Концепции современного естествознания

Атмосфера

Газовая (воздушная) оболочка Земли, распространяющаяся до высот более 100 км. Атмосфера вращается вместе с Землёй. У поверхности Земли современная атмосфера состоит в основном из азота (78,1%) и кислорода (21%). Давление и плотность воздуха с высотой убывают. В высоте 20-25 км находится слой озона, предохраняющий живые организмы на Земле от вредного для них коротковолнового излучения.

В атмосфере часто выделяют пять слоев: тропосфера (достигает на экваторе толщины 16--18 км), стратосфера (доходит до 55 км), мезосфера (достигает высоты 80 км, у верхней границы температура 80-90 С), ионосфера (расположена до высоты 800 км оказывает значительное влияние на распространение радиоволн), экзосфера (простирается от ионосферы до 2000--3000 км, эффективная температура порядка 2000 °С).

Магнитосфера

Магнитосфера Земли простирается на десятки и даже сотни тысяч километров. Состояние магнитосферы определяется взаимодействием магнитного поля Земли с потоками космических, особенно высокоэнергетических, частиц. Конфигурация силовых линий магнитного поля Земли такова, что движущиеся по ним частицы попадают в так называемые ловушки, курсируя от Северного полушария в Южное и обратно. Магнитные ловушки подобно озоновому слою защищают живые организмы Земли от вредных для них излучений. К сожалению, техническая деятельность человечества разрушает не только озоновый слой, но и магнитные ловушки. Проблемы с озоновым слоем стали предельно актуальными уже в наши дни. Проблемы с магнитными ловушками ожидают человечество в будущем, возможно весьма недалеком.

Геологическая шкала времени

Интервалы геологического времени (начала периодов и эпох в миллионах лет от настоящего времени).

Эон	Эра	Период	Эпоха	Время
Фанерозойский	Кайнозойская	Четвертичный	Голоценовая	0,01
			Плейстоценовая	1,6
		Третичный	Плиоценовая	5,3
			Миоценовая	23,7
			Олигоценовая	36,6
			Эоценовая	57,8
			Палеоценовая	66,4
	Мезозойская	Меловой		144
		Юрский		208
		Триасовый		245
	Палеозойская	Пермский		286
		Каменноугольный		360
		Девонский		408
		Силурийский		438
		Ордовикский		505
		Кембрийский		570
Протерозойский				2500
Архейский				3400+

В названиях эонов и эр присутствует корень «зой» (от греч. zoe -- жизнь), сопровождаемый приставками к нему фанеро -- (от греч. phaneros -- явный), протеро (от греч. proteros -- более ранний, первый из двух), кайно (от греч. kainos -- новый), мезо (от греч. mesos -- средний), палео (от греч. palaios -- древний). В названиях геологических эпох присутствует корень «цен». Приставки к корню «цен» характеризуют степень наличия так называемых новых (современных) организмов. Так, выражения «голоцен» и «миоцен» означают соответственно «все новые организмы» (от греч. holos -- весь) и «среднее количество новых организмов» (от греч. mios -- средний). В названиях геологических периодов от ранней их классификации сохранились только два выражения: третичный и четвертичный (термины первичный и вторичный периоды больше не используются). Часть названий геологических периодов связаны либо с местностями, либо с характером вещественных отложений. Так, девонский период характеризует возраст отложений, впервые изученных в графстве Девоншир в Англии. Меловой период характеризует возрастные особенности геологических отложений, содержащих много мела.

23. История развития концепций геосферных оболочек Земли. Экологические функции литосферы

Рассмотрим в свете неклассической концепции глобальной эволюции Земли истории основных геосферных оболочек.

История ядра Земли. Формирование ядра Земли началось примерно 4,6 * 10⁹ лет назад (здесь и в дальнейшем в данном разделе отсчет времени ведется по направлению от прошлого к современности). Соответствующие расчеты показывают, что оно особенно интенсивным было в период 3--2,6 * 10⁹ лет тому назад. После 2,6 млрд. лет наращивание массы земного ядра начало резко, а потом плавно убывать. В наши дни масса ядра увеличивается, согласно расчетам, на 130 млрд. т в год. «Металлическое железо» покинуло мантию Земли примерно 500 млн. лет тому назад, оставшийся в ней магнетит (Fе₃O₄) распадается: 2Fе₃O₄ => 3FеО + 5O, при этом FеО переходит во внешнее ядро Земли. Остывание Земли приведет к частичному или полному затвердеванию как ее мантии, так и ядра. Дальнейшая судьба нашей планеты будет зависеть в первую очередь от Солнца -- перехода его в состояние белого карлика, что будет сопровождаться гигантским выбросом излучения, которое «опалит» Землю.

Из всех геосферных оболочек наибольшие шансы уцелеть в «солнечной парилке» имеет как раз земное ядро. Оно, надо полагать, разогреется, затем вновь остынет и станет космическим путешественником, который либо под действием излучения будет медленно рассеиваться, либо, по случаю, угодит «в топку» неведомой нам звезды.

