Раздел 8. Развитие науки и техники в 20 веке. Третья научно-техническая революция

8.1. Развитие естественных наук

В 20 веке необычайно быстрое развитие получили естественные науки: физика, химия, астрономия, биология, геология и многие другие. Наука дала очень много идей и разработок, производство в свою очередь дало науке сложные и совершенные устройства и приборы. Все это в совокупности стимулировало развитие науки. Следствием этого чрезвычайно плодотворного соединения науки и производства стало достижение их высокого развития, что привело к возникновению в середине 20 века третьей научно-технической революции.

Физика

В 20 веке было очень много сделано в области изучения строения вещества. Известный английский физик Эрнест Резерфорд(1871 - 1937) экспериментальным путем установил, что атомы имеют ядра, в которых сосредоточена почти вся их масса, и разработал планетарную модель строения атома (1911). Это была, вероятно, последняя (а может быть, первая и последняя) модель атома, которую относительно легко себе представить. Согласно планетарной модели, электроны движутся вокруг неподвижного ядра атома (подобно планетам вокруг Солнца) и в то же время, согласно законам классической электродинамики, непрерывно излучают электромагнитную энергию. Однако планетарная модель атома Резерфорда была не в состоянии объяснить, почему электроны, двигаясь вокруг ядра по кольцевым орбитам и, следовательно, непрерывно испытывая ускорение и поэтому все время излучая и теряя свою кинетическую энергию, не приближаются к ядру и не падают на его поверхность.

Модель атома, предложенная известным датским физиком Нильсом Хенриком Давидом Бором (1885 - 1962), хотя и была основана на планетарной модели Резерфорда, не содержала в себе указанного противоречия. Для этого Бор ввел постулаты, носящие теперь его имя, согласно которым в атомах имеются так называемые стационарные орбиты, по которым электроны движутся, не излучая, излучение же происходит только в тех случаях, когда они переходят с одной стационарной орбиты на другую (при этом происходит изменение энергии атома). Гениальная догадка (или идея) Бора, несмотря на ее внутреннюю противоречивость, - соеди-

нение классической механики Ньютона, используемой для объяснения движения электронов и неприемлемых с ее позиций квантовых ограничений движения электронов, нашла тем не менее экспериментальное подтверждение.

Огромным достижением физики было создание квантовой (волновой) механики, согласно которой микрочастицы обладают двойственной корпускулярно-волновой природой. Квантовая механика - один из основных разделов квантовой теории - наиболее общей физической теории, не только дала новые, революционные представления о микрочастицах, но и позволила объяснить многие свойства макроскопических тел.

Предпосылками становления квантовой механики являлись работы по созданию квантовых представлений Планка, Эйнштейна и Бора. В 1924 г. французский физик Луи де Бройльвыдвинул идею о двойственной корпускулярно-волновой природе не только электромагнитного излучения (фотонов), но и других микрочастиц, положив тем самым начало квантовой механике. Несколько позже были проведены опыты, в которых наблюдалась дифракция микрочастиц - рассеяние потока микрочастиц (огибание потоком микрочастиц различных препятствий), свидетельствующая об их волновых свойствах, что явилось экспериментальным подтверждением гипотезы де Бройля.

В 1925 г. один из создателей квантовой механики - швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули(1900 - 1958) сформулировал так называемый принцип запрета - фундаментальный закон природы, согласно которому ни в атоме, ни в молекуле не может быть двух электронов, находящихся в одинаковом состоянии. Австрийский физик-теоретикЭрвин Шредингер (1887 - 1961) разработал в 1926 году волновую механику, сформулировал ее основное уравнение. Немецкий физик-теоретикВернер Гейзенберг (1901 - 1976) сформулировал принцип неопределенности (1927), в соответствии с которым значения координат и импульсов микрочастиц не могут быть названы одновременно с высокой степенью точности. Английский физикПоль Диракзаложил основы квантовой электродинамики (1929) и квантовой теории гравитации, разработал релятивистскую теорию движения электрона, на основе которой предсказал (1931) существование позитрона - первой античастицы (частицы, во всем подобной своему «двойнику», в данном случае электрону, но отличающейся от него знаком электрического заряда, магнитного момента и некоторыми другими характеристиками), аннигиляцию и рождение пар. В 1932 г. американский физикКарл Дэйвид Андерсоноткрыл античастицу электрона - позитрон в космических лучах, а в 1936 году - мюон.

Еще в 1896 году французский физик Пьер Кюри(1859 - 1906) совместно с женойМарией Склодовской-Кюри(1867 - 1934) и французским физикомАнтуаном Анри Беккерелем(1852 - 1908) открыл радиоактивность и радиоактивные превращения тяжелых элементов. В 1934г. французские физики супругиИрен (дочь П. Кюри и М. Склодовской-Кюри) иФредерик Жолио-Кюри(1900 - 1958) открыли искусственную радиоактивность. Открытие английским физикомДжеймсом Чедвиком(1891 - 1974) в 1932 г. нейтрона привело к современным, протонно-нейтронным представлениям о строении атомных ядер.

Развитию ядерной физики, изучению ядерных реакций в решающей мере способствовало создание ускорителей заряженных частиц. Во много раз возросло число известных элементарных частиц. Многие из них способны существовать лишь ничтожно малое время. Оказалось, что элементарные частицы могут претерпевать взаимные превращения, что они вовсе не элементарны. По удачному сравнению известного советского физика В.Л.  Гинзбурга, все происходит так, как будто мы имеем дело с «бесконечной матрешкой»: откроешь одну элементарную частицу, а за ней «еще более элементарная», и так без конца. Вероятно, можно сказать, что большинство современных физиков признает существование особых фундаментальных частиц - кварков и соответствующих античастиц - антикварков. Предполагается, что кварки имеют дробный электрический заряд. Экспериментально кварки не обнаружены, но, возможно, потому, что они не могут существовать в свободном, не связанном состоянии.

Нельзя не отметить огромное воздействие физики на другие науки и на развитие техники. Ввиду того, что эта тема является поистине неисчерпаемой, мы сошлемся только на те науки, само название которых свидетельствует о влиянии физики: астро-, гео- и биофизика, физическая химия и некоторые другие.

Быстрое развитие ядерной физики сделало возможным в 1939 - 1945 гг. совершить решающие шаги в освобождении ядерной энергии. Сначала это выдающееся научное открытие было использовано в военных целях для создания ядерного и термоядерного оружия, а затем в мирных целях: первая атомная электростанция была построена в Советском Союзе и начала действовать в 1954 г. В последующем были построены десятки мощных АЭС во многих странах мира, на которых вырабатывается значительная часть электроэнергии.

На основе физики кристаллов были созданы теория полупроводников, имеющая огромное практическое значение, рентгеноструктурный анализ, а также электронный микроскоп и метод меченых атомов, сыгравшие большую роль в развитии многих областей техники, и, может быть, особенно металлургии. Физике, ее достижениям во многом обязана электроника - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов, имеющая, в свою очередь, решающее значение для многих областей техники, в частности для электронных вычислительных машин.

Альберт Эйнштейн. Теория относительности

Эксперименты американского физика Альберта Абрахама Майкельсона(1852 - 1931) по определению скорости света (в том числе известный «опыт Майкельсона») показали ее независимость от движения Земли. Оказалось, что скорость света в пустом пространстве всегда постоянна и, как это ни кажется странным, на первый взгляд, независима от движения источника или приемника света.

