Приглашаем посетить сайт
АГГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ
АГГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ, газообразное, жидкое и твердое состояние вещества. Эти три вида состояния вещества различали с древнейших времен: символом первого являлся огонь, второго-вода, а третьего-земля. В настоящее время различие между двумя последними состояниями- жидким и твердым, следует считать более глубоким, чем одно только различие по внешнему виду: существуют твердые тела, к-рые по своему строению более похожи на жидкости, только с громадным внутренним трением (напр., смола, вар и др.). С другой стороны, нек-рые жидкости обнаруживают внутреннее строение, типичное для твердого тела (жидкие кристаллы). Только газы в нормальном состоянии обнаруживают характерные свойства, резко отличающие их от твердых и от жидких тел. Одним из таких свойств является стремление газа занять, по возможности, больший объем: молекулы газа отталкиваются одна от другой, движутся свободно по всевозможным направлениям, и давление, возникшее в одном месте в газовой среде, немедленно передается от точки к точке; в результате давление всюду уравнивается. Объем, который занимает данная масса газа, и давление, которое она произво-. дит на стенки сосуда, связаны между собою законом Бойля-Мариотта: произведение объема на давление равно постоянной величине (если t° не меняется). При изменении t° газ может себя вести двояко: если ему предоставлена свобода, он будет расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении, при чем, при изменении t° на один градус по Цельсию (или по абсолютной шкале), объем изменится на У27Я от той величины, к-рую он имел при 0 Цельсия. Это вытекает из законов Гей-Люссака и Дальтона. При t° -273° объем идеального газа должен был бы, следовательно, превратиться в нуль. Темп, эта носит название абсолютного нуля (см. Абсолютная температура). Если газ заключен в такой сосуд, где он не может изменять своего объема, то, при изменении t°, будет изменяться давление газа: возрастать при нагревании и убывать при охлаждении. Согласно закону Гей-Люссака, давление так-. же изменяется на х/я» ПРИ изменении t° на 1°. Соединяя упомянутые соотношения в одно, пишут уравнение состояния газа в виде: p. v=R.T, где р-давление, v-объем, Т-абсолютная темп., R - константа, одинаковая для всех газов, приближающихся по свойствам к идеальному. От последнего газы начинают отличаться тогда, когда их молекулы оказываются слишком сближенными между собой (при понижении t° или увеличении давления далее известного предела). В таких случаях начинают сказываться междучастичные силы, да и размеры молекул делаются соизмеримыми с расстояниями между ними. Уравнение состояния здесь превращается в форму Ван-дер-Вааль- са: (р+ ~ J (v-ь\ -ВТ, где а и Ъ-новые постоянные, различные для разных газов. ' При нек-рой t°, называемой критической, и ниже ее-всякий газ может быть превращен в жидкость, при достаточном повышении давления.-В жидкости молекулы могут свободно двигаться по различным направлениям, но не имеют уже тенденции заполнять весь объем сосуда: жидкость занимает в нем совершенно определенный объем, резко ограниченный поверхностью уровня. Характерными для жидкости состояниями являются силы, действующие на поверхностные частицы-силы поверхностного натяжения (или, как их иногда называют, силы капиллярные).-Особенно резко проявляются молекулярные силы в твердых телах: в типичном твердом теле, кристалле, под действием их отдельные атомы располагаются в правильную кристаллическую решетку, форма к-рой в наст, время изучается при помощи рентгеновских лучей.
