Основы естествознания

Если предположить, что в этот период все органические соединения находились в первичном океане Земли, то более сложных органические соединения могли образоваться на поверхности океана в виде тонкой пленки и на прогреваемом солнцем мелководье. Бескислородная среда облегчала синтез полимеров из неорганических соединений. Кислород как сильнейший окислитель разрушал бы возникающие молекулы. Сравнительно несложные органические соединения начали объединяться в крупные биологические молекулы. Образовались ферменты - белковые вещества-катализаторы, которые способствуют возникновению или распаду молекул. В результате активности ферментов возникли важнейшие «первоэлементы жизни» -- нуклеиновые кислоты, сложные полимерные вещества (состоящие из мономеров). Мономеры в нуклеиновых клетках расположены таким образом, что несут определенную информацию, код, заключающийся в том, что каждой аминокислоте, входящей в белок, соответствует определенный набор из трех нуклеотидов, так называемый триплет нуклеиновой кислоты. На основе нуклеиновых кислот уже могут строиться белки и происходить обмен с внешней средой веществом и энергией. Симбиоз нуклеиновых кислот образовал «молекулярно-генетические системы управления» .

Эта стадия, по-видимому, была отправной, переломной в возникновении жизни на Земле. Молекулы нуклеиновых кислот приобрели свойства самовоспроизведения себе подобных, стали управлять процессом образования белковых веществ. У истоков всего живого стояли ревертаза и матричный синтез с ДНК на РНК, эволюция РНК-овой молекулярной системы в ДНК-овую. Так возник «геном биосферы».

Жара и холод, молнии, ультрафиолетовая реакция, атмосферные электрические заряды, порывы ветра и водяные струи - все это обеспечивало начало или затухание биохимических реакций, характер их протекания, генные «всплески». К концу биохимической стадии появились такие структурные образования, как мембраны, отграничивающие смесь органических веществ от внешней среды.

Мембраны сыграли главную роль в построении всех живых клеток. Тела всех растений и животных состоят из основных единиц жизни - клеток. Живое содержание клетки - протоплазма. Современные ученые пришли к выводу, что первые организмы на Земле были одноклеточными прокариотами - организмами, лишенными ядра («карио» -- в переводе с греческого «ядро»). По своему строению они напоминают ныне бактерии или сине-зеленые водоросли.

Для существования первых «живых» молекул, прокариотов необходим, как для всего живого, приток энергии извне. Каждая клетка - маленькая «энергетическая станция». Непосредственным источником энергии для клеток служит аденозинтрифосфорная кислота и другие соединения, содержащие фосфор. Энергию клетки получают с пищей, они способны не только тратить, но и запасать энергию .

Предметом дискуссии является вопрос о том, возник ли на Земле сначала какой-то один вид организма или появилось их великое множество. Предполагают, что возникло множество первых комочков живой протоплазмы.

Приблизительно 2 млрд. лет тому назад в живых клетках появилось ядро. Из прокариотов возникли эукариоты - одноклеточные организмы с ядром. Их на Земле насчитывается 25--30 видов. Самые простые из них - амебы. У эукариотов существует в клетке оформленное ядро с веществом, содержащим код синтеза белка. Приблизительно к этому времени наметился «выбор» растительного или животного образа жизни. Основное различие этих образов жизни связано со способом питания, с возникновением такого важного для жизни на Земле процесса, как фотосинтез. Фотосинтез заключается в создании органических веществ, например, сахаров, из углекислоты и воды при использовании энергии света. Благодаря фотосинтезу растения вырабатывают органические вещества, за счет которого происходит наращивание массы растений.

13. Теория абиогенного происхождения жизни Опарина

В 1924 году будущий академик Опарин опубликовал статью «Происхождение жизни», которая в 1938 году была переведена на английский и возродила интерес к теории самозарождения . Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их Коацерватные капли, или просто коацерваты.

Александр Опарин (справа) в лаборатории

Согласно его теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа:

Возникновение органических веществ

Возникновение белков

Возникновение белковых тел

Астрономические исследования показывают, что как звёзды, так и планетные системы возникли из газопылевого вещества. Наряду с металлами и их оксидами в нём содержались водород, аммиак, вода и простейший углеводород -- метан.

Условия для начала процесса формирования белковых структур установились с момента появления первичного океана (бульона). В водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.

