«Концепция современного естествознания»

Вид материала

Документы

Содержание Химические соединения. Закон Ж.Пруста, Дж. Дальтона, А. Авогадро. Закон Авога́дро Структурная химия. Проблемы и решения. Проблемы и решения Учение о химических процессах. Проблемы и решения. Эволюционная химия - высшая ступень развития химических знаний. Биология в естествознании. Традиционная или натуралистическая биология. Биологическая система К.Линнея. Физико-химическая биология: общий обзор. Эволюционная биология. Теория эволюции Ч.Дарвина. Формы и уровни жизни. Происхождение жизни. А.И.Опарин. Современное развитие эволюционной теории Ч.Дарвина. Молекулярно-генетический подход. Законы генетики Менделя. Открытие генетической роли нуклеиновых кислот. Открытие молекулярных механизмов генетической репродукции и биосинтеза белка (Дж.Бидл, Э.Тэйтум). Молекулярно-генетические механизмы изменчивости. Молекулярные основы обмена веществ. 39. Онтогенетический уровень жизни.

Подобный материал:

• Концепция современного естествознания Глава 1: Предмет естествознания, 397.47kb.
• Н. И. Константинова концепции современного естествознания учебное пособие, 2191.08kb.
• Концепция современного естествознания Пакеты прикладных программ, 22.6kb.
• Концепция современного естествознания Медико-биологические основы физической культуры, 366.1kb.
• Экзаменационные вопросы по дисциплине «концепции современного естествознания» Структура, 33.61kb.
• В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 8133.34kb.
• Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
• Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
• Концепции современного естествознания, 52.76kb.

Химические соединения. Закон Ж.Пруста, Дж. Дальтона, А. Авогадро.

Хими́ческое соедине́ние — сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или нескольких элементов (гетероядерные молекулы). Некоторые простые вещества также могут рассматриваться как химические соединения, если их молекулы состоят из атомов, соединённых ковалентной связью (азот, кислород, иод, бром, хлор, фтор, предположительно астат). Состав химического соединения записывается в виде химических формул, а строение часто изображается структурными формулами.

В подавляющем большинстве случаев химические соединения подчиняется закону постоянства состава и закону кратных отношений. Однако известны довольно многочисленные соединения переменного состава (бертоллиды), например:

PaO2,18—PaO2,21.

Химические соединения получают в результате химических реакций. Сложные вещества могут разлагаться с образованием нескольких других веществ. Образование химических соединений сопровождается выделением (экзотермическая реакция) или поглощением (эндотермическая реакция) энергии. Физические и химические свойства химических соединений отличаются от свойств веществ, из которых они получены. Химические соединения разделяются на неорганические и органические. Известно более 100 тыс. неорганических и более 3 млн органических соединений. Каждое химическое соединение, которое описано в литературе, имеет уникальный идентификатор — CAS-номер.

Сложные вещества:

• оксиды (H2O, CaO, CO2, P2O5 (P4O10) и др.)
  
• основания (Na(OH), Ca(OH)2, Al(OH)3, Fe(OH)3 и др.)
  
• кислоты (HCl, HNO3, H2SO4, H3PO4 и др.)
  
• соли (NaCl, KNO3, Fe2(SO4)3, LiBr и др.)
  

Закон постоянства состава (Ж.Л. Пруст, 1801—1808гг.) — любое определенное химически чистое соединение независимо от способа его получения состоит из одних и тех же химических элементов, причем отношения их масс постоянны, а относительные числа их атомов выражаются целыми числами. Это один из основных законов химии.

Закон постоянства состава не выполняется для бертоллидов (соединений переменного состава). Однако условно для простоты состав многих бертоллидов записывают как постоянный. Например, состав оксида железа(II) записывают в виде FeO (вместо более точной формулы Fe1-xO).

Продолжая исследования, Дальтон через некоторое время опубликовал таблицу относительных атомных весов шести элементов — водорода, кислорода, азота, углерода, серы, фосфора, приняв массу водорода равной 1. Заметим, что Дальтон не дал описания способа, которым он определил относительные веса, но в его записях от 6 сентября 1803 года мы находим таблицу расчета этих параметров на основе данных различных химиков по анализу воды, аммиака, диоксида углерода и других веществ.

Столкнувшись с проблемой расчета относительного диаметра атомов (из которых, как считал ученый, состоят все газы), Дальтон использовал результаты химических экспериментов. Предполагая, что любое химическое превращение всегда происходит по наиболее простому пути, Дальтон приходит к выводу — химическая реакция возможна лишь между частицами различных весов. С этого момента концепция Дальтона перестает быть простым отражением идей Демокрита. Распространение этой теории на вещества привело исследователя к закону кратных отношений, а эксперимент идеально подтвердил его вывод.

Стоит отметить, закон кратных отношений был предугадан Дальтоном в докладе, посвященном описанию содержания различных газов в атмосфере, прочтенном в ноябре 1802 года: «Кислород может соединяться с определенным количеством азота, или уже с удвоенным таким же, но не может быть какого-либо промежуточного значения количества вещества». Существует мнение, что это предложение было добавлено некоторое время спустя после прочтения доклада, однако опубликовано лишь в 1805 году.

