Лягушка тут ни при чем

В один из вечеров 1790 года профессор медицины Болонского университета Луиджи Гальвани у себя дома читал лекцию своим ученикам. У камина сидела его жена и, слушая, одновременно стальным скальпелем снимала кожу с лягушек, предназначенных для ужина. Последняя очищенная лягушка лежала на оловянной тарелке. В это время синьора Гальвани, заслушавшись, уронила скальпель. Стальной нож упал на лапку лягушки, а другим концом коснулся оловянной тарелки. И в тот же момент лапка дернулась так, будто мертвая лягушка хотела выпрыгнуть из тарелки.

Бесстрашная синьора теперь уже умышленно повторила опыт и, когда ученики ушли, рассказала о нем мужу.

Выслушав ее, Гальвани воскликнул:

— Жена! Я сделал великое открытие: я открыл животное электричество — первичный источник жизни.

Таков один из многочисленных вариантов удивительной истории (а может быть, тоже сказки) о том, как была открыта первая страница в изучении биологического электричества и как одновременно с этим началось создание искусственных источников электрической энергии.

Луиджи Гальвани ошибался (не он первый, не он последний!). Животное электричество существует, но, чтобы его обнаружить, надо иметь дело не с мертвым, а с живым организмом.

Что же в действительности произошло с лягушечьей лапкой? Эту задачу начал разгадывать итальянский физик Алессандро Вольта. Он не верил в таинственную «жизненную энергию» мертвой лягушки и в знаменитых опытах Гальвани отвел ее лапке довольно скромную роль. Он понял, что причина возникновения электрического тока связана с взаимодействием различных металлов скальпеля и тарелки, и показал, что, поместив два различных металла в жидкость, можно получить источник электрической энергии. Лягушечья лапка играла роль такой жидкости, а мышцы на этой лапке сокращались под действием не животного электричества, а внешнего электрического тока. Но эта истина была понята не так быстро и просто, как мы описали.

Много лет длился спор двух выдающихся ученых. Гальвани до самой смерти отстаивал свою точку зрения на животное электричество, а Вольта в развитие своего открытия изобрел в 1800 году «вольтов столб», первую в мире электрическую батарею — источник электрического тока. Скромный, как большинство выдающихся ученых, он назвал свое изобретение в честь Гальвани — гальваническим элементом, а электрический ток, вырабатываемый этим элементом, — гальваническим током.

Прошло свыше сорока лет со времени опытов Гальвани. В 1831 году Майкл Фарадей, английский физик, уже свыше десяти лет работавший в области изучения электрических явлений, открыл явление электромагнитной индукции. Оказалось, что если двигать друг относительно друга магнит и замкнутый электрический проводник, то в последнем возникает — индуктируется — электрический ток. Чтобы двигать магнит или проводник, нужно затратить механическую энергию. Она преобразуется в электрическую, текущую по проводнику.

Сделав это открытие, Фарадей, как пишут историки, в течение одиннадцати дней построил первый механический генератор электрического тока — динамо-машину.

Совсем немного времени понадобилось инженерам и ученым, чтобы понять, что с помощью машины можно выполнять также и обратное преобразование энергии, то есть превращать электрическую энергию в механическую. Несколько лет спустя русский физик и электротехник Борис Якоби изобрел электродвигатель с вращающимся ротором — прообраз всех современных электрогенераторов и электродвигателей, вырабатывающих и потребляющих непрерывный поток электроэнергии.

Еще не один десяток лет продолжалось усовершенствование электрических машин. Поначалу казалось, что они вообще не найдут себе применения. Но вот в 1879 году замечательный американский изобретатель Томас Эдисон создал первую практически пригодную электрическую лампочку, а спустя еще три года пустил в эксплуатацию первую в мире электростанцию общественного пользования. Для этой электростанции он сконструировал самые мощные по тем временам электрогенераторы.

Энергия потекла по проводам в каком угодно направлении, ее можно было передавать на большие расстояния. Для этого не надо было длинных и тяжелых металлических валов, не надо было громоздких паропроводов. По проволоке «в мгновение ока» ее можно было подвести к любой машине. Бесшумный, равномерно вращающийся электродвигатель превращал электричество в механическую энергию, нужную, чтобы привести машину в движение. В разных местах машины стало возможным устанавливать 2, 3, 10, 20 двигателей, располагая их как угодно; тонкий, гибкий провод, извиваясь, подводит к ним энергию по самому замысловатому пути.

