KCE_L_06

В ХХ веке начала интенсивно развиваться и другая область органической химии - химия полимеров. Полимеры – это длинноцепочечные структуры, состоящие из повторяющихся звеньев, причем число этих звеньев может достигать нескольких десятков и даже сотен тысяч. Такие большие молекулы называют макромолекулами. К полимерам относятся все пластмассы, синтетические каучуки, без которых было бы невозможно развитие автомобильной промышленности и, наконец, искусственные (на природной основе) и синтетические волокна.

ХХ век по праву можно назвать не только веком выхода в космос и освоения ядерной энергии, но также и веком полимеров. Были синтезированы десятки тысяч новых веществ с полезными человеку свойствами, которых не создала природа. Оборотной стороной этих успехов полимерной химии явилось возникновение проблемы утилизации отходов производства и быта.

В ХХ веке появился еще один молодой раздел химии - химия элементоорганических соединений. Это соединения, в состав которых, кроме углерода, водорода, кислорода, азота и серы входят кремний, фтор, бор, а также некоторые металлы. На основе кремнийорганических соединений созданы полимеры, обладающие уникальными свойствами, что делает их незаменимыми в авиации и энергетике. Фторорганические соединения обладают исключительной устойчивостью даже в кислотах и щелочах, из них изготавливают всевозможные покрытия (фторопласты). Некоторые металлоорганические соединения (например, ферроцен) используют в качестве лекарств и кровезаменителей. Огромный вклад в химию элементоорганических соединений внес выдающийсярусскийученыйакадемикА.Н.Несмеянов.

Реакционная способность веществ зависит, однако, не только от их состава и структуры, но также и от условий протекания химических реакций. В основе учения о химических процессах лежат химическая термодинамика, кинетика и катализ. Химическую термодинамику, т.е. метод управления

химическим процессом с помощью температуры		и давления, разработал
в конце Х1Х века	голландский химик Я. Вант-Гофф. Однакотермодинами-
ческие методы	позволяли управлять	только направлением

химического процесса, но не его скоростью. Учение о скоростях химических реакций - химическую кинетику - создал в ХХ веке выдающийся русский ученый, лауреат Нобелевской премии академик Н. Н. Семенов. В основе катализа (ускорения химической реакции ), разработанного еще в начале Х1Х века

русским ученым академиком К. С. Кирхгофом, лежит активация молекул реагентов при их контакте с катализатором (веществом, ускоряющим химическую реакцию, но при этом сохраняющим свою массу). Большинство

катализатметаловилиихоксиды.

4 1

Эволюционная химия зародилась в 60-тых годах ХХ века. Главная идея, лежащая в основеэтого раздела, - построениепринципиально нового упклеткой. Химикинадеются создатькатализаторынового поколения, которые позволили бы, например, осуществлять преобразование солнечного света, аналогичное фотосинтезу, в химическую и электрическую энергию.

Пути к этому уже намечены. Изучено множество биохимических катализаторов – ферментов, найдены способы их стабилизации.

В 50 - 60 - тых годах ХХ века русскими химиками Б.П. Белоусовым и А.М. Жаботинским были открыты автоколебательные химические реакции, в которых со временем происходят периодические изменения выхода продуктов реакции, т.е. необходимый продукт то выделялся в больших количествах, то

прекращал выделяться совсем.		Оказалось,	что в	некоторых случаях в
ходе	таких нестационарных	реакций	общее	количество продукта
было	даже выше, чем в реакциях с постоянной скоростью. Любопытно,

что нестационарные химические процессы обнаружены и в живой природе.

Таким образом,	развитие химии		шло от	выяснения	состава и
структуры вещества	к выяснению	условий и механизмов			химических
реакций и способов	управления	ими.	Как	мы увидим	далее, без

химических знаний был бы невозможен столь стремительный рывок, который в ХХ веке совершила биология.

Контрольныевопросы:
Чтотакое		химическая связь? Из каких разделов
состоит	химия и что они		изучают ? Что такое
полимеры		и какие вещества к ним относятся ?
Литература:
3, 15, 19,20, 24
ЛЕКЦИЯ 12.	ОСОБЕННОСТИ		БИОЛОГИЧЕСКОГО УРОВ
	НЯОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ
Биология		- наука о живых организмахЗемли.

