Билет №2
Биохимическая экология – междисциплинарная область науки о биохимической стабилизации и дестабилизации экологического равновесия.
Предметом биохимической экологии является:
экологические взаимодействия между организмами, опосредуемые химическими веществами, которые служат посредниками, передающими какую(то информацию, или регуляторами экологических процессов;
воздействие человека на биосферу, связанное с химическим загрязнением.
К объектам биохимической экологии относятся вещества,
которые опосредуют взаимодействия между организмами и регулируют экологические взаимодействия, а также биохимические реакции, в которых участвуют эти вещества.
Среди методов, характерных для биохимической экологии
выделяют:
1. Современные способы выделения и анализа структуры
природных соединений, участвующих в экологобиохимических
взаимодействиях.
2. Методы биологического тестирования изучаемых веществ: исследование физиологических или поведенческих реакции организмов на испытываемые вещества в лабораторных и полевых условиях.
3. Химический синтез природных веществ, которые можно
использовать в практической деятельности.
Практическая ценность биохимической экологии связана,
прежде всего, с решением проблем охраны природы и оптими(
зации природопользования.
1. Воздействие и тонкое управление экологическими объек(
тами и процессами путем использования регуляторных веществ,
присущих популяциям и экосистемам.
2. Уменьшение химического загрязнения биосферы за счет:
увеличения способности природных и антропогенных экосистем к самоочищению (например, создание рекомбинантных штаммов микроорганизмов с повышенной способностью разлагать поллютанты);
разработки и широкого применения веществ и материалов с повышенной способностью к деградации в окружающей природной среде;
уменьшения использования пестицидов в сельском хозяйстве благодаря внедрению альтернативных и экологически безопасных способов контроля популяций вредителей.
В последнее время все большее значение приобретают исследования, выясняющие особенности экологического равновесия и биосфере и механизмы его поддержания и нарушения, в которых участвуют различные химические соединения. Закономерно возникает новый этап в развитии экологии, связанный с возрастанием внимания к факторам, регулирующим формирование структуры экосистем, их динамику и функционирование. Для понимания механизмов поддержания и нарушения экологического равновесия большое значение имеет информация на стыке экологии, биохимии, химии и физиологии. Вещества, являющиеся объектом внимания биохимической экологии, уже давно исследуются биохимией с точки зрения их структуры и метаболизма. Однако биохимическая экология лишь начинает разбираться в сложной системе экологических хеморегуляторов, которые вносят важный вклад в гомеостаз экологических систем. Биохимическая экология помогает понять биологический смысл существования биологически активных веществ, которые являются одним из важнейших объектов биотехнологии, биологические функции которых на концептуальном уровне представлялись зачастую непонятными. Хемомедиаторы выполняют разнообразные функции в экосистемах: защита от консументов; атака пищевых объектов; сдерживание конкурентов; привлечение; регуляция взаимодействий внутри популяции и т. д. Экологические хеморегуляторы способствуют упорядочению ресурсопользования различными консументами, что предохраняет популяции от излишней конкуренции и вымирания, связанного с переэксплуатацией ресурсов. Существенный интерес представляют данные о том, что возможна регуляция трофических отношений в другую сторону
– когда рост первичной продуктивности позволяет увеличить потребление фитомассы фитофагами.
Химические вещества в биосфере могут выступать в двоякой роли
– как факторы ее стабилизации и дестабилизации.
Экологические хеморегуляторы, выполняющие функцию регуляции экологических процессов, – важный потенциальный инструмент для корректного и избирательного воздействия на популяции и экосистемы. А вот близкие по химическому воздействию к природным соединениям синтетические ксенобиотики могут представлять опасность для экосистем. Если раньше оценка их опасности основывалась преимущественно на летальных эффектах, то теперь необходимо учитывать и те, которые не вызывают прямую гибель организмов, но нарушают способность экосистем к самоочищению и самоподдержанию.
Развитие экосистемы, устойчивость ее, выживаемость входящих в экосистему видов животных и растений, возможность положительного влияния на такую систему человека и необходимость минимизации отрицательных воздействий химических веществ, создаваемых человеком, требует внимательного изучения механизмов биорегуляции, основанных на экологобиохимических взаимодействиях.
