Концепции современного естествознания. Ответы на экзаменационные вопросы

сах, происходящих при обычных температурах, в том числе в биохимических процессах.

Во всех химических связях происходят энергетические изменения. Химическая связь возникает в результате того, что электроны, принадлежащие двум разным атомам, становятся общими для обоих атомов. Атомы вступают в химическую связь, если при этом уменьшается полная энергия системы. Силы, приводящие к химической связи, имеют электрическое кулоновское происхождение. Описание химической связи в любой молекуле есть описание распределения в ней электронной плотности, которая может быть выражена посредством волновой функции, описывающей движение всех электронов молекулы и всех атомных ядер.

К 1860 году были определены фундаментальные понятия химии – атом, молекула, валентность.

Согласно закону Авогадро (1811 г.), при одинаковых давлениях и температурах (Р и Т) в одинаковых объемах идеальных газов содержится одинаковое число молекул. А. М. Бутлеров показал, что атомы в органических молекулах связаны друг с другом в определенном порядке химическими силами, что нашло подтверждение в квантовой механике. Работы Кекуле и Бутлерова превратили химию из аналитической в синтетическую науку, способную создавать новые вещества и материалы.

В развитии химии обоснованно выделяют четыре концептуальных этапа:

«1) Учение о составе вещества связано с исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, понятием химического элемента и химического соединения.

2)Структурная химия – положение о том, что свойства вещества обуславливаются не только составом, но и структурой молекул.

3)Учение о химических процессах связано с исследованием механизмов и условий протекания химических процессов, с понятием о катализе.

4)Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации химических систем с позиций представлений о всеобщем эволюционном процессе во Вселенной и отборе химических элементов».1

1 Концепции современного естествознания. Под редакцией Л. А. Ми-

хайлова. СПб., 2008, с. 109.

41

3.3. Взаимосвязь химического строения и структуры неорганических и органических соединений

Современная химия – обширная область естествознания. Многие ее разделы представляют собой самостоятельные, хотя и тесно взаимосвязанные, научные дисциплины. По принципу изучаемых объектов химию принято делить на неорганическую и органическую.

Традиционно химические соединения разделяют на неорганические и органические. Неорганические – соединения всех элементов Периодической системы. Органические – соединения углерода. Термин «органическая химия» ввел шведский химик Берцелиус в начале XIX в., когда был накоплен большой материал по химии веществ, выделенных из природных объектов.

История развития неорганической химии тесно связана с общей историей химии. В XIX в. были открыты количественные законы химии: кратных отношений (Дальтон), удельной теплоемкости (П. Дюлонг и А. Пти), отношений плотностей газов (А. Авогадро), электролиза (М. Фарадей), независимости теплового эффекта процесса от промежуточных стадий (Г. И. Гесс). Возникла атомно-молекуляр- ная теория. Стал использоваться спектральный анализ. Но сдерживало развитие химии отсутствие научной классификации. Только в 1869 г. Д. И. Менделеев открыл периодический закон. Обоснованию химических процессов способствовало открытие атома (Э. Резерфорд, Н. Бор).

Основная задача современной неорганической химии: изучение строения соединений, установление связей строения со свойствами и реактивной способностью, разработка методов синтеза и глубокой очистки веществ. Широко используются радиоспектроскопические методы, сверхвысокие температуры и давления, ультразвук, магнитные поля, ударные волны.

Неорганические соединения используются как конструкционные материалы для всех отраслей промышленности, строительства, энергетики, сельского хозяйства и транспорта.

Физическая химия объясняет химические процессы на основе физических законов. Термин «физическая химия» ввел М.В. Ломоносов в 1752 году.

42

Понимание сущности многих химических явлений стало возможным после появления в 1926 году квантовой механики.

В современном варианте физическая химия включает: квантовую химию, химическую термодинамику, химическую кинетику, учение о катализе, коллоидную химию, фи- зико-химическую механику, электрохимию, фотохимию, радиационную химию.

Квантовая химия исследует процессы на микроуровне от элементарных процессов в химических лазерах до сложных механизмов функционирования биологических систем.

Химическая термодинамика изучает химические реакции с помощью термодинамических методов.

Химическая кинетика исследует скорости и механизмы химических реакций.

Коллоидная химия анализирует дисперсные системы и поверхностные явления, возникающие на границе раздела фаз.