в. Шулейкин. Аггрегатное состояние в биологин. Вопрос об А. с. веществ, входящих в состав живого организма или клетки, составляет одну из основных проблем биологии. С одной стороны, определенная, б. или м. сложная форма («морфа», откуда название «морфология»-учение о форме) является самым существенным признаком живого организма и каждой клетки, по крайней мере каждого ядра, и эластичность, т. е. сопротивление изменению формы-главный отличительный признак твердого тела- присуща каждой живой клетке. С другой стороны, биохимики склонны признать, что все основные процессы жизненного обмена происходят в жидкой среде, распространяя на биохимию устарелое утверждение: «Corpora поп agunt nisi soluta». С 60-х гг. XIX в. устанавливается понятие о «протоплазме» как об основном живом «веществе», к-рому позднейшие биологи приписывают определенное жидкое А. с. Но, чтобы построить понятие первичного живого вещества, пришлось выключить из него такие важные органы клетки, как оболочка, ядро, разнообразные волокна и др. «Живого вещества» быть не может, т. к. на организмы и клетку не распространяется основной признак вещества--делимость: часть клетки не обладает теми же свойствами, как вся клетка. Клетка есть механизм, состоящий из различных частей и веществ, одни из к-рых могут быть в жидком, а другие-в твердом А. с. Большинство веществ, входящих в состав клетки, и в первую очередь белки, известны только в коллоидальном состоянии и встречаются в виде или солов или желов. Гидросолы--коллоидальные растворы-имеют все свойства жидкостей большей или меньшей вязкости. Отличие их от настоящих растворов кристаллоидов заключается в том, что коллоидальные частицы, свободно движущиеся в растворителе (дисперсионной среде), являются не молекулами, а аггрегатами молекул- мельчайшими твердыми кристалликами. определенной формы, окруженными водной оболочкой. Амбронн (N. Ambronn, 1919 г.), Шмидт (N.I.Schmidt, 1924 г.), Штейнбринк (С. Steinbrink, 1925 г.) и др. для обозначения этих частиц восстанавливают старый термин К. Негели (С. Naegeli, 1858 г.) - «мицелли». В противоположность гидросо-лам, гидрожелы обладают всеми свойствами твердого А. с. Они обладают ясно выраженной эластичностью, в некоторых случаях почти не уступающей эластичности железа, и обнаруживают обычно характерные для твердого А. состояния оптические явления: в поляризованном свете они анизотропны, в Рентгеновских лучах дают характерные для кристаллических структур спектры. Эбнер (v. Ebner-1882 г., 1906 г.) пытался объяснить анизотропию гидрожелов упорядоченным расположением аморфных частиц в результате одностороннего натяжения; но Амбронн путем ряда опытов с растительными, животными и искусственными фи-бриллями доказал, что анизотропия в этих случаях слагается из двух различных компонентов: 1) анизотропии, зависящей от натяжения, благодаря к-рому мицелли слагаются в определенные ряды, и 2) анизотропии, зависящей от кристаллического строения самих мицеллей.-Основным свойством большинства органических гидрожелов является их «разбухаемость», способность в связи с изменением активной реакции пропитываться водою, в результате чего ги-дрожел может превратиться в гидросол. Ми-целлярная теория полагает, что при этом промежутки между мицеллями заполняются водой и увеличиваются, притяжение между мицеллями ослабевает и они могут беспорядочно рассыпаться в дисперсионной среде. Повидимому, во многих случаях и самые мицелли набухают, при чем увеличивается объем связанной их кристаллической основой воды и их специфическая форма превращается в шарообразную форму жидкой капли; вероятно, именно этим набуханием объясняется то обстоятельство, что до сих пор еще не удалось получить точечных или линейных Рентгеновских диффракционных решеток для белковых растворов и белковых кристаллов, хотя Шегвари (Szegvari, 1920-1924 гг.) и утверждает, что такие решетки для очень хорошо очищенных белков им получены. В клетке и связанных с нею образованиях (оболочках, кутикулах, возникающих в связи с деятельностью клетки промежуточных веществах-лимфе, волокнах, хряще, кости и пр.) имеются все переходы от гидросолов со слабой вязкостью через гидросолы с повышенной вязкостью и гидрожелы со слабой эластичностью к высоко эластичным гидрожелам. Цитоплазма клеточного тела, ядерный сок, точно также, как лимфа и плазма крови, являются гидросолами и обнаруживают все признаки жидкого А. с. Внутри цитоплазмы не замечается эластического сопротивления образованию шарообразных вакуолей, и отделенные от клетки куски цитоплазмы принимают обычно шарообразную форму жидких капель. Под влиянием изменения внутреннего тургора клетки принимают шарообразную форму; так, при повышении осмотического давления в окружающем растворе, цитоплазма растительных клеток отслаивается от оболочки и принимает вид капли, а многие животные клетки, не имеющие твердой оболочки, наоборот, раздуваются Р3^ ^^} с И1 Hi'
