Вопрос 56. Синтез новых материалов.

Современную материально-техническую базу производства примерно на 90% составляют всего лишь два вида материалов: металлы и керамика. В мире еже­годно производится около 600 млн. т металла — свыше 150 кг. на каждого жи­теля планеты. Примерно столько же производится керамики вместе с кирпи­чом. Изготовление металла обходится в сотни и тысячи раз дороже, производство керамики намного легче в техническом отношении и выгоднее экономически, и, главное, керамика во многих случаях оказыва­ется более подходящим конструк­цион­ным материалом по сравнению с ме­таллом.

С применением новых химических элементов — циркония, титана, бора, германия, хрома, молибдена, вольфрама и т.д. в последнее время синтезируют огнеупорную, термостойкую, химостойкую, высо­котвердую керамику, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств.

Сверхтвердый материал — гексанит-Р как одна из кристалличе­ских разновид­ностей нитрида бора, с температурой плавления свыше 3200 ⁰С и твердостью, близкой к твердости алмаза, обладает рекордно высокой вязкостью, т. е. он не так хрупок, как все другие керамические материалы. Решена, таким образом, одна из труднейших научно-технических проблем века: до сих пор всей конст­рукционной керамике был присущ общий недостаток — хрупкость, теперь же сделан шаг к его преодолению.

Большое преимущество технической керамики нового со­става в том, что детали машин из нее производятся прессова­нием порошков с получением готовых из­делий заданных форм и размеров.

Сегодня можно назвать еще одно уникальное свой­ство керамики — сверх­проводимость при температурах выше темпе­ратуры кипения азота, это свойство открывает невиданные просторы для на­учно-технического прогресса, для соз­дания сверхмощных двигате­лей и электрогенераторов, создания транспорта на магнитной по­душке, разработки сверхмощных электромагнитных ускорителей для вывода полезных грузов в космосе и т.д.

Химия кремнийорганических соеди­нений позволила создать многотоннажное производство самых разнообразных полимеров, обладающих огнезащитными, водо­отталкивающими, электроизоляционными и другими ценными свойствами. Эти полимеры незаменимы в ряде отраслей энерге­тики и авиапромышленности.

Фтороуглероды — тетравторметан, гексафторэтан и их производные, где атом углерода несет сла­бый положительный заряд, а атом фтора с присущей фтору электроотрицательностью — слабый отрицательный заряд. В результате фторо­углероды обладают исключительной устойчиво­стью даже в очень агрессивных средах кислот и щелочей, особой поверхностной активностью, способностью поглощать кислород и перекиси. Поэтому они применяются в качестве мате­риала для протезов внутренних органов человека.

Вопрос 57. Химические процессы и процессы жизнедеятельности. Катализа­торы и ферменты.

Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяснение как материального состава растительных и живот­ных тканей, так и химических процессов, происходящих в орга­низме. Идея о ведущей роли ферментов, впер­вые предложенная великим французским естествоиспытателем Луи Пастером (1822—1895), остается основополагающей и по сей день. В то же время изуче­нием моле­кулярного состава и структуры ткани живого и неживого орга­низма занимается статическая биохимия.

Динамическая биохимия родилась на рубеже XVIII и XIX сто­летий, когда на­чали различать процессы дыхания и брожения, ассимиляции и диссимиляции как некие превращения веществ.

Исследование брожения составляет основной предмет фер­ментологии — стержневой отрасли знаний о процессах жизне­деятельности. На протяжении весьма длительной истории ис­следования процесс биокатализа рассматривался с двух разных точек зрения. Одной из них, условно названной химической, придерживались Ю. Либих и М. Бертло, а другой — биологиче­ской — Л. Пас­тер.

В химической концепции весь катализ сводился к обычному химическому ката­лизу. Несмотря на упрощенный подход в рам­ках концепции были установлены важные положения: аналогия между биокатализом и катализом, между фермен­тами и катали­заторами; наличие в ферментах двух неравноценных компонен­тов — активных центров и носителей; заключение о важной ро­ли ионов переход­ных металлов и активных центров многих ферментов; вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики; сведение в отдельных случаях биокатали­за к катализу неорганическими агентами.

