Чого не видно неозброєним оком

КРИХІТНІ частинки пилу непомітно кружляють у повітрі. Аж ось через вікно падає пучок сонячного світла й раптом те, що було невидиме, стає видимим. Сонячний промінь, який проник у кімнату, викрив присутність цих частинок.

Але це ще не все, на що здатне видиме світло, яке для неозброєного ока здається білим або безбарвним. Що стається, коли сонячне світло падає на краплинки води під відповідним кутом? Вода, виконуючи роль призми, розкладає його, і перед нами постає чудова різнокольорова веселка!

По суті, те, що наші очі сприймають як кольори, є лише сукупністю світлових хвиль різної довжини, відбитих навколишніми предметами. Наприклад, зелена трава сама по собі не випромінює зеленого світла, а радше поглинає світло всіх інших кольорів, окрім зеленого. Трава відбиває зелене світло, тому видається нам зеленою.

Озброєні інструментами, створеними людиною

Завдяки сучасним винаходам люди в останні роки змогли побачити чимало з того, що невидиме для неозброєного ока. Коли подивитися у звичайний мікроскоп на нібито позбавлену будь-яких форм життя краплину води, виявиться, що в ній рухається сила-силенна створінь. А пасмо волосся, яке здається гладеньким та рівним, насправді нерівне й шершаве. Дуже потужні мікроскопи можуть збільшити об’єкти у мільйон разів, що дорівнює збільшенню поштової марки до розмірів невеликої країни!

Сьогодні, використовуючи ще потужніші мікроскопи, вчені отримують контурне зображення поверхні предметів на атомарному рівні. Завдяки цьому перед ними відкривається те, що донедавна було недосяжне людському зору.

А тепер звернімо свою увагу на нічне зоряне небо. Скільки зірок може побачити людина? Неозброєним оком — щонайбільше кілька тисяч. Однак коли близько 400 років тому винайшли телескоп, на небі стало видно набагато більше зірок. Потім, у 1920-х роках, завдяки потужному телескопу в обсерваторії Маунт-Вілсон було виявлено, що поза нашою галактикою простягаються інші галактики, які також містять незліченну кількість зір. А сьогодні науковці, послуговуючись дуже складними приладами для дослідження Всесвіту, уже говорять про існування десятків мільярдів галактик, багато з яких нараховують сотні мільярдів зірок!

За допомогою телескопів було зроблено вражаюче відкриття: мільярди зірок, що через гадану близькість виглядають як Молочний Шлях, насправді відділені одні від одних незбагненно великими відстанями. Потужні мікроскопи також відкрили для людського ока, що об’єкти, які здаються суцільними, насправді побудовані з атомів, котрі майже зовсім порожні.

Нескінченно малі

Найкрихітніша частинка, яку можна роздивитися у звичайний мікроскоп, складається з понад десяти мільярдів атомів! Але 1897 року було відкрито, що в атомах є зовсім маленькі частинки — електрони, які рухаються навколо ядра. З часом з’ясувалося, що ядро атома побудоване з більших частинок — нейтронів і протонів. Усі 88 видів атомів, або елементів, які трапляються у природному стані на Землі, майже однакові за розміром, але різняться масою, оскільки кожен наступний має більше число цих трьох основних частинок.

Електрони — у випадку атома водню це один електрон — обертаються навколо ядра атома мільярди разів за мільйонну частку секунди, і таким чином надають атому форму й змушують його поводитися так, ніби він суцільний. Для того щоб маса електронів дорівнювала масі протона або нейтрона, потрібно близько 1840 електронів. А протони і нейтрони майже у 100 000 разів менші за сам атом!

Аби зрозуміти, наскільки атом порожнистий, спробуйте уявити співвідношення між розміром ядра атома водню та відстанню до його електрона. Якби це ядро, що складається з одного протона, було завбільшки з тенісний м’ячик, то електрон обертався б навколо нього на відстані близько 3 кілометрів!