Открытие Майкельсона не находило объяснения с позиций существовавших в то время физических теорий. Во-первых, из принципа относительности Галилея следует, что если две системы координат движутся друг относительно друга прямолинейно и равномерно, т. е., говоря языком классической механики, системы являются инерциальными, то все законы природы будут для них одинаковыми. При этом сколько бы ни было таких систем (две или гораздо больше), отсутствует возможность определить, в которой из них скорость может рассматриваться как абсолютная. Во-вторых, в соответствии с классической механикой скорости инерциальных систем могут преобразовываться одна относительно другой, т. е., зная скорость тела (материальной точки) в одной инерциальной системе, можно определить скорость этого тела в другой инерциальной системе, причем значения скоростей данного тела в различных инерциальных системах координат получаются различными.

Очевидно, что второе положение противоречит опыту Майкельсона, согласно которому, повторяем, свет имеет постоянную скорость независимо от движения источника или приемника света, т. е. независимо от того, в каких инерциальных системах координат ведется отсчет.

Это противоречие было разрешено с помощью теории относительности - физической теории, основные закономерности которой были установлены А. Эйнштейном в 1905 г. (частная или специальная теория относительности) и в 1907-1916 гг. (общая теория относительности).

Великий физик-теоретик Альберт Эйнштейн(1879 - 1955) родился в Германии (г. Ульм). С 14 лет вместе с семьей жил в Швейцарии. Учился в Цюрихском политехническом институте и, закончив его в 1900 г., преподавал в школах городов Шафхаузена и Винтертура. В 1902 г. ему удалось получить место эксперта в федеральном патентном бюро в Берне, более устраивавшее его с материальной точки зрения. Годы работы в бюро (с 1902 по 1909) были для Эйнштейна годами очень плодотворной научной деятельности. За это время он создал специальную теорию относительности, дал математическую теорию броуновского движения, остававшегося, кстати говоря, не объясненным около 80 лет, разработал квантовую концепцию света, им были выполнены исследования по статистической физике и ряд других работ.

Только в 1909 г. огромные уже к тому времени научные достижения Эйнштейна стали широко известными, были оценены (далеко еще не в полной мере), и его, избирают профессором Цюрихского университета, а в 1911 г. - Немецкого университета в Праге. В 1912 г. Эйнштейн был избран заведующим кафедрой Цюрихского политехнического института и возвратился в Цюрих. В 1913 г. Эйнштейна избрали членом Прусской и Баварской академий наук, он переехал в Берлин, где жил до 1933 г., являясь директором Физического института и профессором Берлинского университета. В этот период времени он создал общую теорию относительности (скорее завершил, так как работать над ней начал в 1907 г.), развил квантовую теорию света и выполнил ряд других исследовании. В 1921 г. за работы в области теоретической физики, особенно за открытие законов фотоэффекта (явление, заключающееся в освобождении электронов твердого тела или жидкости в результате действия электромагнитного излучения) Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

В 1933 г. по причине нападок на него со стороны идеологов немецкого фашизма как на общественного деятеля - борца против войны и еврея Эйнштейн покинул Германию, а в дальнейшем в знак протеста против фашизма отказался от членства в Академии наук Германии. Всю заключительную часть своей жизни Эйнштейн провел в г. Принстоне (США), работая в Принстонском институте фундаментальных исследований.

Теория относительности покоится на том, что понятия пространства и времени в противоположность механике Ньютона не абсолютны. Пространство и время, по Эйнштейну, органически связаны с материей и между собой. Можно сказать, что задача теории относительности сводится к определению законов четырехмерного пространства, три координаты которого являются координатами трехмерного объема (x,y,z), а четвертая координата - время (t).

Доказанное опытом постоянство скорости света заставляет отказаться от понятия абсолютного времени.

Скорость света, равная, как известно, огромный величине - 300 тыс. км/с, является предельной. Выше скорость любого объекта быть не может.

В 1905 г. Эйнштейн объединил понятия пространства и времени. Одиннадцатью годами позже он сумел показать, что ньютоновская гравитация есть проявление этого смелого объединения в том смысле, что ньютоновская гравитация означает наличие кривизны у единого пространственно-временного многообразия.

Эйнштейн пришел к выводу, что реальное пространство является неевклидовым, что в присутствии создающих гравитационные поля тел количественные характеристики пространства и времени становятся другими, нежели в отсутствии тел и создаваемых ими полей. Так, например, сумма углов треугольника больше π, время течет медленнее. Эйнштейн дал физическое толкование теории Н.И. Лобачевского. Основы общей теории относительности нашли свое выражение в полученном Эйнштейном уравнении гравитационного поля.

Если частная теория относительности не только подтверждена экспериментально, при создании и эксплуатации ускорителей микрочастиц и ядерных реакторов, но уже стала необходимым инструментом соответствующих расчетов, то с общей теорией относительности дело обстоит иначе.

Отставание в области экспериментальной проверки ОТО обусловлено как малостью эффектов, доступных наблюдению на Земле и в пределах Солнечной системы, так и сравнительной неточностью соответствующих астрономических методов.

Основоположником квантовой теории является прославленный немецкий физик, член Берлинской академии наук, Почетный член Академии наук СССР Макс Планк (1858-1947). Планк учился в Мюнхенском и Берлинском университетах, слушал лекции Гельмгольца, Кирхгофа и других крупных ученых. Работал преимущественно в Киле и Берлине. Основные работы Планка, вписавшие его имя в историю науки, относятся к теории теплового излучения.

Решающий шаг был сделан Планком в 1900 году, когда он предложил новый (совершенно не отвечающий классическим представлениям) подход: рассматривать энергию электромагнитного излучения величиной дискретной, могущей передаваться только отдельными, хотя и малыми, порциями (квантами). В качестве такой порции (кванта) энергии Планк предложил величину E=hv, эрг - порция (квант) энергии электромагнитного излученияv, сек^-1- частота излучения,h=6,62*10^-27эрг*сек - постоянная, получившая впоследствии наименование постоянной Планка или кванта действия Планка.

Догадка Планка оказалась чрезвычайно удачной, лучше сказать - гениальной. Планку не только удалось получить уравнение теплового излучения, отвечающее опыту, но его представления явились основой квантовой теории - одной из наиболее всеобъемлющих физических теорий, в которую входят теперь квантовая механика, квантовая статистика, квантовая теория поля.

Строение вещества. Квантовая теория

Атомная физика как самостоятельная наука возникла на основе открытия электрона и радиоактивного излучения. Электрон - отрицательно заряженная микрочастица с массой всего лишь около 9*10^-28г - один из основных структурных элементов вещества - был открыт известным английскимфизиком Джозефом Джоном Томсоном (1856 - 1940), членом (1884) и

президентом (1915 - 1920) Лондонского королевского общества, иностранным почетным членом Академии наук СССР.

В 1896 г. французскими физиками Пьером Кюри, Марией Склодовской-Кюри и А. Беккерелем впервые была обнаружена радиоактивность солей урана. Явление радиоактивности, окончательно опровергнувшее представление о неделимости (о непревращаемости) атома, заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомов в ядра других элементов (других атомов), происходящее в результате ядерных излучений. Оказалось также (это было чрезвычайно важно для медицины), что лучи, открытые Беккерелем, могли проникать в глубь вещества и поэтому являлись средством получения фотографий, например, внутренних органов человека.

Пьер Кюри и его супруга Мария Склодовская-Кюри занимались также вопросами радиоактивности и других элементов. Ими были открыты в 1898 году новые элементы: полоний и радий. Было установлено, что радиоактивное излучение может быть двух видов: либо ядро радиоактивного элемента испускает α-частицу (ядро атома гелия с положительным зарядом 2е), либо β-частицу (электрон с отрицательным зарядом -е). В обоих случаях атом радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента (это зависит как от исходного радиоактивного вещества, так и от вида радиоактивного излучения).