В начале развития биологическая концепция не располагала столь обширными экспериментальными подтверждениями. Ее основной опорой были труды Л. Пастера и, в частности, его пря­мые наблюдения за деятельностью молочнокис­лых бактерий, ко­торые позволили выявить брожение и способность микроорга­низмов получать необходимую им энергию для жизнедеятельно­сти путем бро­жения. Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне матери­альной организации ферментов. Однако все его доводы, если и были не опро­вергнуты, то по крайней мере отодвинуты на задний план после открытия вне­клеточного бро­жения, а позиция Пастера была объявлена виталистической.

Однако с течением времени концепция Пастера победила. О перспективно­сти данной концепции свидетельствуют современ­ные эволюционный катализ и молекулярная биология. С одной стороны, установлено, что состав и структура биополимерных молекул представляют собой единый набор для всех живых су­ществ, вполне доступный для исследования физических и хими­ческих свойств — одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизне­деятельности. С другой стороны, дока­зана исключительная спе­цифичность живого, проявляющаяся не только в выс­ших уров­нях организации клетки, но и в поведении фрагментов живых систем на молекулярном уровне, на котором отражаются зако­номерности других уров­ней. Специфичность молекулярного уровня живого заключается в существен­ном различии принци­пов действия катализаторов и ферментов, в различии ме­ханиз­мов образования полимеров и биополимеров, структура которых опреде­ляется только генетическим кодом и, наконец, в своем необычном факте: мно­гие химические реакции окисления-восстановления в живой клетке могут про­исходить без непо­средственного контакта между реагирующими молекулами. А это означает, что в живых системах могут происходить такие химические пре­вращения, которые не обнаруживались в нежи­вом мире.

Вопрос 58. Освоение каталитического опыта живой природы.Наиболее перспективные пути освоения каталитиче­ского опыта живой природы ведут к созданию промышленных аналогов химических процес­сов, происходящих в живой природе.

Первый из данных путей — развитие исследований в области металлоком­плексного катализа с постоянной ориентацией на соответствующие объекты живой природы. Начальные шаги в этом направлении сделаны в 1954 г. немец­ким химиком К. Циглером (1898—1973), обнару­жившим стереоспецифическую полимеризацию олефинов и диенов при наличии комплексных титаналюминий­органических соединений. В 1964 г. была открыта фиксация атмосферного азота в присутствии металлокомплексов, что послужило началом многолетних иссле­дований кинетики и механизма такой реак­ции. Ныне реализовано более 40 мно­готоннажных про­мышленных процессов с участием металлокомплексных ката­ли­заторов.

Второй путь, ведущий к решению конкретных задач освоения ка­талитического опыта живой природы, заключается в моделировании биокатализаторов. Моде­лирование отдель­ных функций изолированных ферментов оказалось не только возможным, но и реализуемым разными способами. Но ни одна до сих пор по­лученная модель не в состоянии заменить природные биокатализаторы, дейст­вующие в живых системах.

Поводом к осознанию необходимости изуче­ния химической эволюции явились исследования в об­ласти моделирования биокатализаторов. Исследования искус­ст­венного отбора каталитических структур ориентированы на есте­ственный от­бор. Главным стимулом развития исследований в области эволюционной хи­мии являются теперь уже реально достигнутые успехи так назы­ваемой нестационар­ной кинетики, или динамики химических систем.

Третий путь к освоению приемов живой природы сопряжен с химией иммобили­зованных систем. Накопленная информация об уникальных качествах биоката­лизаторов указывает на их край­нюю лабильность, неустойчивость при хранении и быструю по­терю активности при перенесении в реакционные системы. Все попытки ис­пользовать богатейший набор ферментов, которым располагает при­рода, для осуществления лабораторных и промышленных процессов, наталки­вались на, казалось бы, неразрешимые про­блемы: 1) трудную доступность чис­тых ферментов и их непо­мерно высокую стоимость; 2) их нестабильность при хранении и транспортировке; 3) быстро наступающую потерю их активности в работе, даже если удавалось их выделить и пустить в дело.

