52.3 Химия экстремальных состояний.

При взаимодействии реагентов с катализатором происходит ослабление исходных химических связей. Оно возможно при энергетической активизации реагента, которая достигается при тепловом либо радиоактивном воздействии, характеризующемся большой величиной энергии. Вопросами энергетической активи­зации реагента занимается химия экстремальных состояний, ко­торая включает плазмохимию, радиационную химию, химию высо­ких энергий, высоких давлений и температур.

Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме. Плазма — это ионизированный газ. Различают слабоионизи­рованную, или низкотемпературную, и высокотемпературную плазму. В плазмохимии рассматриваются процессы при темпера­турах от 1000 до 10000°С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с за­ряженными частицами и, что особенно важно, очень высокими скоростями реакций.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет около 10^(-13) с при почти полном отсутствии обратимости реакции. Такая скорость в обычных заводских реакторах из-за обратимости снижается в тысячи и миллионы раз. Плазмохимические процессы поэтому очень высокопроизводительны.

В нашей стране разработаны плазмохимические способы превращения угля в жидкое топливо без применения высоких давлений и выброса золы и серы

Радиационная химия — сравнительно молодая отрасль, ей немного более 40 лет. В настоящее время радиационная химия изучает превращение самых разнообразя веществ под действием ионизирующих излучений. Источника ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы.

В результате радиационно-химических реакций из кислорода образуется озон, из газообразных парафинов — водород и сложная смесь низкомолекулярных олефинов. Облучение полиэтилена, поливинилхлорида и многих других полимеров приводит повышению их термостойкости и твердости.

Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе композиций древесной основе, закрепление лаков и других материалов поверхности дерева и металла, получение полимербетонов пут пропитки обычного бетона тем или иным мономером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высо­кой коррозийной стойкостью.

Принципиально новой и исключительно важной областью химии экстремальных состояний является самораспространяю­щийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно крупномасштабное производство таких ма­териалов осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре металлических порошков. При этом температура должна составлять 1200-2000°С, а процесс спекания длится не­сколько часов. Гораздо проще реализуется самораспространяю­щийся синтез, основанный на реакции горения одного металла в другом или металла в азоте, углероде, кремнии и т.п.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез — тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет со­бой, например, горение порошка титана в порошке бора или порошка циркония в порошке кремния. В результате такого синтеза получены сотни тугоплавких со­единений превосходного качества: карбиды металлов, бориды, алюминиды, селениды.Данный метод не требует громоздких печей и процессов, больших энергетических затрат и отличается высокой техноло­гичностью. На установке, производящей многотоннажную про­дукцию, достаточно работы всего лишь одного человека. По оценке американских специалистов, технология самораспрост­раняющегося высокотемпературного синтеза — высочайшее дос­тижение русских ученых из Института химической физики Рос­сийской академии наук.

.

№54

Химические процессы и процессы жизнедеятельности. Катализ. Ферменты. Освоение каталитического опыта живой природы.

Роль ферментов в процессе жизнедеятельности - ведущая (ферментология – стержневая отрасль знаний о процессах жизнедеятельности, основной предмет которой составляет исследование брожения). Эта идея впервые была предложена Луи Пастером. Установлено, что одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизнедеятельности. С другой стороны, доказана исключительная специфичность живого, которая (на молекулярном уровне) заключается в существенном различии принципов действия катализаторов и ферментов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров.

Катализ – увеличение скорости химич. реакции в присутствии катализаторов. Большинство процессов, происходящих в живых организмах – каталитические.

Ферменты – биол. катализаторы, присутствующие во всех живых клетках. Осуществляют превращения веществ в организме, регулируя тем самым его обмен веществ. По хим. природе- белки. Каждый вид ферментов катализирует превращение определенных вещ-в.

1-й путь освоения каталитич. опыта живой природы – развитие исследований в области металлокомплексного катализа с постоянной ориентацией на соответствующие объекты живой природы ( К. Циглер)

2-й путь – моделирование биокатализаторов (ферментов).

3-й путь – сопряжен с химией иммобилизованных систем. Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции.

4-й путь – изучение всего кат. опыта живой природы, в т. ч. и опыта формирования самого фермента, клетки и даже организма.

гена.

№57

Структурные уровни организации материи в биологии. Принципы систематики простейших организмов, растений и животных.

С учетом уровня организации можно рассматривать иерархию структур организации материальных объектов живой и неживой природы. Такая иерархия структур начинается с элементарных частиц и заканчивается живыми сообществами. Концепция структурных уровней впервые была предложена в 20-х гг нашего столетия. В соответствии с ней структурные уровни различаются не только по классам сложности, но и по закономерностям функционирования. Концепция включает в себя иерархию структурных уровней, в которой каждый последующий уровень входит в предыдущий.