История мантии Земли. По своему вещественному составу мантия планеты наиболее близка к составу первичного вещества Земли. Тем не менее, именно в ней процессы химико-плотностной дифференциации идут наиболее энергично: на протяжении 4 млрд. лет она проходит все новые стадии своего вещественного обеднения. Тяжелое вещество уходит к центру планеты -- в ее ядро. Легкие элементы перемещаются в лито-, атмо- и гидросферу. Из мантии Земли полностью исчезли FeS, Fе, Ni, по сравнению с составом первичной Земли она существенно обеднела легкими веществами (К₂O, Na₂O, N₂, Н₂ и др.). Вместе с тем происходящая в мантии химико-плотностная дифференциация приводит к росту в процентном содержании окислов кремния (SiO₂) и магния (MgO). В сумме эти два окисла составляют около 83% состава современной мантии (против 57% в составе первичного вещества Земли).

Современная мантия вся охвачена мощными конвективными движениями, за счет которых тепловая энергия ядра и мантии передается другим геосферным оболочкам. Теплопотери Земли неминуемо приведут к ее остыванию и переходу мантии в твердое, литосферное состояние. Переход Солнца в состояние белого карлика, видимо, будет связан с испарением значительной части литосферы, которая к тому времени будет составлять в фазовом отношении единое целое с затвердевшей мантией планеты.

История литосферы. Литосфера образуется в процессе остывания и кристаллизации частично расплавленного вещества мантии Земли. Ее часто называют «силикатным льдом». Имеется в виду, что литосфера, состоящая в основном из силикатов, т.е. солей кремниевых кислот, содержащих SiO₄, формируется подобно образованию льда при замерзании воды. Ее формирование началось 4-3,5 млрд. лет тому назад. Около 2 млрд. лет ушло на формирование суперконтинента Пангеи. Последующая тектоническая деятельность Земли приводит к раскалыванию Пангеи и образованию новых суперконтинентов.

Современная история литосферы связана, прежде всего, с тектоникой океанических плит. При раздвижении литосферы вещество астеносферы внедряется в разломы рифтовых зон и, охлаждаясь, образует молодую океаническую литосферу. Океаническая кора способна надвигаться на концы континентальных плит, в результате чего образуются складчатые структуры. Обломки океанических литосферных плит, увлекаясь мантийными потоками, опускаются вплоть до ядра Земли, перемешиваются с другим мантийным веществом и вновь поднимаются на поверхность. Так осуществляются циклы тектонической деятельности Земли. В далеком будущем непременно произойдет их замедление вплоть до полной остановки.

История гидросферы. Молодая Земля была лишена гидросферы. Последняя появилась благодаря дегазации Земли, инициируемой изливавшимися на ее изначальную поверхность мантийными расплавами, которые, попав в условия с минимальным давлением, вскипали (как известно, температура кипения тем ниже, чем меньше давление) и выделяли летучие вещества, в том числе пары воды. Чем сильнее нарастали конвективные явления в мантии, тем чаще и в большей массе извергались на поверхность Земли потоки магмы, тем больше становился объем первоначально неглубокого океана. Из-за поглощения части воды океанической, а также континентальной корой глубина океана увеличивалась медленно. И лишь после полного насыщения водой серпентинитового слоя океанической коры, а произошло это около 2,2 млрд. лет назад, дно океана стало быстро опускаться (до средней глубины современного океана).

Наибольший приток воды происходил в период охвата конвективными движениями всей мантии Земли, т.е. около 2,6 млрд. лет назад. Приток воды в Мировой океан имеет место и в наши дни, он будет продолжаться и в дальнейшем. Ослабление тектонической активности Земли, остывание ее мантии, образование в этой связи особо глубоких океанических впадин и поглощение части воды глубоко залегающими осадочными породами океанической литосферы приведет к тому, что будут вновь видны срединноокеанические хребты. Превращение Солнца в белый карлик приведет через 5 млрд. лет к такому могучему потоку излучения, что он испарит весь Мировой океан. Возникшему однажды, ему не суждено существовать вечно.

История атмосферы. Согласно неклассической концепции глобальной эволюции Земли, история атмосферы связана с дегазацией планеты отнюдь не меньше, чем история гидросферы. Полагают, однако, что уже на ранних этапах своей эволюции (4,7--4 млрд. лет назад) Земля, еще не приобретя гидросферы, уже обладала атмосферой, но крайне разряженной. Она, видимо, состояла главным образом из летучих соединений, которые распространены в космосе, т.е. Н₂, Не, N₂, СН₄, NH₃, Н₂O, СO₂, СО. Рождение плотной атмосферы оказалось связанным с выделением тех летучих соединений, которые попали на Землю в связанном состоянии: вода -- с гидросиликатами, азот -- с нитридами и нитратами, углекислый газ -- с карбонатами и т.д. Подлинным динамическим источником атмосферы Земли оказалась ее начавшаяся активная дегазация (4 млрд. лет назад). Около 3 млрд. лет назад Земля была окутана плотной, состоящей в основном из азота (N₂) и углекислого газа (СO₂) атмосферой с давлением до 4 атм. Последующая история Земли связана в основном со своеобразной «заменой» углекислого газа на кислород.

Экологические функции литосферы

Обычно выделяют четыре экологические функции литосферы: ресурсную, геодинамическую, физическую и химическую.

Ресурсная функция литосферы определяет роль ресурсов, содержащихся в литосфере, а также факторов пространственного характера для жизни биоты и человека. Известно, что литосфера содержит различные материальные ресурсы, большинство из которых активно используются человеком. Именно в этой связи наблюдается значительная ресурсная напряженность, которая не убывает, а нарастает год от года.