Прежде всего, следует определить	критерии живого : чем
живые системы отличаются от неживых	объектов ?

1. Главный признак живого – способность к самовоспроизведению, т.е. к размножению.

2.Способность к росту.

3.Обмен веществ и энергией с окружающей средой.

4.Ответная реакция на внешние раздражители.

4 2

5. Способность к распространению по всей планете.

Следует заметить, что для отнесения объекта к живому организму должны выполняться все пять критериев, а не какой-либо один или два. Например, к росту способны кристаллы, но они не являются живыми организмами.

Весьма важным моментом в изучении живых организмов долгое вре-

мя была их классификация. Как не утонуть в этом море		разных
летающих, прыгающих, плавающих	и т.д. особей?	Первым

классификатором живого в истории науки был Аристотель, разделивший все живые организмы на растения и животных. Человека он отнес к

животным

и

дал ему очень любопытное определение

:

двуногое без

перьев.

В ХУШ веке вершиной классификации стала система, созданная швед-

ским ученым

К.

Линнеем.

Он

ввел

двойные латинские названия

более чем 8-ми тысяч растений, а также

иерархию соподчинения их групп :

тип – класс

-

отряд

-

семейство

–

род

–

вид.

Подробная

«инвентаризация» животного мира

содержалась в 44-х томном труде

Ж. Бюффона

«Естественная история». Заметим, что в этот период

(ХVIII век)

биология

в

основном

носила

терминологический,

описательный

характер.

Подлинной революцией в биологии было учение о клетке, созданное

уже в ХIХ

веке

немецкими

биологами

Т.

Шванном

и

М.

Шлейденом.

Вообще-то, первым

увидел клетку в микроскоп

в ХVII

веке Р. Гук,

но до подлинной клеточной теории было

еще

далеко.

Открытию Р.Гука пред-

шествовало создание

его

современником,

голландским аптекарем А. Левенгуком

замечательного

прибора

–

микроскопа.

Это был прорыв в микромир

живого ( не путать с

физическим

микромиром)!

Суть учения Шванна и Шлейдена состояла в следующем :

Всеживые организмысостоятиз клеток. Клетка –

функциональная и

структурная единица живого.

Все клетки

сходны

по

строению

и химическому составу

и

имеют оболочку (мембрану),

ядро и полужидкую среду между ядром и

мембраной - цитоплазму. Чуть позже немецкий ученый Р. Вирхов высказал идею о том, что все клетки возникают только в результате деления ранее существовавших клеток. Впоследствии в цитоплазме обнаружили многочисленные тельца, выполняющие различные функции (органоиды клетки). Далее выяснили, что клетки сложных

многоклеточных	организмов	специализированы	и выполняют
различные функции, образуя		ткани.
Именно клеточная теория лежит в основе современной естественной
классификации	всего живого. Итак, живые организмы делятся на некле-
точные (вирусы)	и клеточные (все остальные). Вирусы		были открыты
в
		4 3

самом конце Х1Х века русским микробиологом Д.И. Ивановским (вирус табачной мозаики ). Впоследствии выяснилось, что эти организмы – типичные паразиты, самостоятельно не питаются и не размножаются, что застави-

ло некоторых биологов призадуматься	- а живые ли они вообще?
Вирусу необходимо проникнуть в чужую	клетку организмахозяина, за

счет нее он питается и размножается. Примеры вирусных заболеваний и

профилактика СПИДа.
Все остальные организмы –		клеточные, они подразделяются	на безъя-
дерные (прокариоты)	и	ядерные (эукариоты). К прокариотам
относятсябактерии и синезеленые водоросли.
Основоположником	науки о прокариотах ( микробиологии)		был фран-

цузский ученый - химик Л. Пастер. Он первым создал экспериментальную техникуработы с популяциями бактерий(штаммами), емупервомупришла в голову мысль о превентивных мерах борьбы с инфекционными заболеваниями (вакцинах) и методах лечения уже заболевших людей (сыворотки - это плазма крови уже переболевших животных, содержащая спасительные антитела). Л. Пастеру человечество обязано победой над чумой, холерой, сибирской язвой, бешенством.

