 |
Атомная теория строения вещества
|
|
|
|
1662 • ЗАКОН
БОЙЛЯ—МАРИОТТА
| • |
| МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОТЫ |
1787 • ЗАКОН ШАРЛЯ
| БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ |
| УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА |
| МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ |
Теплота — вещь мистическая. Можно взять в руку кусок дерева, и от него руке не будет, по большому счету, ни тепло, ни холодно. Однако стоит бросить его в огонь — и оно, загоревшись, будет выделять теплоту в большом количестве. Откуда же берется теплота? Издревле люди считали, что теплота представляет собой особую жидкость под названием флогистон, или теплород, заключенную в дереве и других горючих субстанциях и высвобождающуюся при горении. К концу XVIII века, однако, накопилось достаточно экспериментальных данных, чтобы убедиться в ошибочности такой теории.
Одним из первых современные представления о природе теплоты предложил Бенджамин Томпсон (граф Румфорд). Он всегда отличался техническим складом ума и всю свою жизнь интересовался наукой применительно к баллистике и оружейному делу, которым посвятил свою жизнь. Уже живя в Баварии, он был техническим управляющим пушечного завода. Грубо отлитые стволы обрабатывались изнутри сверлильной фрезой для доведения до нужного калибра и придания им должной гладкости. Румфорд заметил, что при расточке стволы нагреваются, причем тем сильнее, чем тупее фреза. Измерив теплоемкость металлической стружки, ему удалось показать, что тепло никак не могло храниться до расточки в веществе ствола, а следовательно, теплота возникает в результате трения. Рассказывают, что он даже помещал рассверливаемую пушку в воду и сверлил ее, пока вода не закипела спустя несколько часов.
Сегодня мы понимаем теплоту (точнее сказать, тепловую или термальную энергию) как особую форму энергии, связанную с движением атомов или молекул, из которых состоит материал. При притоке энергии извне атомы или молекулы разогреваются — т. е. начинают колебаться или двигаться быстрее, при остывании же движение замедляется. В жидкостях и газах увеличивается скорость хаотичного броуновского движения и частота соударений атомов или молекул друг с другом. В твердых же телах атомы с большей амплитудой колеблются вокруг своих мест в кристаллической решетке. В обоих случаях, однако, то, что мы воспринимаем как теплоту или термальную энергию, на самом деле является кинетической энергией атомов или молекул. Как и все другие формы энергии, подчиняющиеся первому началу термодинамики, тепловая энергия может переходить в другие формы энергии, и это используется, например, в двигателях внутреннего сгорания и электрогенераторах.
|
|
|
БЕНДЖАМИН ТОМПСОН (граф фон Румфорд) (Benjamin Thompson (Count Rumford), 1753-1814) — американский, а затем немецкий администратор и ученый. Родился в Вобурне, штат Массачусетс. Во время Войны за независимость США выступил на стороне Великобритании, куда и вынужден был бежать, бросив семью, в 1775 году после поражения колониальной армии и выдвижения против него обвинений в шпионаже. Позже переехал в Мюнхен (Бавария), где занимал высокие государственные посты. В 1790 году Томпсону за заслуги был пожалован титул графа, причем титульным графством было названо графство (округ) Румфорд (Rumford County, в настоящее время переименовано в Concord County) в штате Нью-Гемпшир, где он жил с первой женой до эмиграции из США. Вернувшись в Лондон, в 1800 году основал там знаменитый Королевский институт. В 1804 году переехал в Париж, женившись на вдове Антуана Лавуазье (см. флогистон). Брак не сложился; известна фраза фон Румфорда: «Лавуазье повезло, что он умер на гильотине».
|
|
|
Микробная теория инфекционных заболеваний
Инфекционные
заболевания
вызываются
микроорганизмами,
которые попадают
в организм человека
извне
1877 ^ МИКРОБНАЯ ТЕОРИЯ ИНФЕКЦИОННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
1928 • ОТКРЫТИЕ
ПЕНИЦИЛЛИНА
| сер. 1960-х |
1947 • УСТОЙЧИВОСТЬ МИКРОБОВ К АНТИБИОТИКАМ
ИММУННАЯ СИСТЕМА
В середине XIX века среди медиков разгорелся спор о происхождении инфекционных заболеваний. Представители одного лагеря защищали старую точку зрению, что причина заболевания — нарушение равновесия в организме, возможно, обостренное внешними воздействиями. Им противостояла группа ученых, отстаивавших революционное представление, согласно которому инфекционные заболевания возникают в результате внедрения в тело микроорганизмов.
