Вопросы для самопроверки

1. От каких факторов зависят свойства веществ?

2. Реакционная способность веществ, от чего она зависит?

3. В чем суть теории флогистона?

4. Кто является основоположником системного подхода в развитии химических знаний? Какую систему он построил?

5. Какие элементы называют органогенами и почему?

6. Какова взаимосвязь химии с физикой и биологией?

7. Каковы потенциальные возможности химии?

8. Какие концептуальные системы химии Вы знаете?

Пригодится для тестирования:

• Постоянная Планка: h=6,63х10^-34Дж/Гц

• Атомная единица массы: а.е.м. = 1,66х10^-27кг

• Элементарный электронный заряд: е = 1,602х10^-19Кл

• Нормальное атмосферное давление: р = 1,01325х10⁵Па

• Нормальная термодинамическая температура: Т = 273,15К

• (или температура Цельсия: t = 0^оС)

• Молярный объем идеального газа при нормальных физических условиях 22,4 л/моль

• Моль^(м) – количество вещества, содержащее столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода ¹²С.

• 

• Водородный показатель реакции среды ph:

• Нейтральная среда ph = 7

• Кислая среда ph < 7

• Щелочная среда ph > 7

Тема 6. Биологические концепции естествознания Вопрос 1. Происхождение и сущность жизни.

Интерес к познанию живого у человека возник очень давно. Он был связан прежде всего с необходимостью удовлетворения самых простых человеческих потребностей в пище, лекарствах, одежде, жилье.

Первоначально люди оценивали феномен жизни как чудо, сотворенное всемогущим Богом. Однако уже в первых древних цивилизованных обществах появились люди, которые не удовлетворялись подобными объяснениями. Одним из них был выдающийся древнегреческий философ Аристотель, который заложил основы биологии. Он впервые подробно описал многие виды животных и растений и высказал мысль о том, что существующие растения и животные есть результат развития от простых форм к более сложным и совершенным.

Но самостоятельной наукой биология становится лишь в XVIII-XIX вв.

Так что же такое жизнь, живая природа?

Прежде всего определим, что современная биология понимает под категорией «живого», чем живое отличается от неживого.

К числу необходимых и существенных свойств живого можно отнести следующие.

• Метаболизм (обмен веществ);

• Противостояние энтропийным процессам;

• Воспроизводство на основе генетического кода;

• Мутабильность (изменчивость под воздействием мутаций).

Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы. А Земля оказалась в таких благоприятных условиях, что эти предпосылки смогли реализоваться.

Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет.

Заметим при этом, что метаболизм является ни чем иным, как химическими реакциями, да и противостояние энтропийным процессам имеет место уже на уровне химической реактивности. Однако для живых систем внутренняя регулировка этих процессов превалирует над внешней обусловленностью этих же процессов в химии. Там уровень концентрации веществ составляет необходимое условие (требуемую внешнюю среду) для начала реакции. Живой же организм может выбирать себе среду, через приспособление к ней.

Факт того, что ферментный катализ играл решающую, фундаментальную роль в процессе перехода от химических систем к системам биологическим, т. е. на пред биологической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными. Исключительно важную роль сыграла реакция по самоорганизации химических систем, проведенная выдающимся советским биохимиком Борисом Павловичем Белоусовым, затем тщательно изученная А. М. Жаботинским, вошедшая в арсенал современной эволюционной химии под названием реакции Белоусова -Жаботинского. Эта реакция сопровождается образованием специфических пространственных и временных структур (например, периодическое чередование цвета жидкости) за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Вот в этих реакциях самоорганизации как раз решающая роль принадлежит именно каталитическим процессам.

Понятие «самоорганизации» означает упорядоченность существования материальных динамических, качественно изменяющихся систем. Роль каталитических процессов в них усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Отрадно, что определяющее значение в исследовании этого плана сыграли работы отечественных ученых И. В. Березина, А. А. Баландина и особенно А. П. Руденко, создавшего в 1964-1969 гг. единую теорию химической эволюции и биогенеза. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической (а также и биологической!) эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, уровне химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции. Сущность теории Руденко состоит в утверждении и обосновании принципа того, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие открытых каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакций происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью.

Александр Прокопьевич Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Следует также отметить, что эволюционный процесс предполагает особый дифференцированный отбор лишь тех химических элементов и соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно упомянуть, что более чем из ста химических элементов лишь шесть — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера — общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%, получивших название органо- или биогенов, служат основой для построения живых систем.