Наука доказала, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно синтезировать не только аминокислоты, но и другие органические вещества.[2][3] Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных капель. При определённых условиях водная оболочка органических молекул приобретала чёткие границы и отделяла молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окружённые водной оболочкой, объединялись, образуя многомолекулярные комплексы -- коацерваты.

Коацерватные капли также могли возникать при простом смешивании разнообразных полимеров. При этом происходила самосборка полимерных молекул в многомолекулярные образования -- видимые под оптическим микроскопом капли.

Капли были способны поглощать извне вещества по типу открытых систем. При включении в коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) в них происходили различные реакции, в частности полимеризация поступающих из внешней среды мономеров. За счёт этого капли могли увеличиваться в объёме и весе, а затем дробиться на дочерние образования. Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен веществ.

Далее коацерватные капли подвергались естественному отбору, что обеспечило их эволюцию.

Подобные взгляды также высказывал британский биолог Джон Холдейн.

Проверил теорию Стэнли Миллер в 1953 году в эксперименте Миллера -- Юри. Он поместил смесь H2O, NH3, CH4, CO2, CO в замкнутый сосуд и стал пропускать через неё электрические разряды (при температуре 80°С). Оказалось, что образуются аминокислоты[4]. Позднее в разных условиях были получены другие сахара и нуклеотиды[2]. Он сделал вывод, что эволюция может произойти при фазовообособленном состоянии из раствора (коацерватов). Однако, такая система не может сама себя воспроизводить.

Теория была обоснована, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путём случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения -- внутри коацервата и в поколениях -- единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур. Однако, было показано, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с «живыми растворами» -- колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом[5].

14. Уровни организации жизни на Земле. Гетеротрофы и автотрофы

Уровни организации живой материи -- иерархически соподчиненные уровни организации биосистем, отражающие уровни их усложнения. Чаще всего выделяют шесть основных структурных уровней жизни: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический и биосферный. В типичном случае каждый из этих уровней является системой из подсистем нижележащего уровня и подсистемой системы более высокого уровня.

Автотрофы - это организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений, используя солнечную энергию.

К ним относятся растения ( только растения). Они синтезируют из СО, НО (неорганические молекулы) под воздействием солнечной энергии - глюкозу (органические молекулы) и О. Они составляют первое звено в пищевой цепи и находятся на 1 трофическом уровне.

Гетсротрофы - это организмы, которые не могут строить собственное тело из неорганических соединений, а вынуждены использовать созданное автотрофами, употребляя их в пищу.

К ним относятся консументы и детритофаги. И находятся на II и выше трофическом уровне. Человек тоже гетеротроф.

Вернадскому принадлежит идея, что возможно превращение человеческого общества из гетеротрофного и автотрофное.

В силу своих биологических особенностей человек не может перейти к автотрофности, но общество в целом способно осуществить автотрофный способ производства пищи, т.е. замена природных соединений (белки, жиры, углеводы) на органические соединения, синтезированные из неорганических молекул или атомов.

Граница между автотрофами и гетеротрофами не всегда бывает чёткой. Так, некоторые простейшие, в темноте питающиеся как гетеротрофы, на свету превращаются в автотрофов.

15. Химические понятия и определения

Атом (греч. - неделимый) - это наименьшая частица химического элемента, способная к самостоятельному существованию и являющаяся носителем его свойств. Атом представляет собой электронейтральную микросистему, состоящую из положительно заряженного ядра и соответствующего числа электронов.

Химический элемент - вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Химический элемент - это понятие, а не материальная частица. Это не атом, а совокупность атомов, характеризующихся определенным признаком - одинаковым зарядом ядра.

Электрон [др. греч. - янтарь (хорошо электризуется при трении)] - стабильная элементарная частица, имеющая массу покоя, равную 9,109 • 10-31 кг = 5,486 • 10-4 а.е.м., и несущая элементарный отрицательный заряд, равный 1,6 • 10-19 Кл.

В химии и в физике при решении многих задач заряд электрона принимают за -1 и заряды всех остальных частиц выражают в этих единицах. Электроны входят в состав всех атомов.

Протон (греч. - первый) - элементарная частица, являющаяся составной частью ядер атомов всех элементов, обладает массой покоя mp = 1,672 • 10-27 кг = 1,007 а.е.м. и элементарным положительным электрическим зарядом, равным по величине заряду электрона, т.е. 1,6 • 10-19 Кл.