Продолжателем	дела, начатого	Л.	Пастером,	был его
ближайший сотрудник,	впоследствии	лауреат Нобелевской премии
русский ученый И.И. Мечников, открывшийявлениеиммунитета.
Следующий шаг в микробиологии был сделан английским ученым А.
Флемингом, нашедшим «волшебную		пулю»	против многих бактерий

- пенициллин. Началась эпоха антибиотиков - грибковых организмов, убивающих бактерии. Трудно переоценить значение открытия А. Флеминга, за которое он был удостоен Нобелевской премии. Антибиотики победили пневмонию, туберкулез, многие гнойничковые инфекции. Огромные дозы специальных антибиотиков используют ныне для лечения онкологических заболеваний(химиотерапия).

Ядерные клеточные организмы - эукариоты – могут быть одноклеточными (амебы, инфузории) и многоклеточными, которые в свою очередь подразделяются на три царства - растения, грибы и животные.

Растения состоят в основном из углеводов ( о химическом составе живых клеток см. далее) и обладают удивительной способностью

к синтезу органических		соединений	(клетчатка,		глюкоза)		из
неорганических - углекислогогаза и воды.
Побочным продуктом этой реакции является молекулярный кисло-
род и называется	она	фотосинтезом.		Механизм		процесса
фотосинтеза изучил и	описал выдающийся			русский	ученый	К.	А.
Тимирязев.
		4 4

Грибы	состоят наполовину из		углеводов, а наполовину из белков,
не обладают способностью к фотосинтезу и размножаются						спорами,
клетками, которые		в неблагоприятных условиях создают удивительно
прочную мембрану,		надежно защищающую		ее	от	внешних
воздействий.	В	таком состоянии	спора	может		находиться

продолжительное время до наступления лучших условий, тогда из споры начинает развиваться новый организм. Бактерии также образуют споры, но

только длязащиты, размножаются они простым делением.

Животные - подвижные эукариоты,

состоящие

в основном из

белков (неподвижные –

кораллы,

ведущие

сидячий образ жизни).

Раздел

биологии,

появившийся

в

ХХ

веке

и

изучающий

поведенческие

механизмы животных,

называется

этологией.

Ее

основоположник -

австрийский ученый

К.Лоренц.

Этологи

считают, что

в основе поведения животных, живущих в свободных

условиях, лежат

четыре инстинкта, направленных на сохранение

вида

: голода, половой, агрессии

и страха. Примеры.

Химическийсостав живойклетки.

Живые организмы состоят из неорганических

(вода и минеральные

соли)

и органических

веществ,

подразделяющихся на

4

группы :

белки,

углеводы,

нуклеиновые

кислоты

и

жиры.

Первые

три

группы

имеют

структуру

полимеров

и

поэтому

называются

биополимерами.

Многие

их

свойства

аналогичны

свойствам

синтетических полимеров, только состав элементарного звена существенно сложнее.

Белки – это азотсодержащие	биополимеры, имеющие четыре уровня
структуры. Элементарным звеном их	первичной структуры являются поли-

пептиды, состоящие из 20-ти аминокислот, называемых «золотыми». Свойства белка прежде всего определяются последовательностью этих аминокислот, что и обуславливает колоссальное разнообразие белков : число сочетаний из 20 по 20 - это огромная величина (лишний раз подтверждается верность структурной теории А.М Бутлерова). Число повторяющихся звеньев в цепи может достигать нескольких тысяч, поэтому молекулярные массы белков столь велики. Вторичная структура белков - это полипептидная цепочка, закрученная в спираль; некоторые белки (коллаген, фибриноген) функционируют в виде такой закрученной спирали. Третичная структура- это спираль, упакованная в глобулу (шарик), она «сшивается» дисульфидными связями и характерна для большинства белков (альбумины,

глобулины	и др.). Некоторые белки (гемоглобин) имеют четвертичную
структуру	- несколько связанных друг с другом глобул, между которыми
находится,	например, металл (вгемоглобине этоатом железа).
	4 5

Белки являются основным строительным материалом животных организмов. Многие ферменты (катализаторы биохимических реакций) также являются белками. Кроме того, белки выполняют транспортную , защитную , двигательную и энергетическую функции.

