158449 (Концепции современного естествознания), страница 6

Структурная химия представляет собой уровень развития химических знаний, на котором доминирует понятие “структура”, т.е. структура молекулы, макромолекулы, монокристалла. “Структура - это устойчивая упорядоченность качественно неизменной системы, каковой является молекула”.

С возникновением структурной химии у химической науки появились неизвестные ранее возможности целенаправленного качественного влияния на преобразование вещества. Ещё в 1857 г. немецкий химик Ф.А. Кекуле показал что углерод четырёхвалентен, и это даёт возможность присоединить к нему до четырёх элементов одновалентного водорода. Азот может присоединить до трёх одновалентных элементов, кислород – до двух. Эта схема Кекуле натолкнула исследователей на понимание механизма получения новых химических соединений. А.М. Бутлеров заметил, что в таких соединениях большую роль играет энергия, с которой вещества связываются между собой. В настоящее время на уровне структуры молекулы понимается и пространственная, и энергетическая упорядоченность.

В 60 – 80-е гг. прошлого века появился термин “органический синтез”. Из аммиака и каменноугольной смолы были получены анилиновые красители – фуксин, анилиновая соль, ализарин, а позднее – взрывчатые вещества и лекарственные препараты – аспирин и др. Структурная химия дала повод для оптимистических заявлений что химики могут всё.

Структурная химия неорганических соединений ищет пути получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми сегодняшним уровнем развития науки и техники. Решение этих вопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации. Поэтому такие кристаллы выращивают в космосе, на орбитальных станциях.

5. 5. Учение о химических процессах

Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в живой, так и в неживой природе. Эти процессы изучает химия, физика, биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача - научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удаётся осуществить, хотя в принципе они осуществимы; другие трудно остановить – реакция горения, взрывы, а часть из них трудно управляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов. Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.

Все химические реакции имеют свойство обратимости, происходит перераспределение химических связей. Обратимость удерживает равновесие между прямой и обратной реакциями. В действительности равновесие зависит от условий происхождения процесса и чистоты реагентов. Смещение равновесия в ту или другую стороны требует специальных способов управления реакциями. Например, реакция получения аммиака:

N₂ + 3N₂ = N₃

Эта реакция проста по составу элементов и своей структуре. Однако на протяжении целого столетия с 1813 по 1913 гг. химики не могли её провести в законченном виде, так как не были известны средства управления ею. Она была осуществима только после открытия соответствующих законов нидерландским и французским физико–химиками Я.Х. Вант – Гофом и А.Л. Ле – Шателье. Было установлено, что “синтез аммиака происходит на поверхности твёрдого катализатора при сдвиге равновесия за счёт высоких давлений”.

Все проблемы, связанные с такими сложными процессами, как, например, получение аммиака, решает химическая кинетика. Она устанавливает зависимость химических реакций от различных факторов – от строения и концентрации реагентов, наличия катализаторов, от строения и концентрации реакторов и т.д.

5. 6. Эволюционная химия

Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненной материи возникает органическая основа жизни на Земле. Какая лаборатория этого процесса – лаборатория, в которой без участия человека получаются новые химические соединения, более сложные, чем исходные вещества?

И.Я. Берцелиус первым установил, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя её протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что служит идеалом для многих химиков. Идеалом совершенства считали “живую лабораторию” немецкий учёный Ю. Либих, француз П.Э.М. Бертело и другие учёные.

Современные химики считают, что на основе изучения химии организмов можно будет создать новое управление химическими процессами, а это позволит более экономично использовать имеющиеся в природе материалы и извлекать из них большую пользу. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука разработала ряд методов – изучение и использование приёмов живой природы, применения отдельных ферментов для моделирования биокатализаторов, освоение механизмов живой природы, развитие исследований с целью применения принципов биокатализа в химических процессах и химической технологии.

Функциональный подход к объяснению предбиологической эволюции сосредоточен на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Это в основном позиции физиков и математиков. Крайняя точка зрения здесь склоняется к тому, что живые системы могут быть смоделированы даже из металлических.

В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая ранее в самых общих положениях профессором Московского университета А.П. Руденко. Используя рациональность субстратного и функционального подходов, она отвечает на вопросы “о движущих силах и механизме эволюционного процесса, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, высоте химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции”.

ГЛАВА 6. Особенности биологического уровня организации материи. Проблемы генетики

6. 1. Предмет биологии. Её структура и этапы развития.

Биология – это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

Современная биологическая наука – результат длительного процесса развития. Интерес к познанию живого у человека возник очень давно, он был связан с его потребностями – в пище, лекарствах, одежде, жилье и т.д.

Но только в нервных древних цивилизованных обществах люди стали изучать живые организмы более тщательно. Одним из первых биологов древности был Аристотель.

В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе.