В работе «Новый курс химической философии» все вещества были разбиты Дальтоном на двойные, тройные, четверные и т. п. (в зависимости от количества атомов в молекуле). Фактически, он предложил классифицировать структуры соединений по общему количеству атомов — один атом элемента X, соединяясь с одним атомом элемента Y, дает двойное соединение. Если же один атом элемента X соединяется с двумя Y (или наоборот), то такое соединение будет тройным.

Различные атомы и молекулы в книге Джона Дальтона Новый курс химической философии (1808).

Для визуализации своей теории Дальтон использовал собственную систему символов, также представленную в «Новом курсе химической философии».

Закон Авога́дро — одно из важных основных положений химии, гласящее, что «в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковых температуре и давлении, содержится одно и то же число молекул». Было сформулировано ещё в 1811 году Амедео Авогадро (1776—1856), профессором физики в Турине.

Первые количественные исследования реакций между газами принадлежат французскому ученому Гей-Люссаку. Он является автором законов о тепловом расширении газов и закона объемных отношений. Эти законы были объяснены в 1811 году итальянским физиком Амедео Авогадро.

25. Структурная химия. Проблемы и решения.
    

Структурная химия — раздел, область химии, изучающая связь различных физических и физико-химических свойств различных веществ с их химическим строением и реакционной способностью. Структурная химия рассматривает не только геометрическое строение молекул; изучению подвергается следующее — длины химических связей, валентные углы, координационные числа, конформации и конфигурации молекул; эффекты их взаимного влияния, ароматичность.

Структурная химия положил начало триумфальному шествием органического синтеза, но она ограничена сведениями только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии, чего недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения этого вещества. Так, согласно структурным теориям, должны быть вполне осуществимы многие реакции, которые практически не идут. Большое количество реакций органического синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют столь низкие выходы продукции и такие большие отходы в виде побочных продуктов, что не могут быть использованы в промышленности. К тому же такой синтез требовал в качестве исходного сырья дефицитных активных реагентов и сельскохозяйственной продукции, в том числе и пищевой, что крайне невыгодно в экономическом отношении.

Современная структурная химия достигла больших результатов: химики заявляли о своих ничем не сдерживаемых возможностях, и за вторую половину XIX века число было вновь синтезированы более миллиона новых химических соединений, большая часть современных лекарственных препаратов - это продукты органического синтеза.

Проблемы и решения - речь идет об особом уровне развития химических знаний, на котором главенствующую роль играет структура молекулы реагента.

Свойства веществ, и их качественное разнообразие, обусловлены не только их составом, но и структурой их молекул.

Химия превращается из аналитической науки, занимающейся изучением состава готовых веществ, в науку преимущественно синтетическую, способную создавать новые вещества и новые материалы.

26. Учение о химических процессах. Проблемы и решения.
    

Учение о химических процессах является следующим по сложности уровнем химических знаний. Способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется и условием протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результат химических реакций. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на:

1. термодинамические, влияющие на направленность химических процессов

2. кинетические, влияющие на скорость химических процессов (ведущую роль здесь играют каталитические методы).

Учение о химических процессах - это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. На этом уровне развития химических знаний химия становится наукой не только о веществах, как законченных предметах, а наукой о процессах и механизмах превращений веществ.

Благодаря этому химия обеспечила: много тоннажное производство синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах; пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов; производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта и многих растворителей на базе нефтяного сырья; производство азотных удобрений на основе азота воздуха; появление технологии нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.

Среди большого количества проблем: в одних случаях их просто не удается осуществить, в других случаях их трудно остановить, например, реакции горения и взрыва, в третьих случаях их невероятно трудно ввести в одно желательное русло, т.к. они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием нескольких побочных продуктов.

В основе учения о химических процессах находится химическая термодинамика (термодинамические методы которой позволили управлять химическими процессами только в аспекте их направления в прямую или обратную стороны) и кинетика (выполняющая функцию управления скоростью химических процессов).

27. Эволюционная химия - высшая ступень развития химических знаний.
    

До недавнего времени об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, химиков не интересовал вопрос о «происхождении видов» вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека: новая молекула конструировалась им по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые организмы из блоков собрать нельзя.

Теперь возникла необходимость решать эволюционные проблемы применительно к своим объектам и у химиков. При этом под эволюционными проблемами следует понимать проблемы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся к тому же более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию считают наукой о самоорганизации и о саморазвитии химических систем.

Истоки возникновения эволюционной химии уходят в далекое прошлое и связаны с давнишней мечтой химиков - «освоить опыт лаборатории живого организма» и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь.

28. Биология в естествознании.
    

Биоло́гия (греч. βιολογία — βίος, биос, «жизнь»; др.-греч. λόγος — учение) — наука о жизни (живой природе), одна из естественных наук, предметом которой являются живые существа и их взаимодействие с окружающей средой. Биология изучает все аспекты жизни, в частности, структуру, функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле. Классифицирует и описывает живые существа, происхождение их видов, взаимодействие между собой и с окружающей средой.