Когда были оценены эти чудесные свойства электроэнергии и электродвигателя, перестало казаться смешным, что сначала — на электростанции — нужно механическую энергию превратить в электрическую, а затем электрическую энергию опять превращать в механическую. В борьбе за энергию был сделан следующий гигантский шаг.

В 1900 году электрическая энергия составляла всего лишь несколько процентов всей энергии, потреблявшейся промышленными предприятиями. А теперь тысячи и десятки тысяч типов и конструкций электрических машин мощностью от тысячных и сотых долей ватта до десятков и сотен тысяч киловатт вырабатывают электроэнергию и приводят в движение бесчисленное множество машин на заводах и фабриках всего мира.

Проводя свои опыты, Фарадей совершенно не думал, к чему они в конце концов приведут. По его собственным словам, он собирался «превратить магнетизм в электричество». Эту задачу, над которой ломали голову его предшественники, ему блестяще удалось решить, а попутно заметить, что и движение тоже можно превратить в электричество.

Маленький обрывок проволоки, который он двигал относительно полюсов слабенького магнита, превратился в огромный ротор со сложнейшими обмотками, вращающийся в пространстве между полюсами гигантских магнитов. И непрерывным потоком электрическая энергия идет на фабрики и заводы, улицы и в дома.

Электродвигатель очень быстро вытеснил паровую машину с фабрик и заводов, но не смог вытеснить двигатель внутреннего сгорания с транспортных машин — самолетов и автомобилей. Самолет или автомобиль не могут тянуть за собой электрический провод, а беспроволочная передача больших энергий — проблема пока еще не сегодняшнего дня.

Мощность двигателя внутреннего сгорания, который братья Райт поставили в 1903 году на свой самолет, составляла всего 8 лошадиных сил. Спустя тридцать лет самолеты летали в 10 раз быстрее, а мощность авиационных двигателей возросла в 100 раз.

Еще через двадцать лет они летали в 20 раз быстрее, чем самолет Райтов, и им была нужна в 1000 раз большая мощность. Чтобы получить такую мощность, на самолетах устанавливали 2, 3, 4 двигателя внутреннего сгорания. Каждый из них вращал воздушный винт-пропеллер. Лопасти ввинчиваются в воздух, как ввинчивается гребной винт в воду, как ввинчивается штопор в пробку. Ввинчиваясь в воздух, пропеллер тянет за собой самолет. Скорость его стала переваливать за 1000 километров в час. Но и этого было мало; люди мечтали о полетах со скоростями намного большими. Ставший обычным, поршневой двигатель для этого не годился так же, как не годился воздушный винт.

Мы собираемся на Луну

Возьмите воздушный шарик, надуйте его и, не полностью завязав отверстие, отпустите. Упругая резиновая оболочка, сжимаясь, будет выталкивать воздух из отверстия, а он будет толкать шарик. В результате струя воздуха и опадающий шарик будут двигаться в противоположных направлениях. Этот опыт дает представление о принципе реактивного движения и о способе действия реактивного двигателя, который пришел на смену поршневому двигателю, когда самолеты начали летать на высоте 10, 15, 20 километров со скоростью большей, чем 1200–1500 километров в час, уже превышающей скорость звука.

В реактивном двигателе химическая энергия топлива превращается в кинетическую энергию раскаленного потока газов. Этот поток непрерывно выталкивается из двигателя с гигантской скоростью и сам при этом толкает двигатель, а с ним и самолет в противоположную сторону.

Раскаленные газы образуются в результате сгорания топлива. Чтобы сжечь его, нужно гигантское количество воздуха. Поэтому реактивный двигатель внешне немного напоминает отрезок трубы. Воздух входит через переднее отверстие, сжимается специальным компрессором и непрерывным потоком поступает в камеру сгорания. Раскаленный газ под большим давлением выталкивается через выходное отверстие двигателя, создавая реактивную силу, толкающую самолет. В выходном потоке газов устанавливают газовую турбину. Газ, обдувая ее лопасти, заставляет турбину вращаться, отдавая ей часть своей мощности. Эта мощность используется для вращения компрессора, сжимающего воздух.