В исследованиях радиоактивности большое значение имели совместные работы знаменитого английского физика Эрнеста Резерфорда и известного английского химика Фредерика Содди (1877 - 1956), проведенные в 1899-1907 гг. В качестве исходных радиоактивных элементов ими использовались уран, торий и актиний. Были обнаружены так называемые изотопы, т.е. разновидности одного и того же химического элемента, имеющие одинаковые химические свойства и занимающие одно и то же место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающейся массой атомов.

Э. Резерфорд, член Лондонского королевского общества, почетный член Академии наук СССР, родился в 1871 г. в Новой Зеландии в семье мелкого фермера, четвертым из 12 детей. Окончил Новозеландский университет (г.Крайстчерч). В 1894 г. переехал в Англию и был принят в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета, где начал вести исследования под руководством Дж. Дж. Томсона. Большую часть жизни (с некоторыми перерывами во время работы в Монреальском и Манчестерском университетах) Резерфорд провел в Кембридже, будучи с 1919 г. директором Кавендишской лаборатории. Он воспитал большое число высококвалифицированных физиков.

На основании опытов Резерфорд пришел к выводу, что в атомах существуют ядра - положительно заряженные микрочастицы, размер которых (приблизительно 10^-12см) очень мал по сравнению с размерами атомов (около 10^-8 см), но масса атома почти полностью сосредоточена в его ядре,

α-частица резко изменяет направление своего пути, когда наталкивается на ядро.

Открытие ядер атомов было очень крупным событием в развитии атомной физики. Но планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла.

Следующая, предложенная Бором, модель атома была основана на квантовой теории. Один из крупнейших физиков 20 в. - датчанин Нильс Бор(1885 - 1962) родился и окончил университет в Копенгагене. Работал в Кембриджском университете под руководством Дж. Дж.Томсона и в Манчестерском университете под руководством Резерфорда. В 1916 г. был избран заведующим кафедрой теоретической физики Копенгагенского университета, с 1920 г. и до конца жизни руководил созданным им в Копенгагене Институтом теоретической физики, который теперь носит его имя. В 1943 г., во время оккупации Дании гитлеровцами, Бор, видя, что над ним готовится расправа, с помощью организации Сопротивления перебрался на лодке в Швецию, а затем переехал в США. После окончания войны возвратился в Копенгаген.

Созданная Бором модель атома основывалась на планетарной модели атома Резерфорда и на разработанной им самим в 1913 г. квантовой теории строения атома.

В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Луи де Бройль(1892 - 1983) выдвинул идею о волновых свойствах материи, положив тем самым начало квантовой механике. Он утверждал, что волновые свойства наряду с корпускулярными присущи всем видам материи: электронам, протонам, молекулам и даже макроскопическим телам.

Дальнейшее развитие квантовой механики - этого нового необычайно плодотворного направления - было в основном достигнуто в конце 20-х - начале 30-х годов трудами известных физиков - Макса Борна (Германия, 1882 - 1970),Вернера Гейзенберга (Германия, 1901 - 1976),Поля Дирака (Англия, р. 1902),Эрвина Шредингера (Австрия, 1887 - 1961), а такжеВольфганга Паули (Швейцария, 1900 - 1958),Энрико Ферми (Италия, 1901 - 1954),Владимира Александровича Фока (1898 - 1974) и многих других.

Отдельными разделами квантовой механики стали атомная физика, теория излучения, теория строения молекул (которую иногда называют квантовой химией), теория твердого тела, теория взаимодействия элементарных частиц, теория строения атомного ядра и др.

В квантовой механике имеется установленное Гейзенбергом так называемое соотношение неопределенностей. Математическое выражение соотношения неопределенностей очень простое:

ΔxΔp>=h,

где Δx - неточность в определении координаты электрона; Δp - неточность в определении импульса электрона; h - постоянная Планка.

Из этого выражения видно, что невозможно одновременно определить положение электрона в пространстве и его импульс. Действительно, если Δx очень мало, т.е. положение электрона в пространстве известно с большой степенью точности, то Δp относительно велико и, следовательно, величина импульса может быть вычислена с такой малой степенью точности, что практически ее приходится рассматривать как величину неизвестную. И наоборот, если мало Δp и поэтому импульс электрона известен, то велико Δx; и, следовательно, неизвестно положение электрона в пространстве. Разумеется, принцип неопределенности справедлив для любой частицы, а не только для электрона.

С точки зрения классической механики соотношение неопределенности абсурдно. С позиций «здравого смысла» оно кажется, по крайней мере, очень странным, и никак нельзя представить себе, как все это может быть «на самом деле».

Но не надо забывать, что мы живем в макромире, в мире больших тел, которые видим своими глазами (или пусть даже и с помощью микроскопа) и можем измерить их размеры, массу, скорость передвижения и многое другое. Наоборот, микромир для нас невидим, мы не можем непосредственно измерить ни размеры электрона, ни его энергию. Чтобы лучше представить себе явления микромира, нам всегда хочется построить адекватную механическую модель, и это иногда удавалось сделать. Вспомните, например, планетарную модель атома Резерфорда. Она в известной мере похожа на Солнечную систему, являющуюся для нас в этом случае механической моделью. Поэтому планетарная модель атома воспринимается легко.

Но для большинства объектов и явлений микромира построить механическую модель невозможно, и поэтому положения квантовой механики часто воспринимаются с большим трудом. Попробуйте, например, построить механическую модель электрона, обладающего корпускулярно-волновыми свойствами, или механическую модель, поясняющую, почему для электрона нельзя одновременно определить его массу и импульс. Именно поэтому в этих случаях акцент надо сделать на «понять», а не на «представить».

Хорошо сказал по этому поводу один из крупнейших советских физиков Лев Давидович Ландау(1908 - 1968): «Величайшим достижением человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые он уже не в силах вообразить».

К сказанному можно добавить, что принцип неопределенности (соотношение неопределенностей) является фундаментальным положением квантовой механики.

Известный английский физик, ученик Резерфорда Джеймс Чедвик открыл нейтрон - нейтральную частицу, входящую вместе с протонами в ядро атома и сыгравшую такую важную роль в создании способов использования ядерной энергии.

После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 г. нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц - в общей сложности около 350. В их числе: позитрон, как античастица электрона; мезоны - нестабильные микрочастицы (к ним относятся μ-мезоны, π^±-мезоны и более тяжелые π⁰-мезоны); различного вида гипероны - нестабильные микрочастицы с массами больше массы нейтрона; частицы-резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10^-22…10 ^-24с); нейтрино-стабильная, не имеющая электрического заряда частица, по-видимому, с нулевой массой покоя, обладающая почти невероятной проницаемостью; антинейтрино - античастица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного заряда, и др.

В настоящее время под элементарными частицами понимают такие «кирпичики» Вселенной, из которых можно построить все, что нам известно в природе. Мир элементарных частиц сложен, а теория элементарных частиц находится в начале своего развития. Возможно, последующие годы внесут в нее много нового.

Химия

Химия принадлежит к числу естественных наук. В ее сфере - превращения химических веществ, являющихся совокупностью одинаковых атомов (элементов) и более сложных веществ, состоящих из одинаковых молекул. Современная химия тесно связана с другими естественными науками, прежде всего с физикой. Поэтому появились и получили широкое развитие такие науки, как физическая химия, биохимия, геохимия и др. Химия разделяется также на неорганическую, предметом изучения которой являются вещества, молекулы которых не содержат углерода, и органическую, в сферу изучения которой входят вещества, молекулы которых обязательно содержат углерод.