Как особая наука биология выделилась из естественных наук в XIX веке, когда учёные обнаружили, что живые организмы обладают некоторыми общими для всех характеристиками. Термин «биология» был введён независимо несколькими авторами: Фридрихом Бурдахом в 1800 году, в 1802 году Г. Р. Тревиранусом [1] и Жаном Батистом Ламарком.

В основе современной биологии лежат пять фундаментальных принципов: клеточная теория, эволюция, генетика, гомеостаз и энергия[2][3]. В наше время биология — стандартный предмет в средних и высших учебных заведениях всего мира. Ежегодно публикуется более миллиона статей и книг по биологии, медицине и биомедицине.

29. Традиционная или натуралистическая биология. Биологическая система К.Линнея.
    

Традиционная или натуралистическая биология. Ее объектом изучения является живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности -- «Храм природы», как называл ее Эразма Дарвина. Истоки традиционной биологии восходят к средним векам, хотя вполне естественно здесь вспомнить и работы Аристотеля, который рассматривал вопросы биологии, биологического прогресса, пытался систематизировать живые организма («лестница Природы»). Оформление биологии в самостоятельную науку -- натуралистическую биологию приходится на 18-19 века. Первый этап натуралистической биологии ознаменовался созданием классификаций животных и растений. К ним относятся известная классификация К. Линнея (1707 -- 1778), являющаяся традиционной систематизацией растительного мира, а также классификация Ж.-Б. Ламарка, применившего эволюционный подход к классифицированию растений и животных. Традиционная биология не утратила своего значения и в настоящее время. В качестве доказательства приводят положение экологии среди биологических наук а также во всем естествознании. Ее позиции и авторитет в настоящее время чрезвычайно высоки, а она в первую очередь основывается на принципах традиционной биологии, поскольку исследует взаимоотношения организмов между собой (биотические факторы) и со средой обитания (абиотические факторы).

Карл Линней (1707—1778), «Systema Naturae» (1735) была переиздана по меньшей мере тринадцать раз ещё при его жизни. Он разделил природный мир на три царства:

• минеральное,
  
• растительное и
  
• животное.
  

Линней использовал четыре уровня (ранга):

• классы,
  
• отряды,
  
• роды и
  
• виды.
  

Линней определил основные положения научной систематики. Главным в систематике, по мнению Линнея, является построение естественной системы, которая, в отличие от каталожного списка, «сама по себе указывает даже на пропущенные растения». Он же был автором одной из популярных искусственных систем растений, в которой цветковые растения распределялись по классам в зависимости от числа тычинок в цветке.

Введённый Линнеем метод формирования научного названия для каждого из видов используется до сих пор (применявшиеся ранее длинные названия, состоящие из большого количества слов, давали описание видов, но не были строго формализованы). Использование латинского названия из двух слов — название рода, затем видовой эпитет — позволило отделить номенклатуру от таксономии. Данное соглашение о названиях видов получило имя «бинарная номенклатура».

30. Физико-химическая биология: общий обзор.
    

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ - комплексная наука о физико-химических основах жизнедеятельности организмов. Включает биохимию, биофизику, молекулярную биологию и биоорганическую химию. Термин широко употребляется с кон. 70-х гг. 20 в.

На протяжении всей истории развития биологии физические и химические методы были важнейшим инструментом исследования биологических явлений и процессов живой природы. Важность внедрения таких методов в биологию подтверждают экспериментальные результаты, полученные с помощью современных методов исследования, зародившихся в. смежных отраслях естествознания - физике и химии. В этой связи неслучайно в 1970-х годах в отечественном научном лексиконе появился новый термин "физико-химическая биология", состоящий из привычных и давно известных нам слов. Появление этого термина свидетельствует не только о синтезе физических, химических и биологических знаний, но и о качественно новом уровне развития естествознания, в котором происходит непременно взаимное обеспечение отдельных его отраслей. 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 молекулярных 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.

Внедрение физических и химических методов способствовало развитию экспериментальной биологии, у истоков которой стояли крупные ученые: К. Бернар (1813- 1878), Г. Гельмгольц (1821- 1894), Л. Пастер (1822- 1895), И.М. Сеченов (1829- 1905), И.П. Павлов (1849-1936), С.Н. Виноградский (1856- 1953), К.А. Тимирязев (1843- 1920), И.И. Мечников (1845- 1916) и многие другие.

Экспериментальная биология постигает сущность процессов жизнедеятельности преимущественно с применением точных физических и химических методов, при этом иногда прибегая к расчленению биологической целостности, т. е. живого организма с целью проникновения в тайны его функционирования.

Современная экспериментальная биология вооружилась новейшими методами, позволяющими проникнуть в субмикроскопический, молекулярный и надмолекулярный мир живой природы. Можно назвать несколько широко применяемых методов: метод изотопных индикаторов, методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, методы фракционирования, методы прижизненного анализа и др.