Реактивный двигатель буквально в несколько лет вытеснил все поршневые двигатели сначала из скоростной авиации, там, где его преимущества были сразу очевидны, а теперь уже вторгся и в пассажирскую авиацию. Почему? Да потому же, почему паровая турбина вытеснила паровую машину!

В двигателях внутреннего сгорания, так же как в паровых двигателях, способ непрерывного преобразования энергии оказался намного целесообразнее, чем преобразование ее отдельными тактами.

Предельно простыми и обтекаемыми кажутся формы внутренних полостей реактивного двигателя. Но это только кажущаяся простота. Она достигнута в результате сложнейших исследований и бесчисленных опытов. И конечная цель их сводится к тому, чтобы в предельно малом объеме получить максимально возможный поток механической энергии, а затем наилучшим образом его использовать.

Поток газов из сопла реактивного двигателя вырывается со скоростью, превышающей 3–4 тысячи километров в час. Благодаря этому реактивный двигатель развивает мощность до 100 тысяч лошадиных сил. И уже стали обычными самолеты, летающие со скоростью 1500 и 2 тысячи километров в час и забирающиеся при этом на высоту 15–20 километров. Но оказалось, что и это не предел! Скорее наоборот. Скорость 2–3 тысячи километров в час и высота 20–25 километров — это только подготовительный этап наступившей в наши дни эры — эры космических полетов.

4 октября 1957 года произошло одно из замечательных чудес XX века. Машина, созданная человеком, вырвалась в космос. Для этого ее надо было снабдить двигателем, который мог сообщить ей гигантскую скорость — 30 тысяч километров в час, нужную, чтобы преодолеть силу земного притяжения.

Сообщение о том, что в Советском Союзе запущен первый в мире искусственный спутник Земли, взволновало весь мир. А действительная история этого «чуда» началась давно, еще тогда, когда люди только мечтали о создании летательных аппаратов тяжелее воздуха. И связана она с именем русского ученого и изобретателя Константина Циолковского.

Хорошо известна истина, что человек — продукт своего времени, что его знания и опыт определяются средним уровнем знаний и опыта, накопленных его современниками. И само собой разумеется, что новое изобретение или открытие никогда не возникает на совершенно пустом месте. При раскопках стоянок древнего человека никто не рассчитывает найти остатки радиоприемника; в трудах ученых средневековья не ищут формулировок законов, управляющих внутриядерными процессами; наши современники пока еще не знают, как добраться до дальних галактик, что такое талант и почему все же яблоко падает на землю.

И вместе с тем мозг человека обладает гигантской творческой силой, позволяющей подчас увидеть будущее настолько далеко вперед и настолько отчетливо, что, когда это будущее становится настоящим, остается только поражаться точности и смелости предвидения, основанного не на случайных догадках и фантазии, а на строгих научных гипотезах и теориях, согласующихся с законами окружающего нас мира.

Скромный учитель арифметики, геометрии и физики уездного училища в одном из дальних уголков Калужской губернии, К. Э. Циолковский, в результате болезни почти полностью лишившийся слуха, большую часть своей жизни посвятил научным исследованиям. Он впервые высказал мысль об использовании ракет для полетов в мировое пространство, а затем строго математически обосновал свою мысль. В 1903 году, то есть тогда, когда братья Райт жребием решали, кто из них впервые попытается «оторвать» от земли самолет, Циолковский разрабатывал теорию ракетного движения и проекты многоступенчатых ракет, рассчитывал количество топлива, необходимого, чтобы ракета могла вырваться в космос, изучал вопрос о создании искусственных спутников Земли, развивал идею постройки внеземных станций — промежуточных баз для межпланетных сообщений, и даже рассматривал условия жизни и работы людей на искусственных спутниках и межпланетных станциях.

