Geum.ru

О. П. Чернушич Предмет, задачи и особенности современного естествознания Естествознание это комплекс наук, изучающих явления и закон

Вид материалаЗакон
Подобный материал:
1   2   3
эволюционная гипотеза;

2) гипотеза панспермии, предполагающая, что земная жизнь имеет космическое происхождение;

3) гипотеза креационизма, считающая, что происхождение мира, жизни и человека есть результат божественного творения и отрицающая изменение видов и их историческое развитие.

По понятным причинам в этой лекции мы остановимся только на первой, прекрасно осознавая, что и в ней достаточно много основополагающих вопросов, пока остающихся без четких ответов. Причем чем ближе в своем исследовании мы приближаемся к началу мироздания, тем таких вопросов становится больше. Именно поэтому мы и вынуждены называть данные умозаключения гипотезами, а не законченными теориями.

По-видимому, переход неживой материи к живой произошел после возникновения двух основополагающих жизненных систем – системы обмена веществ и системы воспроизводства материальных основ жизни.

Система обмена веществ поддерживает равновесное состояние живого организма. Такая сложная задача решается путем отбора и синтеза нужных организму веществ. При этом из организма выводятся все не усвоенные им вещества.

Система воспроизведения материальных основ жизни содержит в закодированном виде полную информацию для развития и воспроизведения живого организма. Ключевая роль при этом принадлежит природному полимерному соединению - дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК), выполняющей функции носителя генетической информации и рибонуклеиновой кислоте (РНК), которая служит для передачи информации от хромосом к местам синтеза белков.

Рассматривая вопрос о зарождении живых организмов, следует назвать еще одну важнейшую отличительную особенность, связанную с оптической активностью органических веществ живых организмов, т.е. способность поворачивать плоскость поляризации либо влево, либо вправо. Все белковые молекулы живых организмов поворачивают плоскость поляризации влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию – L – конфигурацию, а молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК – только вправо, т.е. обладает правой или D – конфигурацией. Этот факт тем более удивителен, что при синтезе органических соединений аналогичного состава в лабораторных условиях образуется примерно одинаковое число молекул с правой и левой конфигурацией, поэтому их плоскость поляризации не поворачивается.

Молекулы, имеющие одинаковый химический состав, отличаются своей пространственной структурой, как левая и правая рука. Смесь органических молекул обеих конфигураций называется рацематом. Предполагается, что в преджизненный период образования органических соединений существовал только рацемат. При зарождении жизни произошла сортировка молекул, появилась хиральность (зеркальная симметрия органических молекул) и в белках отсортировались молекулы с L – конфигурацией, а в ДНК и РНК – молекулы с D – конфигурацией. Согласно современным представлениям о происхождении жизни на Земле, выбор органическими молекулами определенного вида зеркальной симметрии послужил главной предпосылкой их выживания и последующего самовоспроизводства. Однако вопрос, как и почему произошла такой выбор, - до сих пор остается одной из самых больших загадок естествознания.

Несмотря на существенные различия между живой и неживой материей, их объединяет то, что в состав клеток живых организмов входят те же химические элементы, которые встречаются в неживой природе. Так, 75 – 85% массы клетки составляет вода, 10 – 20% - белки, 1 – 5% - жиры, 0.2 – 2% - углеводы, 1 – 2% - нуклеиновые кислоты, о.1 – 0.5% - низкомолекулярные органические соединения, 1 – 1.5% - неорганические вещества. И все эти органические и неорганические соединения состоят из 80 химических элементов Периодической таблицы Д.И.Менделеева. Химических элементов, свойственных только живой материи, в природе не существует. Это и есть одно из доказательств общности живой и неживой материи.