Объектом фотохимии являются процессы превращений под действием света. А. Эйнштейн в 1912 году сформулировал закон квантовой эквивалентности, согласно которому каждый поглощенный фотон вызывает первичные изменения одной молекулы.

Радиационная химия изучает превращения веществ под действием ионизирующих излучений. Такие исследования важны для безопасной эксплуатации ядерных реакторов, для создания радиационно-стойких материалов.

Органическая химия – это химия углеродов и его соединений. Она изучает строение органических соединений. Количество органических веществ превышает 4 миллиона. Число неорганических веществ – около 5 тысяч.

Термин «органическая химия» ввел Й. Берцелиус в 1808 году.

Важное значение имеет структурный период (вторая половина XIX – начало XX века), связанный с рождением теории строения органических соединений, основателем которой был А.М. Бутлеров. В 1861 году он сформулировал основные положения теории химического строения. Основные положения: 1) в органических молекулах атомы соединяются между собой в определенном порядке согласно их валентности, что обуславливает химическое строение

43

молекул; 2) химические и физические свойства органических соединений зависят как от природы и числа входящих в их состав атомов, так и от химического строения молекул; 3) для каждой эмпирической формулы можно вывести определенное число теоретически возможных структур (изомеров); 4) каждое органическое соединение имеет одну химическую формулу, которая дает представление о свойствах этого соединения; 5) в молекулах существует взаимное влияние атомов как связанных, так и непосредственно друг с другом не связанных1.

Теория химического строения атома дала возможность не только объяснять, но и предвидеть различные случаи изомерии, предугадывать возможные случаи изотерии. Химия из науки преимущественно аналитической превратилась в науку синтетическую.

Атомная модель Резерфорда-Бора стала не только центральным понятием атомистики XX в., но и легла в основу многих химических теорий, в том числе электронных представлений о химической связи.

Работы в области органических красителей открыли эпоху развития химии ароматических соединений, привели к открытию новых типов физиологически активных соединений – лекарственных препаратов, средств защиты растений. Проникновение органической химии в смежные науки – биохимию, биологию, медицину, сельское хозяйство – привело к изучению свойств, установлению структуры и синтезу витаминов, белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков, средств борьбы с вредителями сельского хозяйства. В 1963 году синтезирован инсулин. В 1977 году синтезирован ген, кодирующий синтез человеческого инсулина. Открываются возможности изучения и лечения наследственных болезней.

Органическая химия близка к решению весьма важной задачи – синтезу веществ с заранее заданными свойствами.

Биохимия изучает состав веществ, их структуру, пути образования и превращения. Большое значения для развития биохимии имело открытие и изучение ферментов – соединений белковой природы, катализирующих химические реакции в живых организмах. К середине 50-х годов были открыты и охарактеризованы основные классы веществ, входящих

1 Химия. Энциклопедический словарь. М., 2003, с. 652

44

в состав живых организмов и принимающих участие в жизнедеятельности, изучены главные пути превращения веществ и подтверждены представления об общности многих биохимических процессов в клетке у различных групп организмов.

Молекулярная биология изучает способы хранения наследственной информации и механизмы ее реализации, закономерности иммунных реакций организма, рост и дифференциацию клеток, превращение нормальных клеток в злокачественные. Основной постулат молекулярной биологии: наследственная информация живых организмов содержится в нуклеиновых кислотах (ДНК и РНК).

Молекулярная биология является теоретической основой важных разделов медицины (вирусологии, иммунологии, онкологии и др.), сельского хозяйства (направленное

иконтролируемое изменение наследственного аппарата животных и растений для получения высокопродуктивных пород и сортов) и современной биотехнологии.

Развитие машиностроения, энергетики, строительства, транспорта, связи, сельского хозяйства, здравоохранения, обеспечение человека питанием связано с производством

ипотреблением разнообразных материалов, веществ, продуктов и препаратов с определенным комплексом механических, физических и биологических свойств, что является главной задачей химии.

Сегодня не является полной фантазией предположение химиков о том, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, в будущем можно будет построить принципиально новую химию, новое управление химическими процессами, где начнут применять принципы синтеза себе подобных молекул. По принципу ферментов будут созданы катализаторы такой степени специфичности, что далеко превзойдут существующие в нашей промышленности. Хотя химия в настоящее время еще далека от решений этих проблем, но намечены следующие пути решения этой задачи:

«1. Развитие исследований в области металлокомплексного катализа с постоянной ориентацией на соответствующие области живой природы. Сегодня металлокомплексный катализ постепенно обогащается такими приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях, а также приемами классического гетерогенного катализа.