Число протонов в ядре определяет порядковый номер химического элемента.

Нейтрон (лат. - ни то, ни другое) - электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя, несколько превышающей массу покоя протона mn = 1,675 • 10-27 кг = 1,009 а.е.м.

Наряду с протоном нейтрон входит в состав всех атомных ядер (за исключением ядра изотопа водорода 1Н, представляющего собой один протон).

Обобщающее название протонов и нейтронов - нуклоны.

Массовое число - общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре.

Ядро атома состоит из протонов, число которых равно порядковому номеру элемента (Z), и нейтронов (N). A = Z + N, где А - массовое число.

Нуклиды (лат. - ядро) - общее название атомных ядер, характеризуются определенным числом протонов и нейтронов (величиной положительного заряда и массовым числом).

16. Аминокислоты. Теория химической эволюции в биогенезе

Аминокислоты, класс органических соединений, объединяющих в себе свойства кислот и аминов, т. е. содержащих наряду с карбоксильной группой --COOH аминогруппу --NH2. В зависимости от положения аминогруппы относительно карбоксильной группы различают a-, b-, g- и др. А. А. играют очень большую роль в жизни организмов, т. к. все белковые вещества построены из А. Все белки при полном гидролизе (расщеплении с присоединением воды) распадаются до свободных А., играющих роль мономеров в полимерной белковой молекуле. При биосинтезе белка порядок, последовательность расположения А. задаются генетическим кодом, записанным в химической структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Теория биохимической эволюции. Жизнь возникла в специфических условиях древней Земли в результате процессов, подчиняющимся физическим и химическим законам.

Последняя теория отражает современные естественнонаучные взгляды и поэтому будет рассмотрена подробнее.

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 4000ОС,

· атмосфера, состоящая из водяных паров, СО2, 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 !

Гипотеза Опарина - Холдейна. В 1923 г. появилась знаменитая гипотеза Опарина, сводившаяся к следующему: первые сложные углеводороды могли возникать в океане из более простых соединений, постепенно накапливаться и проводить к возникновению «первичного бульона».



17. Теория молекулярной самоорганизации Эйгена

С инергетика - современная теория самоорганизующихся систем, основанная на принципах целостности мира, общности закономерностей развития всех уровней материальной и духовной организации; нелинейности (многовариантности, альтернативности) и необратимости, глубинной взаимосвязи хаоса и порядка, случайности и необходимости.

Слово «синергетика» древнегреческого происхождения, в переводе на русский язык означает «сотрудничество, совместное действие».

М.Эйгеном на основе неравновесной термодинамики и теории информации разработана концепция самоорганизации материи. Эйген ограничивается моделированием добиологической эволюции макромолекул, но развитые им идеи и методы имеют более общее принципиальное значение

Согласно теории Эйгена, самоорганизация не является очевидным свойством материи, которое обязательно проявляется при любых обстоятельствах. Должны быть выполнены определенные внутренние и внешние условия, прежде чем такой процесс станет неизбежным. Самоорганизация начинается с флуктуации. Для возникновения процесса самоорганизации необходимы инструктивные свойства системы на микроуровне.

18. Биохимические составляющие живого вещества

Как мы уже отмечали, нет никаких различий в строении молекул элементов, образующих живую и неживую природу. Однако из известных к настоящему времени 111 химических элементов, встречающихся на Земле, в живых организмах встречаются не так уж и много - всего 16. Причем четыре из них (водород, углерод, кислород и азот) составляют 99% массы живого вещества. Это связано с физическими и химическими свойствами: их валентностью и способностью образовывать прочные ковалентные связи между атомами. Следует отметить, что в живом организме происходят всевозможнейшие превращения разнообразных крупных молекул и их соединений, главным элементом которых является углерод. Можно считать, что в основе клеточной химии лежат углеродные соединения, в которых атомы углерода связываются между собой наиболее прочной из всех химических связей - ковалентной, обеспечивающей стабильность химического соединения (а значит, и стабильность живого организма).

19. Мономемр (др.-греч. ????? -- один; ????? -- часть) -- это низкомолекулярное вещество, образующее полимера в реакции полимеризации. Мономерами также называют повторяющиеся звенья (структурные единицы) в составе полимерных молекул.