Углеводы – это биополимеры, в которых элементарным звеном является глюкоза. Одна из разновидностей углеводов – клетчатка – являетсястроительным материалом растительных организмов, другая - крахмал - запасается в виде питательного вещества.

Важнейшими из биополимеров являются нуклеиновые кислоты. Их название обусловлено тем, что они находятся в клеточном ядре. Элемен-

тарным	звеном	в нуклеиновых кислотах являются	нуклеотиды,
состоя-	щие из	фосфата, азотистого основания и	пятиуглеродного
моносахарида

– рибозы или дезоксирибозы. Различают два вида нуклеиновых кислот : РНК (рибонуклеиновая кислота, содержит рибозу) и ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота, содержит дезоксирибозу).

Молекула РНК контролирует биосинтез белков в клетке ( в лаборатории такой синтез занимает несколько месяцев, в живой клетке – несколько минут; природа еще намного умнее нас). Молекула ДНК выполняет две жизненно важных для клетки функции : она обуславливает размножение, а также хранит и передает потомству наследственную информацию. Вторичная структура молекулы ДНК была впервые расшифрована английскими учеными Дж. Уотсоном и Ф. Криком и предст авляет собой сплетенную из двух ветвей двойную спираль полинуклеотидов. Под действием ферментов двойная спираль может расплетаться, и каждая из ветвей достраивает себе пару из имеющегося в клетке материала. Это свойство называется редупликацией ДНК, и именно

с этого	процесса	начинается	функционирование	любого	живого
организма.	За открытие структуры ДНК Дж. Уотсон и			Ф. Крик	были
удостоены	Нобелевской премии.
Уровниорганизации живыхсистем.
Живые организмы		являются	открытыми, неравновесными , самовос-

производящимися и саморегулирующимися системами, проходящими путь необратимого развития. Эти системы имеют восемь уровней организации. Первый и второй мы уже рассмотрели - это молекулярный и клеточный

уровни. На этих уровнях все живые организмы удивительно сходны	по
строению и функционированию. Третий уровень – тканевый. Ткань –	это

совокупность сходных по строению клеток, выполняющих общую функцию. На этом уровне также сохраняется сходство всего живого: 5 основных тканей образуют организмы многоклеточных животных и 6 - органы растений. Следующий уровень – системноорганный. Системы органов обра-

4 6

зуются совместно функционирующими клетками, относящимися к разным тканям. Организменный уровень связан с деятельностью всего

организма	как целого. Эта	деятельность	у	животных
			управляется двумя
системами –	нервной и гуморальной	(последняя – это совокупность гормо-

нов, растворимых органических веществ, являющихся, как правило, специфическимибелками). Единицей этого уровня является особь – живая система с

момента ее зарождения до смерти.			На организменном уровне проявляется
удивительное	разнообразие всегоживого.
Шестой	уровень организации			- популяционно-видовой –		связан
с совокупностью		организмов	одного вида, объединенных			общим
местом обитания		и составляющих		популяцию.	Видом называют
совокупность	особей,	сходных	по	строению,	физиологическим и

биохимическим свойствам, имеющих общее происхождение, способных

свободно скрещиваться	и давать плодовитое потомство. Седьмой
уровень - экосистемный.	Экосистемой называется совокупность всех

живых организмов, населяющих однородный участок земной

поверхности

и связанных трофическими ( пищевыми) цепями, вместе

со средой их обитания.

Любая

экосистема

(лес, река, луг, болото)

является

единым

природным комплексом.

Характерными

свойствами

экосистем

являются их устойчивость

и способность к самовоспроизведению.

Последний –

восьмой

уровень -

биосферный.

Биосфера – это

совокупность

всех

экосистем

Земли,

система

высшего

порядка,

занимающая все

геосферные

земные

оболочки.

Учение о биосфере

было разработано выдающимся русским ученым

В.И. Вернадским, о

нем будет

сказано отдельно.