31. Эволюционная биология. Теория эволюции Ч.Дарвина.
    

Эволюционная биология - это наука, которая изучает, как происходила и происходит эволюция, исследует механизмы, закономерности и пути эволюции. Выдающийся биолог Феодосий Добржанский сказал: «Биология приобретает смысл только в свете эволюции». Эволюционная биология дает ключ к пониманию принципов, по которым устроена жизнь на Земле. Базируясь на знании эволюционной истории живых организмов и понимании процессов, которые определяют их наследственные изменения и приспособление друг к другу и окружающей среде, эволюционная биология дает объяснение всем биологическим явлениям: от молекулярных до биосферных. Она объясняет, как и почему ныне живущие организмы, включая нас самих, стали такими, какие они сейчас. Эволюционная биология внесла фундаментальный вклад в понимание того, как устроен мир вокруг нас и какое место мы занимаем в этом мире.

Идеи, методы и подходы эволюционной биологии внесли и продолжают вносить фундаментальный вклад во многие отрасли биологии, такие как генетика, молекулярная биология и биология развития, физиология, экология, а также в геологию, палеонтологию, медицину, сельскохозяйственные науки, психологию, антропологию, информатику и другие науки.

Понимание механизмов эволюции чрезвычайно важно для разработки методов сохранения фауны и флоры. Без анализа механизмов эволюции популяций исчезающих видов невозможна разработка эффективных методов их сохранения в природе. Изучение и сравнение геномов различных видов позволяет выделять гены, которые могут оказаться полезными для повышения продуктивности культивируемых растений и домашних животных. Тот же подход используется для выделения и картирования генов, вызывающих наследственные болезни человека. Методы и принципы эволюционной биологии позволяют установить механизмы появления и распространения инфекционных болезней, анализировать эволюцию устойчивости патогенных бактерий и вирусов к лекарственным средствам.

Эволюцио́нное уче́ние (также эволюционизм и эволюционистика) — система идей и концепций в биологии, утверждающих историческое прогрессивное развитие биосферы Земли, составляющих её биогеоценозов, а также отдельных таксонов и видов, которое может быть вписано в глобальный процесс эволюции вселенной. Первые эволюционные идеи выдвигались уже в античности, но только труды Чарльза Дарвина сделали эволюционизм фундаментальной концепцией биологии. Хотя единой и общепризнанной теории биологической эволюции до сих пор не создано, сам факт эволюции сомнению ученых не подвергается, так как имеется огромное число подтверждающих научных фактов и теорий.

32. Формы и уровни жизни.
    

Формы жизни живой и неживой материи:

Организм (позднелат. organismus от позднелат. organizo — устраиваю, сообщаю стройный вид, от др.-греч. ὄργανον — орудие) — живое тело, обладающее совокупностью свойств, отличающих его от неживой материи.

Организм — это основная единица жизни, реальный носитель её свойств, так как только в клетках организма происходят процессы жизни. Как отдельная особь организм входит в состав вида и популяции, являясь структурной единицей популяционно-видового уровня жизни.

Организмы — главный предмет изучения в биологии. Для удобства рассмотрения все организмы распределяются по разным группам и категориям, что составляет биологическую систему их классификации. Самое общее их деление — на ядерные и безъядерные. По числу составляющих организм клеток их делят на внесистематические категории одноклеточных и многоклеточных. Особое место между ними занимают колонии одноклеточных.

Формирование целостного многоклеточного организма — процесс, состоящий из дифференцировки структур (клеток, тканей, органов) и функций и их интеграции как в онтогенезе, так и в филогенезе. Многие организмы организованы в сообщества (например, семья или рабочий коллектив у людей).

Самое главное отличие живых организмов от элементов неживой природы — постоянный обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Вот основные свойства живого:

• Питание — усвоение питательных веществ, пищи живым организмом.
  
• Выделение — процесс вывода ненужных или вредных для организмов продуктов жизнедеятельности.
  
• Движение — изменение тела или частей тела особи в пространстве.
  
• Рост — увеличение массы и размеров особи за счёт процессов биосинтеза.
  
• Развитие — усовершенствование организма в течение жизни.
  
• Раздражимость — способность организма избирательно реагировать на воздействия окружающей среды.
  
• Размножение — воспроизведение себе подобных особей.
  
• Наследственность — свойство передавать потомкам свои признаки.
  

Уровни организации жизни (уровни организации живой материи) — структурная организация биосистем, отражающая их уровневую иерархию в зависимости от степени сложности. Различают шесть основных структурных уровней жизни:

• Молекулярный - Представлен разнообразными молекулами, находящимися в живой клетке;
  
• Клеточный - Представлен свободно живущими клетками и клетками, входящими в многоклеточные организмы;
  
• Организменный - Представлен одноклеточными и многоклеточными организмами растений, животных, грибов и бактерий;
  
• Популяционно-видовой - Представлен в природе огромным разнообразием видов и их популяций;
  
• Биогеоценотический - Представлен разнообразием естественных и культурных биогеоценозов во всех средах жизни;
  
• Биосферный - Представлен высшей, глобальной формой организации биосистем — биосферой.
  