Химия с первых шагов своего развития тесно связана с производством. Еще задолго до новой эры возникли такие процессы, как металлургия, крашение тканей, выделка кожи и другие, давно уже рассматриваемые как химические.

Еще во второй половине 17 в. известный английский физик и химик Р. Бойль дал, вероятно, первое научное определение химического элемента, по-ложил начало химическому анализу, показал несостоятельность алхимии.

В 1748 г. М. В. Ломоносовопытным путем открыл закон сохранения массы в химических реакциях. Несколько позже, но независимо от него, этот же закон установилА. Лавуазье —один из основоположников химии.

Чрезвычайно важная роль в развитии химии принадлежит английскому ученому Джону Дальтону (1766 - 1844) - создателю, как теперь иногда говорят, химического атомизма. Он установил в 1803 г. закон кратных отношений, ввел понятие «атомного веса» и определил его значения для некоторых элементов, приняв за единицу атомный вес самого легкого элемента — водорода. Итальянский ученыйАмадео Авогадро(1776 - 1856) и французский ученыйАндре Мари Ампер(1775 - 1836) в начале 19 в. ввели представление о молекуле, состоящей из соединенных между собой химическими силами атомов. Затем шведский ученыйЙенс Якоб Берцелиус (1779 - 1848), много сделавший как химик-экспериментатор, составил более точную, чем это удалось сделать Дальтону, таблицу атомных весов, в которую уже входило 46 элементов, ввел используемые в настоящее время знаки элементов. Открыл неизвестные до него новые элементы: цезий (Cs), селен (Se), торий (Th). Берцелиусу также принадлежит создание электрохимической теории, на основе которой им была построена классификация элементов и соединений.

Французский химик Шарль Фредерик Жерар(1816 - 1856) в середине 19 в. предложил так называемую теорию типов, представлявшую собой систему классификации органических соединений, а также ввел представление о гомологических рядах — группах родственных органических соединений, имевшее значение в классификации не только органических соединений, но и свойственных им реакций.

В середине 19 в. было сделано еще одно важное открытие. Английский химик Эдуард Франкленд(1825 - 1899) ввел понятие валентности - способности атома данного химического элемента вступать в соединение с другими атомами. Им же был введен и сам термин «валентность». Оказалось, что атомы одного вещества могут соединяться с атомами других веществ только в строго определенных соотношениях. За единицу валентности была принята реакционная способность (валентность) водорода. Например, соединение углерода с водородом — метан²СН₄свидетельствует о том, что углерод четырехвалентен.

Известный русский химик Александр Михайлович Бутлеров(1828 - 1886) в 1861 г. создал теорию химического строения вещества. Согласно этой теории, химические свойства вещества определяются его составом и порядком (характером) связей атомов в молекуле вещества.

Как уже подробно рассказано выше, выдающийся русский ученый-химик Д. И. Менделеевв 1869 г. открыл периодический закон химических элементов и создал Периодическую систему элементов — таблицу, в которой известные тогда 63 химических элемента были в соответствии с их свойствами (особую роль он придавал атомному весу и валентности) распределены по группам и периодам. Необходимо особенно отметить разносторонность Менделеева как ученого (в написанных им свыше 500 научных работах рассматриваются вопросы теории растворов, химической технологии, физики, метрологии, метеорологии, сельского хозяйства, экономики и многие другие) и его постоянный интерес к вопросам промышленности, прежде всего химической. Имя Д. И. Менделеева прочно вошло в историю науки.

Имя Германа Ивановича Гесса (1802 - 1850), русского ученого, немца по происхождению, хорошо известно по его работам в области термохимии - науки, в которой рассматриваются тепловые эффекты, сопровождающие химические реакции. Гессом был установлен носящий его имя закон, из которого следует, что при проведении кругового химического процесса, когда реагирующие химические вещества - участники реакции при завершении процесса оказываются в исходном составе, суммарный тепловой эффект реакции равен нулю.

Исследования Гесса в области термохимии были продолжены французским ученым Пьером Эженом Марселеном Бертло (1827 - 1907), занимавшимся также вопросами органической химии, химической кинетики и некоторыми другими, датским химикомXансом Петером Томсеном (1826 - 1909) и русским ученымНиколаем Николаевичем Бекетовым (1827 - 1911), работавшим также в области химии металлов.

Вторая половина 19 в. была ознаменована работами в области электрохимии, в результате которых шведским физико-химиком Сванет Августом Аррениусом(1859 - 1927) была сформулирована теория электролитической диссоциации. В это же время получило дальнейшее развитие учение о растворах — смесях двух или большего числа веществ, равномерно распределенных в растворителе в виде атомов, ионов или молекул. Практически все жидкости являются растворами. В этом, между прочим, состоит «секрет» так называемых «магнитных жидкостей». В этой связи следует назвать именаД. И. Менделеева, нидерландского физикохимика Вант-Гоффе, русского физи-ко-химика Н. С. Курнакова.

В 19 в. было выяснено столь важное для практики воздействие катализаторов — веществ, увеличивающих скорость реакции, но, в конце концов, участия в ней не принимающих. В конце 19 в. К. ГульдбергомиП. Ваагебыл открыт закон действующих масс, в соответствии с которым скорость химической реакции пропорциональна концентрации участвующих веществ в степенях, равных их стехиометрическим числам в уравнении рассматриваемой реакции. Из закона действующих масс следует, что реакции всегда происходят в обоих направлениях (слева направо и справа налево). При достижении химического равновесия реакция продолжается, но состав реагирующей смеси остается (для данной температуры) неизменным. Следовательно, химическое равновесие носит динамический характер.

Для 20 в. особенно характерен высокий темп развития химической науки, что тесно связано с крупными достижениями физики, и быстрый рост химической промышленности.

Было установлено, что атомный номер химического элемента в таблице Менделеева численно равен, как об этом уже говорилось выше, заряду атомного ядра элемента, или, что то же, числу электронов в оболочке атома. Таким образом, с ростом атомного номера элемента увеличивается число внешних электронов в атоме, а происходит это с периодическим повторением сходных внешних электронных структур. Именно этим объясняется установленная Менделеевым периодичность химических, а также и многих физических свойств элементов.

Развитие квантовой механики позволило установить природу химической связи — взаимодействие атомов, обусловливающее их соединение в молекулы и кристаллы. В целом следует сказать, что развитие химии в 20 в. основано на достижениях физики, особенно в области строения вещества.

В 20 в. небывало быстрое развитие получила химическая промышленность. Химическая технология сначала преимущественно строилась на выделении из сложных природных веществ более простых веществ, нужных для практического использования. Например, металлов из руд, различных солей из более сложных соединений. Широко использовалось и используется получение так называемых промежуточных веществ (серной, соляной и азотной кислот, аммиака, щелочей, соды и др.) для производства конечных химических продуктов. Затем все более широкое использование получил синтез сложных химических продуктов, в том числе не имеющих аналогов в природе, таких, как сверхчистые, сверхпрочные, жаростойкие, жаропрочные, полупроводниковые и др. Для производства многих из них требуется создание очень высокой или очень низкой температуры, высокого давления, электрических и магнитных полей и других, как их часто именуют, экстремальных условий.