Но, главное, открыты пути ста­билизации ферментов и создания иммобилизо­ванных систем или биоорганического катализа. 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.

Основная масса работ в области химии иммобилизованных систем появилась относительно недавно. В этой области в зна­чительной степени благодаря систе­матическим исследованиям русского химика И. В. Березина (1923— 1987) и его сотрудников достигнуты большие успехи.. Намечаются пути примене­ния иммо­билизованных веществ, выделенных микроорганизма­ми, для тяжелого органи­ческого синтеза, в частности, для полу­чения на основе парафинов и ароматиче­ских углеводородов спиртов, альдегидов, кислот, окисей. Изучаются перспек­тивы ферментативного обезвреживания сточных вод.

Четвертый путь в развитии исследований, ориентированных на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии — изучение и освое­ние всего каталитического опыта живой природы, в том числе и опыта форми­рования самого фер­мента, клетки и даже организма. При этом рождаются ос­новы эволюционной химии и принципиально новые химические тех­нологии, способные создать аналоги живых систем.

Вопрос 59. Эволюция и самоорганизация химических и биохимических систем.Смоорганизация химических и биохимических систем. Понятие "самооргани­зация" означает упорядоченность су­ществования материальных динамических, т. е. качественно из­меняющихся систем.

Существуют два подхода к проблеме самоорганизации предбиологических сис­тем, это так называемые субстратный и функциональный подходы. К первому из них от­носят теорию происхождения жизни со строго определенным составом элементов-органогенов и не менее определенной структурой входящих в живой организм химических соединений. Рациональный результат субстратного под­хода к проблеме биогенеза — накопленная информация об отборе химических элементов и структур.

В настоящее время известно более ста химических элемен­тов. Большинство из них попадает в те или иные живые организмы и так или иначе участвует в их жизнедеятельности. Однако основу живых систем составляют только шесть элементов, давно получивших наименование органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, — общая весовая доля которых в организмах со­ставляет 97,4%. За ними следуют 12 элементов, входящих в состав многих фи­зиологически важных компонентов биосистем. К ним относятся натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их ве­совая доля в организмах примерно 1,6%. Можно назвать еще 20 элементов, уча­ствующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем (например, водорос­лей, состав которых определяется в известной мере питательной средой). Их доля в организмах составляет около 1%. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксиро­вано.

С химической точки зрения такие требования сводятся к отбору элементов, способных к образованию, во-первых, доста­точно прочных и, следовательно, энергоемких химических свя­зей и, во-вторых, связей лабильных, т. е. легко подвергающихся гомолизу, гетеролизу или циклическому перераспределению. Вот почему углерод отобран из многих других элементов как ор­ганоген 1. Этот элемент действительно отвечает всем тре­бованиям лабильности. Он, как ника­кой другой элемент, спосо­бен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химиче­ские противоположности, реализовать их единство, выступать в каче­стве носителя внутреннего противоречия.

Отличительная черта второго — функционального — подхода к проблеме пред­биологической эволюции состоит в сосредото­чении внимания на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, на выявлении законов, кото­рым подчи­няются такие процессы. Среди естествоиспытателей такого под­хода придерживаются преимущественно физики и математики, рассматривающие эволюционные процессы с позиций киберне­тики. Крайняя точка зрения — ут­верждение о полном безразли­чии к материалу эволюционных систем: живые системы, вплоть до интеллекта, могут быть смоделированы даже из металличе­ских систем.

Эволюция химических систем. Еще совсем недавно, в 1950-х годах, рождалась идея о потере энергетической активности свежеприготовленных ката­лизаторов в ходе реакции и о достижении ими стационарного состояния. Суть ее заключа­ется в том, что под влиянием среды реагентов свежие катализаторы изменяют свой состав и структу­ру, достигая стационарного состава и соответствующей ему удельной каталитической активности. Считается и ныне, что подавляющее большинство промышленных каталитических про­цессов осуществляется в ста­ционарных условиях.