У звіті з нагоди столітнього ювілею з часу відкриття електрона говорилося: «Мало хто вагається святкувати відкриття того, що ніхто не бачив і розміри чого невідомі, але що має певну масу та електричний заряд, до того ж крутиться, як дзиґа. (...) Сьогодні вже ніхто не сумнівається в існуванні того, що людина не в стані побачити».

Ще крихітніші об’єкти

Завдяки пристроям для розщеплення атома, у яких прискорені частинки матерії стикаються одні з одними, вчені нині змогли заглянути всередину атомного ядра. Внаслідок цього було виявлено багато частинок, яким дали незнані до того назви: позитрони, фотони, мезони, кварки, глюони та чимало інших. Усі вони невидимі навіть у найпотужніші мікроскопи. Однак послуговуючись такими приладами, як камера Вільсона й бульбашкова камера, а також сцинтиляційний лічильник, можна реєструвати сліди їхнього існування.

Сьогодні дослідники бачать те, що колись було невидимим. Це допомагає їм усвідомити значення чотирьох так званих фундаментальних взаємодій: гравітаційної, електромагнітної та двох суб’ядерних — слабкої і сильної. Декотрі науковці намагаються сформулювати, як вони кажуть, «єдину теорію», що могла б дати одне зрозуміле пояснення будови цілого Всесвіту — від макросвіту до мікросвіту.

Чого ж можна навчитися, розглядаючи те, що невидиме для неозброєного ока? І якого висновку дійшло багато осіб на основі того, про що довідалися? Відповіді на ці запитання містяться у наступних статтях.

[Ілюстрації на сторінці 3]

Зображення атомів нікелю (вгорі) та атомів платини.

[Відомості про джерело]

З люб’язного дозволу IBM Corporation, Research Division, Almaden Research Center

Що виявляє погляд у невидиме?

ЩО СТАЄТЬСЯ, коли люди, використовуючи нові винаходи, піднімають край завіси над раніше невидимим? Вони отримують можливість більше довідатися про те, що колись було невідоме. (Дивіться інформацію в рамці).

Свого часу люди вірили, що Земля є центром Усесвіту. Але пізніше завдяки телескопу виявилося, що вона та інші планети обертаються по своїх орбітах навколо Сонця. Ближче до наших часів, з винайденням потужних мікроскопів, люди почали досліджувати навіть атом і побачили, як атоми різних видів сполучаються між собою, утворюючи молекули.

Розгляньмо, як побудована молекула води — життєво важливої речовини. Для утворення однієї такої молекули,— а в кожній краплині їх мільярди,— два атоми водню завдяки своїй будові з’єднуються особливим чином з одним атомом кисню. Про що можна довідатись, досліджуючи молекулу води й роздумуючи над її властивостями за різних умов?

Чудо-вода

Хоча окремі краплини води здаються дуже простими, насправді це неймовірно складна речовина. Д-р Джон Емслі, автор наукових статей з Імперського коледжу в Лондоні, сказав, що це «одна з найбільш досліджуваних хімічних сполук, яка залишається найменш зрозумілою». У журналі «Нью саєнтист» говорилося: «Хоча вода найвідоміша рідина на Землі, вона криє у собі чи не найбільше таємниць».

Д-р Емслі пояснює, що, незважаючи на просту молекулярну структуру води, «її властивості дуже незвичайні». Наприклад, він каже, що «H₂O має бути газом... але є рідиною. Крім того, коли вода замерзає... то лід, її тверда форма, не тоне, [як цього слід було сподіватися] а плаває на поверхні». Стосовно цих дивовижних властивостей д-р Пол Е. Клопстеґ, колишній президент Американської асоціації сприяння розвитку науки, зазначив:

«Видається, що це було задумано спеціально для підтримання у воді життя, наприклад риб. Подумайте, що сталося б, якби вода, охолоджуючись до точки замерзання, мала інші властивості. Утворювалося б дедалі більше льоду, аж поки він не заповнив би цілого озера, призвівши до загибелі всіх або більшості представників морської флори й фауни». За словами д-ра Клопстеґа, ці незвичайні властивості води «засвідчують, що у Всесвіті цілеспрямовано діє великий розум».