Весьма тревожная ситуация сложилась с энергетическими ресурсами. Согласно популярным оценкам, газ и нефть перспективны не более чем на 50 лет, уголь приблизительно на 150 лет. До настоящего времени нет четких представлений о тех энергетических ресурсах, которые человечество намерено использовать, допустим, через 50 лет. Атомная энергетика опасна, трудноразрешимой представляется проблема реактивации отходов ядерной промышленности: во всей литосфере пока не обнаружено такого укромного местечка, где можно было бы спрятать радиоактивные вещества в безопасном для биоты состоянии. Не разработаны пути использования в удовлетворяющем человечество количестве солнечной и ветряной энергии (для размещения солнечных батарей и ветряных электростанций требуется много места, а коэффициент полезного действия их все ещё недостаточно высок).

Крайнюю озабоченность вызывает ситуация с запасами полиметаллических руд, содержащих никель, кобальт, вольфрам, молибден, медь, свинец, цинк, олово. Считается, что они будут исчерпаны в ближайшие 60 лет; лишь несколько лучше обстоят дела с железными, марганцевыми и хромовыми рудами.

Человечество пока намного более успешно разрушает, чем восстанавливает литосферу. С большим трудом осознается, что объектом экологической заботы является такой грандиозный экологический объект, как литосфера.

Человечество стало мощной литосферной силой и рельефообразующим фактором. К увеличению сейсмичности приводит интенсивная добыча газа и нефти, закачка воды глубоко под землю, рытье карьеров и котлованов, заполнение водой котловин; оседают плотины электростанций, крупные города типа Токио и Москвы. Глубина депрессий поверхности Земли достигает сотен километров. Человечеству становится тесно на поверхности планеты, а потому оно обращается к подземному геологическому пространству. В этой связи требуется очень точная геоэкологическая оценка.

Геодинамическая функция литосферы связана с масштабными природными и антропогенными процессами, влияющими на жизнь биоты и человека. Речь идет об аномалиях и напряженных состояниях горных массивов, участках повышенной трещиноватости и проницаемости, регионах, опасных в сейсмическом отношении или охваченных деятельностью вулканов. Важнейшее значение приобретает в этой связи прогноз развития катастрофических геологических процессов, эколого-геологическое обоснование возможной инженерной защиты территорий и осуществление этой защиты.

Геохимическая функция литосферы касается в основном тех геохимических неоднородностей, которые представляют опасность для биоты, в том числе человека. Речь идет прежде всего о химическом загрязнении, привнесении в литосферу различных токсикатов (тяжелых металлов, пестицидов, пластмасс, детергентов). Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными свойствами. Опасные для жизни человека химические вещества в земной коре находятся в связанном состоянии. Будучи извлеченными из недр Земли, они возвращаются сначала на поверхность планеты, а затем и в глубь нее уже в виде, представляющем большую опасность для человека. Таковы, например, тяжелые металлы -- свинец, цинк, ртуть, медь, никель, железо, кадмий и др. Основными же источниками тяжелых металлов являются промышленные предприятия и атомные и тепловые электростанции. Сначала тяжелые металлы попадают в атмосферу, но затем с осадками выпадают на поверхность Земли.

Геофизическая функция литосферы реализуется посредством физических факторов, радиации, шумовых и тепловых эффектов. На поверхности Земли постоянно наблюдается естественный радиационный фон, который с медицинской точки зрения, как правило, не является вредным. Однако есть такие регионы, например, в Индии и Бразилии, где этот фон превышает нормальный в 100 и даже 1000 раз.

*Биота - это исторически сложившаяся совокупность живых организмов, обитающая на какой-либо крупной территории.

24. Система современной химии. Двуединая проблема химии. Уровни химических знаний (учение о составе химических веществ, учение о структуре химических соединений, учение о химических процессах, эволюционная химия)

Химия - это наука о химических элементах и их соединениях.

Основанием химии, по Менделееву, выступает основная двуединая проблема -- получение веществ с заданными свойствами (на достижение ее направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа ученых).

Основная двуединая проблема химии является системообразующим началом данной науки. Она возникла в глубокой древности и не потеряла своей актуальности в наши дни. Естественно, что в разные исторические эпохи данная задача решалась по-разному, так как способы ее решения зависят от уровня материальной и духовной культуры общества, а также внутренних закономерностей, присущих ходу научного познания. Достаточно сказать, что изготовление таких материалов, как, например, стекло и керамика, краски и душистые вещества, в древности осуществлялось совершенно иначе, чем в XVIII в. и позже.

Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения. Речь при этом идет не о частных методах изучения превращений веществ -- их множество, а о самых общих способах решения вопроса: от чего, от каких факторов зависят свойства веществ. А зависят они от четырех факторов:

1) от элементного и молекулярного состава вещества;

2) от структуры молекул вещества;

3) от термодинамических и кинетических (наличие катализаторов и ингибиторов, воздействие материала стенок сосудов и т.д.) условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;

4) от высоты химической организации вещества.

Поскольку способы решения основной проблемы химии появлялись последовательно, то в истории химии можно выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа. В то же время с каждым из названных способов решения основной проблемы химии связана собственная концептуальная система знаний. Эти четыре концептуальных системы знания находятся в отношениях иерархии (субординации). В системе химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему естествознания в целом. Концептуальные системы химии можно представить наглядно в виде схемы:



1. Учение о составе вещества	1660 г.
2. Структурная химия	1800 г.
3. Учение о химических процессах	1950 г.
4. Эволюционная химия	1970-е - н.в.