Эти исследования и работа над изобретениями заняли сорок лет его жизни. И значительную часть из этих сорока лет он работал в дореволюционной России, когда многие действительно новые и оригинальные изобретения отклонялись царскими чиновниками с чудовищно странной формулировкой — «по причине новизны и неизвестности»…

Насколько глубоко уверенным в правоте и полезности своего дела надо было быть, чтобы десятилетиями продолжать работу, несмотря на равнодушное, а подчас и презрительное отношение окружающих к «чудачествам» странного учителя!

Можно по-разному чтить память выдающихся ученых. Память К. Э. Циолковского наша страна почтила достойным образом. Он родился в 1857 году. Столетие со дня его рождения Советский Союз отпраздновал запуском первого искусственного спутника. И, как предсказывал К. Э. Циолковский, этот спутник был доставлен на орбиту ракетным двигателем.

Ракетный двигатель действует примерно так же, как уже известный нам реактивный двигатель. Но между ними есть одно важное различие. В обычный реактивный двигатель кислород, необходимый для сжигания топлива, поступает вместе с засасываемым воздухом. А ракетный двигатель не нуждается в воздухе: необходимый запас кислорода он несет с собой. Поэтому ракетный двигатель пригоден для космических кораблей, летящих в безвоздушном пространстве.

Ракетное топливо, соединяясь с чистым кислородом, сгорает с невероятной скоростью. Без преувеличения можно сказать, что внутри ракетного двигателя в течение всего времени его работы происходит непрерывный взрыв. Поток газов вырывается с гигантской скоростью; при этом ракетный двигатель развивает мощность в полмиллиона, в миллион лошадиных сил, сообщая ракете скорость, достаточную для вылета в космическое пространство.

Сколько фантастических романов, повестей и рассказов написало о Луне, Венере и Марсе! Кем только фантасты не населяли эти планеты; какими причудливыми растениями и существами, какие необычайные свойства приписывали всему находящемуся там живому и неживому!

«Первые люди на Луне» — этот заголовок обязательно перекочует с обложек фантастических романов на первые полосы газет всей Земли. Теперь эта задача вполне реальна, над ее решением работают, и, значит, ее решения осталось не так уж долго ждать.

Много нового и интересного узнают межпланетные путешественники, достигнув цели. Это будет намного неожиданней и интересней того, что способно нарисовать воображение человека. Хотя, быть может, они не увидят там летающих трехногих марсиан, самодвижущихся камней, обросших серой шерстью, мыслящих растений, телеграфных столбов или папиросных окурков.

Слово «межзвездным скитальцам»

А фантасты уже теперь вынуждены переселять героев своих произведений за пределы нашей солнечной системы, в далекие звездные миры. Оставят ли их там в покое ученые и инженеры? Наверное, нет; хотя они ясно себе представляют, что для таких сверхдальних путешествий уже не годятся даже самые совершенные тепловые ракетные двигатели, какие только можно себе представить. Подсчитано, что подобные двигатели могут сообщить ракете скорость «всего лишь» около полумиллиона километров в час. Такая «черепашья» скорость явно непригодна для межзвездного корабля.

Лучу света, движущемуся со скоростью свыше миллиарда километров в час, нужно несколько лет, чтобы пройти расстояние от Земли до ближайшей к нашей солнечной системе звезды. Значит, чтобы пассажир межзвездного корабля успел побывать у «соседей» и живым вернуться обратно, скорость корабля должна быть порядка нескольких сотен миллионов километров в час!

Расчеты количества энергии, необходимой для такого перелета, приводят к самым невероятным результатам. Если пользоваться химической энергией, которой обладают обычные топлива, то ее понадобится почти столько, сколько содержится во всех разведанных до сих пор горючих ископаемых нашей Земли!

Такое количество энергии нужно при самых скромных размерах корабля, несоизмеримо малых по сравнению с объемом топлива, которое он должен нести с собой.

Казалось бы, эти расчеты и цифры могут остудить пыл самых ярых «межзвездных скитальцев».

Но нет! Идея межзвездного полета, какой бы сверхдерзкой она ни представлялась, в конечном счете не противоречит известным нам законам природы. Ведь реактивный способ движения принципиально позволяет разогнать звездолет до скоростей, приближающихся к скорости света.

А что касается энергии, необходимой для полета, то, уж конечно, в качестве ее источника никто (в том числе и сам Циолковский, который прекрасно представлял себе все эти трудности) не собирается использовать обычное топливо.