Як повідомляється у журналі «Нью саєнтист», сьогодні дослідники вважають, що знають причину таких незвичайних властивостей води. Вони розробили першу теоретичну модель, яка точно передбачає ступінь розширення води. «Розгадка таємниці,— усвідомили дослідники,— криється у способі розміщення атомів кисню в цих структурах».

Чи ж це не диво? Молекула, яка здається такою простою, не піддається людському розумінню. А вода ж становить більшу частину ваги нашого тіла! Чи ви також бачите у цій дивовижній молекулі, побудованій лише з трьох атомів двох хімічних елементів, докази того, що «цілеспрямовано діє великий розум»? Все ж молекула води надзвичайно маленька й набагато простіша, ніж чимало інших молекул.

Дуже складні молекули

Декотрі молекули складаються із тисяч атомів різних видів, які належать до групи 88 хімічних елементів, що трапляються на Землі у природному стані. Наприклад, молекула ДНК (скорочення для дезоксирибонуклеїнової кислоти), в якій міститься закодована спадкова інформація кожного живого організму, може бути побудована з мільйонів атомів кількох елементів!

Незважаючи на неймовірну складність, молекула ДНК має в діаметрі якихось 0,000 002 5 міліметра, так що її можна побачити тільки у потужний мікроскоп. У 1944 році науковці з’ясували, що ДНК вирішує спадковість організму людини. І те відкриття поклало початок напруженим дослідженням цієї неймовірно складної молекули.

Однак молекули ДНК та води — це лише два із численних видів молекул, з яких побудований світ. Оскільки багато молекул входять до складу як живої, так і неживої матерії, чи можна зробити висновок, що між живим та неживим — лише один незначний крок, або простий перехід?

Довгий час чимало людей вважало, що це так. «Особливо у 1920—1930-х роках багато авторитетних осіб висловлювало надію, що завдяки збільшенню знань з біохімії вдасться ліквідувати розрив у ланцюгу живого й неживого»,— пояснює мікробіолог Майкл Дентон. Але що з’ясувалося з часом?

Життя — щось особливе й виняткове

Хоча науковці сподівалися знайти перехідні ланки, або ряд проміжних форм, між живим та неживим, Дентон зазначив, що «після революційних відкриттів, зроблених у молекулярній біології на початку 1950-х, зрештою було доведено» існування явного розриву. Говорячи про дивовижний факт, який тепер став очевидним для вчених, Дентон пояснив:

«Нині ми знаємо не лише про існування прірви між світом живого і неживого, але й те, що це найбільш разючий та фундаментальний розрив у природі. Між живою клітиною і найбільш високоорганізованою небіологічною системою, такою, як кристал або сніжинка, є прірва, причому настільки глибока й очевидна, наскільки можна собі тільки уявити».

Це, звичайно, не означає, що молекулу легко створити. У книжці «Від молекул до живих клітин» (англ.) пояснюється, що «синтез крихітних будівельних блоків молекул — уже сам по собі досить складний процес». І далі додається, що, однак, створення таких молекул — «дитяча гра, порівняно з тим, що мало відбутися потім, аби виникла перша жива клітина».

Клітини можуть існувати самостійно як окремі живі організми, наприклад бактерії, або ж бути частиною багатоклітинного організму, як-от людини. На крапці в кінці цього речення могло б поміститися 500 клітин середнього розміру. Тому не дивно, що неозброєним оком неможливо побачити, як функціонує клітина. Що ж відкривається, коли, використовуючи мікроскоп, зазирнути в окрему клітину людського тіла?

Клітина. Виникла випадково чи була сконструйована?

Перш за все слід визнати, що складність живих клітин просто вражає. Один письменник наукових статей зауважив: «Для нормального росту навіть найпростішої живої клітини необхідно, щоб злагоджено відбувалися десятки тисяч хімічних реакцій». Він запитав: «Як же в одній крихітній клітині можуть упорядковано проходити водночас 20 000 реакцій?»