Основной производственной задачей химии является получение вещества с заданными свойствами. Это осуществляется:

§ на первом уровне, с учётом изменения состава;

§ на втором уровне, с учётом изменения состава и структуры;

§ на третьем уровне, с учётом условий, при которых протекает химический процесс, а также состава и структуры;

§ на четвёртом уровне, с учётом самоорганизации реакторной системы.

25. Основные законы химии. Химические процессы и реакционная способность веществ

Основные законы химии

Химические процессы подчиняются всеобщим законам природы -- закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии, а также ряду специфических для химии законов, которыми управляются все химические реакции.

Закон сохранения массы вещества установили М.В. Ломоносов (1756 г.) и А.Л. Лавуазье (1789 г.) почти независимо друг от друга. Они далеко продвинули развитие химии тем, что при химических реакциях применили физические методы, в частности, взвешивание.

Закон сохранения массы в химических процессах можно сформулировать так:

масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Закон сохранения массы веществ М.В. Ломоносов связывал с законом сохранения энергии. Он рассматривал эти законы в единстве. Взгляды Ломоносова подтверждены современной наукой. Закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую.

Закон сохранения энергии:

количество тепловой энергии, принесённой в зону взаимодействия веществ равно количеству энергии, вынесенной веществами из этой зоны.

К специфическим законам химии относятся такие законы, как закон постоянства состава (Ж. Пруст, 1808 г.), закон постоянных весовых отношений (Дж. Дальтон, 1800 г.), закон простых объемных отношений для газов (Ж.Л. Гей-Люссак, 1808 г.) и в качестве его развития -- закон А. Авогадро (1811 г.). Данными законами руководствуются ученые-химики и практики для проведения химических расчетов.

Атомно-молекулярное учение.

Молекула - это наименьшая частица данного вещества. Атом - это наименьшая частица химического элемента.

В результате химической реакции молекула изменяется, а атом - нет.

Периодический закон Д.И. Менделеева (1869 г.):

Свойства простых тел, а также форма и свойства соединения элементов находятся в периодической зависимости от атомных весов элементов (от заряда ядер их атомов).

Химические процессы и реакционная способность веществ

Число известных в природе и технике химических процессов очень велико. Одни из них, например, окисление бронзы на воздухе, протекают веками, другие -- горение бензина -- очень быстро. Разложение же взрывчатых веществ происходит в миллионные доли секунды. При промышленном производстве химических продуктов очень важно знать закономерности протекания реакций во времени, т. е. зависимость их скорости и выхода продукта от температуры, давления, концентрации реагентов и примесей.

Изучением скорости и особенностей протекания химических реакций занимается химическая кинетика. Основополагающим для химической кинетики является представление о том, что исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. Число последовательных стадий может быть очень велико -- в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время жизни промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют в равновесном состоянии доли секунды. Изучение скорости протекания химических процессов показало, что химические реакции протекают тем быстрее, чем выше температура, давление и концентрация реагентов.

На скорость некоторых химических реакций можно влиять присутствием небольшого количества определенных веществ, которые сами в реакции участия не принимают. Вещества эти называются катализаторами. Катализаторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными -- замедляющими ее. Каталитическое ускорение химической реакции называется катализом и является приемом современной химической технологии (производство полимерных материалов, синтетического топлива и др.). Считается, что удельный вес каталитических процессов в химической промышленности достигает 80%. Благодаря катализу существенно повысилась эффективность экономики химической промышленности, поскольку ускорение химических реакций заметно влияет на снижение издержек производства.

26. Биология в современном естествознании. Характеристика «образов» биологии (традиционная, физико-химическая, эволюционная)

Биология - это наука о живом, его строении, формах его активности, его строении, сообществах живых организмов, их распространении развитии, связях между собой и средой обитания.

Современная биологическая наука - результат длительного процесса развития. Но только в первых древних цивилизованных обществах люди стали изучать живые организмы более тщательно, составлять перечни, животных и растений, населяющих разные регионы и классифицировать их. Одним из первых биологов древности был Аристотель.

В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. Структуру его можно рассматривать с разных точек зрения.

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

По свойствам проявления живого в биологии выделяются:

1) морфология - наука о строении живых организмов;

2) физиология - наука о функционировании организмов;

3) молекулярная биология изучает микроструктуру живых тканей и клеток;

4) экология рассматривает образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой;

5) генетика исследует законы наследственности и изменчивости.

По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются:

1) анатомия изучает макроскопическое строение животных;

2) гистология изучает строение тканей;

3) цитология исследует строение живых клеток.

Эта многоплановость комплекса биологических наук обусловлена чрезвычайным многообразием живого мира. К настоящему времени биологами обнаружено и описано более 1 млн. видов животных, около 500 тыс. растений, несколько сот тысяч видов грибов, более 3 тыс. видов бактерий.

Причем мир живой природы исследован далеко не полностью Число неописанных видов оценивается по меньшей мере в 1 млн.

Исходной и главной категорией в биологии является категория «живого».

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 и самих основ биологического мышления.

Три «образа» биологии

1. Традиционная, или натуралистская биология

Объектом изучения традиционной биологии всегда была и остается живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности.