Хранение и передачу наследственной информации в живых организмах обеспечивают природные органические полимеры – нуклеиновые кислоты. Различают их две разновидности – ДНК и РНК. В состав ДНК входят азотистые основания (аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц)), дезоксирибоза C5H10O4 и остаток фосфорной кислоты. В состав РНК вместо тимина входит урацил (У), а вместо дезоксирибозы – рибоза (C5H10O5). Мономерами ДНК и РНК являются нуклеотиды, которые состоят из азотистых, пуриновых (аденин и гуанин) и пиримидиновых (урацил, тимин и цитозин) оснований, остатка фосфорной кислоты и углеводов (рибозы и дезокрибозы).

Молекулы ДНК содержатся в хромосомах ядра клетки живых организмов, в эквивалентных структурах митохондрий, хлоропластов, в прокариотных клетках и во многих вирусах. По своей структуре молекула ДНК похожа на двойную спираль.

Нуклеотиды соединяются в цепь посредством ковалентных связей. Образованные таким образом цепи нуклеотидов объединяются в одну молекулу ДНК по всей длине водородными связями: адениновый нклеотид одной цепи соединяется с тиминовым нуклеотидом другой цепи, а гуаниновый с цитозиновым. При этом аденин всегда распознает только тимин и связывается с ним и наоборот. Подобную пару образуют гуанин и цитозин. Такие пары оснований, как и нуклеотиды, называются комплементарными, а сам принцип формирования двухцепочной молекулы ДНК – принципом комплементарности. Число нуклеотидных пар, например, в организме человека составляет 3 – 3.5 млрд.

ДНК – материальный носитель наследственной информации, которая кодируется последовательностью нуклеотидов. Расположение четырех типов нуклеотидов в цепях ДНК определяет последовательность аминокислот в молекулах белка, т.е. их первичную структуру. От набора белков зависят свойства клеток и индивидуальные признаки организмов. Определенное сочетание нуклеотидов, несущих информацию о структуре белка, и последовательность их расположения в молекуле ДНК образуют генетический код. Ген – единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо признака. Он занимает участок молекулы ДНК, определяющий структуру одной молекулы белка. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма, называется геномом, а генетическая конституция организма (совокупность всех его генов) – генотипом. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК, а, следовательно, в генотипе приводит к наследственным изменениям в организме – мутациям.

Генетический код обладает удивительными свойствами. Главное из них - триплетность: одна аминокислота кодируется тремя рядом расположенными нуклеодидами – триплетом, называемым кодоном. При этом каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Другое не менее важное свойство – код един для всего живого на Земле. Это свойство генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.

Для молекул ДНК характерно важное свойство удвоения – образования двух одинаковых двойных спиралей, каждая из которых идентична исходной молекуле. Такой процесс удвоения молекулы ДНК называется репликацией. Репликация включает в себя разрыв старых и формирование новых водородных связей, объединяющих цепи нуклеотидов. В начале репликации две старые цепи начинают раскручиваться и отделяться друг от друга. Затем по принципу комплементарности к двум старым цепям пристраиваются новые. Так образуются две идентичные двойные спирали. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передает ее по наследству от поколения к поколению.

Кодирование генетической информации и репликация молекул ДНК – два важнейших взаимосвязанных процесса, составляющих основу развития и воспроизведения живых организмов.

Белки важнейшая составляющая живых клеток – представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков 20 аминокислот. Аминокислоты – органические соединения, в состав которых входят карбоксильные группы COOH, аминогруппа NH2 и углеводородный радикал. По своей структуре белки относятся к полимерам. Их молекулы имеют форму длинных цепей, состоящих из повторяющихся молекул – мономеров.

Образование молекул белков в клетках из аминокислот называется биосинтезом. В процессе биосинтеза белков определяющую роль играет генетическая информация об их структуре. Биосинтез белков состоит из двух этапов: транскрипции и трансляции. Транскрипция – это синтез молекул всех типов РНК на одной из цепей молекулы ДНК при помощи ферментов РНК - полимеразы. Трансляция – перевод информационной РНК в последовательность аминокислот. Сборка одной молекулы белка, состоящей из 200 – 300 аминокислот, происходит за 1 – 2 мин и требует сравнительно больших затрат энергии.