Жизнь – это форма существования высокоорганизованных неравновесных, открытых систем, в структуре которых решающую роль играют белки и нуклеотиды; эти системы способны к обмену веществ, самовоспроизводящегося путем передачи наследственной информации и изменчивости на основе мутаций.

В современной культуре существуют разные (не только научные) подходы, объясняющие возникновение жизни на Земле:

• Креационизм;

• Панспермия;

• Эволюционная теория.

Креационизм (от лат. creation – сотворение). Согласно этому взгляду жизнь – результат сверхъестественных (нарушающих законы физики) событий в прошлом. Данный подход предполагает наличие «творческого замысла» с самого начала образования Вселенной, что подразумевает Творца – автора этого замысла. По мнению ученого-физика Дж. Уиллера: «Фактор, дающий жизнь, лежит в центре всего механизма и конструирует мир». В качестве аргумента последователи креационизма выдвигают значения фундаментальных физических и химических констант, их неслучайный характер.

Наиболее последовательно это учение представлено в монотеистических религиях – иудаизме, христианстве и исламе. Креационизм утверждает постоянство, неизменность видов живых организмов, сотворенных богом в результате единовременного акта.

Панспермия

Это теория о возможности переноса жизни во Вселенной с одного космического тела на другое. Не предполагает никакого объяснения первичного возникновения жизни. Согласно данной теории зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и положить начало эволюции живого, которая в свою очередь породила все многообразие земной жизни. Концепцию панспермии разделяли такие крупные ученые, как С.Аррениус, Г.Гельмгольц, В.И. Вернадский, что способствовало ее широкому распространению среди ученых.

Тем не менее данная теория имеет и слабые стороны: живые организмы, находящиеся в космосе, должны были бы погибнуть под воздействием ультрафиолетовых и космических лучей; не решается проблема происхождения жизни в целом.

Эволюционистская теория.

Эволюционизм связывает возникновение жизни с длительным процессом универсальной эволюции Вселенной, взаимодействий порядка и хаоса и ее самоорганизации, упорядочения на определенном этапе.

Эволюционная теория сегодня ищет новые аргументы для дальнейшего обоснования своих идей в новой науке – синергетике (основатель И.Р. Пригожин). Согласно его представлениям, наша Вселенная явилась результатом длительного процесса саморазвития, самоорганизации. Основными характеристиками этого процесса являются как постепенное, плавное развитие, так и его перерывы в виде взрывов, революций и катастроф, ведущим к качественным сдвигам в развитии материи. В этих процессах велика роль и закономерности, и случайности (в точках бифуркации).

В свете фундаментальной теории самоорганизации дарвиновская теория биологической эволюции является частным случаем, моментом или этапом в универсальной эволюции Вселенной.

Кратко опишем основные этапы эволюции Земли для более ясного представления действия эволюционных процессов.

Решающим моментом в истории Земли и в истории развития жизни на ней было появление атмосферы. В ее состав, кроме водорода, входили так же азот, углерод, аммиак и метан. Кислорода в воздухе безжизненной планеты не было. Атмосфера молодой Земли постоянно подвергалась мощным воздействиям непрерывных изменений высоких температур, давления, радиации.

Под влиянием всех этих воздействий в первичном океане, покрывавшем поверхность Земли, образовались органические вещества – простейшие «кирпичики», из которых строится все живое. Органические вещества накапливались, пока весь первичный океан не превратился в «теплый разбавленный бульон».

Такое представление впервые высказал в 1922 г. русский ученый А.Опарин.

Дальнейшее взаимодействие органических веществ привело к образованию основных химических компонентов живого: нуклеиновых кислот (РНК и ДНК) и белков. Именно на этом этапе завершился процесс добиологический эволюции и начался качественно новый период биологической эволюции, который и был впервые описан Ч.Дарвиным.

Критика дарвинизма велась практически со времени его возникновения и имела объективные основания, поскольку из поля зрения дарвинистов изначально выпадал ряд важных вопросов. К их числу относятся вопросы о причинах сохранения в историческом развитии системного единства организмов, механизмах включения в эволюционный процесс онтогенетических перестроек, неравномерности темпов эволюции, причинах прогрессивной макроэволюции, причинах и механизмах биотических кризисов и др.