Традиционная биология имеет ранние истоки своего зарождения. Они идут к средним векам, а становление ее в самостоятельную науку, получившую название «натуралистская биология», приходится на XVIII-XIX века.

Её методом стало тщательное наблюдение и описание явлений природы, главной задачей - их классифицирование, а реальной перспективой - установление закономерностей их существования, смысла и значения для природы в целом.

Первый этап натуралистской биологии ознаменовался первыми классификациями животных и растений. Были предложены принципы их группирования в таксоны различных уровней. С именем К.Линнея связано введение бинарной (обозначение рода и вида) номенклатуры, почти в неизменном виде дошедшей до наших дней, а также принцип иерархического соподчинения таксонов и их наименования - классы, отряды, роды, виды, разновидности. Однако недостатком искусственной системы Линнея было то, что он не дал никаких указаний относительно критериев родства, чем и снизил достоинство этой системы.

Более «естественными», т.е. отражающими родственные связи, были системы, созданные ботаниками -- А.Л. Жюссье (1748-1836), О.П. Декандолем (1778-1841) и, в особенности, Ж.Б. Ламарком (1744-1829).

Труд Ламарка был построен на идее развития от простого к сложному, и главным вопросом был вопрос о происхождении отдельных групп и родственных связях между ними. Следует отметить, что в период становления традиционной биологии закладывался комплексный, как мы сегодня говорим, системный подход к исследованию природы.

2. Физико-химическая, или экспериментальная биология

Термин «физико-химическая биология» был введен в 1970-е годы химиком-органиком Ю.А. Овчинниковым - сторонником тесной интеграции естественных наук и внедрения в биологию современных точных физико-химических методов в целях изучения элементарных уровней организации живой материи - молекулярного и надмолекулярного.

Понятие «физико-химическая биология» является двуплановым.

С одной стороны, понятие это означает, что предметом изучения физико-химической биологии являются объекты живой природы, исследуемые на молекулярном и надмолекулярном уровнях.

С другой, сохраняется и первоначальное его значение: использование физико-химических методов для расшифровки структур и функций живой природы на всех уровнях ее организации. Хотя различение это и достаточно условно, главным считают следующее: физико-химическая биология в наибольшей степени содействовала сближению биологии с точными физико-химическими науками и становлению естествознания как единой науки о природе.

Это не означает, что биология утратила свою индивидуальность. Как раз наоборот. Изучение структуры, функций и саморепродукции фундаментальных молекулярных структур живой материи, результаты которого получили отражение в виде постулатов или аксиом не лишило биологию ее особого положения в системе естествознания. Причина этого в том, что эти молекулярные структуры выполняют биологические функции.

Следует отметить, что ни в какой другой области естествознания, как в биологии, не обнаруживается столь глубокая связь между методами и техникой эксперимента, с одной стороны, и появлением новых идей, гипотез, концепций, с другой. При рассмотрении истории методов физико-химической биологии можно выделить пять этапов, которые находятся между собой как в исторической, так и в логической последовательности. Иными словами, нововведения на одном этапе неизменно стимулировали переход к следующему.

Какие же это методы?

1) МЕТОД МЕЧЕНЫХ АТОМОВ.

Мечение атомов, вводимых в организм, позволяет точно прослеживать передвижение и превращение веществ в организме. Это дало возможность установить динамичность процессов обмена веществ, выявить роль отдельных структур организма в протекании этих процессов. Так был открыт, например, механизм ферментативного биосинтеза белка и нуклеиновых кислот, промежуточный обмен углеводов и жиров и т.д.

2) МЕТОДЫ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА И ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

Второй этап в истории методов физико-химической биологии можно связать с началом использования рентгеноструктурного анализа (рентгеновских лучей) и электронного микроскопирования, позволяющих исследовать крупные молекулярные компоненты и субмикроскопические структуры клетки. С помощью этих методов английскими исследователями во главе с У. Астбюри (1930-1950-е годы) была установлена двойная спираль строения молекулы ДНК, нитевая структура белков.

3) МЕТОДЫ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ

Третий этап в истории физико-химических методов связан с применением методов фракционирования. Это, прежде всего, методы фракционирования различных биополимеров. В конце 1930-х годов А. Тизелиус разработал метод фракционирования (разделения) белков с помощью электрофореза. Суть этого метода в дальнейшем была использована в различных типах хроматографии - адсорбционной, распределительной, осадочной.

Недостатком этих методов было то, что объектом изучения являлся не целостный организм, а фрагменты различных уровней его организации.

4) МЕТОДЫ ПРИЖИЗНЕННОГО АНАЛИЗА

Четвертый этап в истории методов связан с применением методов прижизненного анализа.

К настоящему времени определился комплекс методов прижизненного анализа структурных и функциональных характеристик организма. К их числу можно отнести методы:

1) микроспектрального и микрофлуорометрического анализов (флуоресценция - испускание ранее поглощенной энергии в виде света);

2) приема оптического сканирования (глубокое проникновение света). Это так называемая оптическая биохимия.

3) радиоспектроскопии;

4) скоростного рентгеноструктурного анализа;

5) анализа структур с помощью ультразвука (УЗИ);

6) электронного микроскопирования.

Эти методы используются не только в физико-химической биологии, но и в медицинской практике.

5) ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭВМ

Пятый этап в истории методов физико-химической биологии можно представить как широчайшее внедрение электронно-вычислительной техники (ЭВМ) в практику биологического эксперимента.