В великую кладовую Природы, туда, где хранятся гигантские запасы энергии, «упакованной» невероятно экономно, обращены взоры ученых, инженеров, изобретателей. А точные расчеты показывают, что если решить задачу полного превращения массы в энергию, то принципиально можно построить такой звездолет, который сумеет совершить полет, не «съев» полностью самого себя. А кроме того, может быть, удастся организовать «заправку» звездолета на промежуточных станциях? А может быть, достаточно взять с собой энергии только на дорогу «туда»? На обратный же путь удастся запастись энергией «там»?

И во всем мире кипит работа. Разрабатываются проекты электротепловых двигателей, в которых реактивный поток частиц разгоняется не только за счет обычного теплового процесса, но и за счет действия на этот поток электрических сил. А вещество, состоящее из этих частиц, нагрето до температуры в десятки тысяч градусов и находится уже не в обычном для тепловых двигателей газообразном состоянии, а в состоянии плазмы — смеси ионов, представляющих собой обломки молекул, атомов и свободных электронов. И думают о том, как бы нагреть поток этих частиц до температур в сотни тысяч градусов и еще больше. Тогда плазменный двигатель превратится в фотонный или квантовый двигатель; энергия, введенная в поток частиц, будет превращаться в световое излучение, а звездолет будет получать ускорение за счет реактивного действия излучаемого им светового пучка.

Разработка звездолетных двигателей — одно из направлений космонавтики, науки, основы которой заложены Циолковским. Космонавтика, если можно так выразиться, — поэзия современной техники. Пока еще в ней фантастики немногим меньше, чем науки. Люди пока еще только догадываются о тех трудностях, с которыми им придется встретиться в завоевании космических пространств. Но ведь так дело обстоит всегда, когда человек берется за новую и грандиозную по своим масштабам задачу.

И может быть, к лучшему, что, еще не зная точно, как нужно решать эту задачу, он в то же время не представляет себе, какие трудности ему придется преодолеть.

Веря в свои силы, он храбро берется за дело, а успешно закончив его, оглянувшись и оценив всю сложность сделанного, удовлетворенно восклицает: «Знал бы — не брался!..», а затем берется за еще более сложную задачу.

Борьба за энергию, как всегда, в самом разгаре. Идет непрерывный процесс создания и совершенствования машин-двигателей — самых различных по назначению, конструкции и принципу действия. Но теперь мы уже знаем, что все они — от первой паровой машины и до еще не существующих плазменного и квантового двигателей — служат одной и той же цели: преобразуют различные виды энергии в механическую.

Человек автоматизировал процессы преобразования энергии и тем самым удесятерил свои силы.

Обратно к лягушечьей лапке

Как ни жаль расставаться с космосом, все же придется от межзвездного корабля вернуться к лягушечьей лапке. А чтобы немного оживить беседу, займемся теперь уже лапкой не мертвой лягушки, а живой. Причем нас будет интересовать даже не вся лапка в целом, а одни только мышцы, покрывающие кости этой лапки, так же как они покрывают скелет любого позвоночного животного — от золотой рыбки в аквариуме до человека.

Прыгает ли лягушка в пруд, спасаясь от преследования, исполняет ли балерина сложнейшее па, пишет ли ученый новый труд с интригующим названием «Машина умнее человека», все время работают мышцы — работают десятки, сотни живых двигателей, непрерывно превращая энергию топлива — пищи — в механическую энергию, нужную, чтобы двигаться, работать, говорить, писать.

Вспомните, как действуют паровая машина, паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, газовая турбина, реактивный двигатель, ракета. Во всех случаях химическая энергия топлива сначала преобразовывается и тепловую и только после этого в механическую.

В мышце преобразование энергии происходит при постоянной температуре, химическая энергия непосредственно преобразуется в механическую энергию. Каждому понятно, что чем короче цепочка преобразований, тем меньше энергии расходуется впустую, тем экономнее оказывается двигатель, осуществляющий преобразование энергии. И действительно, в мышцах тренированного спортсмена преобразуется в полезную работу до 45 процентов химической энергии, заключенной в пище, — другими словами, коэффициент полезного действия (или как его сокращенно называют, кпд) живого двигателя достигает 45 процентов, в то время как кпд лучшего теплового двигателя — современной паровой турбины — не превышает 40 процентов.

