Молекулярные машины

На рис. 4.2 изображены конструкции двух типов: ферма (А) и ма­шина (В). Фермы — это конструкции без выделенных внутренних степеней свободы. Машины могут использовать свои особые (механи­ческие) степени свободы, чтобы передавать внешнюю или внутреннюю силу от одной части системы к другой.

Важно подчеркнуть, что речь идет о переносе силы, а не энер­гии. Дискуссия по поводу сравнительной важности понятий «энергия» и «сила» в науке имеет долгую историю [И, 31]. Она началась с попытки предложить меру силы как причины дви­жения великим французским ученым Рене Декартом. Анализ экспериментальных дан­ных привел Декарта принять в качестве меры механической силы значение mv (те­перь это называется импульсом).

Рис. 4.2. Ферма (А) и машина (В)

Подход немецкого ученого Лейбни­ца был также основан на экспериментах. Эти эксперименты (бросание камней вверх с различными начальными скоростями) были выполнены Галилеем в конце XVI века. В качестве меры механической силы Лейбниц пред­ложил величину mv² (теперь пишут mv²/2 и называют кинетической энергией механического движения). Лейбниц назвал свою «силу» Vis vita — живая сила.

Великий Исаак Ньютон был полностью на стороне Декарта и все время игнорировал работы Лейбница. Возможно, это было связано с их конфликтом о приоритете создания дифференциального исчисле­ния. Лейбниц, в свою очередь, называл силу Ньютона Vis mortua — мертвая сила. Этот терминологический спор значительно замедлил формулировку принципа сохранения энергии.

Благодаря огромному авторитету Ньютона идея Лейбница и само понятие работы, производимой силой, были практически забыты. Только в середине XVIII столетия швейцарский ученый Бернулли снова начал использовать термин Vis vita, а в начале XIX столетия английский ученый Юнг предложил использовать термин «энергия» как меру способности движущегося тела производить работу.

Около половины столетия потребовалось, чтобы распространить понятие энергии и сформировать принцип ее сохранения на тепловые и другие физические явления. Клаузиус завершил создание современ­ной феноменологической термодинамики. До настоящего времени эта наука является основой химической термодинамики и химической ки­нетики. В свою очередь, эти области науки являются общепринятыми основаниями для описания и понимания биохимических процессов.

Мы можем сказать таким образом, что Лейбниц в конце кон­цов выиграл свой спор с Ньютоном. «Энергия» — наиболее часто употребляемое слово в научных книгах и статьях, посвященных био­химии и биофизике. Почти никто не использует понятие силы при рассмотрении химических реакций.

Я думаю, что первым кто сказал о важности сил в молекуляр­ных процессах, был Ричард Фейнман. В его статье, опубликованной В 1939 году [32] он пишет, что на молекулярном уровне не существует различий между электрическими и механическими силами.

До тех пор пока химик ограничивается исследованиями небольших молекул в газовой фазе и разбавленных растворах, все кажется ясным и понятным. Уравнения типа Вант-Гоффа и Аррениуса или Эйринга могут вполне удобно описывать термодинамику и кинетику химических реакций. Рассмотрим этот классический подход более детально.