и к рисованию. В 13 летнем возрасте Гук поступил в Вестминстерскую школу и поселился в доме школьного учителя, доктора Ричарда Басби (Richard Busby). В школе он изучил латинский, греческий и немного еврейский языки, а также познакомился с Началами Евклида и некоторыми другими трудами по математике. Имея страсть к рисованию, он некоторое время работал и брал уроки рисования у известного лондонского художника Питера Лили (Peter Lely).
В 1653 г. Роберт Гук поступил в Крайст-Чёрч-колледж Оксфордского университета. Не имея существенных источников к средствам существования, он был вынужден совмещать учебу с обязанностями певчего в оксфордской церкви Христа. Кроме этого он помогал в качестве ассистента на занятиях по химии доктору Томасу Уиллису (Thomas Willis, 1621-1675), знаменитому английскому врачу и анатому. В 1658 г. Роберт Гук заканчивает обучение в колледже, получив степень магистра искусств.
В Оксфорде во время обучения в колледже он сблизился с некоторыми известными учеными и, будучи опытным механиком, помогал им в их исследовательской работе. Около 1658 г. он начал совместно работать с Робертом Бойлем (Robert Boyle, 1627-1691). В 1660 г. по результатам исследований, в которых самое активное участие принимал Роберт Гук, публикуется первая научная работа Р.Бойля «New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air and its Effects» . В ней описывается целый ряд блестящих экспериментов, в которых Бойль, использовав созданный Робертом Гуком вакуумный насос (1659), продемонстрировал упругость воздуха, определил его удельный вес и т.д. Известный ранее вакуумный насос Отто Герике (знаменитые магдебургские полушария) требовал напряженных усилий двух людей и обеспечивал сомнительные результаты. С вакуумным насосом Гука и Бойля легко управлялся один человек. Бойль также продемонстрировал, что по мере откачки воздуха из камеры меняется характер звучания, расположенного в ней колокола, доказав при этом, что воздух участвует в передаче звука. В дальнейших экспериментах он показал, что воздух необходим и для поддержания пламени свечи.

В 1662 г. вышло второе издание этой книги, в котором Бойлем был впервые сформулирован закон изменения объёма газов (в частности, воздуха) с изменением давления, позднее получившем имя закона Бойля-Мариотта. Независимо от Бойля этот закон сформулировал в 1676 г. французский физик Эдм Мариотт. Справедливости ради следует отметить, что огромный вклад в успех Роберта Бойля внёс его помощник Роберт Гук, сам изготовивший насос, и принявший активнейшее участие в трёхлетнем цикле экспериментов.
Около 1660 г. Роберт Гук вместе с Христианом Гюйгенсом (Christian Huygens, 1629-1695) установил точки отсчета для шкалы термометра – температуры таяния льда и кипения воды.
В 1662 г. по рекомендации Роберта Бойля Гук стал куратором по организации экспериментов в только что созданном Лондонском Королевском научном обществе, и его познания в механике и изобретательские способности нашли здесь хорошее применение. Он всегда стремился к разработке какого либо прибора, чтобы продемонстрировать свои собственные идеи или же для того, чтобы проиллюстрировать или выяснить какой-либо вопрос, возникавший в дискуссиях членов Общества. А с 1677 г. по 1683 г. Роберт Гук занимал пост секретаря этого общества. По долгу службы он был обязан воспроизводить на заседаниях все опыты, сообщения о которых поступали в Общество. Справиться с этой задачей мог только гениальный экспериментатор и инженер-изобретатель. К счастью, Роберт Гук был именно таким.
Сотрудничая с «оксфордской научной группой», в которую входили Роберт Бойль (Robert Boyle, 1627-1691); Томас Уиллис (Thomas Willis, 1621-1675); Уильям Петти (William Petty, 1623-1687); архитектор Кристофер Рэн (C.Wren, 1632-1723); Джон Локк (John Locke, 1632-1704); Джон Мейоу (John Mayow, 1643-1679); Ричард Ловер (R.Lower, 1631-1691), и другие, Роберт Гук принял активное участие и в медицинских экспериментах группы, направленных на изучение дыхания и кровообращения.
Один из участников этой группы, Ричард Ловер , обнаружил, что тёмная венозная кровь, притекающая в наполненные воздухом лёгкие, приобретает ярко красный цвет, на основании чего он пришёл к заключению, что кровь абсорбирует в лёгких «что-то из воздуха». И он показал, что этот процесс изменения цвета крови происходит не в сердце, а именно в лёгких посредством воздуха, или какого-то компонента воздуха, который он иногда называет «азотистым духом» (nitrous spirit), поступающим в кровь в процессе дыхания, и то, что это поступление воздуха в кровь является очень важным для живых организмов.
Другой активный участник «оксфордской группы», Джон Мейоу (John Mayow, 1643-1679), продолжая опыты Ловера, обратил внимание на то, что при дыхании в кровь поступает не весь воздух, а лишь его определённая составная часть, необходимая для жизни и горения, которая и вызывает изменение крови, циркулирующей в лёгких. Следовательно, Мейоу за 100 лет до Лавуазье обнаружил химическую связь между дыханием и горением. Мейоу известен также тем, что он первый обнаружил расширение правого желудочка при митральном стенозе. Тем самым им было положено начало изучения последствий нарушенной функции сердца.
На первый взгляд исследовательская деятельность членов «оксфордского научного кружка» может показаться несколько хаотической, а проведенные ими эксперименты с высоты современного знания выглядят как примитивные и даже наивные. Однако при внимательном анализе результатов исследований, проведенных «оксфордской группой» можно, например, увидеть, что этими энтузиастами науки было создано передовое для того времени учение о дыхании. Обратите внимание, какая интересная выстраивается логическая цепочка в их экспериментах. Главный научный и идейный вдохновитель «оксфордской группы» Роберт Бойль доказывает, что воздух необходим для горения и поддержания жизни; его ассистент Роберт Гук проводит эксперименты по искусственному дыханию на собаках и доказывает, что не движение легких само по себе, а именно воздух – важнейшее условие дыхания; Ричард Ловер освещает проблему взаимодействия воздуха и крови, показав, что кровь становится ярко-красной, когда подвергается воздействию воздуха, и темно-красной, когда искусственное дыхание прерывается. Окончательную точку ставит Джон Мейоу, доказывая, что не сам воздух, а только определенный его компонент необходим для горения и жизни. Правда, Джон Мейоу, предполагал, что этим необходимым компонентом является азотсодержащее вещество. На самом же деле он фактически открыл кислород, который был назван так лишь в результате его вторичного открытия Джозефом Пристли (Joseph Priestley, 1733-1804).
В 1663 г. Роберт Гук увлекся (как и голландский ученый Антони ван Левенгук) микроскопией и впервые обнаружил клеточное строение растительных тканей.