Живые двигатели устроены не так, как искусственные двигатели, и действуют совсем по-другому.

«Мясо» животного и есть мышцы, которые составляют примерно половину веса его тела. Выловив из супа кусок мяса, можно увидеть, что оно состоит из множества прилегающих одно к другому волокон толщиной в 10–100 микрон, называемых мышечными волокнами. Они построены из особых мышечных белков. Когда попытались под микроскопом рассмотреть мышечное волокно, то оказалось, что оно, в свою очередь, состоит из тончайших ниточек, толщиной в микрон.

Представляете ли вы, читатель, что такое микрон? Толщина человеческого волоса составляет от 30 до 60 микрон. Нить искусственного волокна тоньше, но и она порядка 20–40 микрон. Шелкопряд прядет нить толщиной 12–15 микрон. Размеры микроскопических организмов — бактерий — составляют в среднем от 1 до 5 микрон.

Совсем недавно, всего лишь шесть-семь лет назад, американским ученым Генри Хаксли и Джен Халсон с помощью электронного микроскопа удалось заглянуть в глубь живых ниточек, образующих мышечное волокно. И их глазам предстало поразительное зрелище. Оказалось, что микронной толщины ниточки состоят из отдельных волоконцев. Одни из них покороче, но потолще: толщина порядка 0,02 микрона, а длина 1,5 микрона. Другие подлиннее (2 микрона), но потоньше (0,01 микрона).

В строгом, удивительно строгом порядке располагаются эти элементарные звенья механизма живой машины. Все тонкие волоконца соединены посередине плотным материалом, образующим перепоночку; свободными концами они входят в промежутки между более толстыми волоконцами так, что в поперечном сечении получается картина, несколько напоминающая пчелиные соты. Каждое тонкое волоконце оказывается расположенным между двумя-тремя толстыми волоконцами. А вдоль по длине толстых располагаются рычажки-мостики, которыми они могут сцепляться с тонкими волоконцами.

Долго изучали исследователи это чудо «конструкторского» искусства, а затем постепенно стали воссоздавать картину действия элементарного живого двигателя. Как только он включается, рычажки-мостики начинают колебаться в продольном направлении, то сцепляясь, то расцепляясь с тонкими волоконцами. В процессе каждого колебания они втягивают тонкие волоконца на шаг, затем еще на шаг, еще и еще; живая ниточка при этом становится все короче и короче. Рычажки могут колебаться с очень большой скоростью — сотни раз в секунду. Это примерно та скорость, с какой может происходить в ничтожно малых — молекулярных — объемах процесс, связанный с переходом химической энергии в механическую, в энергию качания рычажков. В результате работы элементарных двигателей мышечные волокна то сокращаются, то увеличиваются в длину.

Рычажки, когда они не качаются, могут действовать как пружинки, связывающие тонкие и толстые волоконца. Тогда живая ниточка в целом превращается в нечто подобное пружинке, способной выдерживать приложенные к ней внешние усилия.

Мышечные волокна, состоящие из живых ниточек, объединяются в пучки; несколько таких пучков образуют пучки больших размеров; те, в свою очередь, складываются в еще большие пучки. Мышечные волокна и пучки объединены прослойками соединительной ткани, покрыты оболочкой, спрятаны под кожу и в целом образуют мышцу — целый энергетический комплекс, который регулярно снабжается топливом, несущим химическую энергию, и кислородом, необходимым для окисления этого топлива. Мышца буквально пронизана сложнейшей системой кровоснабжения и не менее сложной системой нервных волокон, по которым поступают в нее команды, и нервных клеток, которые сигнализируют, о ходе выполнения этих команд.

Отдыхающая мышца мягка и может вытягиваться, как резина. Однако стоит только ее возбудить, приложить к ней кратковременно электрическое напряжение — электрический импульс, как это непроизвольно получилось у синьоры Гальвани, — и почти мгновенно свойства мышцы меняются: она твердеет, напрягается при попытке ее растянуть. В таком напряженном состоянии мышца будет находиться очень недолго — от нескольких сотых до нескольких десятых долей секунды, а затем снова наступит ее расслабление. Чтобы вновь ее включить, понадобится еще один электрический импульс.

