Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Куб с ребром в 2 дюйма имеет 8-дюймовый периметр, что лишь вдвое больше, чем у первого куба. Вдоль этого периметра поверхность воды изогнута и растянута относительно плоских зон, и потому именно пропорционально длине ребра масштабируется сила поверхностного натяжения. При прочих равных на одно животное, которое в 10 раз больше другого, действует увеличенная в 1000 раз сила притяжения, направленная вниз, а вот возникающая в жидкости сила, направленная вверх, оказывается больше лишь в 10 раз. Некрупное животное может удержаться на поверхности жидкости, но если мы представим, что оно растет, его тело очень быстро достигнет размера, при котором гравитационная сила окажется слишком велика, чтобы ей противостоять. Такой переход случается уже при размере в несколько миллиметров. Пока животное меньше, ему несложно держаться на воде за счет поверхностного натяжения, но как только оно пересекает этот рубеж, любые попытки обречены на провал.
Другим примером влияния поверхностного натяжения может служить поведение особой группы муравьев. Огненные муравьи – это несколько видов агрессивных муравьев, укусы которых особенно болезненны и сопровождаются жжением, собственно, и давшим им название. Эти насекомые живут в тропиках, где сильные ливни могут затапливать места их обитания, поэтому муравьям нередко приходится удерживаться на водной поверхности, сохраняясь при этом как колония3. Хотя насекомые и плотнее воды, один муравей невелик: как и водомерка, он может стоять на воде благодаря поверхностному натяжению. Но вот группа муравьев, в которой особи цепляются друг за друга, чтобы не потеряться, уже сталкивается с проблемой. Чем группа больше, тем сильнее разрыв между ее массой и поддерживающей силой поверхностного натяжения, которые масштабируются по описанным выше законам. Когда число муравьев превышает несколько десятков, гравитация перебарывает поверхностное натяжение и группа тонет. Ситуация лишь немногим улучшается, если вместо трехмерного клубка муравьи организуются в двухмерный плот: масса плоского плота увеличивается пропорционально квадрату длины, а поверхностное натяжение – пропорционально простой длине, поэтому баланс довольно быстро нарушается. Казалось бы, физика масштабирования ставит муравьев перед выбором рассредоточиться либо утонуть. Но эти насекомые нашли хитроумное решение – воздушные пузыри. Поверхность муравья гидрофобна, и он может прижимать пузырь к своему телу, как мать прижимает ребенка. Муравьиный плот прикрепляется к крупному воздушному пузырю, и плавучий пузырь не позволяет гравитации утянуть всех вниз. Поскольку поверхностное натяжение не в состоянии спасти муравьев, они делают ставку на низкую плотность воздуха и работают с другой частью уравнения – силой притяжения.
Но некоторые животные используют поверхностное натяжение напрямую. Одно из них – вы, и в следующем примере действие будет развиваться внутри вас – при каждом вашем вдохе.
Дыхание – тяжкий труд
7 августа 1963 года у президента США Джона Кеннеди и первой леди Жаклин Кеннеди на пять с половиной недель раньше срока родился сын Патрик Бувье. Два дня он боролся за жизнь, пытаяясь дышать, но не справился. Эта трагедия опечалила миллионы людей, но, хотя статус президентского сына и делал этого ребенка особенным, причина его смерти оказалась пугающе распространенной. Патрика убил респираторный дистресс-синдром новорожденных (РДСН). Это главная причина смерти недоношенных младенцев, и связана она с проблемой поверхностей4.
При каждом вдохе вы тратите немало сил на наполнение легких воздухом. Легкие часто изображают как эластичные мешки, подобные воздушным шарикам и растягиваемые мышцами. Но ваши легкие не просто шарики, а влажные шарики. Клетки, выстилающие каждый из сотен миллионов крошечных альвеолярных мешочков, составляющих ваши легкие, покрывают себя тонким слоем жидкости (на рисунке это темный слой внутри альвеолы)5. При вдохе эластичная ткань растягивается, увеличивая площадь поверхности жидкости, то есть площадь ее взаимодействия с вдыхаемым воздухом. Однако жидкость, как всегда, «хочет», чтобы эта площадь оставалась минимальной, и потому противостоит ее увеличению.