45

2.Освоение каталитического опыта живой природы, заключающегося в определенных успехах моделирования биокатализаторов. Для решения проблемы освоения каталитического опыта живой природы необходимо изучение законов химической эволюции и происхождения жизни.

3.Использование достижений иммобилизованных систем. Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции, которая превращает последние в гетерогенный катализатор и обеспечивает его стабильность и непрерывное действие, т.е. осуществляется биоорганический катализ.

4.Развитие исследований, ориентированных на применение принципов катализа в химии и химической технологии, характеризуется изучением и освоением всего каталитического опыта живой природы, в том числе и опыта формирования самого фермента, клетки и даже организма, т.е. это пролог к принципиально новой химической теории, способной стать аналогом живых систем»1.

3.4. Концептуальные основы химических знаний

Концептуальные основы химических знаний определяются предметом химии и ее взаимосвязями с другими науками о природе. Химия как наука о свойствах химических элементов и их соединений и о закономерностях превращений веществ не может не быть взаимосвязанной с другими естественными науками, особенно такими, как физика, биология, геология. Трудно представить современную химию без математики и электронно-вычислительной техники.

Концептуальные основы химии многолики и по той причине, что в рамках химии выделяется ряд самостоятельных разделов: неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, химия полимеров, аналитическая химия.

Историю концептуальных (теоретических) основ химии можно представить в виде четырех этапов2:

1 М. К. Гусейханов, О. Р. Раджабов. Концепции современного естествознания. М., 2007, с. 218.

2 М. К. Гусейханов, О. Р. Раджабов. Концепции современного естествознания, М., 2007, с. 199–200.

46

1.Свойства веществ связывались с их составом, а изменением состава объяснялось химическое превращение (вторая половина XVII в.). Большое значение имело открытие закона постоянства состава, закона эквивалентов и закона кратных отношений, сформулировались понятие химического элемента, валентности. А главное – периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева.

2.Развитие химии связано с зарождением структурной химии (XIX в.). Было замечено, что разнообразие веществ растительного и животного происхождения образовано небольшим числом химических элементов: углерод, водород, кислород, азот и некоторые другие. Было показано, что свойства вещества зависят не только от состава, но и от структуры (А. М. Бутлеров). С появлением структурной химии стал возможным органический синтез.

3.Возникновение и развитие учения о химическом процессе (конец XIX в.). Это определялось возрастанием потребностей и масштабов производства продуктов химической переработки нефти. Исследовались кинетика и механизмы химических процессов.

4.Исследуются процессы с применением катализаторов как ускорителей химических процессов.

В начале XIX века французский ученый Пруст установил закон постоянства состава: вещества имеют постоянный качественный и количественный состав независимо от способа их получения. С развитием химии выяснилось, что этот закон не является всеобщим. Его современная формулировка: химические соединения с молекулярной структурой имеют постоянный качественный и количественный состав независимо от способа их получения.

Современная химия – весьма обширная область естествознания. Многие ее разделы можно рассматривать как научные структуры со своими принципами, законами и технологиями. Химия не может развиваться вне связи с другими науками. И не только с естественными, но и гуманитарными. Химия все больше и больше становится интегрированной как в пределах своего предмета, так и по отношению к другим наукам. Историю развития химии можно представить как развивающуюся систему концептуальных оснований (уровней).1

1 М. К. Гусейханов, О. Р. Раджабов. Концепции современного естествознания. М., 2007, с. 199–200.

47

Первый уровень – объяснение свойств веществ в зависимости от их состава. Развитие понятия химического элемента, представлений о валентности, периодическом законе и периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

Второй уровень – зарождение структурной химии. В 1861 году А.М. Бутлеров показал, что свойства вещества зависят не только от состава, но и от структуры. Стал возможным и актуальным органический синтез. Современная структурная химия строится на квантовомеханических представлениях. Изучение атомов, молекул или их совокупности основано на решении уравнений Шредингера.

Третий уровень – возникновение (конец XIX в.) и развитие учения о химическом процессе – о его принципиальной возможности и условиях протекания. Исследовались внутренние механизмы протекания химических процессов (температура, давление, скорость реакций).