Антони ван Левенгук (Antony van Leeuwenhoek, 1632-1723)

В 1665 г. Гук внес важные усовершенствования в конструкцию микроскопа и с его помощью осуществил ряд исследований, в частности он наблюдал тонкие слои (мыльные пузыри, масляные пленки) в световых пучках, изучал строение растений и мельчайшие детали живых организмов, ввел представление об их клеточном строении. В работе Micrographia (Маленькие рисунки, 1665) он описал клетки бузины, укропа, моркови, привел изображения весьма мелких объектов, таких как глаз мухи, комара и его личинки, детально описал клеточное строение пробки, крыла пчелы, плесени, мха. В книге мы находим не только сведения о микроскопе Гука, но также и описания его новых важных открытий. Он объяснил происхождение интерференционной окраски мыльных пузырей и явление ньютоновых колец, изложил свою теорию цветов и объяснил окраску тонких слоев отражением света от их верхней и нижней границ. Гук был противником корпускулярной теории света Ньютона и высказал гипотезу о поперечном характере световых волн, предположив, что «свет представляет собой весьма короткие колебательные движения, совершающиеся в поперечных направлениях к линиям распространения света» .

В этой же книге он обсуждал возможность производства искусственных волокон с помощью процессов, подобных вращению шелковичного червя, и первый использовал слово «ячейка» (клетка), чтобы назвать микроскопические сотообразные поры в пробке. Его работы с микроскопом были проведены на самом высоком уровне для своего времени, и именно Роберту Гуку мы обязаны словом «клетка». Исследования по микроскопическим ископаемым превратили его в одного из самых первых сторонников эволюционной теории.

Однако наблюдать внутреннюю жизнь клетки он еще не мог. Не довелось Роберту Гуку доказать наблюдением и гипотезу Уильяма Гарвея (William Harvey, 1578–1657) о полной замкнутости двух кругов кровообращения. Это позже сделал иностранный член Лондонского Королевского Общества – итальянский врач из Болоньи Марчелло Мальпиги (Marcello Malpighi, 1628-1694), открывший капилляры - мельчайшие сосуды, связывающие артерии и вены между собой. Другой врач, Ян Сваммердам (Jan Swamerdam, 1637 – 1680) из Амстердама, обнаружил в крови эритроциты. Но, не смотря на эти великие открытия, наука 17 века не смогла еще установить в целом физическую суть кровообращения и дыхания.