Если электрические импульсы следуют один за другим, то мышца не успевает расслабляться и остается в отряженном состоянии; она может сокращаться в длину, перемещая груз и тем самым производя механическую работу. Управляя частотой импульсов, можно управлять ее состоянием — управлять работой живых двигателей.

Поднимает ли Юрий Власов в доли секунды немыслимый вес, отделывает ли слесарь-лекальщик точную деталь, работают ли шофер, скульптор, машинистка или домашняя хозяйка — все их действия складываются из движений. В каждом движении одновременно участвуют многие десятки мышц. В глубине каждой из них протекают те процессы, о которых мы рассказывали: включаются и выключаются элементарные механизмы. Сотни миллиардов таких механизмов действуют в едином ритме и по определенной программе, заставляя сокращаться и расслабляться, удлиняться и укорачиваться мышцы. Они дают возможность человеку работать и отдыхать, смеяться и плакать, завоевывать космос и проникать внутрь живого.

А программа, по которой работают все мышцы, покрывающие скелет человека, вырабатывается в центральной нервной системе — в мозгу. Там сосредоточены группы нервных клеток, управляющие работой мышц, движениями голени и бедра, плеча и предплечья, управляющие движением века, когда мы моргаем, и движением голосовых связок и губ, когда мы говорим, смеемся или плачем. В мозгу все эти группы нервных клеток расположены настолько близко, связаны между собой настолько тесно, насколько это необходимо, чтобы гармонично и безошибочно действовали сотни мышц, чтобы все тело и отдельные его части двигались так сильно и плавно, так быстро или медленно, как хочет человек.

О том, как реализуется план действий, как осуществляется управление движениями живого организм нам обязательно нужно поговорить, но этот разговор придется продолжить немного позже. Тогда он будет более понятным.

Уже пробуют сделать мышцу

Ученых всегда влекла заманчивая идея — искусственно создать нечто напоминающее живую мышцу. Им уже давно было известно, что мышца — это особый двигатель, способный преобразовывать химическую энергию непосредственно в механическую, минуя тепловую фазу. И вот лет пятнадцать назад началась разработка искусственной мышцы. Используя белковые соединения, удалось создать волокнистую структуру, в некоторой мере обладающую свойствами живой мышцы. Пучок таких волокон длиною в 2,5 сантиметра, подвергнутый воздействию хлористого калия, в течение 20 минут сократился на 5–6 миллиметров и поднял груз, превышающий в 100 раз вес пучка волокон.

Попытки создания искусственной мышцы, наверное, продолжаются. Подобные работы принесут много нового, интересного. Вероятно, будет разработан двигатель, осуществляющий прямое преобразование химической энергии в механическую гораздо быстрее, чем это было достигнуто в первых опытах. Но после того как был вскрыт совершенно особый, ни на что не похожий механизм сокращения мышечного волокна, стало ясно что сходство между естественной и искусственной мышцей распространяется не так уж далеко, как это поначалу казалось.

За чисто внешней похожестью, которую можно было бы даже усилить, покрыв искусственную мышцу «кожеподобной» оболочкой, стоят совершенно различные процессы и механизмы.

Может быть, после исследований Хаксли, Халсон и других ученых задача создания искусственной мышцы упростилась? Может быть, теперь можно, используя технические средства, сконструировать ее в точности так, как «сконструирована» живая мышца?

Мы сейчас оставим в стороне те, наверное непреодолимые, трудности, которые связаны с изготовлением деталей искусственной мышцы, имеющих размеры, измеряемые сотыми долями микрона. Пусть даже мы располагаем искусственными волоконцами — толстыми и тонкими — и искусственными рычажками. Все равно это ни на один шаг не приблизит нас к созданию искусственной мышцы, действительно похожей на живую. Не приблизит потому, что конструкция живой мышцы связана с протекающими в ней процессами.

