- •Смоленский институт бизнеса и предпринимательства
- •Тема 1.3. Физика как целое
- •Тема 2.4. Основные концепции и перспективы биологии
- •... Различие между гуманитарными и естественными науками, столь резкое в средние века, ныне не принципиально, а, скоре, стадиально
- •Этапы развития естественно-научного мышления. История естествознания
- •Развитие физико-химической биологии
- •Панорама современного естествознания и его незавершенность.
- •Литература
- •Раздел 1. Физика глазами гуманитария: образы физики Пространство, время и материя в контексте культуры
- •Литература
- •Тема 1.1. Физика необходимого Мир дискретных объектов - физика частиц
- •Состояние физической системы и его изменение со временем
- •Импульс, энергия и момент системы как меры движения
- •Мир непрерывных объектов - физика полей (континуум)
- •Сплошная среда и упругие волны
- •Взаимодействие: концепции близкодействия и дальнодействия
- •Электромагнитное поле и электромагнитные волны
- •Интерференция, дифракция и поляризация света
- •Литература
- •Тема 1.2. Физика возможного Мир микрообъектов - квантовая физика
- •Атомы, молекулы, кристаллы
- •Периодический закон Менделеева
- •Квантовые переходы и излучение
- •Атомы и молекулы
- •Мир реальных макрообъектов - статистическая физика
- •Тепловое равновесие и флуктуации. Неравновесные состояния и релаксация
- •Тепловая физика: от Карно к Гиббсу
- •Энергия, температура, энтропия
- •Ближний и дальний порядки в природе
- •Микропорядок и макропорядок. Ближний и дальний порядок
- •Фазовые переходы и симметрия
- •Необратимость - неустранимое свойство реальности. Стрела времени
- •Литература
- •Тема 1.3. Физика как целое Иерархия структур природы
- •Микромир
- •Физический вакуум как реальность
- •Макромир
- •Мегамир Звезды. Галактики. Вселенная
- •Вариационные принципы
- •Принцип дополнительности
- •Принципы симметрии и законы сохранения
- •Литература
- •Тема 1.4. От физики существующего к физике возникающего Современная физическая картина мира
- •Креативная роль физического вакуума
- •Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария и антропный принцип
- •Происхождение галактик и Солнечной системы
- •Земля: происхождение и динамика геосфер
- •Роль живых организмов в эволюции Земли
- •Литература
- •Раздел 2. Жизнь От атомов к протожизни. Неорганические и органические соединения и их многообразие
- •Кислоты, основания, соли
- •Химия жизни
- •Особенности биологической формы организации материи. Молекулы живых систем
- •Матричный синтез. Информационные макромолекулы
- •Тема 2.1. Живые системы
- •Принципы взаимодействия организма и среды обитания
- •Принципы воспроизводства и развития живых систем
- •Клеточное строение организмов. Принципы структурной организации и регуляции метаболизма
- •Жизненный цикл клетки
- •Единство и многообразие клеточных типов
- •Дифференциация и интеграция функций в организме
- •Размножение и развитие организмов
- •Смерть и ее биологический смысл
- •Многообразие биологических видов — основа организации и устойчивости биосферы
- •Принципы систематики и таксономии
- •Планы строения и принципы функционирования представителей основных таксонов
- •Эволюционное и индивидуальное развитие. Онтогенез и филогенез
- •Генетика и эволюция
- •Литература
- •Тема 2.2. Человек: организм и личность
- •Положение человека в царстве животных
- •Отличительные особенности человека
- •Мозг и высшая нервная деятельность
- •Природа агрессии
- •Природа наслаждений
- •Биосоциальные основы поведения
- •Половое поведение человека
- •Происхождение человека
- •Этапы антропогенеза
- •Биологические предпосылки и факторы антропогенеза
- •Проблемы цефализации
- •Биосоциальная природа человека
- •Экология и здоровье. Биополитика
- •Литература
- •Тема 2.3. Биосфера и цивилизация
- •Круговороты вещества и энергии
- •Биосфера
- •Эволюция биосферы
- •Ресурсы биосферы
- •Пределы устойчивости биосферы
- •Биопродуктивность биосферы
- •Ресурсы биосферы и демографические проблемы
- •Антропогенные воздействия на биосферу
- •Экологический кризис и пути его преодоления
- •Принципы рационального природопользования
- •Охрана природы
- •Экология человека
- •Социальная экология
- •Антропоцентризм, биоцентризм и решение социальных проблем
- •Пути развития экономики, не разрушающей природу
- •Экологическое право
- •Что мы можем сделать для сохранения жизни на Земле
- •Человек, биосфера и космические циклы
- •Литература
- •Тема 2.4. Основные концепции и перспективы биологии
- •Тема 3.2. Принципы синергетики, эволюционная триада и системный подход
- •О направлении самопроизвольных процессов
- •Критерий устойчивости систем, далеких от равновесия
- •Порядок и энтропия
- •Механизмы эволюции
- •Литература
- •Тема 3.3. Качественные методы в эволюционных задачах Начала нелинейного мышления. Пространства состояний системы и динамическая модель
- •Диссипативные системы вдали от равновесия
- •Литература
- •Тема 3.4. Динамический хаос - фундаментальное свойство реальности
- •Литература
- •Тема 3.5. Самоорганизация в живой и неживой природе
- •Информационные аспекты синергетики
- •Литература
- •Заключение
- •Литература
Принципы воспроизводства и развития живых систем
Самым поразительным свойством живого вещества является способность к воспроизведению и эволюции. Во всех живых организмах процессом воспроизведения управляет ДНК, молекулы которой вместе с молекулами РНК снабжают новый организм информацией о том, как он должен быть устроен и как ему функционировать.