Мономеры могут быть как органическими, так и неорганическими.

Примерами органических мономеров могут служить молекулы ненасыщенных углеводородов, таких как алкены и алкины. К примеру, полимеризация этена приводит к образованию такой широко известной пластмассы, как полиэтилен.

Также в промышленности широко используют акриловые мономеры -- акриловую кислоту, акриламид.

В результате полимеризации природных мономеров -- аминокислот, образуются белки. Мономеры глюкозы образуют различные полисахариды -- гликоген, крахмал.

Белким (протеимны, полипептимды[1]) -- высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью альфа-аминокислот. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций дают большое разнообразие свойств молекул белков. Кроме того, аминокислоты в составе белка часто подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в клетке. Часто в живых организмах несколько молекул белков образуют сложные комплексы, например, фотосинтетический комплекс.

Кристаллы различных белков, выращенные на космической станции «Мир» и во время полётов шаттлов НАСА. Высокоочищенные белки при низкой температуре образуют кристаллы, которые используют для получения модели данного белка.

Функции белков в клетках живых организмов более разнообразны, чем функции других биополимеров -- полисахаридов и ДНК. Так, белки-ферменты катализируют протекание биохимических реакций и играют важную роль в обмене веществ. Некоторые белки выполняют структурную или механическую функцию, образуя цитоскелет, поддерживающий форму клеток. Также белки играют важную роль в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и в клеточном цикле.

Белки -- важная часть питания животных и человека (основные источники: мясо, птица, рыба, молоко, орехи, бобовые, зерновые; в меньшей степени: овощи, фрукты, ягоды и грибы), поскольку в их организме не могут синтезироваться все необходимые аминокислоты и часть из них поступает с белковой пищей. В процессе пищеварения ферменты разрушают потреблённые белки до аминокислот, которые используются при биосинтезе белков организма или подвергаются дальнейшему распаду для получения энергии.

20. Нуклеиновые кислоты. Углеводы. Липиды

Нуклеимновые кисломты (от лат. nucleus -- ядро) -- высокомолекулярные органические соединения, биополимеры (полинуклеотиды), образованные остатками нуклеотидов. Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.

Поскольку в нуклеотидах существует только два типа гетероциклических молекул, рибоза и дезоксирибоза, то и имеется лишь два вида нуклеиновых кислот -- дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК).

Мономерные формы также встречаются в клетках и играют важную роль в процессах передачи сигналов или запасании энергии. Наиболее известный мономер РНК -- АТФ, аденозинтрифосфорная кислота, важнейший аккумулятор энергии в клетке.

ДНК и РНК

ДНК -- Дезоксирибонуклеиновая кислота. Сахар -- дезоксирибоза, азотистые основания: пуриновые -- гуанин (G), аденин (A), пиримидиновые -- тимин (T) и цитозин (C). ДНК часто состоит из двух полинуклеотидных цепей, направленных антипараллельно.

РНК -- Рибонуклеиновая кислота. Сахар -- рибоза, азотистые основания: пуриновые -- гуанин (G), аденин (A), пиримидиновые урацил (U) и цитозин (C). Структура полинуклеотидной цепочки аналогична таковой в ДНК. Из-за особенностей рибозы молекулы РНК часто имеют различные вторичные и третичные структуры, образуя комплементарные участки между разными цепями.

Углевомды (сахариды) -- органические вещества, содержащие карбонильную группу и несколько гидроксильных групп[1]. Название класса соединений происходит от слов «гидраты углерода», оно было впервые предложено К. Шмидтом 1844 году. Появление такого названия связано с тем, что первые из известных науке углеводов описывались брутто-формулой Cx(H2O)y, формально являясь соединениями углерода и воды.

Углеводы -- весьма обширный класс органических соединений, среди них встречаются вещества с сильно различающимися свойствами. Это позволяет углеводам выполнять разнообразные функции в живых организмах. Соединения этого класса составляют около 80 % сухой массы растений и 2--3 % массы животных[1].

Липимды (от греч. ?????, lipos -- жир) -- широкая группа органических соединений, включающая жирные кислоты, а также их производные, как по радикалу, так и по карбоксильной группе.