В 1665 г. Гук стал профессором геометрии в лондонском «Cresham College», однако он по-прежнему продолжал демонстрировать свои эксперименты, изобретать и описывать новые инструменты в Королевском обществе.

После большого лондонского пожара в сентябре 1666 г. Гук представил модель, иллюстрировавшую его проект реконструкции пострадавшего города, после чего члены городского магистрата поручили вести эти восстановительные работы Гуку. Он проявил большую активность в восстановлении Лондона и лично спроектировал несколько зданий. Многие историки связывают восстановление Лондона после пожара исключительно только с именем знаменитого архитектора Кристофера Рэна (C.Wren, 1632-1723), хотя мало кто знает, что успех Рэна во многом был обусловлен экстраординарным участием в работе его друга Роберта Гука. Гук был одним из трех назначенных магистратом равноправных инспекторов, включая Рэна, которые руководили реконструкцией Лондона. Некоторые из проектов Роберта Гука до сих пор неправильно приписывают Кристоферу Рэну.
Например, купол знаменитого кафедрального собора Св. Павла в Лондоне был построен на основании математических расчетов Роберта Гука. В средокрестии собора на высоте 30 м заложено основание купола диаметром 34 м, который поднимается на 111 м. При совместной работе над проектом купола Роберт Гук посоветовал Рэну применить уникальное решение. Непосредственно над средокрестием они возвели в кирпиче первый купол с круглым 6-метровым отверстием вверху (окулюсом), полностью соразмерный пропорциям интерьера. Над первым куполом архитекторы соорудили кирпичный конус, служащий опорой для массивного каменного фонаря, вес которого достигает 700 тонн, а над конусом – второй покрытый свинцовыми листами купол на деревянном каркасе, пропорционально соотнесенный с наружными объемами здания. В основание конуса заложена железная цепь, принимающая на себя боковой распор. Слегка заостренный купол, опирающийся на массивную кольцевую колоннаду, господствует в облике собора.

О мастерстве Кристофера Рэна и Роберта Гука дает представление такая история. Когда собор уже был почти построен, городские власти обратили внимание на то, что в центральном пространстве храма нет колонн, которые поддерживали бы огромных размеров потолок. Кристофер Рэн убеждал, что колонны не нужны и потолок не обвалится, и приводил в качестве доказательства свои расчеты и расчеты Роберта Гука. Однако ему не поверили и распорядились подпереть потолок собора колоннами. Рэн выполнил это требование, но... возведенные им колонны не достают до потолка, между капителями и самим потолком есть пространство. Эти колонны, не подпирающие потолок, стоят и сегодня, являясь символом высочайшего мастерства зодчих и обычного недоверия властей к достижениям науки.
Пространство между двумя куполами собора образовало известную «шепчущую галерею», в которой слово, сказанное шепотом у одной стены, становится хорошо слышным у противоположной стены купола. Хотя этот звуковой феномен является в принципе довольно характерным для купольных конструкций, надо отметить, что к этому времени Роберт Гук хорошо разбирался в физике звука. Он проводил различные эксперименты со звуком и его проводимостью в различных средах, а также изобрел к этому времени слуховую трубу. Эффект «шепчущей стены» был применен Робертом Гуком и при проектировании здания Montague House.

