КРАСКИ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ

Психология и физиология восприятия информации

Врач-окулист советует своим пациентам есть побольше моркови. Это, мол, укрепляет зрение. На чем основана рекомендация врача?

В моркови содержится много каротина. Половина его молекулы - это молекула ретиналя, входящего составной частью в молекулу родопсина - вещества зрительно-ного пурпура, воспринимающего солнечный свет.

Восприятие света - процесс довольно сложный. Но начинается он с такого элементарного акта: квант света поглощается молекулой ретиналя; при этом один из ее электронов переходит со своего основного энергетического уровня на вышележащий. Подобные акты поглощения дают начало формированию нервных импульсов, которые поступают в зрительные центры мозга.

Надо сказать, что запустить весь этот механизм способны кванты лишь тех лучей, частоты которых лежат в диапазоне от 4,3 1(И до 7,5 " 1014 герц-диапазоне видимого света. Большинство органических соединений - скажем, белки или углеводы - поглощают кванты гораздо большей частоты, а к видимому свету не чувствительны. Этот факт имеет весьма наглядное подтверждение: белок куриного яйца или такой известнейший углевод, как сахар,- все это вещества, не имеющие окраски. Если бы они поглощали хоть какие-то лучи из видимого спектра, то остальные лучи дали бы цвет, дополнительный к поглощенным. Скажем, если вещество поглощает красные и желтые лучи, то остальные, то есть зеленые и синие, придают ему бирюзовую окраску.

Итак, если вещество окрашено, то это свидетельствует, что оно поглощает те или иные видимые лучи. И если в окрашенных веществах выделить соединения, обусловливающие окраску, то, сравнивая эти соединений мы приблизимся к объяснению механизма зрительного восприятия.

Чтобы не ходить далеко за примерами, возьмем оранжевую морковь, зеленый лист салата и алую кровь. Моркови придает краску уже знакомый нам каротин, зеленому листу - хлорофилл, а крови - гем - составная часть гемоглобина. Основу двух последних соединений составляет так называемое порфириновое кольцо, только в хлорофилле в него вправлен атом магния, а в геме - атом железа.

Сравним каротин и порфириновое кольцо. Бросается в глаза обилие чередующихся единичных и двойных связей. Химики называют такие связи сопряженными. Они придают всем названным веществам способность поглощать лучи видимого света.

Теперь - немного истории, несколько слов про то, как немецкий химик Ф. Кекуле открыл строение молекулы бензола. Давно уже было известно, что сложена она шестью атомами углерода и шестью водорода, но никому не удавалось составить структурную формулу бензола, соединить все эти двенадцать атомов в цепочку так, чтобы из каждого атома углерода исходило четыре валентных связи, а из каждого атома водорода - одна.

И вот однажды, когда Кекуле гостил в Лондоне... Впрочем, предоставим слово ему самому. "Прекрасным летним вечером я ехал последним омнибусом по пустынным в это время улицам города. Я погрузился в мечты. Перед моими глазами двигались атомы. Я всегда видел их в движении, эти маленькие существа, не мне никогда не удавалось распознать характер их движения. А в тот день я увидел, как два маленьких существа соединились в пары, большие обнимали двух меньших, еще большие удерживали три и даже четыре маленьких, и все это вертелось в круговом вихре. Я видел, как большие образовывали ряды и только на концах цепи тащили самых маленьких... Дома я провел полночи, изображая на бумаге эскизы этих фантастических картин".

В конце концов Кекуле сообразил, что цепочка углеродных атомов, слагающих молекулу бензола, должна быть замкнутой. Связи между атомами бензола при этом оказались сопряженными.

Удачная находка Кекуле, решив головоломную проблему, поставила и новые недоуменные вопросы. Если в молекуле бензола два соседних атома водорода заместить атомами хлора, то мыслимы два различных варианта замещения, когда замещающие атомы разделены единичной или двойной связью.

Такие вещества должны отличаться какими-то свойствами. Однако ни в каких опытах никакие различия не обнаруживались. И тогда немецкий химик И. Тиле высказал предположение, что все связи между атомами углерода в бензольном кольце совершенно одинаковы. В соответствии с такой гипотезой структурную формулу бензола Тиле предложил рисовать по-своему.

Когда была создана электронная теория химической связи, где каждая связь между атомами трактовалась как общая для них пара электронов, гипотеза Тиле получила более отчетливую формулировку: из девяти пар электронов, связывающих шесть углеродных атомов в бензольное кольцо, три в равней степени принадлежат всем участникам шестёрки.