33. Происхождение жизни. А.И.Опарин.
    

Алекса́ндр Ива́нович Опа́рин (1894—1980) — советский биолог и биохимик, создавший теорию возникновения жизни на Земле из абиотических компонентов; академик АН СССР (1946; член-корреспондент с 1939), Герой Социалистического Труда (1969).

Возникновение жизни или абиогенез — процесс превращения неживой природы в живую.

В узком смысле слова под абиогенезом понимают образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без участия ферментов. Альтернативой абиогенеза в этом смысле является панспермия.

В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие гипотезы:

• Гипотеза биохимической эволюции
  
• Гипотеза панспермии
  
• Гипотеза стационарного состояния жизни
  
• Гипотеза самозарождения
  

Теории самозарождения и стационарного состояния представляют собой только исторический или философский интерес, так как результаты научных исследований противоречат выводам этих теорий.

Теория панспермии не решает принципиального вопроса о возникновении жизни, она только отдаляет его в ещё более туманное прошлое Вселенной, хотя и не может исключаться как гипотеза о начале жизни на Земле.

34. Современное развитие эволюционной теории Ч.Дарвина. Молекулярно-генетический подход.
    

Появление эволюционных теорий Ж. Б. Ламарка, а затем Ч. Дарвина во второй половине 19 века усилило интерес к проблемам изменчивости и наследственности, т. к. эволюция возможна только на основе возникновения у живых существ изменений и их сохранения у потомков.

Социальный дарвинизм провозгласил закономерности биологической эволюции, принципы естественного отбора в качестве определяющих факторов общественной жизни. Основная идея этого направления сводится к тому, что в основании социальной структуры лежат природные способности человека, а все социологические положения должны находиться в соответствии с естественными законами.

Ч. Дарвину, в главных его работах: «Происхождение видов путём естественного отбора» (1859 г.), «Изменение домашних животных и культурных растений» (1868 г.), «Происхождение человека и половой отбор» (1871 г.), удалось раскрыть такие факты, которые при их обобщении, как оказалось, имеют универсальное значение. Идея эволюции, а также исторический метод были взяты на вооружение всем естествознанием.

Представления о роли изменчивости и отбора в становлении новых форм живого претерпевали изменения с течением времени. В настоящее время различают три типа изменчивости:

Наследственная изменчивость – это изменчивость, обусловленная возникновением новых генотипов (аналог «неопределённой изменчивости» Ч. Дарвина).

Ненаследственная изменчивость – это изменчивость, которая отражает изменения не генотипа, а фенотипа под влиянием условий внешней среды (аналог «определённой изменчивости» Ч. Дарвина).

Онтогенетическая изменчивость – это изменчивость, отражающая изменения в ходе индивидуального развития всего организма (онтогенеза).

Современный эволюционизм – это не только дарвинизм в его изначальном виде, а многогранное комплексное учение, сформировавшееся за годы, прошедшие со времён создания теории Ч. Дарвина. В 1930-1940 годах появилась на свет новая синтетическая теория. Она представляла собой синтез дарвинской концепции естественного отбора с генетикой и экологией.

Существует два основных отличия синтетической теории эволюции от теории Ч. Дарвина. Это, во-первых, признание в качестве элементарной единицы эволюции не организма и даже не вида, а местной популяции и, во-вторых – выделение двух типов эволюции: микроэволюции и макроэволюции.

Микроэволюция обозначает совокупность эволюционных процессов в популяциях сопровождающих изменением генофонда и образованием новых видов она доступна для непосредственного изучения в лабораторных условиях. Изучение микроэволюции возможно посредством наблюдения за изменениями животных и растений в природе.

Макроэволюция (или филогенез) – это эволюционные преобразования, протекающие в течение длительного исторического периода и приводящие к образованию надвидовых таксонов. Изучение макроэволюции в лабораторных условиях невозможно, вследствие её исторической протяжённости. Филогенез требует дополнительных источников исследования. Такие данные предоставляли дополнительные смежные дисциплины: сравнительная морфология, палеонтология и эмбриология.

В настоящее время учёные перешли на изучение эволюционных процессов на молекулярно-гинетическом уровне. Объектами изучения учёных стали белки и нуклеотиды, изъятые как из ныне живущих организмов, так и из геологических слоёв залегания ископаемых. Главной проблемой макроэволюции является расшифровка последовательности филогенеза и наследственных связей между организмами. Эта наука развивается, достижения в этой области знаний непосредственно связаны с прогрессом в области молекулярной биологии и генетики.

35. Законы генетики Менделя. Открытие генетической роли нуклеиновых кислот.
    

