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.