Линней создал систему растительного и животного мира и построил наиболее удачную классификацию, которая производилась по определенным признакам, отражающим закономерности, наблюдаемые в живой природе. По таким признакам растения объединились в группы, называемые таксонами. Линней ввел бинарную номенклатуру для обозначения рода и вида.

Мишель Адансон предложил принцип классификации растений по сходству максимального числа признаков с применением математических методов. Естественные системы создаются как правило в рамках какой-либо концепции, включающей принцип нахождения генеалогического родства и установления преемственности происхождения.

№58

Строение и функции живой клетки. Основополагающие жизненные процессы в организмах.

Клетка – элементарная живая система, основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений . Клетки существуют как самостоятельные организмы( простейшие, бактерии), так и в составе многоклеточных организмов, в которых имеются половые клетки, служащие для размножения, и клетки тела( соматические), различные по строению и функциям( нервные, костные, мышечные, секреторные). В каждой клетке различают две основные части: ядро и цитоплазму, в которых находятся органоиды( комплекс Гольджи, ядрышки(в ядре), эндоплазматическая сеть, митохондрии, клеточная мембрана). Клетки растений как правило, покрыты твердой оболочкой.

Существует два основных жизненных процесса в организме: обмен веществ и воспроизводство основ живой клетки. Назначение обмена веществ – поддерживать уровень упорядоченности организма и его частей. Система воспроизведения содержит в закодированном виде полную информацию, необходимую для построения из запасенного клеткой органического материала нужного в данный момент времени белка. Она же ведает механизмом извлечения и реализации соответствующей программной информации. Свои функции эта система осуществляет посредством ДНК и РНК.

№59

Биологическая эволюция – это историческое развитие организмов, определяемое наследственной изменчивостью, борьбой за существование и отбором.

Эволюционное учение объясняет, как произошла жизнь, как возникло огромное разнообразие видов (около 2 млн.) современных организмов и почему каждый вид в природе приспособлен к условиям существования.

1. С начала нашей эры до сер. 18 в. – господство представления о божественном происхождении природы. Видов столько, сколько их было создано Богом; строение органов животных и растений свидетельствует о выполняемой ими функции, потому что они создавались творцом специально для этой цели (крылья птицы – для полета).

2. Создателем первой научной систематики стал шведский ученый Карл Линней (1707 – 1778). Он разработал систему органического мира, которая охватила весь накопленный к тому времени материал. Видом Линней называл совокупность сходных по строению особей (с общими морфологическими признаками), дающих плодовитое потомство. Род – генетическая общность особей одного вида. Близкие виды он объединил в роды, роды – в отряды, отряды – в классы. Наименование вида состояло из родового и видового названия (пшеница мягкая). Этот принцип двойной, или бинарной, номенклатуры сохранился в систематике до настоящего времени.

3. Первая попытка создания эволюционной теории принадлежит франц. Ученому Жану Батисту Ламарку (1744 – 1829). Он утверждал, что разнообразие животных и растений представляет собой результат эволюции, непрерывного исторического развития. Ламарк расположил разные классы животных, как ступени лестницы, от простых форм к сложным. Переход от низших форм к высшим происходит в результате внутреннего стремления организмов к совершенствованию. Причина разнообразия видов – воздействие условий среды.

Постоянное употребление органа ведет к его усиленному развитию, а неупотребление – к его ослаблению и исчезновению

Под действием постоянного упражнения или неупражнения органы изменяются (например, шея жирафа) и возникающие изменения органов наследуются

4. Научно обоснованную эволюционную теорию (1839г.) создал

Чарлз Дарвин (1809 - 1882). Она изложена в книге «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь».

5. Синтетическая теория эволюции

Основные эволюционные принципы Ч. Дарвина.

движущая сила эволюции – естественный отбор, т. е. выживание и воспроизведение организмов, наиболее приспособленных к условиям среды вследствие борьбы за существование.

каждый вид способен к безграничному размножению, а необходимые ресурсы ограничены.

в результате выживают и размножаются наиболее приспособленные и гибнут менее приспособленные виды.

благодаря отбору накапливаются и суммируются полезные наследственные изменения, новые приспособления к разнообразным условиям среды.

со временем расхождение признаков приводит к возникновению различных форм из исходно одинаковых. Происходит видообразование.

Современные представления о происхождении видов живых организмов.

Основные положения синтетической теории эволюции. (30 – 40 гг. 20в.)

(объединение законов Менделя и теории Дарвина)

1.в основе эволюции лежат генетические изменения.

2.мутации представляют собой источник изменчивости живых организмов

мелкие(точечные)

крупные(хромосомные)

Мелкие мутации дают материал для естественного отбора. Крупные могут быть губительны. Мутации случайны .

3.центральная догма молекулярной биологии – молекула ДНК. Генетическая информация передается в одном направлении ДНК РНК белок.