Начало генетике как науке было положено чешским учёным

Г. Менделем, который скрещивал между собой различные сорта гороха и наблюдал за изменениями их окраски, формы, вида и других признаков. Мендель установил, что у получаемых гибридов в первом поколении одни признаки подавляют другие. Каждому из наследуемых признаков Мендель поставил в соответствие материальную частичку живого, передаваемого из поколения в поколение, - элементарную носительницу информации, и назвал её геном. Изучая поведение и характер взаимодействия генов по их проявлению в потомстве, Мендель открыл свои знаменитые законы скрещивания генов и сделал доклад в 1865 на собрании Брюнского общества естествоиспытателей и, напечатанный на следующий год в трудах этого общества. Но в течение почти 35 лет в мире не было, ни одного учёного, который мог бы по достоинству оценить работу учёного и продолжить его исследования. Они были «настолько хорошо забыты наукой», что в 1900 году три исследователя – де Фриз в Голландии, Корренс в Германии и Чермак в Австралии, проводя свои исследования по делению клеток, вторично, не зависимо друг от друга, открыли законы Менделя. Их поразило сходство его результатов с результатами, полученными ими. Но, не смотря на то, что обнаружив позже статью учёного, они уступили приоритет открытия законов наследственности их первооткрывателю – Менделю, датой рождения генетики принято считать 1900 год.

Дальнейшее развитие генетики связано с рядом этапов, каждый из которых характеризовался преобладающими в то время направлениями исследований. Границы между этими этапами в значительной мере условны – этапы тесно связаны друг с другом, и переход от одного этапа к другому становился возможным благодаря открытиям, сделанным в предыдущем.

В начале XX века было установлено, что описанные Менделем генетические факторы находятся в хромосомном клеточном ядре.

Параллельно с генетиками биохимики изучали химический состав ядер живых клеток. Впервые молекулы ДНК были выделены из ядер живых лейкоцитов швейцарским биохимиком Ф. Мишером во второй половине прошлого века. Имя Мишера прославила и увековечила в истории науки его статья, опубликованная в 1871 голу в «Журнале медицинской химии», издававшемся в Берлине. Именно в ней он описал выделение «нуклеина» из клеток гноя – лейкоцитов и лимфоцитов. Название новому веществу Иоганн образовал от латинского «нуклеус», которое означает ядро (орех), поскольку вещество действительно выделялось из клеток ядра.

А. Коссель обратился к нуклеину Мишера и, начиная с 1855 года, за шесть лет выделил и определил структуру четырёх оснований кислой фракции Мишера. Он обнаружил, что в состав нуклеиновых кислот входят пуриновые и пиримидиновые основания, а также простейшие углеводы. Химиков уже не удивлял тот факт, что в биополимерах кислое и щелочное «уживаются» бок обок. Гуанин Коссель назвал «сарцином», поскольку его много в «саркосе» - мясо по-гречески. Аденин он нашёл в большом количестве в желтке яиц. Сахар тимусной кислоты, в отличии от рибозы, содержащий на одну молекулу кислорода меньше стали называть «безкислородным», или дезоксирибозой. Так родились известные теперь всему миру – ДНК и РНК. Коссель выделил также из хроматина различных тканей белок со щелочной реакцией – «гистон». Из гистона он выделил аминокислоты гистидин, тирозин и лизин. Так, прямо в лаборатории, рождалась научная терминология современной биологии. Косселя по праву считают создателем физиологической химии. Коссель за исследование нарушения нуклеино-кислотного обмена и отложения оснований ДНК и РНК в суставах при подагре был награждён Нобелевской премией.

А далее в дело вступил Фебус Теодор Левин, учёный от бога, которого считают американским биохимиком, на самом деле, он уроженец России. В начале 1900 года в лаборатории П. Левина в США был расшифрован углеводный компонент этих нуклеиновых кислот.

Был определён порядок расположения частей нуклеотида – мономера нуклеиновых кислот, а также места присоединения основания и фосфора к сахарному кольцу. Левен и немец Фёльген опубликовали цепочную схему строения нуклеиновых кислот, историческая правда заключается в том, что цепь была одна. Фёльген сделал в 1914 году самое большое открытие, но оно оказалось не востребованным из-за начавшейся войны.

Сугубо химическая реакция Фёльгена с использованием анилинового красителя фуксина из каменноугольной смолы приводила к тому, что тимусная кислота (ДНК) давала характерное тёмно-розовое окрашивание, в то время как дрожжевая (РНК) – нет. Если бы тогда коллеги обратили на это удивительное открытие внимание, природа гена могла быть открыта на три десятилетия раньше.

В установлении роли ДНК в клетках также было несколько этапов. Особенно усиленно разработкой этого вопроса занимались американские учёные О. Эвери, К. Мак-Леоду и М. Мак-Карти. В 1944 году им удалось установить, что свободная молекула ДНК обладает трансформирующей активностью, т.е. способностью переносить свойства одного организма к другому. Это было революционное открытие, родившее новую науку, изучавшую вопросы наследственности на молекулярном уровне. Центральное место в этой науке отводилось исследованию роли ДНК. ДНК, являясь «хранительницей» материальной основы генетической информации контролирует биосинтез белка в клетках и отвечает за изменчивость клеток. Именно молекула ДНК отвечает за передачу наследственной информации от одной клетки к другой.