ЭВМ, с одной стороны, позволяет расшифровывать глубинные структуры и их изменения, которые не выявляют описанные выше методы, а с другой стороны, помогают обрабатывать огромное количество полученной информации.

Современная физико-химическая биология объединила в единый комплекс биологические дисциплины, которые ранее по объективному признаку считались самостоятельными. Иначе говоря, традиционное разделение биологии на науки о строении - цитологию, гистологию, анатомию, морфологию - и науки; исследующие физиолого-биохимические процессы - физиологию и биохимию - в значительной мере утратило свой первоначальный смысл.

3. Эволюционная биология

Предметом ее является изучение истории развития как отдельного организма, т.е. его онтогенез, так и органического мира в целом или отдельных его таксонов, т.е. филогенез.

Концепция развития для биологии получила фундаментальное значение, поскольку именно для живой природы развитие во времени - неотъемлемое и наиболее характерное свойство.

В итоге сформировалась достаточно самостоятельная область знания эволюционная биология. Понятие «эволюционной биологии» намного шире, чем понятие «теория естественного отбора» и понятия «эволюционное учение»! Многоплановый облик эволюционной биологии сложился в результате интеграции двух потоков знания.

Во-первых, в итоге развития самого эволюционного учения, приведшего к разнообразию самих теорий эволюции (дарвинизм, синтетическая теория эволюции - СТЭ, недарвиновская и т.д.).

Второй поток - это вклад различных биологических дисциплин, да и всего естествознания в целом в единый комплекс знаний об эволюции и ее механизмах.

В настоящее время накоплено огромное количество информации в биологии и в естествознании, так что возникает необходимость в проведении нового эволюционного синтеза.

27. Концепции происхождения жизни на Земле (креационизм, самопроизвольное (спонтанное) зарождение, теория стационарного состояния, теория панспермии и теория биохимической эволюции)

Теории, касающиеся возникновения Земли, да и всей Вселенной, разнообразны и далеко не достоверны.

1. Креационизм.

Согласно этой теории, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; ее придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. В 1650 году архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н. э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, от Адама до Христа («кто кого родил»). С точки зрения арифметики, это разумно, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда, как показывают археологические находки, на Ближнем Востоке существовала хорошо развитая городская цивилизация.

Традиционное иудейско-христианское представление о сотворении мира, изложенное в Книге Бытия, вызывало и продолжает вызывать споры. Хотя все христиане признают, что Библия -- это завет Господа людям, по вопросу о длине «дня», упоминающегося в Книге Бытия, существуют разногласия. Некоторые считают, что мир и все населяющие его организмы были созданы за шесть дней продолжительностью по 24 часа. Они отвергают любые другие точки зрения и целиком полагаются на вдохновение, созерцание и божественное откровение. Другие христиане не относятся к Библии как к научной книге и считают, что в Книге Бытия изложено в понятной для людей всех времен форме теологическое откровение о сотворении всех живых существ всемогущим Творцом. Для них описание сотворения живых существ относится к ответу, скорее, на вопрос «почему», а не «каким образом». Если наука в поисках истины широко использует наблюдение и эксперимент, то богословие постигает истину через божественное откровение и веру.

2. Самопроизвольное (спонтанное) зарождение

Согласно этой теории жизнь возникала и возникает неоднократно из неживого вещества. Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Египте. Аристотель, которого часто называют основателем биологии, развивая более ранние высказывания Эмпедокла об эволюции живого, придерживался теории самопроизвольного зарождения жизни. Он считал, что «..живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы». С распространением христианства эта теория оказалась в одной проклятой церковью «обойме» с оккультизмом, магией, астрологией, хотя и продолжала существовать где-то на заднем плане, пока не была опровергнута экспериментально в 1688 г. итальянским биологом и врачом Франческо Реди. Принцип «Живое возникает только из живого» получил в науке название Принципа Реди. Так складывалась концепция биогенеза, согласно которой жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни. В середине 19-го века Л. Пастер окончательно опроверг теорию самопроизвольного зарождения и доказал справедливость теории биогенеза.

3. Теория стационарного состояния

Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень мало; виды также существовали всегда. Совершенные методы датирования дают высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стационарного состояния полагать, что Земля существовала всегда. Согласно этой теории, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности -- либо изменение численности, либо вымирание.

Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистеперых рыб -- латимерию. По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода 70 млн. лет назад. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков. Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как значение разрывов в палеонтологической летописи, и она наиболее подробно разработана именно в этом направлении.

4. Теория панспермии

Эта теория не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внезапном происхождении. Поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.

Теория панспермии утверждает, что жизнь могла возникнуть один или несколько раз в разное время и в разных частях Галактики или Вселенной. Для обоснования этой теории используются многократные появления НЛО (неопознанных летающих объектов), наскальные изображения предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а также (пока еще пишем -- не подтвержденные) сообщения о встречах с инопланетянами. Советские и американские исследования в космосе позволяют считать, что вероятность обнаружить жизнь в пределах нашей Солнечной системы ничтожна, -- однако они не дают никаких сведений о возможной жизни вне этой системы. При изучении материала метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» -- такие вещества, как цианогены, синильная кислота и органические соединения, которые, возможно, сыграли роль «семян», падавших на голую землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся ученым убедительными.