Широкое развитие получило производство и применение полимеров — веществ, молекулы которых состоят из очень большого числа повторяющихся структур; молекулярная масса полимеров может достигать многих миллионов. Полимеры разделяются на природные (биополимеры: белки, нуклеиновые кислоты и др.), из которых построены клетки живых организмов, и синтетические, например полиэтилен, полиамиды, эпоксидные смолы и др. Полимеры являются основой для производства пластмасс, химических волокон и многих других важных для практики веществ. Следует заметить, что особенно большое значение для развития химии полимеров (как и для многих других отраслей химической промышленности) имеют исследования в области цепных реакций выдающегося советского химика и физика Н. Н. Семеноваи известного американского ученогоС. Хиншелвуда.

Широкое развитие получила как неорганическая химическая технология, в частности производство химических удобрений для сельского хозяйства, так и органическая химическая технология, например переработка нефти, природного газа и угля, получение красителей и лекарственных средств, а также упоминавшееся выше производство синтетических полимеров.

Хотя первые полимерные продукты (фенопласты - пластмассы, используемые в качестве коррозионностойких конструкционных материалов, и каучукоподобные вещества) были получены еще в конце 19 в., но основные представления о природе и свойствах полимеров сложились не так уж давно — приблизительно к началу 40-х годов 20 в. Именно к этому времени было сформировано также представление о синтезе полимерных веществ. Стало ясно, что одним из основных условий успешного получения полимеров является очень высокая чистота исходных веществ (мономеров), так как наличие даже весьма малого количества посторонних молекул (загрязнений) может оборвать процесс полимеризации, прекратить рост молекул полимера.

К началу 40-х годов 20 в. были созданы все основные полимерные материалы (полистирол, полихлорвинил, полиамиды и полиэфиры, полиакрилаты и органическое стекло), производство которых в последующие годы приобрело очень большие масштабы. Тогда же, в 30-х годах, под руководством академика Сергея Васильевича Лебедева(1874 - 1934) было создано крупномасштабное производство синтетического каучука. Приблизительно в это же время были открыты кремнийорганические полимеры, важным свойством которых являются хорошие диэлектрические характеристики, и разработана технология их получения; главная заслуга в этом принадлежит академикуКузьме Андриановичу Андрианову(1904 - 1978). Развитие Н.Н. Семеновым теории цепных реакций связано с механизмом радикальной полимеризации. Под свободными радикалами в химии понимаются очень реакционноспособные кинетически независимые частицы (атомы или атомные группы) с неспаренными электронами, например Н, СН₃, С₆Н₅.

В дальнейшем было установлено, что свойства полимеров определяются отнюдь не только химическим составом и размером молекул, но в большой мере также строением цепи молекул. Например, оказалось, что отличие свойств синтетического каучука от натурального определяется не химическим составом и размером молекул, а именно их строением. По этому поводу известный советский химик Валентин Алексеевич Каргин(1907 - 1969) писал: «Если в первый период развития химии полимеров основное внимание уделялось размерам и химическому составу получаемых молекул, то с течением времени все больший, интерес стало привлекать строение цепи молекулы. Ведь входящие в нее молекулярные группы могут располагаться разными способами друг относительно друга, образуя большое число изомерных форм. Так, к примеру, если к цепи главных валентностей присоединены какие-либо боковые группы, то они могут располагаться регулярно или нерегулярно, по одну или по разные стороны цепной молекулы, могут образовывать разные конфигурации. Следовательно, при одном и том же составе химическая структура цепи может быть очень отличной, а это сильно влияет и на свойства полимеров».

Кроме полимеров, нужных для практического использования в очень больших количествах, таких, как пластики, волокна, пленки, каучуки и резины, производимых теперь в огромных масштабах, чрезвычайно большое значение также приобрели полимеры, обладающие своеобразными, иногда совершенно неожиданными свойствами, например: способные существовать при высокой температуре, сохраняя при этом необходимую прочность, обладающие полупроводниковыми свойствами или электропроводностью, светочувствительностью, физиологической активностью и др. Открываются новые широкие перспективы, например, получения искусственной крови на основе физиологически активных полимеров, получения красителей, поверхностно-активных веществ, электролитов и многих других.

Как видно из сказанного, производство и широкое использование самых разных по своим свойствам полимеров является одним из крупнейших достижений химии середины 20 века.

Биология

Термин «биология» был введен в 1802 г. Ж. Б. ЛамаркомиГ. Р. Тревиранусомнезависимо друг от друга.

Первые исследования, которые можно рассматривать как истоки современной биологии, относятся к глубокой древности. Известно, что древнегреческий ученый и врач Гиппократ, живший в 5 - 4 вв. до н.э., считается знаменитым врачом Древней Греции, отцом научной медицины и в то же время тонким наблюдателем биологических явлений. Живший более чем на полстолетия позже древнегреческий ученыйАристотель, интересы которого охватывали все существовавшие в его время отрасли знания, может быть, более всего занимался, говоря современным языком, вопросами биологии. Во всяком случае, он большой интерес проявил к описательной биологии, изучению растений и животных, их систематике, физиологии и эмбриологии.

Выдающийся древнеримский ученый и врач Гален(прибл. 130 - 200) известен главным образом как выдающийся медик. В его классическом труде «О частях человеческого тела» впервые дано анатомо-физиологическое описание человеческого организма как целого. Гален обобщил сделанные до него представления об организме человека, заложил основы диагностики болезней и их лечения, ввел в практику эксперименты на животных.

В дальнейшем развитии биологии большое внимание уделялось различным лечебным травам. Как видно из сказанного, на заре своего развития биология была особенно тесно связана с медициной. В 16 в. и первой половине 17 в. появились многотомные труды, в частности энциклопедия, по зоологии: швейцарского ученого К. Геснера«История животных» в пяти томах, серия монографий (в тринадцати томах) итальянского зоологаУ. Альдровании многие другие.

В эпоху Возрождения были достигнуты большие успехи в области анатомии человеческого тела. Необходимо в этой связи отметить достижения фламандского ученого-естествоиспытателя А. Везалия,одним из первых начавшего изучение человеческого тела путем вскрытий и подвергшегося за это преследованиям со стороны церкви. В 1543 г. Везалий опубликовал труд «О строении человеческого тела», в котором, в частности, показал несостоятельность взглядов Галена в области кровообращения и близко подошел к выводу о существовании малого круга кровообращения. Честь открытия этого последнего принадлежит испанскому ученомуМигелю Сервету(1509 или 1511 - 1553) и независимо от него итальянскому ученомуР. Колумбу(1559).

Знаменитый английский ученый и врач Уильям Гарвей(1578 - 1657) является основателем современной физиологии и эмбриологии, давшем описание большого и малого кругов кровообращения, и в труде «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных» (1628) изложившем в целом учение о кровообращении у животных.

Создание в 17 в. микроскопа позволило установить клеточное строение животных и растений, увидеть мир микробов, эритроциты (красные кровяные тельца — безъядерные клетки, переносящие кислород от легких к тканям и двуокись углерода от тканей к органам дыхания), движение крови в капиллярах и многое другое.

Выше мы подробно рассказали о создании в первой половине 18 в. шведским ученым К. Линнеемтак называемой бинарной (с двойным наименованием - по роду и виду) системы классификации животного и растительного мира. Хотя Линней признавал неизменность мира, его система сыграла большую роль в развитии биологии. Следует отметить также исследования французского ученого Жоржа Луи Леклерка Бюффона(1707 - 1788), создавшего «Естественную историю», в 36-ти томах которой дается описание животных, человека, минералов, излагается также история Земли. Представления Бюффона об истории Земли содержали предположение о родстве сходных форм животных.