36. Открытие молекулярных механизмов генетической репродукции и биосинтеза белка (Дж.Бидл, Э.Тэйтум).
    

Рождение новой науки – молекулярной генетики связывают с опытами двух американцев Дж. Билда и Э. Тэйтума. В 1941 году они установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Появилась знаменитая фраза: «Один ген – один белок».

Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка. В 1952 году Дж. Билд, Э. Тэйтум и Дж. Ледерберг были удостоены Нобелевской премии за эти исследования.

А в 1962 году Нобелевская премия была присуждена Ф. Крику и Дж. Уотсону за установление молекулярного строения ДНК.

На повестку дня был вынесен новый вопрос, каким образом записана генетическая программа и как она реализуется в клетке.

Согласно модели Уотсона – Крика генетическую информацию ДНК несёт последовательность расположения четырёх оснований: А, Т, Г, Ц. Необходимо было выяснить, как всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцати аминокислот.

Решил эту, казалось бы, неразрешимую задачу русский по происхождению американский физик-теоретик Г. Гамов. Он предложил для кодирования одной аминокислоты использовать сочетание из трёх нуклеотидов ДНК. Эта элементарная частица наследственного материала, кодирующая одну аминокислоту, получила название «кодон».

В 1961 году гипотеза Г. Гамова была подтверждена американским экспериментальным исследователем Ф. Криком и др.

Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при создании белков.

37. Молекулярно-генетические механизмы изменчивости.
    

На молекулярно-генетическом уровне существует несколько механизмов изменчивости. Среди них – мутации генов – механизм непосредственного преобразования самих генов, находящихся в конкретной хромосоме при сильном внешнем воздействии. При этом механизме порядок расположения генов в хромосоме не изменяется.

К другому типу механизмов можно отнести рекомбинацию генов, располагающих в конкретной хромосоме. При этом сами гены не изменяются, а происходит перемещение генов с одного участка хромосомы на другой или же обмен генами между двумя хромосомами. Это так называема классическая рекомбинация генов, которая имеет место главным образом у высших организмов при половом размножении. При этом общий объём генетической информации остаётся неизменным.

Однако, существует ещё один тип изменчивости генов – нереципрокная рекомбинация или неклассическая рекомбинация генов, при которой происходит увеличение общего объёма генетической информации. Этот тип изменчивости возникает за счет включения в геном клетки новых, привнесённых извне генетических элементов, которые носят название трансмиссивные (переносимые) генетические элементы.

Начало изучения этого механизма изменчивости было положено в 1952 году, когда П. Ледерберг и Н. Циндер открыли явление трансдукции (латинское - Перемещение) генов. Суть этого явления состоит в возможности переноса молекул ДНК не в «голом виде», как при трансформации, а в составе вирусов бактерий.

В последнее время этот вид рекомбинации был тщательно изучен. Было обнаружено несколько трансмиссивных генов, различающихся структурой генома и способом связывания с хромосомой клетки-хозяина. Среди них – плазмиды – сложные генетические элементы в виде двухцепочной кольцевой ДНК, широко распространённые в клетках живых организмов, в том числе и высших.

Это самые активные переносчики генетической информации. Именно им мы «обязаны» тем, что после длительного использования каких-либо лекарств, наступает «привыкание» к этим лекарствам. Патогенные бактерии, с которыми мы боремся медикаментозным путём, связываются плазмидами, придающими этим бактериям устойчивость и новое лекарство перестаёт действовать на бактерии, они на него не реагируют. Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов.

Эти проблемы были затронуты известным генетиком В.П. Эфроимсоном. Так его исследования описывал в журнале «Наука и жизнь» в конце 1974 года Б. Медников:

«В.П. Эфроимсон после тщательного анализа множества фактов создал стройную теорию возникновения многообразия (полиморфизма) генных комплексов у человека. Согласно Эфроимсону, главную роль в этом играет отбор в системе «паразит – хозяин». Вирусы и бактерии, паразитические простейшие, вроде малярийного плазмодия, а также (да простит читатель!) гельминты в разных конкретных условиях проводили у разных популяций человека селекцию тех или иных форм гена. Инфекционные болезни – мощный фактор отбора, способный широко распространить мутантный ген».

Возникла новая наука – генная инженерия, целью которой стало создание новых форм организмов, в том числе и высших, наделённых свойствами ранее у них отсутствующих.

Теоретическую основу этой науки составляет создание рекомбинантных (гибридных) молекул с новыми (нужными) свойствами.

Наука вторглась в самое святое – создание новых живых организмов и научилась управлять этим процессом.

38. Молекулярные основы обмена веществ.
    

Существует три типа обмена веществ (метаболизма): катаболизм или диссимиляция, амфоболизм, анаболизм или ассимиляция.