Эта история охватывает промежуток времени продолжительностью в сорок лет: от 1865 года, когда Кекуле предложил структурную формулу для бензола, до 1916 года, когда американский физик Д. Льюис завершил свою электронную теорию химической связи. В последние из этих сорока лет уже бурно развилась квантовая теория, на позиции которой нам и следует перейти в своих рассуждениях, чтобы окончательно прояснить роль сопряженных связей в процессах поглощения света.

В 1913 году Н. Бор предложил свою планетарную модель атома: электроны вращаются вокруг ядра по замкнутым орбитам наподобие того, как планеты вращаются вокруг Солнца. В 1926 году Э. Шредингер вывел уравнение, описывающее поведение микрочастиц в потенциальном поле. Когда на основе этого уравнения исследовалось движение электрона * в кулоновском поле атомного ядра, решения оказались неожиданными: они описывали не орбиты, не линейные траектории, а вероятности нахождения электрона в той или иной точке пространства.

Когда эти представления стали распространяться от атомов на молекулы, то выяснилось, что области наиболее вероятного местоположения электронов, принадлежащих химически связанным атомам, перекрываются. Получалось, что в участке перекрывания могли очутиться электроны от обоих атомов, и, таким образом, каждый из этих электронов мог перебраться в "зону обитания" соседа. Оба электрона, стало быть, становились общими для связанных атомов.

В случае единичной химической связи зона перекрывания оказывалась на оси, соединяющей атомы (сигма-связь), в случае двойной связи дополнительная зона перекрывания имела более сложный вид, поясняемый следующим рисунком (пи-связь).

Когда с такой точки зрения исследовались цепочки атомов углерода, соединенных сопряженными связями, то оказалось, что "зоны обитания" электронов у всех соседствующих атомов объединяются, а пи-электроны благодаря этому могут свободно перемещаться вдоль цепочки, становятся общими для всех ее атомов, образуют единую систему. От каждого звена цепочки сопряженных связей в образующийся электронный коллектив входит по паре пи-электронов.

Сформулированные к тому времени правила квантовой механики диктовали такому коллективу электронов строгий порядок поведения. Каждая микрочастица - в частности, электрон - является также и волной.

Длины этих волн должны быть такими, чтобы на протяжении цепочки сопряженных связей укладывалось целое число полуволн. Для электронов справедливо еще и такое правило квантовой механики, называемое принципом Паули: в каждом СОСТОЯНИИ, которым они могут обладать, находится не более двух электронов системы (имеющих при этом противоположно направленные спины). И еще - уже знакомая нам формула де Бройля: импульс частицы (произведение ее массы на скорость) и длина соответствующей волны обратно пропорциональны друг другу, причем коэффициентом пропорциональности служит постоянная Планка h. Чем больше длина волны, тем меньше скорость частицы. Выразим сказанное схемой, где высоты горизонтальных линий - это скорости электронов, от меньшей к большим, а всего линий столько, сколько звеньев в цепи связей: от каждого звена по паре

Видно, что значения скорости нарастают по принципу арифметической прогрессии и что ее наивысшее значение не зависит от длины цепочки,

Энергия частицы - величина, пропорциональная квадрату ее скорости. С учетом этого соотношения нетрудно показать на дальнейшей схеме энергетические уровни, на которых располагаются пи-электроны в системе сопряженных связей. Видно, что с увеличением числа звеньев уровни сближаются. Все ближе становится и от наивысшего уровня до того, на который переходит электрон, поглощая квант света. Любитель математических выкладок без труда докажет, что это расстояние уменьшается обратно пропорционально числу звеньев цепочки.

Если в цепочке всего лишь два-три звена, то высота перехода велика и преодолевается за счет поглощения кванта ультрафиолетового излучения, имеющего слишком короткие волны по сравнению с видимыми лучами и потому не воспринимаемого зрением. Но чем больше сопряженных связей в цепочке атомов углерода, тем длиннее волны света, ею поглощаемого. Достаточно длинная цепочка, очевидно, способна воспринять и солнечные лучи. И это действительно так: каротин (11 звеньев в цепочке сопряженных связей) поглощает зеленые и синие лучи, а потому имеет оранжевый цвет; порфириновое кольцо (также 11 звеньев) с атомом железа в центре поглощает зеленые лучи и тем самым определяет красную окраску крови; что же касается хлорофилла, где в порфириновое кольцо вправлен атом магния, то тут спектр поглощения иной, так что и окраска у хлорофилла иная - зеленая...

Вот где разгадка оранжевой моркови, зеленой листвы, алой крови! Принципы квантовой механики дают простое и строгое истолкование краскам живой природы.

Предыдущую фразу можно прочесть и наоборот: краски живой природы служат наглядным и обыденным воплощением принципов квантовой механики.

Главное меню

Зрительное восприятие

Слух, обоняние, вкус

О жажде

Что такое жажда

Головной мозг

Дополнительно