Английский ученый-материалист Джозеф Пристли (1733 - 1804), проводивший опыты с растениями, показал, что зеленые растения выделяют необходимый для дыхания газ и, наоборот, поглощают газ, препятствующий дыханию. Растения, по Пристли, как бы исправляют воздух, испорченный дыханием. Французские ученыеА. Лавуазье, П. ЛапласиА. Сегенопределили свойства кислорода и его роль в процессах горения и дыхания. Голландский врачЯ. Ингенхаузи швейцарские ученыеЖ. СенебьеиН. Соссюрв конце 18 - начале 19 в. установили роль солнечного света в процессе выделения кислорода зелеными листьями.

Жан Батист Ламарк считал, что лестница существ есть следствие эволюции живых организмов от низших к высшим. Он полагал, что причиной эволюции является присущее живым организмам свойство - стремление к совершенству. Что касается внешней среды и ее воздействия на живые организмы, то, по мнению Ламарка, такое воздействие существует и происходит оно либо путем прямого воздействия среды, что свойственно растениям и низшим организмам, либо путем усиленного, или, наоборот, очень слабого упражнения тех или иных органов, в данном случае высших животных.

Для того времени, когда жил и работал Ламарк, его взгляды на развитие растительного и животного мира были прогрессивными. Что касается обоснования эволюции, вскрытия причин, ее порождающих, то Ламарк не дал этому объяснения, ограничившись только ссылкой на некое непонятное (а по сути идеалистическое) стремление организмов к совершенствованию.

Выдающийся французский ученый Луи Пастер (1822—1895) считается основоположником современной микробиологии, иммунологии и стереохимии. Он опроверг теорию самозарождения микроорганизмов и открыл природу брожения (процесс, протекающий без доступа воздуха под действием микроорганизмов). Но наибольшей известностью пользуются труды Пастера в области медицины, а также в сельском хозяйстве и пищевой промышленности.

Пастер раскрыл роль микроорганизмов в инфекционных заболеваниях животных и человека, разработал специальные прививки, как предупреждающие данный вид инфекционного заболевания (создание иммунитета), так и имеющие назначением помощь организму в борьбе против инфекционного заболевания.

Существо дела, вкратце, сводится к следующему. У млекопитающих, особенно у теплокровных животных, иммунитет может проявляться двояко. В одном случае в крови образуются так называемые антитела против чужеродных, вредоносных белков — антигенов. В ответ на введение антигена (ими могут быть не только чужеродные белки, но и другие большие молекулы) через некоторое время (одну-две недели) в крови появляются антитела - особые белки, относящиеся к группе иммуноглобулинов, специфически связывающиеся только с тем антигеном, который вызвал их появление. Каждая молекула антитела имеет два одинаковых активных центра, что позволяет им связывать по две молекулы антигена. Антитела синтезируются в В-лимфоцитах, и приобретенная способность к образованию определенного вида антител (иммунитет) сохраняется в организме годами, часто всю жизнь. В другом случае проявляется несовместимость клеток одного организма (хозяина-реципиента) с клетками другого организма (донора). Кстати говоря, именно несовместимость клеток двух разных организмов бывает большей частью причиной осложнений и неудач трансплантации - пересадки органов и тканей от одного животного или человека к другому. Таким образом, полезное свойство организма — способность создавать иммунитет (противостоять действию вредных агентов) в случае трансплантации вызывает большие трудности.

Русский физиолог растений и микробиолог Дмитрий Иосифович Ивановский(1864—1920), впервые открывший вирус (табачной мозаики), является основоположником вирусологии — науки, изучающей строение и свойства вирусов, диагностики и лечения вызываемых ими заболеваний.

В своем выдающемся труде «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859) Чарльз Роберт Дарвин(1809 - 1882) выдвинул три основных фактора, определяющих эволюцию жизни на Земле: изменчивость, наследственность и естественный отбор. Теория Дарвина, основанная на этих трех факторах, представляется, когда читаешь его книгу, настолько убедительной и неопровержимой, что кажется странным, что никто этого не сказал раньше. Невольно вспоминаешь приведенные выше слова древнегреческого философа и писателя Плутарха об ясных и понятных объяснениях Архимеда и становится очевидным тогда, что бесспорность и убедительность доводов Дарвина - не что иное, как следствие гениальности и огромного труда их автора.

Всемирно известный ученый, англичанин Чарлз Роберт Дарвинродился в Англии в небольшом городке Шрусбери близ Лондона в семье врача. Сам Дарвин о своей биографии сказал так: «Я учился, потом совершил кругосветное путешествие, а потом снова учился: вот моя автобиография».

Интерес к ботанике и зоологии, а также к химии появился у Дарвина в детские годы, однако судьба распорядилась иначе: сначала он учился в Кембриджском университете по специальности врача, а затем, не чувствуя к врачебной деятельности никакого влечения, под давлением отца перешел на богословский факультет того же университета. В 1831 г. Дарвин окончил Кембриджский университет, получил звание бакалавра, оставалось только пройти посвящение в сан священника.

Но в это время друг Дарвина по Кембриджу профессор биологии Генсло, получив согласие Дарвина, рекомендовал его в качестве натуралиста на корабль «Бигль», который под командованием капитана Р. Фицроя должен был совершить кругосветное плавание главным образом в географических целях.

Это был, может быть, главный поворотный пункт в его жизни. Путешествие длилось с 1831 по 1836 г. Оно прекрасно описано в книге Дарвина «Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль».

Маршрут «Бигля», начавшийся в Девонпорте 27 декабря 1831 г., проходил через Атлантический океан вплоть до г.Баия, расположенного в Южном полушарии, на восточном берегу Бразилии. Здесь «Бигль» оставался до 12 марта 1832 г., затем двинулся на юг вдоль Атлантического побережья. 26 июля 1832 г. экспедиция достигла столицы Уругвая г. Монтевидео и до мая 1834 г., т. е. почти два года, вела работы на восточном побережье Южной Америки. За это время два раза посещалась Огненная Земля, два раза — Фолклендские острова. Дарвиным были также совершены сухопутные экспедиции. 12 мая 1834 г. «Бигль» взял курс на юг, прошел через Магелланов пролив и в конце июня 1834 г. достиг западных берегов Южной Америки. На Тихоокеанском побережье Южной Америки экспедиция находилась до сентября 1835 г., т. е. более года, в течение которого Дарвин побывал в сухопутных экспедициях, в частности сделал переход через Кордильеры. В сентябре 1835 г. «Бигль» покинул Южную Америку, взяв курс на Галапагосские острова. Вслед за тем экспедиция двигалась на юго-запад, достигла островов Товарищества, потом островов Дружбы и 20 декабря 1835 г. бросила якорь в бухте Айлендс у северного острова Новой Зеландии. Курс экспедиции лежал далее на Австралию, южное побережье которой было обойдено от г.Сиднея, через Тасманию, до залива Короля Георга в юго-западной части. Оттуда экспедиция направилась на северо-запад и достигла Кокосовых островов. Затем «Бигль» изменил курс, направившись на остров Маврикий, обогнул мыс Доброй Надежды, посетил остров Святой Елены, а 1 августа 1836 г. бросил якорь в Баие, завершив кругосветное плавание. В октябре 1836 г. «Бигль» возвратился в Англию.

Материал, который привез Дарвин из пятилетнего кругосветного путешествия, был огромен и разносторонен. Здесь были гербарии и коллекции, большое число различных записей и многое другое.