Все три типа метаболизма к настоящему времени полностью расшифрованы. Не последнюю роль сыграла при этом фундаментальная для всего естествознания идея единства состава и механизмов функционирования живой природы независимо от уровня организации, представляющих её структуру. Эта идея получила название концепция биохимического единства и возникла ещё во второй половине прошлого века, но получила своё распространение благодаря голландским микробиологам А. Клюйверу и Г. Донкеру в 1926 году.

В настоящее время накоплен богатый фактический материал о том, каким образом осуществляется регулировка метаболизма в клетках. Изучается специфика биокатализа (ферментного катализа) и разрабатываются теоретические механизмы действия различных ферментов. Открыты так называемые аллостерические ферменты, в которых имеется два центра связывания с молекулами, т.е. вещество, вступающее в данную реакцию, а другое вещество – распознающий конечный и промежуточный продукт реакции. Второй центр, связываясь с продуктом реакции, изменяет свою конформацию (пространственную структуру), что влияет на скорость биокатализа. Поэтому эти ферменты названы ещё иначе: регулирующие ферменты или эффекторы.

Невозможно перечислить все достижения в области регуляции метаболизма клеток. Эта область постоянно развивается и пополняется новыми научными открытиями, каждое из которых не перестаёт удивлять совершенством механизмов регуляции процессов обмена веществ, осуществляемых на макромолекулярном уровне.


39. Онтогенетический уровень жизни.

Онтогенетический уровень – следующая, более комплексная ступень организации жизни на Земле. Прежде чем охарактеризовать явления, происходящие на этом уровне, надо определить понятие «особь». Жизнь всегда представлена в виде дискретных индивидуумов. Это в равной мере присуще микроорганизмам, растениям, грибам и животным, хотя в указанных царствах индивиды имеют различное морфологическое содержание. Так, одноклеточные состоят из ядра, цитоплазмы, множества органелл и мембран, макромолекул и т.д. Сложность индивидуума у многоклеточных во много раз выше, поскольку он образован из миллионов и миллиардов клеток. Но одноклеточная и многоклеточная особи обладают системной организацией и регуляцией и выступают как единое целое. Индивид (индивидуум, особь) – элементарная неделимая единица жизни на Земле. Разделить особь на части без потери «индивидуальности» невозможно. Конечно, в ряде случаев вопрос об определении границ индивида, особи не столь прост и самоочевиден. Например, не вполне ясно, можно ли считать особью отдельные организмы, составляющие колонии коралловых полипов, мшанок, сифонофор. Каждая из таких частей хотя и существует в виде отдельного самостоятельного индивидуума, но зависит от других частей; между отдельными «особями» колонии существует разделение функций и взаимосвязь.

Не прост вопрос определения особи у таких комплексных организмов, как лишайники, являющиеся сложным симбиотическим сообществом водорослей, грибов и специфических микроорганизмов. Грибок Septobasidium в симбиозе с насекомым-червецом из семейства Coccidae дает новое симбиотическое образование – лакк, которое как единый организм введено в культуру человеком. Вопрос о границах индивида у растений, способных к вегетативному размножению, или у животных, размножающихся фрагментацией (например, гидра), не менее сложен. Тополиная роща, выросшая из черенков с одного родительского дерева, генетически одно и то же существо (пока не произойдет какая-либо соматическая мутация, делающая одно из новых растений генетически отличным от остальных). Во многих подобных неопределенных ситуациях приходится придавать понятию «особь» так называемое операциональное значение, указывая в каждом случае, к какой области биологии она относится. С эволюционной точки зрения особью следует считать все морфофизиологические единицы, происходящие от одной зиготы, гаметы, споры, почки и индивидуально подлежащие действию элементарных эволюционных факторов.

На онтогенетическом уровне единицей жизни служит особь с момента ее возникновения до смерти. По существу, онтогенез – это процесс развертывания, реализации наследственной информации, закодированной в управляющих структурах зародышевой клетки. На онтогенетическом уровне происходит не только реализация наследственной информации, но и апробация ее посредством проверки согласованности в реализации наследственных признаков и работы управляющих систем во времени и пространстве в пределах особи. Через оценку индивидуума в процессе естественного отбора происходит проверка жизнеспособности данного генотипа.

Онтогенез возник после дополнения конвариантной редупликации новыми этапами развития. В ходе эволюции возникает и постепенно усложняется путь от генотипа к фенотипу, от гена до признака. Как будет показано далее, возникновение онтогенетических дифференцировок лежит в основе возникновения всех эволюционных новообразований в развитии всякой группы организмов. В ряде экспериментальных эмбриологических работ установлены отдельные закономерности онтогенеза (см. гл. 14). Но все еще не создана общая теория онтогенеза. Мы до сих пор не знаем, почему в онтогенезе строго определенные процессы происходят в должное время и в должном месте. Пока можно предполагать, что элементарными структурами на онтогенетическом уровне организации жизни служат клетки, а элементарными явлениями – какие-то процессы, связанные с дифференцировкой. В общей форме ясно также, что онтогенез совершается вследствие работы саморегулирующейся иерархической системы, определяющей согласованную реализацию наследственных свойств и работу управляющих систем в пределах особи.

Оглавление