Используемое ранее определение липидов, как группы органических соединений, хорошо растворимых в неполярных органических растворителях (бензол, ацетон, хлороформ) и практически нерастворимых в воде, является слишком расплывчатым. Во-первых, такое определение вместо четкой характеристики класса химических соединений говорит лишь о физических свойствах. Во-вторых, в настоящее время известно достаточное количество соединений, нерастворимых в неполярных растворителях или же, наоборот, хорошо растворимых в воде, которые, тем не менее, относят к липидам. В современной органической химии определение термина «липиды» основано на биосинтетическом родстве данных соединений -- к липидам относят жирные кислоты и их производные[1]. В то же время в биохимии и других разделах биологии к липидам по-прежнему принято относить и гидрофобные или амфифильные вещества другой химической природы[2]. Это определение позволяет включать сюда холестерин, который вряд ли можно считать производным жирной кислоты.

21. Роль воды для живых организмов

Вода является основным компонентом живых организмов. Организм человека содержит в среднем 75% воды ( интересно отметить, что медуза состоит на 98% из воды, а 4-месячный эмбрион человека содержит 92% воды, сердце -- 80% , головной мозг -- 75%). 2. Роль воды в природе и живых организмах

Роль воды в природе и живых организмах невозможно переоценить.

Она покрывает 74% поверхности Земли и образует океаны, моря, реки и озёра. Немалая часть воды находится в газообразном состоянии (в виде паров в атмосфере), в виде снега и льда, в недрах земли. Общие запасы воды на Земле составляют 1454,3 млн км? ( из них менее 2% относятся к пресным водам, а доступны для использования 0,3%). Вода - одно из наиболее распространённых веществ на Земле, при этом она покрывает большую часть планеты. Горбачёв В.В. Концепции современного естествознания (учебник для вузов) Москва.«Оникс» 2008 г.

В первичной водной оболочке земного шара воды было гораздо меньше, чем теперь (не более 10% от общего количества воды в водоемах и реках в настоящее время). Дополнительное количество воды появилось впоследствии в результате освобождения воды, входящей в состав земных недр. По расчетам специалистов, в составе мантии Земли воды содержится в 10-12 раз больше, чем в Мировом океане. При средней глубине в 4 км Мировой океан покрывает около 71% поверхности планеты и содержит 97,6% известных нам мировых запасов свободной воды. Реки и озера содержат 0,3% мировых запасов свободной воды.

Большими хранилищами влаги являются и ледники, в них сосредоточено до 2,1% мировых запасов воды. Если бы все ледники растаяли, то уровень воды на Земле поднялся бы на 64 м и около 1/8 поверхности суши было бы затоплено водой.

Около 86% водяного пара поступает в атмосферу за счет испарения с поверхности морей и океанов и только 14% за счет испарения с поверхности суши. В итоге в атмосфере концентрируется 0,0005% общего запаса свободной воды. Количество водяного пара в составе приземного воздуха изменчиво. При особо благоприятных условиях испарения с подстилающей поверхности оно может достигать 2%. Несмотря на это, кинетическая энергия движения воды в морях составляет не более 2% от кинетической энергии воздушных течений. Происходит это потому, что более трети солнечного тепла, поглощаемого Землей, тратится на испарение и переходит в атмосферу. Кроме того, значительное количество энергии поступает в атмосферу за счет поглощения проходящего через нее солнечного излучения и отражения этого излучения от земной поверхности. Прошедшая же через водную поверхность лучистая энергия Солнца и небесного свода уменьшается в интенсивности наполовину уже в верхнем полуметре воды вследствие сильного поглощения в инфракрасной части спектра. Арабаджи Всеволод Исидорович. Загадки простой воды. М.: «Знание», 1973

Природная вода не бывает совершенно чистой, она содержит различные примеси: в пресных водах это обычно от 0,01 да 0,1% (масс.), в морской воде - 3,5%(масс.). Причём в последней главную массу растворённых веществ составляет хлорид натрия (поваренная соль). Горбачёв В.В. Концепции современного естествознания (учебник для вузов) Москва.«Оникс» 2008 г.

Вода, содержащая большое количество солей кальция и магния, называется жёсткой, в отличие от мягкой воды, например, дождевой.

Роль и значение воды для возникновения и существования жизни огромна, поскольку именно из неё в основном состоят почти все живые существа, да и сама жизнь по общепринятой модели А.И. Опарина зародилась в океане.

