Разумова Е.Р. КСЕ

51

В ХХ веке появился еще один молодой раздел химии– химия элементоорганических соединений. Это соединения, в состав которых, кроме углерода, водорода, кислорода, азота и серы входят кремний,

металлоорганические соединения (например, ферроцен) используют в качестве лекарств и кровезаменителей. Огромный вклад в химию элементоорганических соединений внес выдающийся русский ученый академик А.Н. Несмеянов.

Реакционная способность веществ зависит, однако, не только от их состава и структуры, но также и от условий протекания химических реакций. В основе учения о химических процессах лежат химическая термодинамика, кинетика и катализ. Химическую термодинамику, т.е. метод управления химическим процессом с помощью температуры и давления, разработал в конце XIX века голландский химик Я. Вант-

века русским ученым академиком К.С. Кирхгофом, лежит активация молекул реагентов при их контакте с катализатором(веществом, ускоряющим химическую реакцию, но при этом сохраняющим свою массу).

Эволюционная химия зародилась в60-х годах ХХ века. Главная идея, лежащая в основе этого раздела, – построение принципиально нового управления химическими процессами, основанного на аналогии

сживой клеткой. Химики надеются создать катализаторы нового

химическую и электрическую энергию. Пути к этому уже намечены. Изучено множество биохимических катализаторов– ферментов, найдены способы их стабилизации.

52

В 50–60-х годах ХХ века русскими химикамиБ.П. Белоусовым и А.М. Жаботинским были открытыавтоколебательные химические реакции, в которых со временем происходят периодические изменения выхода продуктов реакции, т.е. необходимый продукт то выделялся в больших количествах, то прекращал выделяться совсем.

Оказалось, что в некоторых случаях в ходе таких нестационарных реакций общее количество продукта было даже выше, чем в реакциях с постоянной скоростью. Любопытно, что нестационарные химические процессы обнаружены и в живой природе.

Таким образом, развитие химии шло от выяснения состава и структуры вещества к выяснению условий и механизмов химических реакций и способов управления ими. Как мы увидим далее, без химических знаний был бы невозможен столь стремительный рывок, который в ХХ веке совершила биология.

Контрольные вопросы:

1.Что такое химическая связь?

2.Из каких разделов состоит химия и что они изучают?

3.Что такое полимеры и какие вещества к ним относятся?

Литература: [3, 15, 19, 20, 24].

Раздел У. Биологические науки.

Тема 12. Особенности биологического уровня организации материи Классификация живого.

Биология – наука о живых организмах Земли. Прежде всего, следует определить критерии живого: чем живые системы отличаются от неживых объектов.

1.Главный признак живого – способность к самовоспроизведению, т.е. к размножению.

2.Способность к росту.

3.Обмен веществ и энергией с окружающей средой.

4.Ответная реакция на внешние раздражители.

5.Способность к распространению по всей планете.

Необходимо заметить, что для отнесения объекта к живому организму должны выполняться все пять критериев, а не какой-либо один или два. Например, к росту способны кристаллы, но они не являются живыми организмами.

1.Все живые организмы состоят из клеток. Клетка - это функциональная и структурная единица живого.

2.Все клетки сходны по строению и химическому составу и имеют оболочку (мембрану), ядро и полужидкую среду между ядром и оболочкой – цитоплазму.

существовавших клеток. Впоследствии в цитоплазме обнаружили

54

классификацией живые организмы делятся на неклеточные(вирусы) и клеточные (все остальные).

Вирусы были открыты в самом концеXIX века русским микробиологом Д.И. Ивановским (вирус табачной мозаики). Впоследствии выяснилось, что эти организмы– типичные паразиты, самостоятельно не питаются и не размножаются, что заставило некоторых биологов призадуматься – а живые ли они вообще? Вирусу необходимо проникнуть в чужую клетку организма-хозяина, за счет нее он питается и размножается. Вирусными заболеваниями являются грипп, а также гепатит и СПИД, которые справедливо считают «чумой ХХ и XXI века», поскольку средства борьбы с ними пока не найдено.