Круг научных интересов Роберта Гука был весьма широк: теплота, упругость, оптика, небесная механика…
На заседании Королевского общества 3 мая 1666 г. Роберт Гук заявил:
«Я намерен изложить систему мира, весьма отличающуюся от всех до сих пор предложенных; она основывается на следующих трех положениях:
I. Все небесные тела не только обладают тяготением своих частей к их собственному общему центру, но притягиваются и взаимно одно к другому внутри их сфер действия.
II. Все тела, совершая простое движение, будут продолжать двигаться по прямой линии, если только они не будут постоянно отклоняться от нее некоторой внешней силой, побуждающей их описывать окружность, эллипс или какую-либо иную кривую.
II. Это притяжение тем больше, чем тела ближе. Что же касается отношения, в котором эти силы уменьшаются с увеличением расстояния, то я сам (как он сообщает) не определил его, хотя и проделал с этой целью некоторые эксперименты. Предоставляю сделать это другим, у которых найдется для этой задачи достаточно времени и знаний».
Как мы видим, Роберт Гук имел довольно ясное представление о всемирном тяготении, хотя ему и недоставало математических познаний, чтобы доказать законы Кеплера. Он предположил, что силу гравитации можно измерить, используя движение маятника, и попытался показать, что Земля и Луна движутся по эллипсу вокруг Солнца. В 1678 г., чтобы описать планетарные движения и доказать, что все планеты должны двигаться по эллиптическим орбитам, он установил обратный квадратичный закон, согласно которому притяжение обратно пропорционально квадрату расстояния. По своей сути этот закон являлся законом всемирного тяготения Ньютона (Isaac Newton, 1642-1727), позже предложенным Ньютоном в более совершенной и модифицированной форме. Гук жаловался, что ему не поверили, когда он открыл этот закон и включился в спор с Ньютоном. Надо сказать, что отношения между этими двумя учеными всегда были весьма скверными, что достаточно ярко описано в книгах по истории науки.
Не будучи профессиональным астрономом, Роберт Гук открыл в 1664 г. двойную звезду (вторую - в истории астрономии). Он был первым, кто смог построить совершенно новый отражающий телескоп (Gregorian reflecting telescope), с помощью которого было открыто большинство новых звезд. Гук также обнаружил пятую звезду в Трапеции, звезду в созвездии Ориона, и первым предположил, что Юпитер вращается вокруг своей оси. Его детализированные эскизы Марса использовались даже в 19-ом столетии, чтобы определить скорость вращения этой планеты.
Роберта Гука также называют и отцом британской метеорологии, и изобретенный Гуком барометр в настоящее время можно увидеть в Лондонском научном музее.

Роберт Гук был первым ученым, исследовавшим упругость физических тел. В 1678 г. вышла из печати его работа «De potentia restitutiva or of spring» (О восстановительной способности или об упругости). В ней содержатся результаты проведенных Гуком опытов с упругими телами. Это был первый печатный труд, в котором рассматривались упругие свойства материалов. Выявленное им линейное соотношение между силой и деформацией, известное теперь как закон Гука, послужило фундаментом, на котором впоследствии получила свое дальнейшее развитие механика упругих тел. Он применил эти знания, конструируя часы, и построил первые пружинные часы, более точные, чем маятниковые часы Гюйгенса.
В 1672 г. он обнаружил явление дифракции света (свет заворачивает за углы, так, что тени оказываются всегда смазанными). Более важно в этом явлении то, что в тени за предметом свет появляется в чередовании светлых и темных полос. Чтобы объяснить это, Гук предложил волновую теорию света. На этой почве у него произошел первый конфликт с Исааком Ньютоном, постепенно перешедший в многолетнюю вражду. Ньютон начал интересоваться оптикой ещё в студенческие годы, его исследования в этой области были связаны со стремлением устранить недостатки оптических приборов. В своей первой работе «Новая теория света и цветов» , доложенной им в Лондонском королевском обществе в 1672 г., Ньютон высказал свои взгляды о «телесности света» (т.е. корпускулярную гипотезу света).
Эта работа Ньютона вызвала бурную полемику: в то время господствовали волновые представления. Особенно яростным противником корпускулярных взглядов на природу света выступил Роберт Гук. Отвечая Гуку, Ньютон высказал гипотезу, сочетавшую корпускулярные и волновые представления о свете. Эту гипотезу он потом развил в сочинении «Теория света и цветов» , в котором он описал также свои опыты с «кольцами Ньютона» и установил периодичность световых волн.
Однако при чтении этого сочинения на заседании Лондонского Королевского научного общества Гук выступил с притязанием на приоритет, и раздражённый Ньютон принял решение не публиковать оптических работ. Многолетние оптические исследования Ньютона были опубликованы им лишь в 1704 г. - через год после смерти Гука - в фундаментальном сочинении «Оптика» .
Кстати говоря, Роберт Гук был первым ученым, который установил в общем виде, что вся материя расширяется при нагреве, и воздух состоит из частиц, отделенных друг от друга относительно большими расстояниями. Его модель с пружинками между атомами позже была заимствована тем же Исааком Ньютоном.