От возвращения Дарвина из кругосветного путешествия до выхода в свет его книги «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранения благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» прошло 23 года. Между тем в 1839 г. вышел первый научный труд Дарвина «Дневник изысканий», в 1842 г. им была опубликована работа о строении и распространении коралловых рифов, в которой Дарвин убедительно доказал, что основанием рифов являются не древние потухшие вулканы, как думали раньше, а коралловые отложения, оказавшиеся под водой вследствие опускания дна моря. В 1842—1844 гг. Дарвин в «Очерках» опубликовал основы теории эволюции.

После возвращения из кругосветного путешествия Дарвин переехал из Лондона в местечко Даун близ Лондона, в котором купил небольшое поместье, где и жил до конца своих дней. Дарвин еще до переезда женился, в его семье было много детей.

Итак, основной труд Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора или сохранения благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» (коротко «Происхождение видов») вышел в свет в ноябре 1859 г. В книге убедительно, с большим числом примеров изложены идеи автора, полностью опрокинувшие ранее существовавшие представления о неизменности растительных и животных форм жизни на Земле. Еще до выхода книги из печати Дарвин писал: «Я постепенно пришел к сознанию того, что Ветхий завет с его приписыванием Богу чувства мстительного тирана заслуживает доверия не в большей мере, чем священные книги индусов или верования какого-нибудь дикаря... Так понемногу закрадывалось в мою душу неверие, и в конце концов я стал совершенно неверующим».

Он считал, во-первых, что растительному и животному миру свойственна изменчивость, т. е. многообразие признаков и свойств у отдельных организмов и изменение этих признаков и свойств по разным причинам. Изменчивость, таким образом, является основой эволюции, первым звеном эволюции. Он считал, во-вторых, что наследственность есть фактор, посредством которого признаки и свойства организмов (в том числе и новые) могут передаваться последующим поколениям. И, наконец, в-третьих, что естественный отбор открывает дорогу тем организмам, которые наиболее приспособлены к условиям жизни, к внешней среде, и, наоборот, «отбрасывает в сторону» неприспособленные организмы.

Итак, три кита создают основу эволюции растительных и животных организмов на Земле: изменчивость, наследственность и естественный отбор.

Материалистическая теория эволюции Дарвина, дарвинизм, была революционным шагом вперед в развитии науки.

Выход в свет книги Дарвина «Происхождение видов» был встречен с огромным интересом. Все 1250 экземпляров первого издания были проданы за один день. Второе издание -3000 экземпляров - также было мгновенно распродано.

Отзывы на книгу Дарвина «Происхождение видов» были очень многочисленны и разнообразны. Даже со стороны ученых отклики были очень различны. Многие из них с одобрением, а некоторые даже с восхищением приняли книгу Дарвина. Перед ним ставились различные вопросы. Например, задавался такой вопрос: если эволюция представляет собой процесс непрерывный, то почему исчезли с лица Земли многие промежуточные виды, в результате чего сегодняшняя картина растительного и животного мира на Земле является дискретной? Для Дарвина ответ на этот вопрос был ясен: далеко не для всех, отсутствующих в настоящее время на Земле, промежуточных видов условия жизни были благоприятными. Эти промежуточные виды исчезли в результате естественного отбора, отсюда дискретность существующих видов флоры и фауны.

Ополчилась против Дарвина церковь, понимая, что его учение - одна из основ атеизма. Нападки на Дарвина со стороны церкви стали особенно ожесточенными после того, как в 1871 г. вышла в свет его книга «Происхождение человека и половой отбор» (кратко «Происхождение человека»), в которой доказывается, что человек произошел от общего с обезьяной существа. Сам Дарвин, знакомясь с тем, что пишут служители церкви по поводу его книг «Происхождение видов» и «Происхождение человека», назвал свои книги, в шутку конечно, «евангелием сатаны». Как это ни парадоксально, к голосу церкви присоединился известный немецкий врач Вирхов. По этому поводу можно только предполагать, что религиозные чувства Вирхова оказались сильнее научной логики.

Учение Дарвина способствовало развитию уже существовавших и разработке новых направлений в биологии. Среди большого числа из разных стран, много сделавших в распространении и развитии дарвинизма, хочется отметить русских биологов А.О. КовалевскогоиИ.И. Мечникова, палеонтологаВ.О. Ковалевского, зоо- и фитотеографовН.А. СеверцоваиА.Н. Бекетова, а такжеК.А. Тимирязева,П.П. Сушкинаи др.

Следующим очень важным шагом в развитии биологии было открытие основных закономерностей наследственности, сделанное во второй половине 19 в. Г. Менделем.

Грегор Иоганн Мендель(1822 - 1884) родился в крестьянской семье, в селении Хейцендорф (Австро-Венгрия, ныне Гинчице, Чехия). С детских лет Мендель проявлял большой интерес к сельскому хозяйству, особенно к садоводству и пчеловодству. В этом немалое значение имело влияние его отца.

Главным стремлением Менделя в его юношеские годы была учительская деятельность. Но из-за болезни отца и, как следствие этого, бедности семьи Мендель вынужден был принять пострижение в монахи католического монастыря в Брюнне (теперь Брно). При этом у Менделя сохранилась возможность как проводить свои биологические опыты, наибольшего успеха в которых он достиг в 1856 - 1866 гг., так и готовиться к преподавательской работе. В 1847 г. Мендель был возведен в сан каноника (священника) и начал вести преподавательскую работу в гимназии города Цнайме (теперь Знаймо) неподалеку от г. Брюнна, и с еще большим усердием продолжал свои опытные работы с растениями.

В 1863 г. Мендель завершил опыты более чем с 30 сортами гороха. В конце 1866 г. результаты опытов были опубликованы в Трудах Брюннского общества естествоиспытателей.

В 1868 г. Мендель был избран прелатом (настоятелем) монастыря. После этого, по разным причинам Мендель фактически прекратил работы по наследственности растений. Он занимался, помимо своих основных обязанностей, пчеловодством и древонасаждением, но каких-либо материалов об этой его деятельности не сохранилось. Умер Мендель в 1884 г. никому не известным человеком. Только 16 лет отделяло его тогда от мировой известности и славы.

В работе «Опыты над растительными гибридами» Мендель писал: «Поводом к постановка обсуждаемых здесь опытов послужили искусственные оплодотворения, произведенные у декоративных растений с целью получить новые разновидности по окраске. Поразительная закономерность, с которой всегда повторялись одни и те же гибридные формы при оплодотворении между двумя одинаковыми видами, дала толчок к дальнейшим опытам, задачей которых было проследить развитие гибридов в их потомках».

Методика опытов Менделя была основана на том, что скрещиваемые организмы (например, два сорта гороха) отличались друг от друга одним или несколькими, передающимися по наследству свойствами (например, один сорт гороха имел гладкую поверхность семян, а другой — морщинистую).

Результаты опытов Менделя представлены на рис. 1. На этом рисунке P₁и Р₂ —исходные формы гороха; F₁,F₂,F₃,F₄- поколения гибридов; светлые кружки - семена гороха с гладкой поверхностью семян, заштрихованные - с морщинистой поверхностью. Из рисунка видно, что в гибридах первого поколения все зерна гороха имеют признак, свойственный первой исходной форме гороха, т. е. все зерна имеют гладкую поверхность. Это значит, что признак первой исходной формы горохаP₁является подавляющим, доминантным, а признак второй исходной формы горохаP2- подавляемым, рецессивным.