Начиная с 1970-х годов химики все больше стали обращать внимание на то, что те же самые причины воздействия среды реагентов на катализаторы, оказыва­ются ответственны за наличие нестационарных режимов работы каталитиче­ских сис­тем. Было установлено, что в одних случаях стационарное со­стояние катализаторов не реализуется. В других случаях было зафиксировано в ходе ре­акций несколько нестационарных режимов со скачкообразными переходами меж­ду ними. Открыто и изучено множество автоколебательных про­цессов, сви­детельствующих об особом типе нестационарности.

Ис­следователи приходят к выводам, что стационарный режим, на­дежная стаби­лизация которого казалась на первый взгляд зало­гом высокой эффективности промышленного процесса, — лишь частный случай нестационарного режима!

Для описания таких процессов необходимы новые методы ма­тематического мо­делирования и оптимизации, теории управления нестационарными процессами. Нужны, кроме того, принципи­ально новые конструкции реакторов их осущест­вления.

Хотя изучение нестационарной кинетики начато недавно, но уже сейчас можно видеть, как важен ее объект. Ведущее положе­ние в ее развитии занимает теория само­развития открытых каталитических систем, способствующая су­ществен­ному улучшению свойств катализаторов. Первой при­кладной областью, где теория саморазвития открытых каталитиче­ских систем может быть широко и эффективно использована, яв­ляется нестационарная технология. Уже получены практические результаты при исследовании в лабораторных условиях процес­сов, в основу которых положено энергетическое сопряжение реакции с термо­динамическим ограничением. В данном случае одна реак­ция помогает другой: в системе развиваются процессы, направ­ленные против равновесия, сама же сис­тема приобретает динами­ческую устойчивость, или «устойчивое неравновесие».

«нестационарная тех­нология», важным звеном которой должна стать теория самораз­вития открытых каталитических систем, то в ближайшей пер­спективе можно видеть богатейшие возможности развития поис­тине новой химии.

Новая химия, построенная на базе экстремальных и нестационарной техно­логий, становится способной решить такие задачи, для реализации которых до сих пор еще не было предпосылок. В частности, в области тяжелого органиче­ского синтеза это задачи:

• значительного ускорения химических превращений в мяг­ких условиях за счет главным образом объединения в ка­тализаторах будущего достоинств гете­рогенного, гомо­генного и других видов катализа;

• достижения близкой к 100% селективности процессов;

• осуществления новых важных энергетически затрудненных процессов в ре­зультате сопряжения эндо- и экзотермиче­ских реакций;

• существенной экономии углеводородного сырья и перехо­да от нефти к углю как более распространенному сырье­вому источнику.

Но современная химия имеет реальные предпосылки и для решения таких важных задач, как:

• моделирование и интенсификация фотосинтеза;

• фотолиз воды с получением водорода как самого высоко­эффективного то­плива;

• промышленный синтез широкого спектра органических продуктов, и в пе­ровую очередь метанола, этанола, фор­мальдегида и муравьиной кислоты, на ос­нове углекислого газа;

• промышленный синтез многочисленных фторматериалов.

Такого рода задачи еще до недавнего времени казались не вполне решае­мыми. Сегодня для их решения созрели все необ­ходимые объективные предпо­сылки.

Биохимическая эволюция. Может ли жизнь на Земле быть случайным для Вселенной событием, результатом совпадения маловероятных комби­наций? В наши дни два обстоятельства застав­ляют считать подобные до­пущения несо­вместимыми с новым научным мировоззрением. Во-первых, вы­сочайшая сте­пень упорядоченности и саморегулирования жизни не могли возникнуть из-за случайных стечении обстоятельств.

Во-вторых, что развитие природы носит направленный характер.

Еще в 20-х годах В.И. Вернадский утверждал, что переход на Земле от «нежи­вого» вещества к простейшей жизни произошел на ранней стадии ее развития и занял узкий временной интервал (не более двух сотен миллионов лет). Появле­ние жизни тесно связано с моментом возникновения земных океанов. Возраст Земли предполагается равным 4,6 млрд. лет, а первые осадочные породы, сви­детельствующие о появлении крупных водоемов, заполненных жидкой водой, датируются возрастом около 3,8 млрд. лет. Известны палеонтологические дан­ные, позволяю­щие утверждать, что температура воды в первичных океанах бы­ла не слишком холодной, но и не превышала 58° С.