Ь Рпс. 1. а-нормальная растительная клетка, Ь- отслоение цитоплазмы от оболочкп. в шары при понижении осмотического давления извне (явление плазмолиза, см. рисунок 1, 2 и 3). Сократимые нити (мионемы) у инфузорий и в гладких мышечных клетках при определенных физ.-химич. воздействиях распадаются на капли (см. рисунок 7). Цитоплазма ресничек также может стекать с твердых волокон в виде капель (см. рисунок 4). Во многих клетках наблюдается при жизни Броуновское движение .также свидетельствующее о жидком А. с. С другой стороны, твердое А. с. установлено с несомненностью для ряда клеточных структурных образований. На отдельной таблице (к ст. 127-129, см. 5 аЪс) представлены рентгенограммы шелковой нити (а) и двух растит, волокон (Ъ и с), при положении оси волокна параллельно направлению Рентгенов. лучей. Эти рентгенограммы свидетельствуют о прочной связи между однородными продольно - ориентированными кристаллическими мицеллями растительных и животных волокон. Эластичность этих волокон очень велика,
Рисунок 2. Спермин краба: а - в цельной морской воде; Ь и с - в морской воде, разбавленной в 5 раз.
Рисунок 3. Спермин человека: а - нормальное
строение; Ь, с, d-плазмолиз при действии гипотонического раствора мочевины. разрыв сухожильных волокон происходит лишь при натяжении 5 кг на 1 кв. мм (для кости соответствующая цифра Ка=10 кг на 1 кв. мм, для эластических волокон связок-0,13 кг на 1 кв. мм). В живых клетках те части, которые состоят из гидросолов, стремятся, согласно закону Плато, к максимальному уменьшению поверхности, т.е. к шарообразной форме, а части, состоящие из желов, обладающих определенной эластичностью, противодействуют этому, и равновесие наступает при равенстве эласти- о о с о о о о о о в во, О Q в й _е о
Рисунок 4. Капельный распад наружного прото-плазматического слоя ресничек.
ческого напряжения твердых элементов, находящихся в вынужденном состоянии, и капиллярного натяжения жидкой капли, уклоняющейся при этом от шарообразной формы. В нек-рых случаях функция закрепления формы принадлежит твердой оболочке, как у растительных клеток; в других-роль скелета принадлежит состоящим из гидрожела волокнам, к-рые лежат на поверхности жидкой фазы, как обручи разной формы в известных опытах Плато, и при этом смочены тонким слоем гидро-сола. Часто эти скелетные волокна имеют форму спирали (см. рисунок 5). Иногда волокна только закрепляют твердую перепонку. Так же объясняется уклоняющаяся от шара форма ядра, глотки инфузорий и других внутренних органов клетки, где имеется граница соприкосновения между жидкими фазами. Во всех клетках и клеточных органах (жгуты, реснички, мионемы), совершающих упорядоченное движение, на ряду с сократимой жидкой киноплазмой, обнаруживаются твердые скелетные образования- перепончатые чехлы и фибрилли. Во многих случаях скелетные элементы являются постоянными образованиями высокой твердости. Такими, напр., должны быть нервные фибрилли, к-рые в течение всей жизни поддерживают связь между рецепторными и Рисунок 5. Спермин Palu-dina vivipara под влиянием разбухания в подкисленном растворе. двумя различными эффекторными органами, лежащую в основе безусловных и условных рефлексов. Но во временных образованиях и при развитии должно играть существенную роль возникновение непрочных твердых структур с малой эластичностью. В этом отношении для биолога представляют интерес переходные стадии между гидросолом с высокой вязкостью и гидрожелом с малой эластичностью. Повидимому, здесь играют роль те переходные формы между жидким и твердым
Рисунок 6. Стебелек сувойки; слева-поперечный разрез: Е-наружная оболочка; г-внутренняя оболочка; Т-наружный слой протоплазмы; К-внутренний, сократимый слой протоплазмы; F-фибрилли (скелетные волокна) на границе внутреннего и наружного слоев протоплазмы.