Пытаясь построить подобную конструкцию, мы окажемся перед необходимостью организовать работу искусственного механизма точно так, как организована работа его живого прототипа. Мы вынуждены будем создать искусственно весь энергетический комплекс, обеспечивающий подачу химической энергии и преобразование ее в механическую. Ведь именно для этой цели, Природа «конструировала» все эти волоконца и рычажки, «конструировала» мышцу и систему кровообращения к ней.

Значит, после того как будут созданы элементарные мышечные механизмы, придется разрабатывать искусственную систему кровообращения, дающую возможность рычажкам качаться, сцеплять и расцеплять толстые и тонкие волоконца.

А прежде чем такую систему разрабатывать, надо еще узнать, как все-таки преобразуется химическая энергия пищи в механическую энергию качания рычажков.

И это только один из того густого частокола вопросов, непрерывно вырастающего при движении в глубь живого.

Ведь мы еще, например, ни одним словом не обмолвились о том, как заставить искусственную мышцу подчиняться приказам. Какова должна быть система управления этим двигателем. И как построить такую систему, чтобы она действовала как живая.

Нет, наверное, в точности скопировать живую систему не удастся. Для этого не хватит ни знаний, ни технических возможностей. К счастью, в этом и нет необходимости.

Рассчитывая получить высокий коэффициент полезного действия, есть прямой смысл работать над созданием двигателя, осуществляющего непосредственное преобразование химической энергии в механическую. Этот двигатель будет выполнять тот же процесс, который выполняет живая мышца. Но попытка сконструировать его так, как сконструирована живая мышца, попытка, применяя технические средства, слепо подражать Природе, как видим, лишена смысла и заранее обречена на провал.

И в заключение еще несколько слов о живых и неживых двигателях. Паровой двигатель и паровая турбина, двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели — все они имеют вращающиеся части: валы, колеса, диски. Рабочие машины, которые используют энергию двигателей для выполнения той или иной работы, также имеют много вращающихся частей, которые широко применяются в тех машинах и автоматах, что создает человек.

В то же самое время нет ни одного живого организма, который был бы устроен так, чтобы одна его часть вращалась относительно другой. Кости скелета человека и любого другого позвоночного животного могут поворачиваться одна относительно другой, но не вращаться.

Так дело обстоит не только у позвоночных, но и у любых других животных.

…Вьется в воздухе и надоедливо жужжит обычная комнатная муха. Она то мечется в разных направлениях, то повисает неподвижно в воздухе; мгновенно поворачивает, планирует на стол, на ваше лицо в поисках «вкусной и здоровой» пищи. И пока она в воздухе, непрерывно трепещут ее прозрачные крылышки. Их приводят в движение крохотные двигатели — мышцы, устроенные примерно так же, как устроены мышцы позвоночных животных.

Но, конечно, «механические части конструкций» позвоночных и насекомых не похожи одна на другую. Они отличаются, грубо говоря, так, как отличается абрикос от грецкого ореха.

У абрикоса твердая косточка покрыта мякотью и кожицей, как скелет позвоночного — мышцами и кожей.

У насекомого «скелет» — как скорлупа грецкого орехи — снаружи, а внутри этой скорлупы мякоть — мышцы, посредством которых приводятся в движение шесть лапок и одна-две пары крылышек, совершающих до 1000 (тысячи!) колебаний в одну секунду. Чудо-механизмы подчас очень непривлекательных насекомых спрятаны внутри «фюзеляжа», и нигде в этих механизмах вы не найдете вращающихся «деталей».

Очевидно, гениальный конструктор — Природа создавала «живые конструкции» именно так потому, что иначе было бы очень сложно подвести ко всем уголкам тела топливо, кислород, командные сигналы. И в соответствии с принципом конструирования, исключающим возможность использования вращательного движения, природа разработала уникальный живой двигатель — мышцу.

Несколькими страницами выше мы с вами, читатель, решили вернуться от поэзии к прозе — от звездолета к лягушечьей лапке. А теперь вы видите, что достаточно было сделать один-два шага «в глубь» этой лапки, как мы вновь оказались перед целым неизвестным еще миром. В этот мир живого, так же как в космические пространства, как в глубь атомного ядра, можно проникнуть только трудом, исследованиями, открытиями и изобретениями.

И исследователи живого рвутся вперед! Ведь тайна лягушечьей лапки пока еще не раскрыта.