Сегодня не вызывает сомнения вывод, сделанный академиком Вернадским, предположившим, что жизнь сразу возникла в виде примитивной биосферы.

Биосфера – внешняя геологическая оболочка Земли, образующая у ее поверхности пленочный слой, включающий в себя живое вещество планеты и среду его обитания, преобразованную им.

Жизнь не просто существует в окружающей ее среде, но активно формирует и преобразует эту среду.

Биосфера, исходя из определения, включает в себя два компонента:

• Живые организмы

• Среда их обитания.

Оба компонента непрерывно взаимодействуют между собой, образуя целостную динамическую систему.

Систематизируем развитие биосферы Земли в виде последовательной смены трех этапов:

Первый этап – восстановительный.

Начался еще в космических условиях и завершился появлением на Земле гетеротрофной биосферы.

Гетеротрофы – это организмы, пищей для которых служат ранее накопленные органические соединения, растворенные в водах первичного океана.

Первичная биосфера ограничивалась водной средой. Первичные гетеротрофные организмы быстро размножались и, естественно, быстро исчерпали свою питательную базу. Достигнув максимальной биомассы, они перешли к автотрофному фотосинтетическому способу питания, побочным продуктом которого был свободный кислород, являющийся смертельным ядом для гетеротрофов.

Второй этап эволюции биосферы слабоокислительный, главным результатом которого стало появление фотосинтеза.

Процесс насыщения атмосферы кислородом шел очень медленно. Только около 400 млн. лет назад, когда концентрация свободного кислорода достигла 10% от современной, возник озоновый слой, предохраняющий живое вещество от жесткого излучения, и жизнь вышла на сушу

В результате резко возросло поступление кислорода в атмосферу, достигнув уровня концентрации в 21%.

Третий этап эволюции биосферы – появление организмов, способных к кислородному дыханию.

В процессе формирования биосферы, примерно 1 млрд. лет назад произошло разделение живых существ на два царства – растений и животных, которые различаются по трем основаниям:

• по структуре клеток и их способности к росту;

• по способу питания;

• по способности к движению.

Основные вехи в истории развития биосферы:

• Появление простейших клеток – прокариотов (клетки без ядра);

• Появление значительно более организованных клеток – эукариотов (клетки с ядром);

• Объединение клеток – эукариотов с образованием многоклеточных организмов, функциональная дифференциация клеток в организмах;

• Появление организмов с твердыми скелетами и формирование высших животных;

• Возникновение у высших животных развитой нервной системы и формирование мозга как органа сбора, систематизации, хранения информации и управления на ее основе поведением организмов;

• Формирование разума как высшей формы деятельности мозга;

• Образование социальной общности людей – носителей разума.

Вершиной развития биосферы стало появление в ней человека. В ходе эволюции Земли на смену периоду геологической эволюции пришел период геолого-биологический, который с появлением человека уступил свое место периоду социальной эволюции. Самые крупные изменения в биосфере Земли наступили именно в этот период.

Появление и развитие человека ознаменовало переход биосферы в ноосферу – новую оболочку Земли, область сознательной деятельности человечества (В.И. Вернадский).

Под действием каких законов происходило развитие на Земле?

Дарвин и его последователи к основным факторам эволюции относили изменчивость, наследственность и естественный отбор. В настоящее время к ним добавляют множество других дополнительных, неосновных факторов, которые, тем не менее, оказывают влияние на эволюционный процесс, а сами основные факторы понимаются теперь по-новому.

Современная теория эволюции, так называемая синтетическая теория эволюции (СТЭ), отличается от дарвиновской по целому ряду важнейших научных положений:

Ведущие факторы эволюции. К ведущим факторам эволюции в настоящее время относят мутационные процессы, популяционные волны численности, изоляцию и естественный отбор.

Поскольку мутации возникают случайно, постольку их результат становится неопределенным, однако случайное изменение становится необходимым, когда оно оказывается полезным для организма, помогает ему выжить в борьбе за существование. Закрепляясь и повторяясь в ряде поколений, случайные изменения вызывают перестройку в структуре живых организмов и их популяций и таким образом приводят к возникновению новых видов. Популяции, насыщенные мутациями, обладают широкими возможностями для совершенствования существующих и выработки новых приспособлений в измененяющихся условиях среды. Однако сам мутационный процесс без участия других факторов эволюции не можетнаправлять изменение природной популяции. Он является лишь поставщиком элементарного эволюционного материала.

