Концепции современного естествознания. Курс лекций. Учебное пособие

Изучением скорости и особенностей протекания химических реакций занимается химическая кинетика. Исследуются различные стадии взаимопревращений реагентов, т. к. исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. В цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Химические реакции протекают тем быстрее, чем выше температура, давление и концентрация реагентов.

На скорость некоторых химических реакций можно влиять присутствием некоторого количества определенных веществ, которые сами в реакциях участия не принимают. Вещества называют катализаторами. Катализаторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными – замедляющими ее. Каталитическое ускорение реакций называется катализом и является приемом современной химической технологии. Применение катализаторов позволяет проводить химические превращения с высокими скоростями при небольших температурах. Некоторые реакции вообще невозможно было бы реализовать.

С помощью катализа в начале XX века была решена проблема фиксации азота воздухом. Также с помощью специально обработанного железа удалось преодолеть химическую инертность элементарного азота и осуществить синтез аммиака. На каталитических реакциях основываются современные методы получения водорода из природного газа. Используют в технологии нефтепереработки (моторное топливо производят с помощью каталитических реакций гидрокрекинга, крекинга, риформинга). Используются в осуществлении процессов органического синтеза, играют ведущую роль в химических превращениях в живой природе. Биологические катализаторы называются ферментами, представляют собой вещества белковой природы с химически активными группами, часто включающими в свой состав атомы переходных элементов.

71

Ферменты функционируют в рамках живых систем. Поэтому, хотя они и обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, они не тождественны им. Катализ играл важную роль в процессе перехода от химических систем к биологическим.

Самоорганизацию химических систем наблюдали Б.П. Белоусов и А.М. Жаботинский (появление в жидкой среде концентр. волн или периодическое изменение цвета с синего на красный и обратно - «химические часы»). Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов.

Роль каталитических процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Некоторые ученые напрямую связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.

Переход к простейшим формам жизни предполагает особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются строительным материалом для образования биологических систем. Из более ста химических элементов лишь шесть (органогены) служат основой для построения живых систем.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ

Наиболее распространенными теориями возникновения жизни на Земле являются следующие:

1)жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время (креационизм);

2)возникала неоднократно из неживого вещества (самопроизвольное зарождение);

3)жизнь существовала всегда (теория стационарного состояния);

4)жизнь занесена на нашу планету извне (панспермия);

5)жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).

72

Теория спонтанного зарождения была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Египте. Аристотель также придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Согласно его гипотезе определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при определенных условиях может создать живой организм. Течение, называемое витализмом, также объясняло специфику живых организмов наличием в них «жизненной силы».

Ряд ученых исследовал проблему зарождения жизни. Ван Гельмонт за три дня якобы создал мышей. Для этого были нужны грязная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Ф. Реди проводил эксперименты с червями. Часть сосудов с дохлой рыбой он запечатал, а часть оставил открытыми. Черви появились лишь в открытых сосудах. Реди сделал вывод, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). А. Левенгук усилил теорию применительно к микроорганизмам. В 1860 году проблемой происхождения жизни занялся Л. Пастер. Он показал, что бактерии вездесущи и что неживые материалы могут быть заражены живыми существами.

Подтверждение теории биогенеза породило другую проблему. Поскольку для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда же взялся самый первый живой организм?

Биохимическая эволюция

Принято считать, что возраст Земли 4,5 – 5 млрд лет. По мере того как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовывали земную кору. Атмосфера была иной, чем сейчас. Водород, гелий, кислород и азот (легкие газы) уходили из атмосферы. Атмосфера была в большей степени «восстановительной». В древних породах Земли присутствуют металлы в восстановленной форме (двухвалентное железо). Более молодые горные породы содержат металлы в окисленной форме (трехвалентное железо). Органические вещества гораздо легче создаются в восстановительной среде,

73

чем в атмосфере, богатой кислородом. По мнению А. Опарина, органические вещества, возможно, углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений. Энергия для таких реакций поступала от Солнца. В результате в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался «первичный бульон», в котором возникла жизнь. Первый этап предбиологической эволюции – образование простых органических соединений из неорганических, а затем - образование сложных полимерных органических молекул из простых.

В 1953 году С. Миллер в ряде экспериментов моделировал условия, предположительно существовавшие на Земле. В созданной им установке удалось синтезировать многие вещества, имеющие важное биологическое значение.