Растворенные в морской воде аммиак и углеводы в контакте с некоторыми минералами при достаточно высоком давлении и воздействии мощных электрических разрядов могли обеспечить образование белковых веществ, на основе которых в дальнейшем возникли простейшие организмы. По мнению К.Э. Циолковского, водная среда способствовала предохранению хрупких и несовершенных вначале организмов от механического повреждения. Суша и атмосфера стали впоследствии второй ареной жизни. Арабаджи Всеволод Исидорович. Загадки простой воды. М.: «Знание», 1973

Неизмеримо велика роль воды в природе и жизни человека. Можно сказать, что все живое состоит из воды и органических веществ. Она - активнейший участник формирования физической и химической среды, климата и погоды. При этом она влияет и на экономику, промышленность, сельское хозяйство, транспорт и энергетику.

Без пищи мы можем прожить несколько недель, а без воды - лишь 2-3 дня. Для обеспечения нормального существования человек должен вводить в организм воды примерно в 2 раза больше по весу, чем питательных веществ. Потеря организмом человека более 10% воды может привести к смерти. В среднем в организме растений и животных содержится более 50% воды, в теле медузы ее до 96%, в водорослях 95-99%, в спорах и семенах от 7 до 15%. В почве находится не менее 20% воды, в организме же человека вода составляет около 65%. Разные части человеческого организма содержат неодинаковое количество воды: стекловидное тело глаза состоит из воды на 99%, в крови ее содержится 83, в жировой ткани 29, в скелете 22 и даже в зубной эмали 0,2%. В течение всей своей жизни человек теряет воду из организма, и его биоэнергетический потенциал уменьшается. В шестинедельном человеческом эмбрионе содержание воды составляет до 97%, у новорождённого - 80%, у взрослого - 60-70%, а в организме пожилого человека - лишь 50-60%.

Вода абсолютна необходима для всех ключевых систем жизнеобеспечения человека. Вода и содержащиеся в ней вещества становятся средой питания и поставляют живым организмам необходимые для жизни микроэлементы. Она содержится в крови (79%) и способствует переносом по кровеносной системе в растворённом состоянии тысяч необходимых веществ и элементов (геохимический состав воды близок к составу крови животных и человека.).

В лимфе, которая осуществляет обмен веществ между кровью и тканями живого организма вода составляет 98%.

Вода сильнее других жидкостей проявляет свойства универсального растворителя. Через определённое время она может растворить почти любое твёрдое вещество.

22. Клетка как элементарная частица молекулярной биологии

Клетка представляет собой обособленную, наименьшую по размерам структуру, которой присуща вся совокупность свойств жизни и которая может в подходящих условиях окружающей среды поддерживать эти свойства в самой себе, а также передавать их в ряду поколений. Клетка, таким образом, несет полную характеристику жизни. Вне клетки не существует настоящей жизнедеятельности. Поэтому в природе планеты ей принадлежит роль элементарной структурной, функциональной и генетической единицы.

Это означает, что клетка составляет основу строения, жизнедеятельности и развития всех живых форм -- одноклеточных, многоклеточных и даже неклеточных. Благодаря заложенным в ней механизмам клетка обеспечивает обмен веществ, использование биологической информации, размножение, свойства наследственности и изменчивости, обусловливая тем самым присущие органическому миру качества единства и разнообразия.

Занимая в мире живых существ положение элементарной единицы, клетка отличается сложным строением. При этом определенные черты обнаруживаются во всех без исключения клетках, характеризуя наиболее важные стороны клеточной организации как таковой.

23. Строение клетки

Все клеточные формы жизни на Земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток:

прокариоты (доядерные) -- более простые по строению и возникли в процессе эволюции раньше;

эукариоты (ядерные) -- более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими.

Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам.

Содержимое клетки отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом.

Прокариотическая клетка

Строение типичной клетки прокариот: капсула, клеточная стенка, плазмолемма, цитоплазма, рибосомы, плазмида, пили, жгутик, нуклеоид.

Прокариоты (от лат. pro -- перед, до и греч. ?????? -- ядро, орех) -- организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов -- линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток -- митохондрии и пластиды. Основное содержимое клетки, заполняющее весь её объём, -- вязкая зернистая цитоплазма.