Но самое интересное заключается в том - и это было опытным путем доказано Менделем, - что в последующих поколениях гибридов (при самоопылении) снова проявляются оба признака: гладкая поверхность семян и морщинистая поверхность. Причем во втором поколении гибридов (F₂) в соотношенииP₁:Р₂ = 3:1. В последующих поколениях гибридовF₃, F₄, доля семян гороха с рецессивным признаком Р₂возрастает, т. е. дело идет к дальнейшему расщеплению свойств.

Мендель дал, как теперь можно судить, в принципе правильное объяснение своим опытам. Он предполагал, что отдельные частицы наследственного вещества (теперь их по предложению одного из основоположников современной генетики датского биолога Вильгельма Людвига Иогансена(1857 - 1927) называют генами), от которых зависят определенные наследуемые признаки, имеют в организме известную самостоятельность. Самостоятельность этих частиц, невозможность их слияния между собой в процессе размножения являются причинами расщепления.

Мендель считал, что в каждом организме (в ядре каждой клетки организма) имеется по две частицы наследственного вещества, определяющих какое-либо передающееся по наследству свойство. Гибриды между двумя сортами в процессе размножения получают от своих родителей по одной частице от каждого вещества, определяющего данный признак. Если обозначить буквой Rдоминантный признак одного из родителей, а рецессивный другого - буквойr, то в первом гибридном поколении все возможные сочетания будут одинаковы:Rr.И так какR- доминантный, а r - рецессивный признак, то все первое гибридное поколение будет обладать свойствомR. Во всех последующих самоопыляющихся гибридных поколениях возможны сочетанияRR,Rr,rRи rr, причем первые три сочетания, т. е. те, где участвует доминантный признакR, будут иметь свойство R.Именно поэтому во втором гибридном поколении справедливо соотношениеP₁:P₂ = 3 : l. В последующих гибридных поколениях расщепление продолжается.

К сожалению, как уже говорилось, прекрасные опыты Менделя и его глубокое толкование их результатов оставались практически неизвестными до 1900 г.

Генетика

Если говорить предельно сжато, то менделизм - учение об основных закономерностях наследственности, положившее начало генетике как науке, сыграло революционизирующую роль в развитии биологии, доказало, что признаки наследственности имеют корпускулярную, дискретную природу, а их передача от одного поколения к другому происходит по законам статистики.

Получившие в дальнейшем полное подтверждение и объяснение на основе хромосомной теории наследственности законы Менделя, установленные им в результате опытов по гибридизации сортов, включают: закон единообразия гибридов первого поколения; закон расщепления гибридов второго поколения; закон независимого расщепления признаков. В 20 в. генетика - наука о законах наследственности и изменчивости организмов - получила особенно быстрое развитие. Основу генетики составили законы Менделя и установленная американским биологом Томасом Хантом Морганом(1866 - 1945) и его учениками хромосомная теория наследственности. Хромосомы представляют собой структурные элементы ядра клетки, содержащие дезоксирибонуклеиновую кислоту, коротко ДНК, являющуюся носителем наследственной информации организма.

ДНК - высокомолекулярное соединение, молекула которого, состоящая из двух так называемых полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль, является важнейшим компонентом хромосом всех организмов, за исключением некоторых вирусов, содержащих рибонуклеиновую кислоту, коротко РНК. При делении клеток ДНК точно воспроизводится. Именно это обеспечивает передачу наследственных признаков от поколения к поколению. Американский биохимик Джеймс Дьюи Уотсон(р. 1928) и английский биофизикФрэнсис Харри Комптон Крик(р. 1916) в 1953 г. создали модель структуры ДНК (двойную спираль), которая дала возможность объяснить многие свойства ДНК и, по существу, положила начало молекулярной генетике.

Как уже говорилось, Мендель установил дискретный характер наследственных признаков. А в 1909 г. один из основоположников современной генетики - датский биолог Вильгельм Людвиг Иогансен, создавший учение о чистых линиях и заложивший основы современных принципов селекции, ввел термин «ген» - единицу наследственного материала, ответственную за передачу какого-либо наследуемого признака. У высших организмов гены входят в состав хромосом как участки молекулы ДНК. Совокупность всех генов организма составляет его генетическую конструкцию - генотип.

Рибонуклеиновые кислоты, присутствующие в клетках всех живых организмов и участвующие в реализации генетической информации, также являются высокомолекулярными соединениями; они подразделяются на три основных типа: матричные, или информационные, транспортные и рибосомальные.

Как же происходит передача «записанной» в молекулах ДНК наследственной информации? По современным представлениям делается это так. Первый этап - транскрипция - происходит на соответствующих участках ДНК хромосомы и состоит в перенесении генетической информации ДНК в молекулы рибосомальной РНК (р-РНК). Следующий этап - транспортировка генетической информации, записанной теперь в молекулах р-РНК, на рибосомы (внутриклеточные частицы, состоящие из РНК и белков) с помощью транспортной РНК (т-РНК). Порядок расположения аминокислот в белковых молекулах контролируется информационной РНК (и-РНК). У некоторых микроорганизмов имеются так называемые структурные гены; они контролируют синтез полипептидных цепей белков. В целом гены составляют сложную систему.

Важным событием в развитии генетики было открытие мутаций (от лат. mutatio -изменение) - возникающих внезапно изменений в наследственной системе организмов и потому приводящих к устойчивому изменению свойств гибридов, передаваемых далее по наследству. Своим возникновением мутации обязаны либо случайным в развитии организма событиям (их обычно называют естественными или спонтанными мутациями), либо искусственно вызываемым воздействиям (такие мутации часто именуют индуцированными). Все виды живых организмов (как растительных, так и животных) способны мутировать, т. е. давать мутации. Это явление - внезапное возникновение новых, передающихся по наследству свойств - известно в биологии давно. Однако систематическое изучение мутаций было начато голландским ученымХуго де Фризом(1848 - 1935), установившим и сам термин - мутации. Было обнаружено, что индуцированные мутации могут возникать в результате радиоактивного облучения организмов, а также могут быть вызваны воздействием некоторых химических веществ.

Следует отметить первооткрывателей всего того, что связано с мутациями. Российский ученый-микробиолог Георгий Адамович Надсон(1867 - 1940) вместе со своими коллегами и учениками установил в 1925 г. воздействие радиоизлучения на наследственную изменчивость у грибов.

Известный американский генетик, один из основоположников радиационной генетики, Герман Джозеф Мёллер(1890 - 1967), работавший в течение 1933 - 1937 гг. в СССР, обнаружил в 1927 г. в опытах с дрозофилами сильное мутагенное действие рентгеновских лучей. В дальнейшем было установлено, что не только рентгеновское, но и любое ионизированное излучение вызывает мутации.

Российские ученые-генетики Максим Николаевич Мейсель (1901 - 1982), Владимир Владимирович Сахаров(1902 - 1960),Михаил Ефимович Лобашев (1907 - 1971) обнаружили в 1928 - 1934 гг. мутагенное воздействие на организмы некоторых химических веществ. Эти работы были успешно продолженыИосифом Абрамовичем Рапопортоми другими советскими и иностранными учеными.

Дальнейшее развитие биологии и входящей в нее составной частью генетики, во-первых, еще более укрепило дарвиновскую теорию эволюции живого мира и, во-вторых, дало более глубокое толкование (соответствующее достигнутым успехам в биологии) понятиям изменчивость и наследственность, а следовательно, всему процессу эволюции живого мира.

Развитие генетики создало современные основы селекции, превратило ее из экспериментальной в основном науки, опирающейся на опыт и интуицию, в науку, обоснованную теоретически.

Одним из важнейших факторов эволюции биологических форм как в естественных условиях (в природе), так и в селекции (подбор пар для скрещивания) является гибридизация.