4.эволюция – изменение частот генов.

5.эволюционные изменения могут происходить в результате мутаций, дрейфа генов, естественного отбора, поступления оттока генов популяций

6.эти принципы достаточны, чтобы объяснить адоптацию к условиям жизни всех видов живых организмов.

Все живые организмы имеют единую химическую, физическую и биологическую основу.

1.Химическое единство всех живых организмов. Органогены – химические элементы, которые составляют большую часть (97-98%) химического состава

организмов (H,C,O,P,S,N).

2.Хиральная структура. Определенная конфигурация основных биохимических элементов.

3.АТФ(аденозинтрифосфат) – универсальная роль; накопитель энергии

4.Универсальность генетического кода всех живых организмов. Передача наследственной информации происходит одинаковым образом.

5.Единство всех процессов метаболизма (обмена веществ )

№60

Законы наследственности.(законы Мендаля).

Генотип – совокупность всех генов в организме.

Фенотип – совокупность всех внешних признаков.

Моногибридное скрещивание – скрещивание родительских форм, различающихся по одной паре признаков.

Признаки, которые полностью преобладают у гибридов первого поколения, называют доминантными. Признаки, не проявляющиеся у гибридов первого поколения и развивающиеся лишь у определенной части особей во втором и следующих поколениях, называются рецессивными.

Гаметы – половые клетки.

Аллельные гены – гены, лежащие в одной точке гомологичных (парных) хромосом.

1.Правило единообразия гибридов первого поколения(1-ый закон). При моногибридном скрещивании все гибриды первого поколения единообразны по фенотипу и генотипу.

2.Закон расщепления признаков (2-ой закон). При скрещивании гибридов первого поколения во втором гибридном поколении наблюдается расщепление в соотношении 3:1 при полном доминировании и в соотношении 1:2:1 при неполном доминировании.

Гипотеза чистоты гамет устанавливает, что закон расщепления есть следствие случайного сочетания гамет, несущих разные гены. Общий результата оказывается закономерным, т.к. здесь проявляется статистическая закономерность, определяемая большим числом равновероятных встреч гамет.

3. Закон независимого наследования признаков(3-ий закон). Более сложным, чем моногибридное, является дигибридное скрещивание. При нем одновременно прослеживается наследование двух пар альтернативных признаков. Пары альтернативных признаков наследуются при скрещивании независимо друг от друга, при этом каждая пара дает расщепление в отношении 3:1.

Выводы.

1.Наследственные факторы (гены) дискретны.

2.Они существуют независимо друг от друга и не смешиваются.

3.У каждой взрослой особи есть по 2 аллеля для каждого признака. Эти два признака распределяются по 1-ому на каждую гамету.

4.Взрослая особь может нести либо два идентичных аллеля (гомозиготная особь) или 2 противоположных аллеля (гетерозиготная особь). Во втором случае первая аллель доминирует над другой.

5.Гаметы при объединении в зиготу соединяются случайно. Это приводит к тому, что образование видов бесцельно (естественный отбор).

Представление о генетическом коде.

Ген – «атом» наследственности, некая материальная единица наследственной информации, расположенная в определенном месте хромосомы и представляет собой часть молекулы ДНК или РНК.

Генетический код – система записи наследственной информации в виде линий некоторой последовательности нуклеотидов, что обеспечивает определенную последовательность аминокислот; словарь для перевода ДНКовых и РНКовых текстов на белковый (аминокислотный) язык.

Кодон – тройка нуклеотидов, отвечающих одному аминокислотному остатку.

Принципы генетического кода.

Код триплетен. (состоит из трех нуклеотидов – кодона).

Каждая аминокислота шифруется тремя нуклеотидами.

Генетический код вырожден. Одна аминокислота шифруется более, чем одним кодоном, что дает надежность генетической информации.

Код однозначен. Каждый кодон шифрует только одну аминокислоту.

4. Существуют знаки препинания, разделяющие различные гены. Внутри гена нет знаков препинания. Каждый ген кодирует одну белковую цепочку. В генетическом коде существуют три специальные триплета (УАА, УАГ, УГА), каждый из которых обозначает прекращение синтеза одной белковой цепи. Таким образом эти триплеты выполняют функцию знаков препинания. Они находятся в конце каждого гена. Бессмыслица возникает при выпадении одного или двух нуклеотидов из гена.

5. Универсальность генетического кода. Одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у всех организмов.

Гены индивидуальности.

Есть чудеса, которые мы наблюдаем ежедневно и ежечасно. Одно из них – неповторимая индивидуальность каждого живущего на Земле человека.

Известно, что вся информация о строении и развитии живого организма «записана» в его геноме – совокупности генов. Считается, что внутри одного вида геномные различия очень незначительны. Это значит, что ген, например, окраски глаз у человека отличается от гена окраски глаз у кролика, но у разных людей этот ген устроен одинаково и состоит из одинаковых последовательностей ДНК.