Структуру можно рассматривать с разных точек зрения.

По объектам исследования биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.

По свойствам, проявлениям живого в биологии выделяются: морфология – наука о строении живых организмов; физиология – наука о функционировании организмов; молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток; экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой; генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости.

По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются: анатомия, изучающая макроскопическое строение животных; гистология, изучающая строение тканей; цитология исследующая строение живых клеток.

В развитии биологии выделяют три основных этапа: 1) систематики (К.Линней), 2) эволюционный (Ч. Дарвин), 3) биологии микромира (Г.Мендель) Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого, самих основ биологического мышления.

6.2. Сущность живого, его основные признаки

Дать точное определение живого весьма не просто. И это люди поняли очень давно.

Современная биология при описании живого идёт по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчёркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.

К числу свойств живого относят следующие признаки:

• Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой.

• Живые организмы получают энергию из окружающей среды. Большинство из них использует солнечную энергию.

• Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешние раздражения – универсальное свойство живого.

• Живые организмы не только изменяются, но и усложняются.

• Всё живое размножается.

• Сходство потомства с родителями обусловлено генетически. Вместе с тем существуют механизмы изменчивости. Это определяет эволюцию всех видов живой природы.

• Живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни.

Из совокупности этих признаков следует определение сущности живого: жизнь есть форма существования сложных открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.

Главный критерий жизни – способность живых организмов сохранять и передавать информацию.

6.3. Структурные уровни живого

• На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы, живого мира. Наиболее распространённым является выделение на основе критерия масштабности:

• Биосферный – включающий всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.

• Уровень биогеоценозов выражает следующую степень структуры живого, состоящую из участков Земли с определённым составом живых и неживых организмов (экосистему).

• Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.

• Организменный и органно-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, поведение, физиологию, а также строение и функции органов и тканей.

• Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.

• Молекулярный уровень составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.

Разделение живой материи на уровни является весьма условным.

6.4.Клетка как “первокирпичик” живого, её строение и функционирование. Механизм управления клеткой

Фундаментальная частица в биологии – живая клетка. Именно она является мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе и носителем генетической информации .

Создание клеточной теории, основы которой были полжены немецкими учёными Т.Шванном и М.Я. Шлейденом, стало одним из крупнейших достижений биологии XIX в.

Размеры клеток колеблются от одной тысячной сантиметра до 10см, что, правда, встречается редко.

Клетки образуют ткани (нервная, мышечная и т.д.), а несколько типов тканей – органы (сердце, лёгкие и пр.) Группы органов, связанные с решением каких –то общих задач, называют системами органов.

Обмен веществ - важнейшее свойство всего живого. Это свойство называют метаболизмом клеток.

К миру живого относят также вирусы, которые не имеют клеточной структуры. Кроме того, существуют некоторые организмы с клеточным строением, клетки которых не имеют ядра. Это прокариоты.

6.5. Принципы биологической эволюции

На протяжении тысячелетий господствовало элементарное объяснение, которое состояло в том, что будто бы все виды организмов были созданы однажды в их нынешних формах и больше никогда не изменялись. Эта концепция получила название креационизма.

Используя рациональные методы, ряд учёных (Ж.Л. Бюффон, во Франции, Э.Дарвин (дед Ч.Дарвина) в Англии, И.В.Гете в Германии, М.В. Ломоносов в России ) пришли к выводу, что организмы, населяющие Землю, не неизменны, а претерпевают эволюцию.

Интенсивное проникновение эволюционной парадигмы в биологию началось в конце XVIII в. благодаря работам выдающегося французского биолога Ж.Б. Ламарка. Он объяснил изменчивость видов влиянием внешней среды (питание, климат) и наследственности.

Проблемы, поставленные Ламарком, были успешно решены Дарвином. Он разработал теорию эволюции.

С точки зрения теории эволюции, всё многообразие живой природы является результатом действия наследственности, изменчивости, и естественного отбора.

Эволюция есть направленный процесс исторического изменения живых организмов.

6.6. Предмет генетики. Генетика и практика

Генетика – это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими.

Центральным понятием генетики является “ген”. Это элементарная единица наследственности, характеризующаяся рядом признаков.

В основу генетики легли закономерности наследственности, обнаруженные австрийским биологом Г. Менделем при проведении им серии опытов по скрещиванию различных сортов гороха.

Основные направления исследований учёных – генетиков:

• Изучение молекул нуклеиновых кислот, являющихся хранителями генетической информации каждого вида живого, единицами наследственности.

• Исследование механизмов и закономерностей передачи генетической информации.

• Изучение механизмов реализации генетической информации в конкретные признаки и свойства живого.

• Выяснение причин и механизмов изменения генетической информации на разных этапах развития организма.

6. 7. Биоэтика