Загадки мироздания

Однако несложно показать, что катализатор на самом деле подталкивает реакцию не в обоих направлениях, а только в одном — достаточно вернуться к метафоре с кирпичом на наклонной плоскости. Представим теперь, что поверхность, на которой лежит кирпич, — не ровная прямая, а что-то вроде параболы концами вверх, то есть самая низкая точка траектории движения кирпича находится не на одном из концов, а где-то между ними. Тогда если поверхность грубая и шершавая, то кирпич с обоих краев плоскости будет сползать к середине, но очень медленно, а если покрыть поверхность слоем льда — то он легко соскользнет к одной и той же самой низкой точке, не важно, с какого из краев.

Если наблюдать за происходящим четко сверху, остановка кирпича всегда в одной и той же точке, ничем не отличающейся от других, при движении в любом направлении покажется явлением мистическим и таинственным. Однако стоит посмотреть сбоку, и станет ясно, что направление движения кирпича на самом деле всегда одно и то же — вниз, куда его тянет сила тяжести. Именно это движение вниз и ускоряет катализатор-лед.

Если обозначить, скажем, левый край поверхности, как смесь А и В, а правый — как смесь С и D, то любому студенту станет ясно, что лед, конечно, не занимается расчетами того, в каком направлении толкать кирпич. Он просто помогает кирпичу быстрее соскользнуть вниз.

Студентам наглядно будет показано, почему катализ обратимой реакции не приводит к сдвигу точки равновесия и почему ускорение реакции в том или ином направлении не подталкивает ее двигаться в том же направлении дальше. Очевидно ведь, что оттого, что кирпич и поверхность, по которой он скользит, покроют льдом, процесс скольжения, конечно, ускорится, но на положение самой нижней точки поверхности это никак не повлияет, равно как и не заставит кирпич проскочить эту точку и застрять где-то посреди противоположного склона.

В программе более продвинутых курсов студенты узнают о существовании такой вещи, как химический потенциал, который можно рассматривать как в некотором отношении аналог известного нам с детства гравитационного потенциала, и на этом этапе познания когда-то обрисованный образ опять же сослужит им хорошую службу.

Но не стоит ограничивать область применения метафор лишь элементарными вещами. В конце концов будет объяснено, что эффект катализа достигается за счет снижения энергии активации. Иными словами, вещество, подвергающееся воздействию фермента, сначала вступает в некое нестабильное промежуточное соединение, из которого тут же образуется окончательный продукт. Формирование этого нестабильного промежуточного соединения требует приложения довольно большого объема энергии, а без его образования не получится и окончательного продукта (хотя он как раз и не является особенно энергоемким веществом). Поэтому вся реакция не может проистекать быстрее, чем формируется промежуточное соединение.

Наличие же катализатора делает это промежуточное соединение более стабильным, что позволяет формировать его с приложением меньшего количества энергии, что ускоряет процесс образования этого соединения, а значит, и всей реакции.

Часто энергию активации (так называется энергия, необходимая для формирования промежуточного вещества) представляют в виде «порога» между исходными веществами и конечными продуктами реакции. Присутствие фермента снижает этот порог, соответственно облегчая массовый переход через него. Еще одну интересную метафору можно привести, если представить обратимую реакцию в виде шоссе, по которому в обе стороны мчатся автомобили, а энергию активации — в виде «лежащего полицейского»; однако эта метафора оставляет открытым вопрос, каким же именно образом наличие катализатора вдруг способствует снижению порога. Зато это можно наглядно продемонстрировать с помощью образа «завязывания шнурков».

Представим себе человека, который стоит посреди необозримого грязного поля. У него развязался шнурок, и надо его завязать. При этом ему очень не хочется упасть в грязь. Пока наш герой стоит на обеих ногах, на одной из которых ботинок с развязанным шнурком, он находится в устойчивом положении и падение ему не грозит. Когда шнурок будет завязан, опасность падения окажется далеко позади.

Но вот сам процесс завязывания шнурка сопряжен с ослаблением равновесия. Для этого надо либо нагнуться, либо присесть на корточки, либо поднять ногу, то есть оказаться в рискованном положении, когда можно либо запачкать часть одежды, либо вообще упасть. Такая нестабильность промежуточного положения заставит нашего героя двигаться медленно и осторожно.

Если же под рукой у него окажется прочно стоящий на месте стул, на который можно будет усесться, ситуация радикальным образом изменится. Сидя на стуле, человек легко может поднять одну ногу, нисколько не теряя при этом равновесия. Быстро завязав шнурок, он встанет и пойдет по своим делам.