Новое течение возглавлял французский ученый Луи Пастер. В своих исследованиях он шел не таким путем, как все. В 1854 году он был профессором химии в Лилле, где деятельность университета была направлена в основном на помощь местной промышленности. Пастер изучал процесс брожения, который, безусловно, очень важен для получения вина. Он пришел к заключению, что брожение вызвано микробами, которые питаются сахаром, содержащимся в виноградном соке, и производят в качестве побочного продукта своей жизнедеятельности спирт. Пастеру стало ясно, что брожение — это биохимический процесс, а не просто химический, как считали многие, и этот процесс невозможен без микроорганизмов, а именно дрожжей.
Пастер также обнаружил, что нагревание способствует более длительному хранению вина. Оно убивает микробов, которые в противном случае запустили бы дальнейшие реакции, приводящие к порче вина. Этот принцип лег в основу пастеризации, до сих пор применяющейся в молочной промышленности большинства стран мира для предохранения молока от скисания.
Подобно многим своим современникам, Пастер предчувствовал, что между процессом брожения и болезнетворным процессом в организме человека должно быть нечто общее. В конце XIX века представление о том что, заболевание, подобно брожению, вызывается микроорганизмами, уже имело немало сторонников, и количество доказательств в пользу этой точки зрения все возрастало. Пастер смог показать, что болезнь, нанесшая огромный ущерб шелковичным червям во Франции, имела бактериальное происхождение. В 1860-е годы английский хирург Джозеф Листер (Joseph Lister, 1827-1912), разделявший представ-
|
|
|
 |
Луи Пастер в своей лаборатории. Хотя аналогичные идеи возникали и у других ученых, именно благодаря экспериментам Пастера было установлено, что причина болезней — микроорганизмы, а его имя увековечено в термине «пастеризация»
ления Пастера, с их помощью продемонстрировал преимущества антисептической хирургии, а немецкий бактериолог Роберт Кох (Robert Koch, 1843-1910) добился успеха в обосновании бактериального происхождения сибирской язвы — болезни крупных животных (которой иногда болеет и человек). Пастер показал, что сибирская язва может передаваться даже с сильно разбавленной кровью, но не передается с кровью, пропущенной через фильтр (процесс фильтрования приводит к удалению бактерий). Вскоре он обнаружил, что микробы вызывают и ряд других заболеваний, включая родильную лихорадку (послеродовой сепсис), которая в то время была основной причиной смертности среди женщин. Пастер даже навлек на себя гнев медиков, установив, что врачи сами распространяют это заболевание, переходя от одной роженицы к другой.
Впоследствии Пастер, изучая холеру домашней птицы, обнаружил (почти случайно), что после длительного выдерживания вирулентность микроорганизмов снижается. Такие ослабленные микроорганизмы стали использоваться в качестве вакцины. Затем последовало создание вакцины против сибирской язвы, а также против бешенства — эта вакцина принесла Пастеру известность. Еще до смерти Пастера в 1895 году микробная теория инфекционных заболеваний была признана в научных и медицинских кругах.
ЛУИ ПАСТЕР (Louis Pasteur, 1822-95) — французский химик и микробиолог, родился в небольшой деревне в семье кожевника. Изучал химию в парижской Высшей нормальной школе и в 1847 году получил докторскую степень. Первые научные работы Пастера посвящены оптическим свойствам материалов. В 1854 году, после непродолжительной работы в университетах Дижона и Страсбурга, Пастер получил должность профессора химии в Лилльском университете, где занимался исследованием брожения. В 1867 году переехал в Сорбонну, где занимал должность
|
|
|
Профессора химии, а с 1888 года и до конца жизни возглавлял Институт Пастера в Париже. Наиболее важное достижение Пастера в области химии — это открытие оптических изомеров: химических соединений-двойников, имеющих одинаковую формулу, но вращающих плоскость поляризованного света в противоположных направлениях. Микробиологические работы и эксперименты в области брожения и гниения внесли огромный вклад в борьбу с болезнями: Пастер первый сделал овцам прививку против сибирской язвы, а человеку против бешенства.
Мимикрия
| 1852, 1878 |
В процессе эволюции одни организмы начинают подражать другим — либо чтобы отпугнуть возможных хищников, сигнализируя об опасности, либо чтобы приобрести сходство с теми видами, которых принято избегать
МИМИКРИЯ
1873 • ПРИНЦИП
МУТУАЛИЗМА
1877 • СИМБИОЗ
Окраска бабочки ленточника (внизу) сходна с окраской бабочки монарха (вверху). Ленточник не содержит токсина, присутствующего в организме монарха, и такая мимикрия помогает ему защититься от разборчивых хищников
В соответствии с теорией эволюции, живые организмы стремятся развивать те признаки и особенности, которые повышают их приспособленность, то есть способность передавать свои гены следующему поколению. Некоторые виды в результате такой эволюции приобрели поразительное внешнее сходство с другими видами — это явление называют мимикрией.