Опарин полагал, что решающая роль в превращениях из неживого в живое принадлежала белкам. Белковые молекулы притягивают к себе молекулы воды, образуя гидрофильные комплексы (коацерваты). Входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способности коацервата к самовоспроизведению (механизм авторепликации) и внутренней перестройки (матричная сборка) могла возникнуть примитивная клетка. Самое трудное для этой теории – объяснить появление способности живых систем к самовоспроизведению. На определенном этапе предбиологические структуры приобрели способность к авторепликации (самопроизводству) и благодаря этому размножались в большом числе копий. Наиболее вероятный механизм авторепликации – матричная сборка, когда каждый участок исходной большой молекулы – полимера имеет химическое сродство к малым молекулам – мономерам, похожим на него самого. Появляется и естественный отбор - количество «строительного материала» ограничено и преимущество имеют те молекулы, которые эффективней захватывают мономеры. Возникают также мутации – образовавшийся вновь полимер может быть и не точной копией предыдущего. В 70-е годы М. Эйген построил математическую теорию самоорганизации

74

молекул. Он рассмотрел систему, в которой происходит полимеризация мономеров и обратный распад полимеров. Система является открытой. При изменении параметров внешней среды равновесие между основным видом и мутантами смещается: преимущество получает та форма, которая отвечает новым условиям.

Роль нуклеиновых кислот в переносе генетической информации

Сущность жизни нельзя сводить к обмену веществ. В мире неживого, например, у некоторых растворов наблюдается обмен веществ в его простейших формах. В основе жизнедеятельности всех организмов лежит сложная система взаимосвязанных химических реакций как окислительных, так и восстановительных. В них участвуют молекулы белков и нуклеиновых кислот, являющихся «материальными» носителями жизни. Они должны непрерывно воспроизводиться. В основе такого воспроизводства лежит синтез белков, который происходит в клетках при помощи нуклеиновых кислот ДНК (дезоксирибонуклеиновая) и РНК (рибонуклеиновая). Белки – сложные макромолекулы (их масса доходит до 107а. е. м.). Структурные элементы белка – аминокислоты. Всего известно около 100 аминокислот, но в организме используются только 20. Основой структуры белка является последовательность образующих его аминокислот. Нуклеиновые кислоты образуют длинные полимерные цепи, элементами которых являются нуклеотиды – соединения азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. У молекулы ДНК азотистые основания

(аденин, гуанин, тимин, цитозин) присоединяются к сахару по одному в разной последовательности

В 1953 году Ф. Крик и Д. Уотсон с помощью рентгеноструктурного анализа расшифровали код ДНК. Каждая молекула представляет собой две спаренные нити, закрученные в спирали. Каждая из них соединяется с другой водородными связями, причем аденин соединяется с тимином, а гуанин с цитозином (свойство комплементарности). Открытие Крика и

75

Уотсона стало фундаментом молекулярной биологии. Основной функцией ДНК является передача по наследству генетической информации. Был обнаружен механизм репликации ДНК (копирование генетического материала). Молекулы ДНК играют роль кода, по «указанию» которого происходят все синтезы белковых молекул в клетках организма. Значение двойной спирали понял Р. Гамов в 1954 году. В кажущемся беспорядке присоединения азотистых оснований к сахару Гамов усмотрел «шифр». Если предположить, что каждой аминокислоте соответствует комбинация азотистых оснований (определенный порядок чередования), понятно, что каждой кислоте не может соответствовать сочетание из двух соединений, так как возможных комбинаций оказалось 16, а аминокислот 20. Минимальное число должно быть 3 из 4, так как число возможных комбинаций – 64. Гипотеза Гамова нашла подтверждение в 1961 году после экспериментов биохимиков Ниренберга и Матте. Был найден код для всех 20 аминокислот. Текст в ДНК подобен мозаике, на которой смысловые куски отделены друг от друга «бессмысленными», не несущими информации. Когда с ДНК снимается информация, лишние куски «вырезаются».

Как закодированная в ДНК информация определяет синтез белков? Решающая роль здесь принадлежит РНК, отличающейся от ДНК составом сахара, имеющей вместо тимина – урацил и состоящей из одной цепи. Молекулярная масса РНК – 106 а. е. м. Синтез белков происходит в особых областях клетки,

так называемых рибосомах, которые можно назвать «фабриками белка». Существует три вида РНК: высокомолекулярная РНК, локализованная в рибосомах, информационная РНК, образующаяся в ядре клетки «под контролем» ДНК и «транспортная» РНК. Информационная РНК повторяет в своей структуре последовательность азотистых оснований ДНК (генетический код переписывается с молекулы ДНК на молекулу информационной РНК - транскрипция). Из ядра клетки молекулы поступают в рибосомы, где происходит синтез белков (трансляция). Трансляция – считывание кода молекулы ДНК и перевод его в определенную последовательность аминокислот в

76

полимерных цепях. Перенос и присоединение отдельных аминокислот к месту синтеза осуществляется транспортной РНК. Эта схема достаточно упрощенно и грубо описывает работу внутриклеточной «фабрики белков».

Под влиянием внешних факторов (например, жесткой радиации) могут происходить нарушения в системе кода наследственности. Такие нарушения могут приводить к появлению у потомков совершенно новых признаков, которые могут передаваться дальше по наследству. Это явление называется мутациями. В результате естественного отбора выживают те организмы, у которых мутации оказались полезными для данного вида. Согласно дарвинизму этот процесс является движущей силой эволюции живых существ на Земле.