 
И растяжение легочной ткани, и расширение ее жидкой пленки требуют усилий – и энергия на оба процесса тратится примерно одинаковая. Чтобы измерить это, можно накачать свежевскрытые легкие воздухом или водой. При наполнении водой не возникает интерфейса вода – воздух, а значит, и поверхностного натяжения, потому энергия расходуется исключительно на работу по растяжению ткани. При наполнении воздухом мы растягиваем ткань и увеличиваем площадь контакта воды и воздуха, на что уходит примерно вдвое больше энергии, чем при наполнении легких водой. Иными словами, около половины энергии, необходимой для дыхания, тратится на поверхностное натяжение. И это, в общем-то, неудивительно: как мы отмечали, площадь поверхности наших легких огромна.
Дыхание обходится нам дорого, но его цена возрасла бы еще, будь легочная выстилка покрыта чистой водой. Все жидкости натягиваются, но одни натягиваются сильнее, чем другие. У воды одно из самых сильных поверхностных натяжений среди распространенных жидкостей: оно примерно вдвое выше, чем у масел и спиртов, что связано с большой силой притяжения между ее молекулами. Мы можем снизить поверхностное натяжение воды, добавив в нее немного мыла. Чтобы продемонстрировать это, вернемся к скрепке, которую мы положили на поверхность воды несколько страниц назад: если добавить в воду хоть каплю жидкости для мытья посуды, скрепка утонет, поскольку сила натяжения мыльной поверхности не справится с ее весом. Этот эффект объясняется молекулярной структурой мыла. Мы помним из главы 5, что у каждой молекулы мыла, как и у липида, один конец гидрофобный, другой – гидрофильный. Следовательно, молекулы мыла охотно распределяются по поверхности воды гидрофобными хвостами в воздух. В результате поверхность перестает быть местом, которого молекулы воды стремятся избегать, и больше не требует высоких энергетических затрат. Соответственно, поверхностное натяжение сильно снижается.
В легких природа хитроумно снижает цену их расширения, тоже добавляя мыла. Выделения клеток легочной выстилки по-научному называются легочными сурфактантами [46], но термин «мыло» нагляднее описывает эти преимущественно липидные вещества. И снова мы сталкиваемся с примером самосборки: не получая никаких инструкций извне, выделяемые молекулы мыла выстраиваются на границе жидкости и воздуха и формируют слой, помогающий работать целому органу.
Критически важная способность снижать поверхностное натяжение в легких появляется у вас далеко не сразу после зачатия: легочные сурфактанты начинают вырабатываться на поздних стадиях эмбриогенеза. Когда недоношенные дети появляются на свет, у них – в зависимости от того, насколько раньше срока это случается, – сурфактантов либо мало, либо нет вовсе, и такие новорожденные дышат с трудом или совсем не могут дышать, поскольку их мышцам тяжело преодолевать поверхностное натяжение.
Патрик Кеннеди, конечно, не был единственным, кто в то время умер от респираторного дистресс-синдрома новорожденных. В одних только США в 1960-е РДСН уносил по 25 тысяч жизней в год. Но к 2005 году показатель ежегодной смертности от этого синдрома упал ниже 900. РДСН возникает, как и прежде, но теперь мы знаем, как с ним бороться: в легкие младенца нужно впрыскивать мыло. На самом деле это, разумеется, легочный сурфактант – либо полученный от животных, либо синтезированный в лаборатории, – но это не умаляет поразительной простоты и эффективности лечения, замешенного не на зубодробительной биохимии или генетике, а на физике дыхания. В основе этой простоты лежит самосборка: молекулы сурфактанта сами занимают нужные места в двухмерном интерфейсе воздух – жидкость. Ну а знания о поверхностном натяжении спасают жизни.