Разумеется, в геноме каждого человека должны быть какие-то области, определяющие его индивидуальность.

В 1985 были обнаружены в геноме человека особые сверхизменчивые участки – мини-сателлиты. Такие мини-сателлитные ДНК оказались настолько индивидуальны у каждого человека, что с их помощью удалось получить как бы «портрет» его ДНК, точнее, определенных генов. Это сложное сочетание темных и светлых полос, похожее на слегка размытый спектр. Такое сочетание полос называют ДНК-отпечатками по аналогии с отпечатками пальцев. Иногда говорят: «ДНК-профиль». На основе сверхизменчивых последовательностей ДНК были сконструированы специальные маркеры, или зонды ДНК.

Там, где маркеры (помеченные радиоактивным изотопом) присоединились к большому числу сверхизменчивых участков на ДНК, получается много радиоавтографических сигналов – это широкая темная полоса. Там, где мало мест присоединения, - узкая темная полоса. Там, где их совсем нет, - светлая полоса.

Оказалось, что с помощью отпечатков ДНК можно провести идентификацию личности гораздо более успешную, чем это позволяли сделать традиционные методы отпечатков пальцев и анализ крови.

№61

В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель строения молекулы ДНК, объясняющую, как эта молекула могла бы передавать информацию и воспроизводить саму себя.

Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити. Каждая нить представляет собой полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Нуклеотид – это химическое соединение остатков трех веществ: азотистого основания, углевода (моносахарида - дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. ДНК образована соединением четырех видов нуклеотидов. Нуклеотиды отличаются только по азотистым основаниям, в соответствии с которыми их называют: аденин(А), гуанин(Г), тимин(Т), цитозин(Ц).

Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту соседнего. Они соединяются прочной ковалентной связью.

Принцип комплементарности оснований: Две цепи ДНК соединены в одну молекулу азотистыми основаниями. При этом аденин соединяется только с тимином, а гуанин – с цитозином. В связи с этим последовательность нуклеотидов в одной цепочке жестко определяет последовательность в другой цепочке. Строгое соответствие нуклеотидов друг другу в парных цепочках молекулы ДНК получило название комплементарности. Это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы.

Главные отличительные особенности генетического материала состоят в том, что он служит носителем информации и способен к самовоспроизведению. При репликации (самоудвоении) молекулы ДНК две ее цепи отделяются друг от друга и около каждой из них образуется новая цепь, комплементарная старой.

РНК.

Молекулы РНК не столь велики, как молекулы ДНК. РНК – не двойная, а одинарная цепочка из нуклеотидов. Структура РНК создается чередованием четырех типов нуклеотидов. Углевод – рибоза; в РНК вместо азотистого основания тимина входит урацил(У).В клетке имеется три вида РНК. Названия их связаны с выполняемыми функциями.

Информационная РНК, которая передает в цитоплазму генетическую информацию от ДНК, находящейся в ядре; рибосомная РНК, составляющая значительную часть материала рибосом – цитоплазматических гранул, на которых синтезируется белок, и, наконец, транспортная РНК, которая действует как «адаптор», встраивая аминокислоты растущей полипептидной цепи в надлежащем порядке.

Нуклеиновые кислоты выполняют в клетки важнейшие биологические функции. В ДНК хранится наследственная информация о всех свойствах клетки и организма в целом. Различные виды РНК принимают участие в реализации наследственной информации через синтез белка.

№62

Биосфера – это область распространения жизни на Земле как целостной, активной и динамичной системы, которая охватывает нижнюю часть атмосферы, практически всю гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Целостное учение о биосфере и протекающих в ней процессах было создано и развито в 30-х годах акад. В.И. Вернадским. Совокупность живых организмов – «живое вещество».

Биосфера возникла с появлением жизни на Земле.

3,6 – 3,8 млрд. лет – жизненный возраст биосферы.

10¹⁶ кг – масса биосферы

Эволюция биосферы.

появление простейших клеток-прокариотов;

появление значительно более высокоорганизованных клеток-эукариотов;

объединение клеток-эукариотов с образованием многоклеточных организмов, функциональная дифференциация клеток в организмах;

появление организмов с твердыми скелетами, открывшее путь к образованию высших животных;

возникновение у высших животных развитой нервной системы и формирование мозга как центра сбора, переработки, хранения информации и управления на ее основе функционированием и поведением организмов;

формирование разума как высшей формы деятельности мозга;

образование социальной общности людей – носителей разума.

Вершиной направленного развития биосферы стало появление в ней человека, открывшего эру становления на Земле разума. В истории Земли был период чисто геологической эволюции, его сменил период геолого-биологической эволюции, а с появлением человека открылся период психогенеза – духовной эволюции.

Роль организмов в эволюции биосферы.