Одним из предполагаемых условий на ранней Земле, способ­ствовавших воз­никновению на ней жизни, было существование первичной атмосферы, обла­давшей восстановительными свойст­вами. Зародившаяся жизнь долгое время развивалась в такой атмосфере в которой практически отсутст­вовал кислород, постепенно насыщая ее кислородом в результате процессов фотосинтеза. Кри­терием перехода атмосферы от вос­становительной к окислительной считается достижение в ней концентрации свободного кислорода на уровне 0,01 от совре­менного значения (22%). Это точка Пастера, когда микро­организмы получают возможность перейти от процессов броже­ния к процессам дыхания. По совре­менным данным, атмосфера Земли перешла этот рубеж примерно 2,55±0,2 млрд. лет назад.

Рассматривая проблему возникновения жизни естественным путем, ученые выделяют три основных этапа предположитель­ного перехода от "неживого" к "живому":

• этап синтеза исходных органических соединений из неор­ганических ве­ществ в условиях первичной атмосферы и состояния поверхности ранней Земли;

• этап формирования в первичных водоемах Земли из нако­пившихся органи­ческих соединений биополимеров, ли­поидов, углеводородов;

• самоорганизация сложных органических соединений, воз­никновение на их основе и эволюционное совершенство­вание процессов обмена веществом и вос­производства ор­ганических структур данного состава, завершающееся об­разо­ванием простейшей клетки.

Не все ясно с первыми двумя этапами, а в отношении третьего этапа при­знаки прояснения наметились лишь в самые последние годы.

Концепции эволюционной биологии.

Эволюционная биология построена на концепции развития в биологии. Эв., биология начиналась с теории Ч. Дарвина. Эволюция, по Дарвину, осуще­ствляется в результате, взаимодействия 3 основ­ных факторов: изменчивости, наследственности и естественного от­бора. Изменчивость служит основой обра­зования новых признаков и особенностей в строении и функциях организмов. Наследственность закрепляет эти признаки. Под действием естественного от­бора уст­раняются организмы, не приспособленные к условиям существова­ния. Благодаря наследственной изменчивости и непрерывному дей­ствию естествен­ного отбора организмы в процессе эволюции накап­ливают все новые приспосо­бительные функции, что в конечном счете ведет к образованию новых видов.

Вопрос №62.

Физико‑химические методы современной биологии.

На протяжении всей истории развития биологии физические и химиче­ские методы были важнейшим инструментом исследования биологических яв­лений и процессов живой природы. Фи­зико‑химическая биология содействует сближению биологии с точ­ными науками – физикой и химией, а также станов­лению естество­знания как единой науки о природе.

В то же время изучение структуры, функций и репродукции фундамен­тальных структур живой материи не лишает биологию ее индивидуальности и особого положения в естествознании, так как молекулярные структуры наде­лены биологическими функциями и обладают вполне определенной спецификой.

Экспериментальная биология постигает сущность процессов жизнедея­тельности преимущественно с применением точных физи­ческих и химических методов. Современная экспериментальная биология вооружилась новейшими методами, позволяющими про­никнуть в субмикроскопический, молекулярный и надмолекулярный мир живой природы.

Метод изотопных индикаторов (ранее метод меченных атомов) за­ключается в том, что с помощью радиоактивных атомов, введенных в организм, прослеживается передвижение и превраще­ние веществ в организме.

Рентгеноструктурный анализ оказался весьма эффектив­ным в ис­следовании структур макромолекул, позволил установить двух цепочечное строение ДНК, обусловило появление молекуляр­ной биологии.

Электронно‑микроскопические исследования позволили установить многослойное строение оболочки нервных волокон, со­стоящих из чередую­щихся белковых и липидных слоев, помогли расшифровать молекулярную ор­ганизацию клетки и механизм функционирования мембран.

Существуют также методы фракционирования, основанные на физи­ческих или химических явлениях, методы прижизненного анализа, которые включают в себя следующие методы радиоспекто­скопия, скоростной рентгено­структурный анализ, ультразвуковое зондирование и многие другие. Все эти методы также используются современной медициной.