5. Теория биохимической эволюции

Согласно этой теории, жизнь возникла в специфических условиях древней Земли в результате процессов, подчиняющимся физическим и химическим законам. Эту теорию также называют гипотезой Опарина - Холдэйна.

Согласно данным современной науки возраст Земли составляет примерно 4,5 - 5 млрд. лет. В далеком прошлом условия на Земле коренным образом отличались от современных, что обусловило определенное течение химической эволюции, которая явилась предпосылкой для возникновения жизни. Другими словами, собственно биологической эволюции предшествовала предбиотическая эволюция, связанная с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Это было возможным в определенных условиях, которые имели место на Земле в то время, а именно:

§ высокая температура, порядка 4000 °С;

§ атмосфера, состоящая из водяных паров, СO₂, СН₃, NH₃;

§ присутствие сернистых соединений (вулканическая активность);

§ высокая электрическая активность атмосферы;

§ ультрафиолетовое излучение Солнца, которое беспрепятственно достигало нижних слоев атмосферы и поверхности Земли, поскольку озоновый слой еще не сформировался.

Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, а именно: согласно этой теории жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!

28. Признаки живых организмов. Характеристика форм жизни (вирусы, бактерии, грибы, растения и животные)

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

Главные характеристики живого: САМООБНОВЛЕНИЕ, САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ и САМОРЕГУЛЯЦИЯ.

Они определяют и основные свойства живого:

1) МАТЕРИАЛЬНОСТЬ;

2) СТРУКТУРИРОВАННОСТЬ - живые организмы обладают сложной, упорядоченной структурой;

3) МЕТАБОЛИЗМ -- живые организмы получают энергию из окружающей среды и используют ее на поддержание своей высокой упорядоченности;

4) ДВИЖЕНИЕ;

5) НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ и ИЗМЕНЧИВОСТЬ - живые организмы не только изменяются, но и усложняются; а также способны передавать потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения;

6) РЕПРОДУКЦИЯ - все живое размножается;

7) РАЗДРАЖИМОСТЬ - способность реагировать на внешние раздражения;

8) ОНТО- и ФИЛОГЕНЕЗ;

9) ДИСКРЕТНОСТЬ;

10) ЦЕЛОСТНОСТЬ.

Обобщая и несколько упрощая сказанное о специфике живого, можно сказать, что все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе, а неживые тела не питаются, не дышат, не растут и не размножаются.

Из совокупности этих признаков вытекает следующее обобщенное 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.

Царство Вирусы

Слово «вирус» происходит от лат. Virus - яд животного происхождения. Это царство, включающее мельчайшие микроорганизмы, паразиты клеток растений и животных.

Вирусы были открыты в 1892 г. Д.И.Ивановским при изучении возбудителей мозаичной болезни табака. Бактериофаги - паразиты бактерий - открыты в 1917 г. Д' Эреллем как агенты, разрушающие культуру дифтерийной палочки. Вирусы и бактериофаги относят к неклеточным формам жизни.

Их особенности:

1) незначительные размеры (десятые и сотые доли микрона);

2) отсутствие клеточного строения;

3) простой химический состав;

4) невозможность существования вне организма хозяина.

Форма вирусов может быть различна: палочковидная, нитевидная, сферическая, кубовидная, булавовидная.

Зрелые частицы вирусов - вирионы - состоят из двух основных компонентов: ДНК или РНК (уложенной в виде спирали) и белка.

Спираль упакована в белковую оболочку - капсид, построенный из множества одинаковых частиц - капсомеров. Белковый капсид и нуклеиновая кислота образуют так называемый нуклеокапсид.

Нуклеиновая кислота, защищенная капсидом, не проявляет активности. После же проникновения в клетку начинается процесс синтеза ферментов, белков, нуклеиновых кислот вируса, затем разрешение клетки - хозяина и высвобождения вирионов.

Вирусы являются возбудителями многих болезней растений и животных. В прошлые века вирусные инфекции носили характер пандемий и эпидемий, захватывая огромные территории.

Например, в Европе оспой заболевало 10-12 млн. и умирало 1,5 млн. человек. Особо следует отметить корь. На сегодняшний день от кори ежегодно погибает более 2 млн. детей.

В 1918-1919 гг. грипп-испанка унес более 20 млн. людей.

Вирусные заболевания наносят огромный ущерб сельскому хозяйству. Для животных очень опасен вирус ящура, а вирусные заболевания картофеля, огурцов, томатов и др. существенно снижают урожаи сельскохозяйственных культур.

Вопрос о происхождении вирусов остается до сего времени не решенным.

Наиболее вероятной представляется гипотеза, трактующая вирусы как результат деградации клеточных организмов. Можно предположить, что длительная эволюция вирусов шла по пути облигатного паразитизма, а именно утраты автономной АТФ, белоксинтезирующего аппарата и собственной цитоплазматической мембраны.

Существует и другое мнение, что вирусы можно рассматривать как группы генов, вышедших из-под контроля генома клетки. В пользу этой гипотезы говорит родство ДНК некоторых вирусов с ДНК клетки и возможность включения ДНК вирусов в геном клетки.