У многих видов в процессе их развития сформировалась система заблаговременного предупреждения, предостерегающая потенциальных противников, — вспомните белые полоски скунса или бросающуюся в глаза полосатость жалящих насекомых, вроде ос или пчел. Причина формирования таких сигналов ясна. Противник, столкнувшийся со скунсом или осой со всеми вытекающими последствиями, в будущем, вероятно, будет избегать встречи с представителями этого вида. Следовательно, представители этого вида, несущие гены этих отличительных признаков, будут выживать в течение более длительного времени и оставят больше потомства — классический пример естественного отбора в действии. Однако для того, чтобы система предупреждения была действенной, столкновения между потенциальными агрессорами и представителями вида должны происходить достаточно часто. Вот эту способность воспроизводить знаки, предупреждающие об опасности, и стараются развить в себе другие виды, выживающие за счет мимикрии.
|
|
|
|
Впервые одну из форм мимикрии описал в 1852 году Генри Бейтс. Самый наглядный пример так называемой бейтсовской мимикрии можно наблюдать у бабочек. Гусеницы бабочки монарха накапливают гликозид — токсичное химическое вещество, образующееся у них как побочный продукт метаболизма, и это вещество передается взрослой бабочке. из-за этого бабочка неприятна на вкус (и даже ядовита) для птиц — главных охотников на бабочек. Поэтому, однажды попробовав бабочку монарха, птицы в дальнейшем уже не посягают на них. Несколько вполне приятных на вкус и безвредных бабочек использовали в своих целях дурную славу химического оружия, которое бабочка монарх применяет для защиты от хищников. Например, бабочка ленточник имеет такую же черно-оранжевую окраску, как и бабочка монарх, и их легко перепутать. Поэтому хищники не трогают бабочку ленточника, а значит, с точки зрения теории Дарвина она тоже «более приспособлена».
Другую форму мимикрии впервые описал в 1878 году немецкий натуралист Фриц Мюллер (Fritz Müller, 1822-97). Наилучшей иллюстрацией мюллеровской мимикрии, как ее теперь называют, являются жалящие насекомые, такие, как осы и пчелы. На теле этих насекомых имеется хорошо заметный полосатый рисунок. Идея заключается в том, при расширении «кольца» насекомых с отличительной окраской потенциальные агрессоры с большей вероятностью пройдут описанный выше процесс обучения. Например, птица, ужаленная осой одного вида, будет избегать ос и других видов. Согласно принципу мюллеровской мимикрии, каждый вид с подражательной окраской или формой может оставить о себе неприятные воспоминания — острую боль в случае пчел и ос.
При бейтсовской мимикрии между имитатором и моделью существует неустойчивое равновесие. Например, если в определенной местности популяция ленточника будет чрезмерно многочисленной, птице, вероятно, попадется одна из вкусных бабочек ленточников раньше, чем она увидит бабочку монарха. В этом случае защита монарха (и подражание ленточника) резко упадет в цене. (Применительно к паре монарх—ленточник такое равновесие было нарушено в январе 2002 года, когда из-за сильного шторма в Мексике, где зимует бабочка монарх, погибло почти четверть миллиарда этих бабочек.) Следовательно, бейтсовская мимикрия эффективна лишь в том случае, когда имитатор значительно уступает модели в численности. Как это часто бывает в жизни, хорошего понемножку.
Итак, основное различие между двумя формами мимикрии заключается в следующем: осы действительно жалят, поэтому в основе мюллеровской мимикрии лежит реальность, тогда как бейт-совская мимикрия не более чем блеф, и хищников, игнорирующих отпугивающую окраску, не ожидают никакие неприятности.
ГЕНРИ УОЛТЕР БЕЙТС (Henry Walter Bates, 1825-92) — английский натуралист и исследователь. Родился в Лестере в семье фабриканта. Бейтс прожил необычную жизнь. В 13 лет ему пришлось завершить школьное образование: его отдали учиться на местную трикотажную фабрику. Бейтс был страстным энтомологом, и в возрасте 18 лет опубликовал свою первую статью о жуках. Позднее он путешествовал в бассейне
Амазонки, собирая насекомых для английских коллекционеров, и открыл 8000 новых видов. По настоятельной просьбе Чарлза Дарвина Бейтс опубликовал несколько книг о своих путешествиях и изученных им насекомых. Со временем он занял должность помощника секретаря в Королевском географическом обществе в Лондоне, и его заслуги как выдающегося ученого были признаны всеми его коллегами.
Молеку-лярно-кине-тическая теория
Термодинамические свойства газа зависят от средней скорости движения атомов или молекул, из которых он состоит
|
|
|