Только

при комплексном

изучении

жизненных

явлений

на

всех

уровнях

можно

получить

целостное

представление

обиологической форме существования материи.

Таким образом, биология

прошла путь от терминологической, опи-

сательной науки, какой она была в ХУШ веке, к

подлинному

лидеру

в естествознании, каким она стала

к концуХХ века.

Контрольныевопросы:

Что такое

прокариоты и

эукариоты ? Кто был

основоположником микробиологии ? Кто создал

клеточную теорию

и

в чем

ее суть ?

Литература:

2, 5, 9, 21,

4 7

ЛЕКЦИЯ 13. БИОЛОГИЧЕСКАЯ		ЭВОЛЮЦИЯ	И ГЕНЕТИКА
Эволюция -	это любой	длительный процесс изменения каких-
либо параметров	(происходит	от латинского	слова, обозначающего

«развертывание»). Например, первый миллиард лет, до появления жизни, на Земле шла химическая эволюция. Идею биологической эволюции, т.е.

мысль о том,	что сложные организмы произошли от		более простых,
примитивных	впервые предложил	в начале Х1Х века французский биолог
Ж.Б. Ламарк.	К этому времени	в разных областях	естествознания -

геологии, палеонтологии, эмбриологии - накопились данные, указывающие на изменяемость органического мира. Тем не менее, многие натуралисты и философы того времени не признавали идею эволюции, их аргументы сводились к тому, что никто экспериментально не наблюдал превращения одних видов в другие. Между видами, как правило, отсутствуют промежуточные формы. Ламарк правильно заметил, что живым организмам свойственна наследственность и изменчивость, но неверно указал механизм, движущую пружину эволюции. Согласно его представлениям, любые качества, приобретенные организмом при жизни, он передает своим потомкам, поскольку всемуживому свойственно стремление к самоусовершенствованию. А конкретным воплощением этого стремления

является упражнение (или неупражнение) органов : если организм трениру-
ет, упражняет свой орган, то он	развивается, если нет - атрофируется
иисчезает. Пример с жирафами.
Многие биологи стали ревностными		последователями	Ламарка
и ожесточенно критиковали	появившееся	в середине	Х1Х века
эволюционное учение английского ученого		Ч. Дарвина. Проведя пять
лет в кругосветном плавании	и сделав многочисленные наблюдения,

он пришел к выводу, что движущей пружиной биологической эволюции

является		борьба за		существование			(внутривидовая, межвидовая и
борьба		снеблагоприятными			природными			условиями). Результатом
этой борьбы			является	естественный			отбор.		На	Земле рождается
гораздо больше			различных живых организмов,						чем	может выжить; в
результате естественного отбора						выживают наиболее приспособленные
к	конкретным,		сегодняшним условиям существования. Если изменятся
условия, будут выживать другие виды,							наиболее приспособленные уже
к	новым условиям. Результатом многолетних исследований Ч. Дарвина
явилась его книга «Происхождение							видов		путем естественного
отбора». Из основных				четырех		идей Дарвина				две совпадают с
положениями Ламарка				о наследственности				и изменчивости. Третья
идея - это мысль об общности					происхождения
						4 8

живых существ ( Ламарк считал, что каждый организм или вид имеет независимую эволюционную линию). Наконец, четвертый краеугольный камень дарвиновского учения - это теория естественного отбора.

Как уже было сказано, у Дарвина оказалось много	научных оппонен-
тов. Одним из них был английский инженер и математик	Дженкин, выдви-

нувший очень серьезное возражение против дарвиновской эволюции. Суть его заключалась в том, что при скрещивании двух особей их свойства усредняются, и внутри вида все особи примерно одинаковы по своим признакам, вследствие чего естественный отбор оказывается невозможным.

Ответить на это			возражение		Ч. Дарвин		так и не	смог	до конца
своей жизни. Ответ содержался						в недрах другого раздела			биологии,
прошедшего мучительный путь					развития - генетики. Но прежде, чем мы
перейдем	к этой		новой науке,			родившейся в Х1Х,		а стремительно
развившейся		в ХХ веке, науке,				как локомотив вытащившей				всю
биологию из		описательно-		терминологических рамок				на лидирующие
позиции	в	естествознании,		необходимо			отметить,	что учение		Ч.