За словами Майкла Дентона, навіть найкрихітніші живі клітини нагадують «справжню мікроскопічну фабрику, яка поміщає в собі тисячі чудово спланованих частин складного молекулярного механізму, побудованих загалом зі ста мільярдів атомів. Цей механізм багато складніший від будь-якої машини, збудованої людиною, і йому немає рівного в світі неживих речей».

Науковці не перестають дивуватися складності клітини. У газеті «Нью-Йорк таймс» за 15 лютого 2000 року зазначалося: «Чим більше біологи довідуються про живу клітину, тим непосильнішим здається їм завдання збагнути все, що в ній відбувається. Людська клітина середнього розміру надто мала, щоб її побачити, проте кожної миті коло 30 000 із 100 000 її генів вмикаються та вимикаються, керуючи клітинним господарством або відповідаючи на послання інших клітин».

У цій газеті ставилося таке запитання: «Як же можна дослідити настільки крихітний і водночас настільки складний механізм? І навіть якби завдяки величезним зусиллям вдалося цілком збагнути будову й функції однієї клітини людського організму, то залишилися б непізнаними ще принаймні 200 інших видів клітин».

У журналі «Природа» (англ.) в статті «Справжні двигуни творення» повідомлялося про відкриття всередині кожної клітини нашого тіла крихітних двигунів. Вони створюють аденозинтрифосфорну кислоту — клітинний енергоносій. Один науковець розмірковував: «Чого можна було б досягти, якби ми навчилися проектувати й будувати молекулярні системи, подібні до клітинних?»

Лише подумайте про творчі можливості клітини! У ДНК тільки однієї клітини нашого тіла міститься стільки інформації, що нею можна було б заповнити мільйон таких сторінок, як у цьому журналі! Крім того, кожного разу, коли клітина ділиться, уся ця інформація передається новій клітині. Як, на вашу думку, ці дані потрапили в кожну із 100 трильйонів клітин людського організму? Сталося це випадково чи завдяки Найвеличнішому Конструктору?

Можливо, ви зробите такий же висновок, що й біолог Рассел Чарлз Артист. Він сказав: «Якщо відкинути мудру та логічну думку, що клітина з’явилася внаслідок діяльності розуму, тоді в спробах пояснити її виникнення та подальше функціонування ми стикаємося з величезними, просто непереборними труднощами».

Дивовижний порядок

Багато років тому Кертлі Ф. Метер, який був у той час професором геології Гарвардського університету, дійшов такого висновку: «Ми живемо у Всесвіті, де панує не випадок або мінливість, але Закон та Порядок. Його Управління абсолютно розумне й варте найбільшої пошани. Подумаймо про чудову математичну систему природи, завдяки якій ми можемо давати послідовні атомні номери кожному елементу матерії».

Задумаймось на хвилину над цією «чудовою математичною системою природи». У давнину люди знали про існування лише таких елементівa, як золото, срібло, мідь, олово та залізо. У середньовіччі алхіміки відкрили миш’як, вісмут та сурму, а пізніше, у XVIII столітті, стало відомо про багато інших елементів. У 1863 році, щоб ідентифікувати індій, використали спектроскоп, за допомогою якого можна виділити унікальний спектр кожного елемента. Індій був 63-м відкритим елементом.

У той же час російський хімік Дмитро Іванович Менделєєв дійшов висновку, що устрій елементів не є справою сліпого випадку. Зрештою 18 березня 1869 року на засіданні Російського хімічного товариства було прочитано його трактат «Нарис системи елементів». У ньому він заявив: «Я повинен був спинитися на якійсь системі простих тіл, щоб у їхньому розподілі не керуватися випадковими... міркуваннями, а якимось конкретним і точним початком».