К важнейшим достижениям физико‑химической биологии относится расшифровка некоторых видов саморегуляции, н., пере­дачи наследственной информации, регуляции биосинтетических процессов белка, регуляция роста и т.п.

[70] Проблемы происхождения человека. Эволюция мозга.

Преимущество человека(ч-ка) перед другими высшими животными должно быть закреплено в материальном носителе разума – в мозге. Сравнительно недавно спецы не могли обнаружить принцип-х различий в строении мозга ч-ка и шимпанзе. Выделить такие различия удалось только на новом уровне понимания строения и функц-ия мозга, достигнутого в последние 30-40 лет. Выяснено, что простейшей структурной 1-цей мозга служит не нервная клетка (нейрон), как считалось раньше, а структурный ансамбль(анс-ь) таких клеток со сложными, но фиксированными разветвлениями взаимосвязей. 1 анс-ь обычно упр-т (или анализирует) одним процессом или 1 ф-ей орг-ма.

Эволюция мозга, его усложнение идет не только и не столько за счет колич-го роста нервных клеток, хотя такой рост имеет место, сколько за счет растущей орг-сти, упорядоченности как отдельных структурных анс-й, так и центров, объед-щих отдельные ф-ции в сложные поведенческие р-ции. Новообразования мозга никогда не созд-т изолированных анс-й. Структурные 1-цы разв-ся в форме вертик. колонок, включающих как клетки древних отделов мозга, расположенных в нижних пластах, так и клетки более молодых образований, располагающихся над этими пластами. Колич-е увел-е анс-й происх-т гл. образом путем перестройки старых отделов и использ. освоб-ся нерв. клеток, а кач-ные измен-я инициируются усложнением связей, увел-м их числа и широтой охвата связями клеток всего структурного анс-я.

Строение анс-й нервных клеток, их связи в мозгу прогр-ся генетич-м аппаратом. Развитость речевых и двигательно-трудовых структ-х анс-й наследуются детьми от родителей. Но наследуется не речь и не трудовые навыки как таковые, а лишь потенц-я возмож-ть их последующего приобретения. Генетич-е возмож-ти реализуются только при условии, что с раннего детства конкретный ребенок воспитывается и обучается в сообществе людей, в постоянном общении с ними. {Маугли-вранье, человек, вырванный из общества людей, не сможет в полной мере овладеть речью и т.п.(генет-й потенциал ограничен возрастными рамками).}

[71] Эволюция биосферы на Земле.

Биосфера–область распространения жизни на Земле. Биосфера=гидросфера + литосфера + ниж. часть атмосферы, населенные живыми орг-ми.

Развитие биосферы предстает как чередование этапов эволюции, прерываемых скачкообразными переходами в качественно новые состояния. В целом при этом образовывались все более сложные и упорядоченные формы живого вещества. В истории биосферы бывали зигзаги, временные остановки прогрессивного развития, но они никогда не переходили в стадию деградации. Перечень различных вех в истории развития биосферы:

*Появление просейших клеток-прокариотов(лишены оформленного ядра – вирусы, бактерии, сине-зеленые водоросли);

*Появление клеток-эукариотов(сод-т оформленное ядро, отделенное оболочкой от цитоплазмы);

*Объединение клеток-эукариотов с образов-м многоклет-х орг-в, функциональная дифференциация клеток в них;

*появл-е орг-в с твердыми скелетами, открывшее путь к образованию высших животных;

*возн-е у высших животных развитой нервной {-ы и формир-е мозга как центра сбора, переработки, хранения информации и управления на ее основе функц-ем и поведением орг-в;

*формир-е разума как высшей формы деят-ти мозга;

*образование социальной общности людей – носителей разума.

Вершиной направленного развития биосферы стало появление в ней ч-ка, открывшего эрустановления на Земле разума. В истории Земли был период чисто геологической эволюции, его сменил период геолого-биологической эволюции, а с появлением ч-ка открылся период психогенеза – духовной эволюции. Рождение разума знаменует собой ни с чем не сравнимый качественный переход к новой стадии развития мира.