Какой вид энергии превращается мышцей в механическую энергию подъема гири?

Предлагаемая силовая схема принципа механизма мышечного сокращения должна безоговорочно отвечать всем требованиям и свойствам, которыми природа наделила мышцы человека. Если же схема не имеет хотя бы одного из перечисленных свойств живой мышцы, то это значит, что вся идея схемы никуда не годится.

Прежде чем приступить к разработке воображаемой схемы, надо сперва разобраться в том, какой же вид энергии превращается мышцей в механическую энергию. В нашем распоряжении имеется восемь видов производительных энергий: термодинамическая, аэродинамическая, гидродинамическая, солнечная, атомная, ядерная, химическая, электрическая.

Для того чтобы мышца совершала работу, любой вид энергии должен быть превращен в механическую энергию, потенциальную (сжатая пружина) или кинетическую (летящая пуля).

Термодинамическая энергия для наших рассуждений не годится, так как превращение ее в механическую обязательно требует изменения объема рабочего тела, а объем расслабленной и сокращенной мышцы практически не меняется.

Аэродинамическая и гидродинамическая энергии также не подходят, так как для превращения их в механическую требуется циркуляция больших объемов газов или жидкостей, которых в мышцах не наблюдается.

Атомная и ядерная энергии, сопровождающиеся выделением вредных лучеиспусканий, также исключаются.

Превращение химической энергии в механическую в основном возможно только с помощью отвергнутой нами термодинамики или через мембраны, путем непосредственного превращения химической энергии в электрическую.

Солнечная энергия также непосредственно превращается в электрическую.

Эти рассуждения позволяют сделать первый и важнейший вывод: для механизма мышечного сокращения природа могла выбрать только электрическую энергию, непосредственно превращающуюся в механическую.

Какие же силы могут действовать на молекулярном уровне протофибрилл? Силы гравитационного поля, силы ковалентных связей и силы электромагнитных полей. Гравитационные силы ничтожно малы, ими можно пренебречь, поэтому остаются только электрические силы взаимодействия между ионами. Других сил взаимодействия между молекулами на этом уровне существовать не может. Поэтому "гипотеза скольжения", выдвинутая зарубежным биологом Хаксли, нереальна и ошибочна, так как она не дает научного объяснения перечисленным выше свойствам живой мышцы.

Вторым фактором, подтверждающим правильность нашего выбора электрической энергии, является пункт 1 нашего технического задания, где указано, что подъем груза сопровождается падением электрозаряда в мышце и каждой геометрической длине ее соответствует определенный электрозаряд. Следовательно, имеется непосредственная связь между электроэнергией и работой мышцы.

Теперь ставим вопрос: как превратить электрическую энергию в механическую работу на молекулярном уровне? Электротехникой создано для этого много машин и механизмов различных типов. Но к мышцам, состоящим из молекул, их конструкция неприменима. Однако существуют приборы, позволяющие электроэнергию превратить в работу с помощью наэлектризованных молекул.

Таким механизмом является элементарный ученический электроскоп. Вы заряжаете электрозарядом лепестки бумаги или фольги, сложенной пополам, и кончики бумаги расходятся, так как одноименные заряды Е-Е отталкиваются. Работа электрозарядов равна (за вычетом потерь) работе преодоления молекулярной упругости бумаги. Можно представить себе и более сложную схему, В четырехзвеннике молекулы в виде шарниров А и В заряжены одноименными зарядами. Силы отталкивания между ними создают силу подъема гири. Для получения этой силы мы ввели в схему два электрозаряда - А и В. Но такая силовая схема противоречит пункту 1 нашего технического задания, где эксперимент утверждает, что подъем груза сопровождается, наоборот, уменьшением заряда.

Можно подобрать схему, отвечающую этой задаче. Для этого введем в схему многозвенника еще электрозаряды - С и Dпротивоположного знака по отношению к зарядам А и В. Выберем количество электрозарядов в точках А, В, С и Dтак, чтобы звенья нашего ромба находились в равновесии (пунктирная схема).

Теперь отнимем от молекул С и Dпо одному заряду. Тогда заряды Dи С будут слабее отталкиваться друг от друга, и равновесие в фигуре нарушится. Для того чтобы восстановить равновесие, к точкам С и Dнадо приложить силу, способную поднять гирю, тогда во всех звеньях молекул вновь наступит равновесие.

Согласно закону сохранения энергии, работа, затраченная на подъем груза на высоту, будет равна энергии двух отнятых электрозарядов у С и D.

Такую схему можно рассчитать. Она полностью удовлетворяет требованию пункта 1 технического задания. Любопытно, что сжать в поперечном направлении этот силовой ромб мешают силы взаимоотталкивания зарядов А и В. Но как только мы перестанем сжимать ромб, силы противодействия нашим пальцам исчезают, так как все силы в ромбе уравновешены. Это свойство схемы отвечает требованию пункта 2.

Итак, предлагаемую ионную силовую электромолекулярную схему примем в качестве одного из рабочих вариантов для решения нашей задачи в целом.

Теперь перейдем к рассмотрению проектируемого нами предварительного механизма мышечного сокращения.

На рисунке слева изображена мышца (бицепс) руки человека. Для упрощения задачи первоначально заменим ее схемой в виде геометрической фигуры шарнирного многозвенника удлиненного ромба. На углах по горизонтали сосредоточим скопление положительных ионов, по вертикали - отрицательных. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Заряды 1-1 и 7-7 на углах ромба подобраны так, что все равнодействующее силы Кулона в многозвеннике уравновешиваются. По расчету это наступает при условии, если положительные заряды содержат по одному заряду, а отрицательные по 7 зарядов и угол в вершине ромба равен 30° (отношение числа зарядов 1:7).