2)Открытие электронаЭ. Вихертом[50][51]иДж. Дж. Томсоном(1897) ирадиоактивностиА. Беккерелем(1896) стали доказательством делимости атома, возможность которой стала обсуждаться после выдвиженияУ. Праутомгипотезы о протиле (1815). Уже в началеXX векапоявились первые модели строения атома: «кексовая» (У. Томсон,1902и Дж. Дж. Томсон,1904)[52], планетарная (Ж. Б. Перрен,1901иХ. Нагаока,1903)[53], «динамидическая» (Ф. Ленард, 1904)[54]. В1911Э. Резерфорд, основываясь на опытах по рассеиванию α-частиц, предложил ядерную модель, ставшую основой для создания классической модели строения атома (Н. Бор,1913[55]иА. Зоммерфельд,1916[56]). Основываясь на ней, Н. Бор в1921заложил основы формальной теориипериодической системы, объяснившей периодичность свойств элементов периодическим повторением строения внешнего электронного уровня атома[57][58]. После того, какВ. Паулисформулировалпринцип запрета(1925)[59], аФ. Хундпредложилэмпирические правилазаполнения электронных оболочек (1925—1927)[60], была в целом установлена электронная структура всех известных к тому времени элементов.
После открытия делимости атома и установления природы электрона как его составной части возникли реальные предпосылки для разработки теорий химической связи. Первой стала концепция электровалентности Р. Абегга(1904)[61], основанная на идее о сродстве атомов к электрону. Модель Бора — Зоммерфельда, представления о валентных электронах (И. Штарк, 1915)[62] и идея об особой стабильности двух- и восьмиэлектронных оболочекатомовинертных газовлегли в основу классических теорий химической связи.В. Коссель(1916)[63] разработал теорию гетерополярной (ионной) связи, а Дж. Н. Льюис(1916)[64] и И. Ленгмюр(1919)[65] — теорию гомеополярной (ковалентной) связи[66][67].
В конце 20-х — начале 30-х годов XX векасформировались принципиально новые —квантово-механические— представления о строении атома и природе химической связи.
Исходя из идеи французского физика Л. де Бройляо наличии у материальных частиц волновых свойств[68], австрийский физик Э. Шрёдингерв1926вывел основноеуравнениет. н. волновой механики, содержащееволновую функциюи позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени[69]. Несколько ранее немецкий физик В. Гейзенбергразработал свой вариант квантовой теории атома в виде матричной механики[70].
Квантово-механический подход к строению атома привёл к созданию новых теорий, объясняющих образование связи между атомами. Уже в 1927В. Г. ГейтлериФ. Лондонначали разрабатывать квантовомеханическую теорию химической связи и выполнили приближённый расчет молекулы водорода[71]. Распространение метода Гейтлера-Лондона на многоатомные молекулы привело к созданию метода валентных связей, который создают в1928—1931гг.Л. ПолингиДж. К. Слэтер. Основная идея этого метода заключается в предположении, что атомные орбитали сохраняют при образовании молекулы известную индивидуальность. В1928Полинг предложил теорию резонанса и идеюгибридизации атомных орбиталей, в1932— новое количественное понятиеэлектроотрицательности[72][73].
В 1929Ф. Хунд,Р. С. МалликениДж. Э. Леннард-Джонсзаложили фундаментметода молекулярных орбиталей, основанного на представлении о полной потере индивидуальности атомов, соединившихся в молекулу. Хунд создал также современную классификацию химических связей; в1931он пришёл к выводу о существовании двух основных типов химических связей — простой, или σ-связи, и π-связи.Э. Хюккельраспространил метод МО на органические соединения, сформулировав в1931правило ароматической стабильности, устанавливающее принадлежность вещества к ароматическому ряду[74].
Благодаря квантовой механике к 30-м годам XX векав основном был выяснен способ образования связи между атомами; кроме того, в рамках квантово-механического подхода получило корректную физическую интерпретацию менделеевское учение о периодичности. Создание надёжного теоретического фундамента привело к значительному росту возможностей прогнозирования свойств вещества. Особенностью химии вXX векестало широкое использования физико-математического аппарата и разнообразных расчётных методов.
Подлинным переворотом в химии стало появление в XX векебольшого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических (рентгеноструктурный анализ,электроннаяиколебательная спектроскопия,магнетохимияимасс-спектрометрия, спектроскопияЭПРиЯМР,хроматографияи т. п.). Эти методы предоставили новые возможности для изучения состава, структуры и реакционной способности вещества.
Отличительной чертой современной химии стало её тесное взаимодействие с другими естественными науками, в результате которого на стыке наук появились биохимия,геохимияи др. разделы. Одновременно с этим процессом интеграции интенсивно протекал и процесс дифференциации самой химии. Хотя границы между разделами химии достаточно условны,коллоиднаяикоординационная химия,кристаллохимияиэлектрохимия,химия высокомолекулярных соединенийи некоторые другие разделы приобрели черты самостоятельных наук.
Закономерным следствием совершенствования химической теории в XX векестали новые успехи практической химии — каталитический синтезаммиака, получение синтетическихантибиотиков,полимерныхматериалов и т. п. Успехи химиков в деле получения вещества с желаемыми свойствами в числе прочих достижений прикладной науки к концуXXстолетия привели к коренным преобразованиям в жизни человечества.