Погружение в кожу
Тело человека защищено кожей. Как и в случае с волосами, цвет кожи зависит от наличия в ней меланиновых пигментов. Как и волосы, самый верхний слой кожи мертв. Крошечные отмершие чешуйки отслаиваются и опадают, внося немалый вклад в появление пыли в доме. Непосредственно под этим омертвевшим слоем, который носит название рогового, расположены еще два слоя – эпидермис, выполняющий защитные функции, и собственно кожа, или дерма. Клетки дермы постепенно поднимаются к поверхности и отмирают, образуя внешний слой. В дерме размещаются также меланоциты – клетки, производящие пигменты.
Строение человеческой кожи
Чем больше меланина вырабатывают меланоциты, тем темнее цвет кожи. Он свидетельствует о том, какое количество ультрафиолетовых лучей попадало на кожу в местах обитания наших предков. Ультрафиолетовые лучи занимают в спектре место между видимым светом и рентгеновскими лучами. Они обладают достаточной энергией, чтобы, проникнув сквозь кожу, повредить ДНК клеток. У людей, веками живших в краях, где ультрафиолетовое излучение было слабым, например, в северном полушарии, содержание меланина в коже меньше, чем у наших общих африканских предков.
Казалось бы, уменьшение защиты не имеет никакого смысла, а только повышает степень риска для здоровья, если впоследствии вы переедете туда, где солнечное излучение сильнее (например, в Австралию). Но на самом деле это имеет свои преимущества. Дело в том, что организму все равно требуется определенное количество ультрафиолета, который используется в производстве жизненно необходимого витамина D. Этот витамин почти не встречается в продуктах питания, но нужен организму для защиты от таких заболеваний, как, например, рахит. В северных широтах, где солнца мало, первопоселенцам требовалось больше ультрафиолета, проникающего сквозь кожу.
Это привело к тому, что кожа жителей северных регионов стала более бледной, а остатки меланина часто соединяются вместе, образуя родимые пятна и веснушки. Но даже в местностях, где солнца обычно бывает мало, уровень ультрафиолетового излучения может меняться, поэтому кожа сформировала такой защитный механизм, как загар. При сильном воздействии солнечного света меланоциты активизируются, производят больше меланина, и кожа темнеет. Это позволяет ей получать больше ультрафиолета и в то же время защищать более глубокие слои от повреждений.
Из чего все сделано?
Кератин – основной структурный материал внешних слоев кожи и волос – представляет собой белковое соединение. Молекула белка, в свою очередь, состоит из атомов. Если вернуться к волосу, который вы вырвали из головы, и начать рассматривать его под все более сильными микроскопами, то постепенно можно дойти до фундаментальных «кирпичиков», из которых состоит Вселенная. Чтобы понять, как устроено тело, необходимо задать себе вопрос, из чего состоит любое вещество (включая и ваш волос).
У древних греков на этот счет было две теории. Доминирующей была идея, что все на свете состоит из четырех элементов – земли, воздуха, огня и воды. Однако небольшая часть ученых полагала, что если взять любое вещество и начать делить его на все более мелкие части, то в конце концов можно дойти до некоторого предела. Эту конечную частицу они называли atomos (греч. неделимый). Данная теория оставалась невостребованной почти две тысячи лет – до тех пор, пока в начале 1800‑х годов английский ученый Джон Дальтон не сформулировал современную атомную теорию, предположив, что все элементы состоят из различных типов крошечных частиц (атомов), причем каждый тип соответствует конкретному элементу.
Под элементами в данном случае понимались не четыре компонента мира, о которых говорили древние греки, а химические вещества, которые не могли быть получены одно из другого. Это могли быть газы (например, водород или кислород), металлы (например, железо или свинец) и другие вещества (например, углерод или сера). Однако даже в начале XX века большинство ученых считали, что атомы – это скорее удобная концепция, объясняющая химические преобразования, чем реально существующие частицы. Лишь в результате исследований, начатых Альбертом Эйнштейном в 1905 году, было окончательно доказано, что атомы существуют.
Беспокойные молекулы
Атомы похожи на маленьких детей: они не могут находиться в покое. Вода в стоящем на столе стакане кажется неподвижной, но на самом деле молекулы воды находятся в постоянном и хаотичном движении. Эйнштейн догадался, что эффект, впервые обнаруженный шотландским ботаником Робертом Броуном в 1827 году, может быть объяснен именно движением молекул.
Наблюдая в микроскоп за пыльцой примулы в капле воды, Броун заметил, что частицы пыльцы непрерывно движутся. Поначалу он приписал это некой жизненной силе, содержащейся в пыльце, но затем выяснилось, что точно так же ведут себя частицы минеральной пыли и сажи. Дело было не в жизненной силе, а в активности самой воды. Этот эффект назвали броуновским движением. Эйнштейн понял, что оно создается за счет того, что хаотично двигавшиеся молекулы воды натыкаются на частицы пыльцы, и математически обосновал эту теорию. Немного позже, в 1912 году, французский физик Жан Перрен провел серию экспериментов и впервые доказал, что атомы и молекулы действительно существуют.
Сегодня мы можем не только разглядеть отдельные атомы, но и манипулировать ими. В 1989 году группа ученых из компании IBM впервые продемонстрировала, что электронный микроскоп может использоваться не только для наблюдения за объектами, но и для управления ими. В частности, с его помощью они научились перемещать отдельные атомы. Спустя два месяца ученые смогли составить из 35 атомов ксенона заглавные буквы IBM.
Буквы IBM, составленные из атомов ксенона. Публикуется с разрешения «Press Association Images»
Чуть раньше, в 1980 году, Ганс Демельт, работавший в Вашингтонском университете, изолировал ион бария (ион – это атом, в котором либо не хватает электронов, либо присутствуют лишние электроны, за счет чего он имеет электрический заряд). При подсветке лучом лазера ион бария был ясно виден невооруженным глазом в виде светящейся точки, перемещающейся в пространстве. Вы, конечно, можете возразить, что ион увидеть невозможно и что мы видим только отражающийся от него свет. Но ведь именно так мы видим и любой другой объект.
Пустые атомы и парение над стулом
Атомы нашего тела не только очень малы, но и состоят главным образом из пустоты. Если бы вам удалось сжать материю своего тела, сблизив до предела все частицы, из которых состоят атомы, то образовался бы кубик со стороной менее 1/500 сантиметра.
Одним из чудес космоса являются нейтронные звезды, в которых атомы сжаты до такого предела, что пустое пространство в них отсутствует. В одном кубическом сантиметре вещества, из которого состоит нейтронная звезда (это чуть больше кусочка сахара), содержится около 100 миллионов тонн материи. Целая звезда тяжелее Солнца была бы размером примерно с остров Манхэттен.
