В 60 – 80-е гг. прошлого века появился термин “органический синтез”. Из аммиака и каменноугольной смолы были получены анилиновые красители – фуксин, анилиновая соль, ализарин, а позднее – взрывчатые вещества и лекарственные препараты – аспирин и др. Структурная химия дала повод для оптимистических заявлений что химики могут всё.
Структурная химия неорганических соединений ищет пути получения кристаллов для производства высокопрочных материалов с заданными свойствами, обладающих термостойкостью, сопротивлением агрессивной среде и другими качествами, предъявляемыми сегодняшним уровнем развития науки и техники. Решение этих вопросов наталкивается на различные препятствия. Выращивание, например, некоторых кристаллов требует исключения условий гравитации. Поэтому такие кристаллы выращивают в космосе, на орбитальных станциях.
5. 5. Учение о химических процессах
Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в живой, так и в неживой природе. Эти процессы изучает химия, физика, биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача - научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удаётся осуществить, хотя в принципе они осуществимы; другие трудно остановить – реакция горения, взрывы, а часть из них трудно управляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов. Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.
Все химические реакции имеют свойство обратимости, происходит перераспределение химических связей. Обратимость удерживает равновесие между прямой и обратной реакциями. В действительности равновесие зависит от условий происхождения процесса и чистоты реагентов. Смещение равновесия в ту или другую стороны требует специальных способов управления реакциями. Например, реакция получения аммиака:
N2 + 3N2 = N3
Эта реакция проста по составу элементов и своей структуре. Однако на протяжении целого столетия с 1813 по 1913 гг. химики не могли её провести в законченном виде, так как не были известны средства управления ею. Она была осуществима только после открытия соответствующих законов нидерландским и французским физико–химиками Я.Х. Вант – Гофом и А.Л. Ле – Шателье. Было установлено, что “синтез аммиака происходит на поверхности твёрдого катализатора при сдвиге равновесия за счёт высоких давлений”.
Все проблемы, связанные с такими сложными процессами, как, например, получение аммиака, решает химическая кинетика. Она устанавливает зависимость химических реакций от различных факторов – от строения и концентрации реагентов, наличия катализаторов, от строения и концентрации реакторов и т.д.
5. 6. Эволюционная химия
Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненной материи возникает органическая основа жизни на Земле. Какая лаборатория этого процесса – лаборатория, в которой без участия человека получаются новые химические соединения, более сложные, чем исходные вещества?
И.Я. Берцелиус первым установил, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя её протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что служит идеалом для многих химиков. Идеалом совершенства считали “живую лабораторию” немецкий учёный Ю. Либих, француз П.Э.М. Бертело и другие учёные.
Современные химики считают, что на основе изучения химии организмов можно будет создать новое управление химическими процессами, а это позволит более экономично использовать имеющиеся в природе материалы и извлекать из них большую пользу. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука разработала ряд методов – изучение и использование приёмов живой природы, применения отдельных ферментов для моделирования биокатализаторов, освоение механизмов живой природы, развитие исследований с целью применения принципов биокатализа в химических процессах и химической технологии.
Функциональный подход к объяснению предбиологической эволюции сосредоточен на исследовании процессов самоорганизации материальных систем, выявлении законов, которым подчиняются такие процессы. Это в основном позиции физиков и математиков. Крайняя точка зрения здесь склоняется к тому, что живые системы могут быть смоделированы даже из металлических.
В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая ранее в самых общих положениях профессором Московского университета А.П. Руденко. Используя рациональность субстратного и функционального подходов, она отвечает на вопросы “о движущих силах и механизме эволюционного процесса, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, высоте химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции”.
ГЛАВА 6. Особенности биологического уровня организации материи. Проблемы генетики
6. 1. Предмет биологии. Её структура и этапы развития.
Биология – это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.
Современная биологическая наука – результат длительного процесса развития. Интерес к познанию живого у человека возник очень давно, он был связан с его потребностями – в пище, лекарствах, одежде, жилье и т.д.
Но только в нервных древних цивилизованных обществах люди стали изучать живые организмы более тщательно. Одним из первых биологов древности был Аристотель.
В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе.
Структуру можно рассматривать с разных точек зрения.
По объектам исследования биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.
По свойствам, проявлениям живого в биологии выделяются: морфология – наука о строении живых организмов; физиология – наука о функционировании организмов; молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток; экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой; генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости.
По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются: анатомия, изучающая макроскопическое строение животных; гистология, изучающая строение тканей; цитология исследующая строение живых клеток.
В развитии биологии выделяют три основных этапа: 1) систематики (К.Линней), 2) эволюционный (Ч. Дарвин), 3) биологии микромира (Г.Мендель) Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого, самих основ биологического мышления.
6.2. Сущность живого, его основные признаки
Дать точное определение живого весьма не просто. И это люди поняли очень давно.
Современная биология при описании живого идёт по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом подчёркивается, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни.
К числу свойств живого относят следующие признаки:
- Живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой.
- Живые организмы получают энергию из окружающей среды. Большинство из них использует солнечную энергию.
- Живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешние раздражения – универсальное свойство живого.
- Живые организмы не только изменяются, но и усложняются.
- Всё живое размножается.
- Сходство потомства с родителями обусловлено генетически. Вместе с тем существуют механизмы изменчивости. Это определяет эволюцию всех видов живой природы.
- Живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни.
Из совокупности этих признаков следует определение сущности живого: жизнь есть форма существования сложных открытых систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению. Важнейшими функциональными веществами этих систем являются белки и нуклеиновые кислоты.
Главный критерий жизни – способность живых организмов сохранять и передавать информацию.
6.3. Структурные уровни живого
- На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы, живого мира. Наиболее распространённым является выделение на основе критерия масштабности:
- Биосферный – включающий всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.
- Уровень биогеоценозов выражает следующую степень структуры живого, состоящую из участков Земли с определённым составом живых и неживых организмов (экосистему).
- Популяционно-видовой уровень образуется свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.
- Организменный и органно-тканевый уровни отражают признаки отдельных особей, их строение, поведение, физиологию, а также строение и функции органов и тканей.
- Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы специализации клеток, а также различные внутриклеточные включения.
- Молекулярный уровень составляет предмет молекулярной биологии, одной из важнейших проблем которой является изучение механизмов передачи генной информации и развитие генной инженерии и биотехнологии.
Разделение живой материи на уровни является весьма условным.
6.4.Клетка как “первокирпичик” живого, её строение и функционирование. Механизм управления клеткой
Фундаментальная частица в биологии – живая клетка. Именно она является мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе и носителем генетической информации .