Для того чтобы поднять гирю, надо согласно вышеприведенной диаграмме убавить число свободных отрицательных зарядов, то есть убавить определенное число электронов, например, с 7 - 7 до 4 - 4. Тогда уменьшенные отрицательные заряды 4-4 будут отталкиваться слабее. Следовательно, для нового равновесия сил в многозвеннике необходимо добавить вес гири, которая слегка поднимается над столом. Для того чтобы поднять ее еще выше, необходимо еще больше сократить число отрицательных зарядов и т. д.

Аналогичное постепенное разряжение мышцы мы наблюдаем на той же диаграмме (участок Б-В) при постепенном подъеме гири рукой. Следовательно, для удержания одного и того же груза при разной степени сокращения мышцы требуется различное число зарядов в мышце. Изменение углов в многозвеннике это подтверждает. Таким образом, пункт первый нашего технического задания схема удовлетворяет.

Согласно закону сохранения энергии работа подъема гири на данную высоту должна быть равна энергии отнятых из многозвенника электронов за вычетом потерь. Пункт 2 удовлетворен.

Чем больше отнимается отрицательных зарядов, тем больше многозвенник приближается к квадрату (на рисунке - III). Когда число отрицательных и положительных зарядов уравняется, то есть во всех углах останется по одному заряду, многозвенник превратится в квадрат и равнодействующие всех электрических сил (расчет подтверждает это) заставят ионы, расположенные на углах квадрата, притянуться друг к другу до соприкосновения молекул с такой силой, что мышца превратится в твердое тело. Мы наблюдаем это явление при контрактуре, когда кровообращение прекращается, окислительные реакции в мышцах нарушаются, все свободные отрицательные заряды нейтрализуются и остается только нейтральная ионизированная среда, в которой число положительных и отрицательных ионов равно (ионная симметрия). Пункт 8 удовлетворяется.

Для того чтобы судить об огромной величине сил Кулона - взаимопритяженияэлектрозарядов, достаточно сказать, что два разноименных заряда с количеством электричества по одному кулону, удаленные друг от друга на расстояние в один километр, притягиваются с силой в 0,9 тонны.

Теперь надо подумать, куда из мышцы после смерти человека направляются отнятые свободные заряды и где они нейтрализуются.

В пункте 10 сказано, что после перерезки нервов контрактура не наступает. Следовательно, свободные заряды из мышц при контрактуре могут направиться по электропроводным нервам в содержащее положительные заряды мозговое вещество. Если нерв перерезан, заряды не уйдут и контрактура не наступит. После нейтрализации всех зарядов и окончания трупного окоченения мышцы снова расслабляются осмотическими силами.

При сокращении длины мышцы мы наблюдаем увеличение ее поперечного размера по экспериментальной кривой, изображенной на диаграмме справа.

Здесь же нанесена закономерная теоретическая кривая изменения поперечного размера х нашего ромба- многозвенника при сокращении его длины по уравнению x2y=VK=const. Разница кривых не превышает 2%. Это говорит в пользу гипотезы многозвенника. Пункт 5 удовлетворен.

В поперечном сечении напряженную мышцу трудно сжать. Пальцы встречают сильное противодействие, Откуда возникают такие удивительные силы в мышце? Схема многозвенника это объясняет. Чтобы сжать в поперечном сечении мышцу, надо сблизить уравновешенные положительно заряженные ионы 1-1многозвенника. Но это сделать очень трудно, так как силы Кулона - взаимоотталкивания этих одноименных зарядов - препятствуют их сближению. Пункт 6 уд о в л етворяется.

Следовательно, силовой ромб (в первом приближении) правдоподобен. Предложенная схема, показывает, что так мог бы выглядеть элементарный мышечный электродвигатель на молекулярном уровне.

Дело усложняется

Но дело усложняется тем, что ромб - это фигура плоскостная, а тонкая протофибрилла в мышце - объемная трубочка (оболочка), заполненная плазмой и молекулами. Для того чтобы силовой ромб стал объемной фигурой, ему надо придать вращение вокруг вертикальной оси. Тогда он превратится в два конуса с общим основанием, где расположатся положительные заряды, а в вершинах окажутся отрицательные, по-прежнему в отношении 1:7. Цепочка таких конусов и будет представлять силовой каркас объемных тонких протофибрилл. Но они содержат в семь раз больше отрицательных зарядов, чем положительных, а это привело бы к появлению в мышце огромного свободного электрозаряда. Этого в мышцах не наблюдается. Значит, где-то рядом с отрицательными зарядами должно располагаться равное количество положительных зарядов. И действительно, с помощью электронного микроскопа можно увидеть, что в центре расположения шести тонких протофибрилл помещается толстая протофибрилла, отделенная от них оболочкой. Для того чтобы в мышце все свободные отрицательные заряды тонких протофибрилл были компенсированы, необходимо, чтобы в толстых протофибриллах цепочки конусных многозвенников имели зеркальное расположение зарядов, то есть в вершинах конусов - положительные заряды, а в основаниях - отрицательные.

На рисунке (IV) показаны фотография Т. Хайаши, снятая электронным микроскопом с увеличением в 250 ООО раз (видны толстые (темные) и тонкие (светлые) протофибриллы), и рядом схема автора (III). Для сокращения мышцы надо убавить число зарядов в вершинах конусов. Этого можно достигнуть, удалив часть отрицательных зарядов из тонких протофибрилл и нейтрализовав ими часть положительных зарядов в толстых протофибриллах. Но между толстыми и тонкими протофибриллами находятся оболочки. Как же они устроены, если эта нейтрализация происходит только тогда, когда я "хочу" сократить мышцу?