Четвертый уровень – изучение природных регентов, участвующих в химических реакциях, а также действия катализаторов.

Пятый уровень – создание наиболее экономичного и экологически чистого безотходного химического производства.

Современная химия изучает процессы самоорганизации химических систем с позиций представлений о всеобщем эволюционном процессе во Вселенной и отборе химических элементов1.

1 Концепции современного естествознания. Под редакцией Л.А. Михайлова. СПб., 2008, с. 109.

48

Тема 4 КОНЦЕПЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК

4.1. Специфика биологической организации материи

Биология – совокупность наук о живой природе. Предмет биологии – все проявления жизни: строение и функции живых существ и их природных сообществ, распространение, происхождение и развитие, связи друг с другом и с неживой природой. Задачи биологии – изучение закономерностей этих проявлений, раскрытие сущности жизни, систематизация живых существ. Термин «биология» первым предложил Ж.Б. Ламарк (1802 г.). Современная биология представляет комплекс наук – это ботаника, зоология, анатомия, физиология, морфология и другие.

Ботаника – комплекс наук о растениях. Она изучает систематику растений, морфологию, внутреннее строение, биохимию растений. Палеоботаника исследует ископаемые растения. Растительные сообщества являются предметом исследования фитоценологии.

Зоология – часть биологии, изучающая многообразие животного мира. Анатомия – раздел морфологии, изучающий форму и строение отдельных органов, систем и организмов в целом. В современной зоологии сформировались более узкие дисциплины: энтология, орнитология, териология и др.

Современная биология берет свое начало в Древней Греции. Крупнейшим биологом этого времени был Аристотель, взгляды которого получили широкое распространение в эпоху Возрождения. В XVIII в. фундаментальную «Систему природы» предложил К. Линней (1735 г.). Сторонник органического трансформизма Ж. Бюффон предложил гипотезу

опрошлой истории Земли, разделив ее на ряд периодов.

Кначалу XIX века сформировались идеи исторического развития живой природы. Идея развития организмов нашла подтверждение в исследованиях К.Ф. Вольфа (1768 г.). Обоснованная Т. Шванном (1839 г.) клеточная теория сыграла большую роль в понимании единства органического мира. В середине XIX в. установлены особенности питания

растений и их отличие от питания животных, сформулирован принцип круговорота. И. М. Сеченов заложил основы

49

материалистического понимания высшей нервной деятельности («Рефлексы головного мозга», 1863 г.).

Крупнейшим завоеванием XIX в. было эволюционное учение Ч. Дарвина, изложенное им в труде «Происхождение видов…» (1852 г.), в котором были вскрыты механизмы эволюционного процесса путем естественного отбора.

Г. Мендель (1865 г.) сформулировал закономерности наследственности (генетики). Была сформулирована хромосомная теория наследственности (Т. Морган и его школа). Было доказано, что носителями генетической информации являются молекулы ДНК (1944 г.). Установление структуры ДНК привело к раскрытию генетического кода, способствовало развитию молекулярной биологии, а позднее – генетической инженерии и биотехнологии. Крупнейшим достижением биологии является создание В.И. Вернадским

биогеохимии и учения о биосфере (1926 г.).

Врамках современной биологии получили развитие направления исследования прошлой истории органического мира – палеозоология, палеоботаника, палеоэкология.

Всвязи с практическими потребностями в XX веке возникли новые биологические дисциплины и направления: радиобиология, космическая биология, физиология, социобиология и др.

Радиобиология изучает действия всех видов ионизирующих излучений на живые организмы и их сообщества. Многие открытия (радиационный мутагенез, открытие ферментов, репорирующих радиационные повреждения ДНК) способствовали существенному развитию знаний об общих закономерностях жизни.

Космическая биология изучает действие различных факторов космического пространства на живые организмы. Космические полеты позволили исследовать многие аспекты влияния излучений на живой организм (экзобиология). Человечество пока не владеет методами обнаружения внеземных форм жизни.

Успехи биологии в исследовании живых систем дают основания заключить, что для живой природы характерно сложное, иерархическое соподчинение уровней организации

ееструктур. Жизнь на Земле представлена индивидуумами определенного строения, принадлежащими к определенным группам, а также сообществам разной сложности.

На биосферном уровне биология решает проблемы интенсивности образования свободного кислорода растительным

50