Все остальные организмы– клеточные, они подразделяются на безъядерные (прокариоты) и ядерные(эукариоты). К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Основоположником науки о прокариотах(микробиологии) был блестящий французский ученый Л. Пастер (по образованию он был химиком). Л. Пастер первым создал экспериментальную технику работы с популяциями

спасительные антитела). Л. Пастеру человечество обязано победой над чумой, холерой, сибирской язвой, бешенством.

Большой вклад в микробиологию внес также соперник и оппонент Л. Пастера немецкий врачР. Кох. Продолжателем дела, начатого Л. Пастером, был его ближайший сотрудник, впоследствии лауреат Нобелевской премии русский ученыйИлья Ильич Мечников, открывший явление иммунитета.

Следующий шаг в микробиологии был сделан английским ученым

55

свою очередь подразделяются на три царства– растения, грибы и животные.

Растения состоят в основном изуглеводов (о химическом составе

фотосинтезом. Механизм процесса фотосинтеза изучил и описа выдающийся русский ученый К.А. Тимирязев.

Грибы состоят наполовину из углеводов, а наполовину из белков, не обладают способностью к фотосинтезу и размножаютсяпорами - клетками, которые в неблагоприятных условиях создают удивительно

прочную мембрану, надежно защищающую спору от внешних воздействий. В таком состоянии эта клетка может находить продолжительное время до наступления лучших условий, тогда из нее

белков (неподвижными являются только кораллы, ведущие сидячий образ жизни). Раздел биологии, появившийся в ХХ веке и изучающий поведенческие механизмы животных, называется этологией. Ее основоположником является австрийский ученыйК. Лоренц. Этологи считают, что в основе поведения животных, живущих в свободных условиях, лежат четыре инстинкта, направленных на сохранение вида: голода, половой, агрессии и страха.

Химический состав живой клетки

Живые организмы состоят из неорганических (вода и минеральные соли) и органических веществ, подразделяющихся на 4 группы: белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и жиры. Первые три группы имеют полимерную структуру и поэтому называютсябиополимерами. Многие их свойства аналогичны свойствам синтетических полимеров, только состав элементарного звена биополимеров существенно сложнее.

Белки – это азотсодержащие биополимеры, имеющие четыре уровня структуры. Элементарным звеном ихпервичной структуры являются полипептиды, состоящие из 20-ти аминокислот, называемых

56

колоссальное разнообразие белков: число сочетаний из 20 по 20 – это огромная величина (лишний раз подтверждается верность структурной теории А.М Бутлерова!). Число повторяющихся звеньев в цепи может достигать нескольких тысяч, поэтому молекулярные массы белков весьма велики. Вторичная структура белков – это полипептидная цепочка, закрученная в спираль; некоторые белки (коллаген, фибриноген) функционируют в виде такой закрученной спирали. Третичная структура белков– это спираль, упакованная в глобулу (шарик), она «сшивается» дисульфидными связями и характерна для большинства белков (альбумины, глобулины и др.). Некоторые белки

гемоглобине, например, это атом железа). Белки являются основным строительным материалом животных организмов. Многие ферменты (катализаторы биохимических реакций) также являются белками. Кроме того, белки выполняют транспортную, защитную, двигательную и энергетическую функции.

Углеводы – это биополимеры, в которых элементарным звеном является глюкоза. Одна из разновидностей углеводов– клетчатка – является строительным материалом растительных организмов, другая

– крахмал – запасается в виде питательного вещества.

Важнейшими из биополимеров являютсянуклеиновые кислоты.

клетке – несколько минут; природа еще намного умнее нас. Молекула ДНК выполняет две жизненно важных для клетки функции: она обуславливает размножение, а также хранит и передает потомству наследственную информацию. Вторичная структура молекулы ДНК была впервые расшифрована английскими ученымиДж. Уотсоном и Ф. Криком и представляет собой сплетенную из двух ветвейдвойную

которые проходят путь необратимого развития. Эти системы имеют восемь уровней организации. Первый и второй мы уже рассмотрели–

это молекулярный и клеточный уровни. На этих уровнях все живые организмы удивительно сходны по строению и функционированию. Третий уровень – тканевый. Ткань – это совокупность сходных по строению клеток, выполняющих общую функцию. На этом уровне также сохраняется сходство всего живого: всего пять основных видов тканей образуют организмы многоклеточных животных и шесть–

совокупностью организмов одного вида, объединенных общим местом обитания и составляющих популяцию. Несколько популяций образуют вид. Видом называют совокупность особей, сходных по строению, физиологическим и биохимическим свойствам, имеющих общее происхождение, способных свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство.