Популяционными волнами называют колебания численности особей в популяции. Причины этих колебаний могут быть различными. Например, резкое сокращение численности популяции может произойти вследствие истощения кормовых ресурсов. Среди оставшихся в живых немногочисленных особей могут оказаться редкие генотипы. Если в дальнейшем численность восстановится за счет этих особей, то это приведет к случайному изменению частот генов в генофонде данной популяции. Таким образом, популяционные волны являются поставщиком эволюционного материала.

В качестве третьего основного фактора эволюции СТЭ признает обособленность (изоляцию) группы организмов. На эту особенность указывал еще Дарвин, который считал, что для образования нового вида определенная группа старого вида должна обособиться, но он не мог объяснить необходимость этого требования с точки зрения наследственности. В настоящее время установлено, что обособление и изоляция определенной группы организмов необходимы для того, чтобы она не могла скрещиваться с другими видами и тем самым передавать им и получать от них генетическую информацию. Изоляция разных групп организмов в природе, а также в практике селекционной работы осуществляется разными способами, но цель их одна — исключить обмен генетической информацией с другими видами.

Направляющий фактор СТЭ – естественный отбор. Однако в настоящее время представления о естественном отборе дополнились новыми фактами, значительно расширились и углубились. Естественный отбор следует понимать как избирательное выживание и возможность оставления потомства отдельными особями. Биологическое значение особи, давшей потомство, определяется ее вкладом в генофонд популяции. Отбор действует в популяции, его объектами являются фенотипы отдельных особей. Фенотип организма формируется на основе реализации информации генотипа в определенных условиях среды. Таким образом, отбор из поколения в поколение по фенотипам ведет к отбору генотипов, так как потомкам передаются не признаки, а генные комплексы.

В СТЭ различают три основные формы естественного отбора: 1) стабилизирующий, 2) движущий и 3) дизруптивный.

Стабилизирующий отбор способствует сохранению признаков вида в относительно постоянных условиях среды. Он поддерживает средние значения, выбраковывая мутационные отклонения от ранее сформировавшейся нормы. Стабилизирующая форма отбора действует до тех пор, пока сохраняются условия, повлекшие образование того или иного признака или свойства. Примером стабилизирующего отбора является избирательная гибель домовых воробьев при неблагоприятных погодных условиях. У выживших птиц различные признаки оказываются близкими к средним значением. Среди погибших эти признаки сильно варьировались. Примером действия этой формы отбора в популяциях людей служит большая выживаемость детей со средней массой.

Движущий отбор благоприятствует изменению среднего значения признака в измененных условиях среды. Он обусловливает постоянное преобразование приспособлений видов соответственно изменениям условий существования. Особи популяции имеют некоторые отличия по генотипу и фенотипу. При длительном изменении внешней среды, преимущественно в жизнедеятельности и размножении, может появиться часть особей вида с некоторыми отклонениями от средней нормы. Это приведет к изменению генетической структуры, возникновению эволюционно новых приспособлений и перестройке организации вида. Одним из примеров этой формы отбора является потемнение окраски бабочки березовой пяденицы в развитых индустриальных районах Англии. В сельскохозяйственных районах распространены светлоокрашенные формы, а вблизи промышленных центров кора деревьев становится темной из-за исчезновения лишайников, поэтому там преобладает форма темноокрашенных бабочек.

Дизруптивный отбор действует в разнообразных условиях среды, встречающихся на одной территории, и поддерживает несколько фенотипически различных форм за счет особей со средней нормой. Если условия среды настолько изменились, что основная масса вида утрачивает приспособленность, то преимущество приобретают особи с крайними отклонениями от средней нормы. Такие формы быстро размножаются, и на основе одной группы формируется несколько новых. Основной результат этого отбора заключается в наличии нескольких, различающихся по какому-либо признаку групп, как бы разрывающих популяцию.

Следует отметить, что перечисленные типы отбора очень редко встречаются в чистом виде. Как правило, в живой природе наблюдаются сложные, комплексные типы отбора, и необходимы особые усилия, чтобы выделить из них более простые типы.

• В качестве элементарного проявления процесса эволюции СТЭ рассматривает устойчивое изменение генотипа популяции.