Генетическая информация в ДНК закодирована последовательностью нуклеотидов. Реализуется эта информация в процессе синтеза белков. Информация о структуре молекулы белка - о последовательности аминокислот в нем - содержится в одном из участков одной из молекул ДНК. Этот участок называется геном.
Совокупность всех генов, которые содержатся в молекулах ДНК данного организма, называется генотипом. Совокупность признаков и свойств организма называется фенотипом. Фенотип формируется в ходе индивидуального развития - онтогенеза. Фенотип организма на разных стадиях онтогенеза различен. Весь ход онтогенеза, его стадии и конечный результат, продолжительность запрограммированы генотипом. Однако эта программа допускает изменения хода онтогенеза, признаков и свойств организма под влиянием условий внешней среды в пределах, которые называются нормой реакции. Такие изменения носят приспособительный, или адаптивный характер и называются модификациями.
На молекулярном уровне способность к воспроизведению обеспечивается репликацией двойных спиралей ДНК: на одной из половинок старой молекулы синтезируется половинка новой, в результате из одной материнской молекулы ДНК получается две дочерних, которые идентичны друг другу и материнской. Это матричный способ воспроизведения информации: спирали материнской молекулы ДНК являются матрицами для синтеза дочерних молекул.
Иногда при репликации ДНК происходят изменения в последовательности нуклеотидов, которые сохраняются и воспроизводятся при дальнейшей репликации. Такие изменения последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК приводят к изменению последовательности аминокислот в молекулах белков и называются мутациями. Мутации приводят к изменению фенотипа, которые могут быть полезными, нейтральными или вредными, что является причиной дифференциального размножения особей с различными генотипами. Дифференциальное размножение лежит в основе биологической эволюции.
Клеточное строение организмов. Принципы структурной организации и регуляции метаболизма
Впервые клетки (точнее, пустые и уже неживые клеточные стенки) увидел в микроскоп Роберт Гук в 1665 году. Основной вклад в развитие клеточной теории внесли Т.Шванн (1838) и Р.Вирхов (1855).
Все живые организмы построены из клеток: одноклеточные - из одной, многоклеточные - из множества клеток, образующихся путем деления из одной клетки-зиготы. Человеческое тело состоит примерно из (одного квадрильона) клеток.
Клетка обладает всеми основными свойствами живой системы: обменом веществ и энергии (метаболизм), размножением и ростом, реактивностью и движением. Она является наименьшей структурной и функциональной единицей живого.
Клетка состоит из трех основных частей: 1) поверхностной или клеточной мембраны, которая отделяет клетку от внешней среды и контролирует обмен между клеткой и средой; 2) цитоплазмы, содержащей разнообразные микроструктуры и органеллы и 3) клеточного ядра, в котором содержится ДНК - хранитель генетической информации.
Клеточная мембрана представляет собой двойной слой молекул липидов, в который встроены молекулы белков. Клетка способна выделять за пределы своей наружной мембраны различные вещества, например слизь, целлюлозу, образующие клеточные стенки, и другие материалы, а также избирательно поглощать различные вещества извне. Мембрана обеспечивает поддержание определенной концентрации солей внутри клетки на постоянном уровне. Гибнущая клетка теряет контроль над внутренней концентрацией различных веществ, особенно солей.
Поглощение и выделение различных веществ живой клеткой контролируется особыми белками, встроенными в мембрану. Эти белки служат как бы воротами или насосами, и их работа связана с потреблением энергии.
Внутри мембраны заключено клеточное содержимое - очень вязкая среда, называемая цитоплазмой. В цитоплазме находятся разнообразные органеллы, которые также обычно окружены мембранами. К ним относятся митохондрии, в которых заключены дыхательные ферменты. Здесь “сжигаются” сахара и синтезируется АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), богатая энергией. В растительных клетках кроме митохондрий есть хлоропласты, содержащие хлорофилл. Здесь происходит фотосинтез, в ходе которого синтезируются сахара и молекулы АТФ.
В клетках бактерий ДНК свободно располагается в цитоплазме. В клетках грибов, растений и животных ДНК входит в состав хромосом, которые располагаются в ядре. Ядро отделено от цитоплазмы ядерной мембраной.
В типичной клетке содержится свыше 500 различных ферментов и протекают сотни и даже тысячи химических реакций, которые осуществляются с помощью белков-ферментов. Синтез всех необходимых клетке веществ контролируется следующим образом:
1) С помощью репрессии (подавление) или индукции синтеза на генном уровне. Конечный продукт биосинтеза может выключить работу соответствующего гена (репрессия). Поступившее в клетку или образовашееся в ней вещество может включить работу соответствующего гена (индукция).
2) Посредством ингибирования (подавления) конечным продуктом активности ферментов. Если вещество становится доступным в достаточном количестве, то это ведет к подавлению синтеза как его самого, так и ферментов, участвующих в его образовании.
Ингибирование конечным продуктом есть проявление отрицательной обратной связи, обычного механизма регуляции, который встречается не только в клетках. Например, когда вода из туалетного бачка спущена, он снова наполняется до нужного уровня. Термостатическое устройство под действием тепла отключает систему обогрева комнаты, а наполненный желудок через посредство нервной системы выключает чувство голода.