Каково же было истинное место Роберта Гука в науке? Например, его покровитель со студенческой скамьи, аристократ Роберт Бойль, был и является более известной научной фигурой, чем Роберт Гук - сын бедного священника и непременный секретарь Королевского Общества. Все дело в том, что даже новая наука, посвятившая себя эксперименту, на практике всегда отдавала предпочтение теоретикам. То, что Гук известен лишь в узком кругу специалистов, частично объясняется большей склонностью ученых к теории, чем к эксперименту, а так же тем, что, в отличие от аристократа Бойля, Гук был бедным самоучкой. Различие в соотношении теория/эксперимент моделируется здесь социальным положением. Даже Роберт Гук – экспериментатор, который также и теоретизировал, теперь почти забыт, в то время как Роберт Бойль – теоретик, который еще и экспериментировал, по-прежнему упоминается в учебниках средней школы. Интересно, что важные химические эксперименты Бойля теперь помнят гораздо хуже, в то время как Роберт Гук имеет репутацию чистого экспериментатора, но его теоретические прозрения в основном игнорируются. Гук был куратором экспериментов при Королевском Обществе, у него был характер сварливого старика, легко вступавшего в конфликты, частично из-за своего низкого положения как экспериментатора. И все же Роберт Гук определенно заслуживает места в пантеоне славы науки, о чем свидетельствуют его многочисленные научные достижения, приведенные в этом выпуске нашего Виртуального календаря.
Умер Гук в Лондоне, 3 марта 1703 г., и был похоронен в церкви Св.Елены.

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.

ТАЙНА ЖИЗНИ

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.

Открытие клетки, несомненно, является одним из важнейших открытий человечества.

Это великое открытие принадлежит английскому физику Р. Гуку, он в 1665 г. первым рассмотрел через свой усовершенствованный микроскоп обычную пробку в разрезе. Гук увидел ячеистый состав пробки, под микроскопом это выглядело как пчелиные соты. Видимые ячейки позже ученый назвал клетками.

Р. Гук. Краткая биография

Роберт Гук родился 18 июля 1635 года (умер 3 марта 1703 года). Его отец хотел вырастить его духовным наставником, но так как у мальчика было слабое здоровье, его отдали в ученики к часовщику. Впоследствии, увидев рвение мальчика к науке, Роберт был отправлен сначала в Вестминстерскую школу, затем в Оксфордский университет, где он стал помощником известного тогда ученого Роберта Бойля. За всю свою жизнь Гук сделал множество громких открытий и изобретений, одним из которых является открытие клетки.

Коллегия невидимых

Открытие клеточного строения произошло в то время развития человечества, когда экспериментальная физика стала претендовать называться госпожой всех наук. В Лондоне было создано общество величайших ученых, которые делали упор в совершенствовании мира на конкретные физические законы. На встречах членов сообщества не происходило никаких политических дебатов, подвергали обсуждению только различные эксперименты и делились исследованиями по физике, механике. Времена тогда были беспокойными, и ученые соблюдали очень строгую конспирацию. Новое сообщество стали называть «коллегия невидимых». Первым, кто стоял у истоков создания общества, был Роберт Бойль - великий наставник Гука. Коллегия выпускала необходимую научную литературу. Автором одной из книг стал Роберт Гук, который тоже входил в это секретное научное сообщество. Гук уже в те годы слыл изобретателем интересных приборов, позволяющих делать великие открытия. Одним из таких приборов был микроскоп.

Микроскоп

Одним из первых создателей микроскопа был Захариус Йансен, который создал его в 1595 году. Задумка изобретения была в том, что монтировались две линзы (выпуклые) внутри специальной трубки с выдвижным тубусом для фокусировки изображения. Этот прибор мог увеличивать исследуемые предметы в 3-10 раз. Роберт Гук усовершенствовал это изделие, что и сыграло главную роль в предстоящем открытии.

Открытие

Роберт Гук в течение длительного времени наблюдал через созданный микроскоп разные мелкие экземпляры, и однажды для просмотра он взял обычную пробку из сосуда. Рассмотрев тонкий срез этой пробки, ученый удивился сложности структуры вещества. Его взору предстал интересный узор из множества ячеек, удивительно похожий на пчелиные соты. Так как пробка - это продукт растительный, Гук начал изучать с помощью микроскопа срезы стеблей растений. Везде повторялась аналогичная картинка - набор пчелиных сот. В микроскоп было видно множество рядов ячеек, которые разделялись тонкими стенками. Роберт Гук назвал эти ячейки клетками.

Заключение

Впоследствии образовалась целая наука о клетках, которая называется цитология. В цитологию входят изучение строения клеток и их жизнедеятельность. Используется эта наука во многих областях, в том числе медицине, промышленности.