Популяция – это совокупность особей одного вида, населяющая некоторую территорию, относительно изолированная от других и обладающая определенным генофондом.

Концепции микро- и макроэволюции

Важной составной частью синтетической теории эволюции являются концепции микро- и макроэволюции.

Под микроэволюцией понимают совокупность эволюционных процессов, протекающих в популяциях, приводящих к изменениям генофонда этих популяций и образованию новых видов. Считается, что микроэволюция протекает на основе мутационной изменчивости под контролем естественного отбора. Мутации служат единственным источником появления качественно новых признаков, а естественный отбор – единственным творческим фактором микроэволюции, направляющим элементарные эволюционные изменения по пути формирования адаптации организмов к изменяющимся условиям внешней среды. На характер процессов микроэволюции оказывают влияние колебания численности популяций («волны жизни»), обмен генетической информацией между ними, их изоляция и дрейф генов. Микроэволюция ведет либо к изменению всего генофонда биологического вида как целого, либо к их обособлению от родительского вида в качестве новых форм.

Под макроэволюцией понимают эволюционные преобразования, ведущие к формированию таксонов более высокого ранга, чем вид (родов, отрядов, классов).

Считается, что макроэволюция не имеет специфических механизмов и осуществляется только посредством процессов микроэволюции, будучи их интегрированным выражением. Накапливаясь, микроэволюционные процессы выражаются внешне в макроэволюционных явлениях, т.е. макроэволюция представляет собой обобщенную картину эволюционных изменений. Поэтому на уровне макроэволюции обнаруживаются общие тенденции, направления и закономерности эволюции живой природы, которые не поддаются наблюдению на уровне микроэволюции

• СТЭ более аргументированно и обоснованно истолковывает факторы и движущие силы эволюции, выделяя среди них основные и не основные факторы.

К основным факторам процесса эволюции Дарвин относил:

- изменчивость,

- наследственность,

- борьбу за существование.

СТЭ к этим факторам добавляет:

- мутационные процессы,

- популяционные волны численности,

- изоляцию: Исходя из сказанного выше, основные положения синтетической теории эволюции сводятся к четырем утверждениям:

1. главным фактором эволюции является естественный отбор, интегрирующий и регулирующий действие всех остальных факторов (мутагенеза, гибридизации, миграции, изоляции и др.);

2. эволюция протекает дивергентно, постепенно, посредством отбора случайных мутаций, а новые формы образуются через наследственные изменения;

3. эволюционные изменения случайны и не направленны; исходным материалом для них являются мутации; исходные организации популяции и изменения внешних условий ограничивают и направляют наследственные изменения;

4. макроэволюция, ведущая к образованию надвидовых групп, осуществляется только посредством процессов микроэволюции и связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период времени.

Главная задача СТЭ предсказать возможности эволюционных преобразований и управлять эволюционным процессом. Большую роль в решении этой задачи играет одна из наиболее перспективных биологических наук – генетика.

Из истории ее развития: казалось бы, ее появление должно было решить многие вопросы эволюционной теории, до сих пор остававшиеся без ответа. Но первые генетики противопоставили данные своих исследований дарвинизму, в результате чего в эволюционной теории возник глубокий кризис. Выступление генетиков против учения Дарвина вылилось в широкий фронт, объединяющий несколько течений: мутационизм, гибридогенез, пре-адаптационизм и др. Все они объединились под общим названием генетического антидарвинизма.

Так, открытие устойчивости генов трактовалось как их неизменность. Это способствовало распространению антиэволюционизма (У. Бетсон). Мутационная изменчивость отождествлялась с эволюционными преобразованиями, что исключало необходимость отбора как главной причины эволюции.

Венцом этих построений стала теория номогенеза Л.С. Берга, созданная в 1922 г. Основу ее составила идея, что эволюция есть запрограммированный процесс реализации внутренних, присущих всему живому закономерностей. Он считал, что организмы обладают внутренней силой неизвестной природы, действующей целенаправленно, независимо от внешней среды, в сторону усложнения организации. В доказательство этого Берг приводил множество данных по конвергентной и параллельной эволюции разных групп растений и животных.

Из всех этих споров со всей очевидностью следовало, что генетика и дарвинизм должны были найти общий язык. Но прежде чем приступать к рассмотрению дальнейшего развития теории эволюции, следует подробнее остановиться на основных положениях генетики, без которой современный дарвинизм был бы невозможен.