участок земной поверхности и связанных трофическими(пищевыми) цепями, вместе со средой их обитания. Любая экосистема (лес, река,

луг, болото) является единым природным комплексом. Характерными свойствами экосистем являются их устойчивость и способность

Ивановичем Вернадским, о нем будет сказано отдельно. Только при комплексном изучении жизненных явлений на всех уровнях можно

лидера естествознания, каким она стала к концу ХХ века.

Контрольные вопросы:

1.Что такое прокариоты и эукариоты?

2.Кто был основоположником микробиологии?

3.Кто создал клеточную теорию и в чем ее суть?

Литература: [2, 5, 9, 21, 24].

Тема 13. Биологическая эволюция и генетика

Эволюция – это любой длительный процесс изменения какихлибопараметров (происходит от латинского слова, обозначающего «развертывание»). Например, первый миллиард лет, до появления жизни, на Земле шлахимическая эволюция. Идею биологической

эволюции, т.е. мысль о том, что сложные организмы произошли от более простых, примитивных, впервые предложил в началеXIX века французский биолог Жан Батист Ламарк. К этому времени в разных областях естествознания – геологии, палеонтологии, эмбриологии – накопились данные, указывающие на изменяемость органического мира. Тем не менее, многие натуралисты и философы того времени не признавали идею эволюции, их аргументы сводились к тому, что никто

59

экспериментально не наблюдал превращения одних видов в другие. Между видами, как правило, отсутствуют промежуточные формы.

Ламарк правильно заметил, что живым организмам свойственны наследственность (способность живых организмов передавать свои свойства и признаки потомству) и изменчивость ( способность изменять свои свойства в течение жизни). Однако он неверно указал механизм, движущую пружину эволюции. Согласно его представлениям, любые качества, приобретенные организмом при жизни, он передает своим потомкам, поскольку всему живому свойственно стремление к самоусовершенствованию. А конкретным воплощением этого стремления является упражнение (или не упражнение) органов: если организм тренирует свой орган, то он развивается, если нет – атрофируется и исчезает.

Многие биологи стали ревностными последователями Ламарка и

естественный отбор, суть которого заключается в следующем. На Земле рождается гораздо больше различных живых организмов, чем может выжить; в результате естественного отбора выживают наиболее

теория естественного отбора.

Как уже было сказано, у Дарвина оказалось много научных

60

усредняются, и внутри вида все организмы оказываются примерно одинаковыми по своим признакам, вследствие чего естественный отбор невозможен. Ответить на это возражение Ч. Дарвин так и не смог до

на лидирующие позиции в естествознании, необходимо отметить, что учение Ч. Дарвина, о котором шла речь выше, следует рассматривать все же какнаучную гипотезу, а не как теорию: оно основано на косвенных доказательствах и ничего не предсказывает.

Основателем генетики был чешский монах-августинец Грегор Мендель, живший в Х1Х веке. Получив физико-математическое образование в Венском университете, он провел на монастырском огороде в городе Брно блестящие опыты по искусственному скрещиванию чистых линий цветов декоративного душистого горошка и на основании статистической обработки результатов более 6 тысяч

признаков в соотношении 3:1 (75% доминантных и 25% рецессивных), т.е. рецессивные признаки проявляются через поколение.

3. Расщепление признаков в указанном соотношении идет независимо по каждой паре признаков (цвет цветков, цвет и форма горошин).

Но главный вывод, к которому пришел Г. Мендель – это мысль о существовании дискретной единицы наследственности, впоследствии названной геном. При жизни Г. Менделя его труды были неизвестны научному миру; вторым рождением генетики считается 1900 год, когда его работа, сделанная в 1865 г., была опубликована в журнале

«Natura».

Следующим этапом развития генетики были работы немецкого зоолога Августа Вейсмана, показавшего, что половые клетки (гаметы) обособлены от остального организма и поэтому не подверже влияниям, действующим на остальные (соматические) клетки.