У цьому відомому трактаті Менделєєв передбачив: «Ми повинні сподіватися відкриття ще багатьох невідомих простих тіл; наприклад, подібних до алюмінію та силіцію, елементів з атомними масами від 65 до 75». Менделєєв залишив вільні місця для 16 нових елементів. Коли його запитали, чи має він якісь докази на підтвердження своїх передбачень, він відповів: «Мені не потрібно доказів. Закони природи, на відміну від правил граматики, не допускають жодних винятків». Менделєєв додав: «Гадаю, що коли мої невідомі елементи відкриють, до нас прислухається більше людей».

Саме так і сталося! «Протягом наступних 15 років,— пояснюється в «Американській енциклопедії»,— було відкрито галій, скандій та германій, і властивості цих елементів точно відповідали тим, які передбачив для них Менделєєв. Це довело слушність періодичної системи й принесло славу її автору». На початку XX століття уже було відкрито усі існуючі елементи.

Безперечно, як зазначив дослідник у галузі хімії Елмер В. Маурер, «ця чудова система не може бути справою випадку». Професор хімії Джон Клівленд Котрен так висловився про ймовірність випадкового виникнення цього стрункого порядку елементів: «Відкриття у пізніші часи всіх елементів, існування яких передбачив [Менделєєв], та посідання ними властивостей, майже точно ним передбачених, повністю усунули таку можливість. Велике узагальнення Менделєєва ніколи не називають «періодичною випадковістю», а, навпаки, «періодичним законом».

Детальне вивчення елементів, а також того, як вони поєднуються, утворюючи все навколо нас, спонукало відомого фізика Поля Дірака, який був професором математики Кембриджського університету, сказати: «Цю ситуацію можна було б описати, сказавши, що Бог є великим математиком і що Він використовував під час створення Всесвіту найновітніші математичні знання».

Справді, скільки захоплення викликає ознайомлення з невидимим світом неймовірно крихітних атомів, молекул і живих клітин, а також гігантських зоряних галактик, які просто неможливо побачити неозброєним оком! Після цього людина ліпше усвідомлює свою скромну роль у Всесвіті. А як це впливає на вас особисто? У чому це вас переконує? Чи ви бачите більше, ніж ваші очі?

[Примітка]

[Рамка/Ілюстрації на сторінці 5]

Зашвидко для ока

Оскільки, несучись галопом, кінь рухається дуже швидко, у XIX столітті велося багато суперечок про те, чи бувають миті, коли усі його копита відірвані від землі. Зрештою 1872 року Едвард Мейбрідж почав проводити фотодосліди, які пізніше дали відповідь на це запитання. Мейбрідж придумав метод, котрий згодом ліг в основу виробництва перших фільмів.

Уздовж бігової доріжки він встановив на незначній відстані один від одного 24 фотоапарати. Від кожного з них протягнув через доріжку мотузку, прив’язану до затвора. Коли кінь мчав галопом, то чіпляв копитами мотузки і затвори спрацьовували. Аналіз фотографій виявив, що в певні моменти кінь зовсім не торкався землі.

[Відомості про джерело]

З люб’язного дозволу George Eastman House

[Ілюстрація на сторінці 7]

Чому замерзла вода не тоне, а плаває на поверхні?

[Ілюстрація на сторінці 7]

Хоча діаметр молекули ДНК якихось 0,000 002 5 міліметра, вона містить стільки інформації, що нею можна було б заповнити мільйон сторінок.

[Відомості про джерело]

Комп’ютерна модель ДНК: Donald Struthers/Tony Stone Images

[Ілюстрація на сторінці 8]

У кожній клітині нашого тіла, а їх у нас 100 трильйонів, злагоджено відбуваються десятки тисяч хімічних реакцій.

[Відомості про джерело]

Copyright Dennis Kunkel, University of Hawaii

[Ілюстрації на сторінці 9]

Російський хімік Д. І. Менделєєв дійшов висновку, що устрій елементів не є справою сліпого випадку.

[Відомості про джерело]

З люб’язного дозволу National Library of Medicine