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВЫХ СИСТЕМ.

ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Онтогенетический уровень охватывает все отдельные одноклеточные и многоклеточные живые организмы. Термин «онтогенез» ввел немецкий биолог Э. Геккель. Он же полагал, что онтогенез в краткой форме повторяет фиогенез (отдельный организм в своем развитии повторяет историю рода).

Поскольку всякий организм начинается с клетки, изучение онтогенетического уровня следует начинать с клетки.

Клетки делят на 2 класса:

а) прокариоты (около 3 млрд лет назад) – клетки без

ядер;

б) эукариоты (1,3 млрд лет назад) – клетки с ядрами.

К первому относятся бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы. Многоклеточные организмы построены из эукариот. Позже были открыты архебактерии (сокращенное название археи), которые сходны и с теми и другими. Таким образом, различают 3 вида клеток – бактерии, археи, эукариоты.

Все три линии исходили от одной – протоклетки. От нее унаследовали способность к обмену с окружающей средой и метаболизму (осуществление биохимических реакций с

77

усвоением веществ, необходимых для роста клетки и удаления использованных).

По типу питания выделяют две группы.

К автотрофному типу относятся организмы, которые не нуждаются в органической пище, живут за счет ассимиляции углекислоты (бактерии), либо за счет фотосинтеза (растения). К гетеротрофному типу принадлежат все организмы, которые не могут жить без органической пищи.

Одни ученые полагают, что сначала появились автотрофные организмы (растения вначале обеспечили кислородом атмосферу, затем появились живущие за счет кислорода организмы). Другие – что гетеротрофные организмы появились раньше (теория Опарина предполагает, что органические соединения являются питательной средой для дальнейшего развития в первичном «бульоне»).

Первоначальная простая классификация основных типов питания изменялась, поскольку выявились новые важные факторы: способность организмов синтезировать необходимые вещества для роста (витамины, гормоны и специфические ферменты), обеспечивать себя энергией, источниками получения углерода, азота и водорода. Таким образом, необходим целостный, системный подход к изучению живых систем на онтогенетическом уровне.

Популяционный уровень

Совокупности живых организмов, которые имеют единый генофонд и занимают единую территорию, называются

популяциями. Этот уровень называется еще надорганизменным.

Выше уже отмечалось, что этот уровень, хотя и связан с онтогенетическим и молекулярным уровнями, но отличается тем, что отдельные компоненты, т. е. живые организмы, являются достаточно независимыми, взаимодействуя друг с другом (см. кибернетические представления Ляпунова об управляющих системах).

78

Биоценоз

Второй надорганизменный уровень организации живого составляют различные системы популяций, которые называют биоценозами. Биоценоз – совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоема и характеризующихся определенными отношениями как между собой, так и с абиотическими факторами (совокупность условий неорганической среды, влияющей на организмы (химический состав атмосферы, температура, барометрическое давление, ветер, течения и т. д.).

Биогеоценоз

Третий надорганизменный уровень организации содержит в качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени характеризуется зависимостью от земных и абиотических условий существования (географических, климатических, гидрологических, атмосферных и т. д.)

Биосфера

Возникает из объединения разнообразных биогеоценозов. Ж.Б. Ламарк (1744-1829), создатель первой целостной

эволюционной теории, указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры. Все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов. Возникла идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов на физические, химические и геологические факторы. Обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается несостоятельным на рубеже XIX – XX вв. Все шире развивается идея целостного подхода к изучению природы, названным в наше время системным.

79

Биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы. Она зависит от неживой природы, с одной стороны, с другой – сама воздействует на нее. Только системный подход может дать глубокое представление о концепции биосферы.

Концепция Вернадского о биосфере

Живое вещество определяется как совокупность живых организмов. Кроме животных и растений, В.И. Вернадский включил сюда и человечество. Влияние этого фактора отличается необычайной интенсивностью и характером воздействия.

В частности, создание новых видов культурных растений и домашних животных. Без человека эти новые виды либо угасают, либо погибают.

В.И. Вернадский считал важными и неоцененными ранее два фактора, которые характеризуют живые тела.

1) Открытие Пастера, которое заключается в следующем:

аминокислоты, содержащиеся в живом организме (животных, растениях, вирусах), являются левовращающими плоскость поляризации (оптически активными), хотя в природе встречаются и правого вращения. Обе формы почти одинаковы и отличаются пространственной конфигурацией. Одна является зеркальным отражением другой.

Человек, если бы превратился в свое зеркальное отражение, мог бы существовать, пока не возникла необходимость переваривать пищу (термин «хиральность» означает несовпадение некоторой структуры с ее зеркальным отражением).

2) Влияние живых организмов на энергетику биосферы и на неживые тела. В состав биосферы входят не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы), а также биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.).

80