Дарвина, о котором шла речь выше, следует рассматривать все же как

научную гипотезу, а не как теорию :			оно основано	на косвенных
доказательствах		и ничего не предсказывает.
Основателем генетики был чешский			монах-августинец Г. Мендель.
Получив	физико-математическое образование в Венском			университете,
он провел	на	монастырском огороде в городе Брно блестящие опыты

по искусственному скрещиванию чистых линий цветов декоративного

душистого

горошка

и на основании

статистической

обработки

результатов более 6 тысяч

скрещиваний

сформулировал три закона

генетики :

В первом поколении гибридов

проявляются только

доминантные

(подавляющие)

признаки

(красный

цвет

цветков,

желтый

цвет

горошинок). Рецессивные (подавляемые)

признаки исчезают

(белые

цветки, зеленые горошины).

Во

втором

поколении

гибридов

наблюдается

расщепление

признаков в соотношении

3:1

(75%

доминантных

и

25%

рецессивных),

т.е. рецессивные

признаки

проявляются

через

поколение.

Расщепление признаков

в указанном соотношении идет независимо

по каждому

признаку (цвет

цветков, цвет

и форма горошин).

Но

главный вывод,

к которому

пришел Г. Мендель

- это мысль

о существовании дискретной единицы наследственности, впоследствии на-

званной геном. При жизни Г. Менделя его труды были неизвестны научному миру; вторым рождением генетики считается 1900 год, когда его работа, сделанная в 1865 г., была опубликована в журнале «Natura».

4 9

Следующим этапом развития генетики были работы немецкого зоо-

лога А. Вейсмана, показавшего, что половые клетки				обособлены от ос-
тального организма и	поэтому не подвержены влияниям, действующим
на остальные (соматические)		клетки.
Далее американский		генетик Т. Морган в		начале ХХ века
создал хромосомную	теорию		наследственности. Хромосомы,

содержащиеся в клеточных ядрах, как впоследствии выяснилось, состоят из молекул ДНК, обернутых белком – ферментом. Число и конфигурация хромосом в клетке определяют биологический вид.

На первых этапах развития генетики ее считали мощным аргументом против эволюционной теории: если существуют гены, носители наследственной информации, передающиеся из поколения в поколение, то эволюция невозможна.

Примирило идеи эволюции и генетики открытие голландским ученым Г. де Фризом наследуемых мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Мутация - это передаваемое по наследству частичное изменение структуры гена. Понятие мутации в генетике аналогично понятию флуктуации в синэргетике. Это чрезвычайно редкое событие (у одной особи из тысячи под действием так называемых мутагенных факторов (радиации, изменения температуры, химических веществ, вирусов) может мутировать один ген). Но эти мутации накапливаются в популяциях и в конечном итоге обуславливаютизменениеихгенофонда (совокупности всегенов популяции).

В середине ХХ века на стыке классической генетики и дарвиновского учения об эволюции возникла современная синтетическая теория эволюции. Элементарной единицей в ней является популяция, именно в ее рамках происходят и накапливаются наследственные изменения генофон-

да. Если данная мутация повышает приспособляемость					организмов к оп-
ределенной	среде	обитания,	она	будет	поддерживаться
естественным	отбором,	если нет,	то	она ведет	к вымиранию
популяции и	вида.

Всередине ХХ века был открыт триплетный генетический код, универсальный для всех живых организмов Земли, и стало очевидно, что клеточное ядро – орган управления, содержащий всю информацию о клетке. Генетика свидетельствует, что мы несем в себе информацию о наших умерших предках, обо всей природе.

ВСССР в 20-е - 30-е годы ХХ века генетика развивалась очень успешно. Во главе ее стоял выдающийся ученый академик Н. И. Вавилов. В экспедициях по всему миру он собрал уникальную коллекцию злаков (более 20 тысяч видов), его работы были широко известны в научном мире. Однако, сторонники авантюриста Т.Д. Лысенко отрицалигенетику, называли ее «буржуаз-

5 0