Во всех живых организмах белки играют исключительно важную роль: они участвуют в построении клеток и тканей, являются биокатализаторами (ферментами), гормонами, защитными веществами и др.

Все живые существа (как животные, так и растения) состоят из клеток. Из клеток строятся ткани, из тканей – различные органы и их системы. Клетка представляет собой элементарную живую систему, основу строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Клетки могут существовать как самостоятельные организмы (простейшие, бактерии), так и в составе многоклеточных организмов. Размеры клеток варьируются в пределах от 0.1 – 0.25 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Тело взрослого человека состоит из 1015 клеток, а число различных видов клеток у человека – боле 200.

Клетка способна питаться, расти и размножаться, вследствие чего ее можно считать живым организмом. Составляющие ее части лишены жизненных функций.

Все клетки состоят из трех основных частей – плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно, цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, содержащего носитель генетической информации. Все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли - цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. Обычно растительные клетки окружены оболочкой – клеточной стенкой. Кроме того, они включают пластиды - цитоплазматические органоиды (специализированные структуры клеток), нередко содержащие пигменты, обусловливающие их окраску.

Окружающая клетку плазматическая мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Она обладает избирательной проницаемостью и поддерживает нормальную концентрацию солей, сахаров, аминокислот и других продуктов обмена веществ. Изменение проницаемости наружной мембраны – первый признак гибели клетки.

Внутри клеточной плазматической мембраны находится цитоплазма, содержащая водный раствор солей с растворимыми ферментами и другими веществами. В цитоплазме располагаются разнообразные органеллы – маленькие органы, окруженные своими мембранами. К органеллам, в частности, относятся митохондрии – мешковидные образования с дыхательными ферментами. В них превращается сахар и высвобождается энергия. В цитоплазме есть и небольшие тельца – рибосомы, состоящие из белка и нуклеиновой кислоты (РНК) и принимающие участие в биосинтезе белка. Внутриклеточная среда достаточно вязкая, несмотря на то, что 75 – 85% массы клетки составляет вода. Во всех жизнеспособных клетках содержится ядро. Ядро – важнейшая часть клетки, без него клетка гибнет. В ядре находятся хромосомы – длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты и присоединенного к ней белка.

Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние. При делении дочерней клетке передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию материнской клетки, для чего вначале число хромосом в клетке удваивается и затем каждая дочерняя клетка получает по одному их набору. Такой процесс деления клеток, обеспечивающий равное распределение генетического материала между дочерними клетками называется митозом.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы: прокариоты и эукариоты. К прокариотам относятся бактерии, а к эукариотам – все остальные организмы – простейшие, грибы, растения и животные. Эукариоты бывают одноклеточными и многоклеточными. Прокариоты все одноклеточные. В них нет четко очерченного ядра: молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. Их деление происходит без митоза. Размеры прокариотов относительно небольшие, в то же время наследование признаков в них основано на передаче ДНК дочерним клеткам. Предполагается, что первыми организмами, появившимися около 3.5 млрд. лет назад, были прокариоты.

Принято считать, что главная причина старения организма – утеря генетической информации. Молекулы ДНК постепенно повреждаются мутациями, что приводит к гибели клеток и всего организма. Поврежденные участки молекулы ДНК способны восстанавливаться благодаря репаративным ферментам. Хотя их возможности ограничены, но они играют важную роль в продлении жизни организма.

Появление научной мысли в биосфере в перспективе неизбежно полностью ее видоизменит. По убеждению академика В.И.Вернадского преобразование биосферы грядет неизбежно и необратимо. Ученый назвал трансформированную биосферу ноосферой. Под ноосферой он понимал не выделенный над биосферой “мыслящий пласт”, а качественно новое ее состояние.