Царство Бактерии

Царство Прокариот представлено весьма многочисленным и разнообразным миром бактерий. Возраст наиболее древних бактерий насчитывает, по меньшей мере, 3-3,5 млрд. лет. Многие бактерии, по мнению ученых, появились сравнительно недавно. В настоящее время различные представители мира бактерий занимают практически беспредельные экологические ниши на нашей планете. Они выделяются из льдов Арктики и Антарктиды, проникают в нефтяные скважины, живут в воде горячих источников, температура которых достигает 92°С, обильно населяют все типы почв (в 1г почвы содержится от 300 млн. до 2 млрд. клеток) и водоемы, поднимаются с потоками воздуха на высоту 85 км.. Многие прокариоты в процессе эволюции приспособились к жизни в организмах эукариот.

Бактерия в переводе с греческого означает палочка. Бактерии были открыты голландцем А. Левенгуком в 1675 г., но только Луи Пастер впервые показал роль бактерий в процессе брожения и других превращений веществ в природе. Бактерий насчитывается 5000 видов.

ОСОБЕННОСТИ ИХ СТРОЕНИЯ:

§ малые размеры (0,0001 мм);

§ типичная прокариотная клетка, отсутствуют обособленное ядро, митохондрии, пластиды, комплекс Гольджи, ядрышко, хромосомы и т.д.;

§ особое строение и состав мембранных структур и клеточных стенок;

§ по форме клетки могут быть шаровидные, палочковидные и извитые.

Среди бактерий по источнику используемой энергии выделяются ФОТОТРОФЫ и ХЕМОТРОФЫ.

Фотосинтезирующие бактерии для синтеза органических веществ используют световую энергию. Способность к фотосинтезу определяется наличием, пигментов - хлорофиллинов. Хемосинтезирующие бактерии используют для синтеза органических веществ не световую энергию, а энергию, выделяющуюся при окислении каких-либо неорганических веществ окружающей среды.

По отношению к кислороду выделяют: облигатные аэробы, факультативные анаэробы и строгие анаэробы.

По источнику используемого углерода выделяют: автотрофы и гетеротрофы (паразиты и сапрофиты).

АВТОТРОФНЫЕ -- способны синтезировать из неорганических соединений органические вещества своего тела.

ГЕТЕРОТРОФНЫЕ - не способные синтезировать органические вещества из неорганических, поэтому они нуждаются в поступлении готовых органических веществ извне в виде пищи.

САПРОФИТЫ - это бактерии, поселяющиеся на мертвых, останках растений и животных (бактерии гниения и брожения).

ПАРАЗИТЫ -- это бактерии, пищей которых служат готовые органические вещества живых организмов (холерный вибрион, столбнячная палочка, туберкулёзная палочка гонококки).

Разнообразие и пластичность бактерий обусловливает возможность использования ими не только естественного субстрата, но и веществ химического синтеза. Они действительно способны трансформировать любые пластмассы, каучук, солярку, нефтепродукты, парафин, фенол, пестициды и т.д.

Царство Грибы

Царство Грибы насчитывает 100 000 видов, разнообразных по строению и образу жизни. Грибы -- это обособленная группа клеточных ядерных гетеротрофных организмов, имеющих сходство как с животными, так и с растениями.

Исследования показывают, что грибы - это древняя группа, существовавшая еще до расхождения растений и животных, поэтому они выделены в самостоятельное царство.

Признаки сходства грибов с животными:

1-характер обмена веществ, связанный с образованием мочевины;

2-гетеротрофный тип питания;

3-содержание в стенке клеток хитина;

4-образование запасного продукта -- гликогена.

Признаки сходства грибов с растениями:

1- питание путем всасывания;

2-неограниченный рост;

3-наличие в клетках клеточной стенки;

4-размножение со спорами.

Распространены грибы во всех географических зонах. Они обнаруживаются в лесах, полях, в почве, в воде, на стенах домов и в организмах растений, животных и человека. СТРОЕНИЕ ГРИБОВ

Тело гриба состоит из особых переплетающихся нитей - гиф. Всю совокупность гиф гриба называют мицелием или грибницей.

Размеры грибов - от микроскопических до 1,5 м в диаметре (у некоторых трутовиков).

Шляпочный гриб состоит из грибницы и плодового тела. А плодовая часть - из шляпки и пенька. Характерной особенностью грибов является их гетеротрофность:

1-некоторые грибы поселяются на мертвых останках растений и животных (сапрофиты);

2-некоторые питаются за счет живых существ (паразиты);

3-некоторые вступают в симбиоз с растениями.

Размножаются грибы бесполым и половым путем. Бесполое размножение осуществляется вегетативно и спорами.

Формы полового размножения у грибов разнообразны и их делят на три группы: гаметогамия, гаметангиогамия, соматогамия.

В результате адаптации к определенным условиям среды у грибов сложились несколько экологических групп:

1-почвенные грибы;

2-водные грибы;

3-грибы-паразиты.

РОЛЬ ГРИБОВ

Грибы - это основная группа редуцентов в экосистемах. Они участвуют в почвообразовании, выполняют роль санитаров, служат пищей и лекарством для животных.

В настоящее время их используют в микробиологической промышленности (синтез витаминов, органических кислот), хлебопечении (дрожжи), медицинской промышленности (синтез антибиотиков) и т.д.

Отрицательная роль - это паразитические грибы, ядовитые и вызывающие порчу продуктов.

Царство Растения

Наука, изучающая растения называется ботаника (в переводе с греч. означает трава, зелень). Если сопоставить наличие растительной массы на Земле по отношению к животной, то это выразится соотношением 2200:1.