А. состояниями, которые . Леман назвал жидкими кристаллами или кристаллическими жидкостями. В основе своей учение Лемана стоит близко к современной теории кристаллической природы коллоидальных частиц. На поверхности гидросоловых капель под влиянием поверхностного натяжения, в особенности в местах наибольшей вынужденной деформации этих капель, а также в струйчатых потоках протоплазмы под влиянием одностороннего натяжения, мицелли складываются в тяжи или в перепонки, которые могут или превратиться в волокна соответствующей оболочки или, при изменении натяжений, снова рассыпаться беспорядочно на отдельные мицелли. Процесс образования фибри-новых фибриллей из гидросола кровяной *
Рисунок 7. Стебелек сувой-ки; капельный распад внутреннего слоя протоплазмы.
плазмы легко наблюдается при свертывании крови. Гольдшмит наблюдал возникновение жгутоподобных образований в культуре семенных клеток. Белар рядом интересных экспериментов показал, что при митозе центральное веретено образуется из временно возникающих твердых фибриллей, к-рые растут, отталкивая друг от друга полюсы, и по окончании митоза исчезают. Петерфи (Peterf i) дал название тиксотро-пии явлению, наблюдающемуся во многих коллоидальных студнях,,которые от простого встряхивания разжижаются, а затем снова сгущаются в студень. Повидимо-му, такого рода тик-сотропию находят и во многих плазматических структурах. Этим, вероятно, объясняется известное наблюдение Кю-не, к-рый видел движение круглого червя внутри мышечной клетки лягушки: паразит раздвигал диски поперечно-полосатого мускульного волокна, которые немедленно вслед за червем снова смыкались. Методами для изучения твердых и жидких образований в клетке служат, во-первых, изучение воздействия на форму клетки гипер- и гипотонических растворов или ионов и др. веществ, изменяющих поверхностное натяжение и набухание коллоидов, а во-вторых, метод мик-рургических операций. Петерфи, Чемберс (Chambers) и другие авторы вводили внутрь цитоплазмы и ядра тончайшие иглы и перемещали их, наблюдая процесс,замыкания раны, подвижность жидких фаз и сопротивление твердых. Гейлброн (Heilbronn) вводил в клетку мельчайшую железную частицу, притягивал ее извне электромагнитом, определял вязкость по размерам ее перемещения и в некоторых случаях наблюдал, что по размыкании тока частица становится на прежнее место, очевидно, под влиянием эластических свойств окружающей цитоплазмы.
Лит.: Ambronn, TJber die accldentelle Doppel-brechung im Zelloidin und in der Zellulose, Nachr. Ges. Wiss. GOttingen, Math, physik. Zl., 1919; Chambers R., The structure of the cells in tissues as revealed by microdissection, Amer. journ. of anat., v. XXXV, 1925; Heilbronn L. V., The physical structure of the protoplasm of sea-urchin eggs, Am.nat., v.LX, 1926; Frey A., Der submikroskopische Feinbau der Zella-membranen, Die Naturwissenschaften, 1927; Freund-Hch H., Neuere Fortschritte der Kolloidehemie und ihre biologische Bedeutung, Protoplasma, B. II, 1927; К о It z off N. K., Studien fiber die Gestalt der Zelle, Archiv fur mikr. Anat., B. LXVII, 1905 (по-русски в «Уч. Зап. Моск. Унив.», 1905); Archiv fur Zellf., В. I, 1908; Archiv fur Zelf., B. VII, 1911; Lehmann O., Die Lehre von den fliissigen Kri-stallen, Ergebnisse der Physiol., B. XVI, 1918; Schmidt W. I. "Ober den Feinbau tierischer Fibril-len, Die Naturwiss., 1924.
H. Кольцов.