Эукариотическая клетка

Эукариоты (эвкариоты) (от греч. ?? -- хорошо, полностью и ?????? -- ядро, орех) -- организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят) комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты-прокариоты -- митохондрии, а у водорослей и растений -- также и пластиды.

24. Процессы в клетке

25. Фотосинтез

Фотосинтез (от греч. ????- -- свет и ???????? -- синтез, совмещение, помещение вместе) -- процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция -- совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.

26. Деление клеток и образование организма

Деление эукариотических клеток

Амитомз -- прямое деление клетки, происходит в соматических клетках эукариот реже, чем митоз. В большинстве случаев амитоз наблюдается в клетках со сниженной митотической активностью: это стареющие или патологически измененные клетки, часто обреченные на гибель (клетки зародышевых оболочек млекопитающих, опухолевые клетки и другие). При амитозе морфологически сохраняется интерфазное состояние ядра, хорошо видны ядрышко и ядерная оболочка. Репликация ДНК отсутствует. Спирализация хроматина не происходит, хромосомы не выявляются. Клетка сохраняет свойственную ей функциональную активность, которая почти полностью исчезает при митозе. Таково, например, деление макронуклеусов многих инфузорий, где без образования веретена происходит сегрегация коротких фрагментов хромосом. При амитозе делится только ядро, причём без образования веретена деления, поэтому наследственный материал распределяется случайным образом. Отсутствие цитокинеза приводит к образованию двуядерных клеток, которые в дальнейшем не способны вступать в нормальный митотический цикл. При повторных амитозах могут образовываться многоядерные клетки.

Митомз (от греч. ????? -- нить) -- непрямое деление клетки, наиболее распространённый способ репродукции эукариотических клеток, один из фундаментальных процессов онтогенеза. Митотическое деление обеспечивает рост многоклеточных эукариот за счёт увеличения популяции тканевых клеток. Биологическое значение митоза заключается в строго одинаковом распределении хромосом между дочерними ядрами, что обеспечивает образование генетически идентичных дочерних клеток и сохраняет преемственность в ряду клеточных поколений[1]. Дробление оплодотворённого яйца и рост большинства тканей у животных также происходит путём митотических делений[2]. На основании морфологических особенностей митоз условно подразделяется на:

профазу,

прометафазу,

метафазу,

анафазу,

телофазу.

Продолжительность митоза в среднем составляет 1--2 часа[1][3]. В клетках животных митоз, как правило, длится 30--60 минут, а в растительных -- 2--3 часа[4]. Клетки человека за 70 лет суммарно претерпевают порядка 1014 клеточных делений[5].

Мейоз (от греч. meiosis -- уменьшение) или редукционное деление клетки -- деление ядра эукариотической клетки с уменьшением числа хромосом в два раза. Происходит в два этапа (редукционный и эквационный этапы мейоза). Мейоз не следует смешивать с гаметогенезом -- образованием специализированных половых клеток или гамет из недифференцированных стволовых. Уменьшение числа хромосом в результате мейоза в жизненном цикле ведёт к переходу от диплоидной фазы к гаплоидной. Восстановление плоидности (переход от гаплоидной фазы к диплоидной) происходит в результате полового процесса. В связи с тем, что в профазе первого, редукционного, этапа происходит попарное слияние (конъюгация) гомологичных хромосом, правильное протекание мейоза возможно только в диплоидных клетках или в чётных полиплоидах (тетра-, гексаплоидных и т. п. клетках). Мейоз может происходить и в нечётных полиплоидах (три-, пентаплоидных и т. п. клетках), но в них, из-за невозможности обеспечить попарное слияние хромосом в профазе I, расхождение хромосом происходит с нарушениями, которые ставят под угрозу жизнеспособность клетки или развивающегося из неё многоклеточного гаплоидного организма. Этот же механизм лежит в основе стерильности межвидовых гибридов. Определённые ограничения на конъюгацию хромосом накладывают и хромосомные мутации (масштабные делеции, дупликации, инверсии или транслокации).

Деление прокариотических клеток

Прокариотимческие клетки делятся надвое. Сначала клетка удлиняется, в ней образуется поперечная перегородка. На завершающем этапе дочерние клетки расходятся. Отличительной чертой деления прокариотических клеток является непосредственное участие реплицированной ДНК в процессе деления[6]. Обычно прокариотические клетки делятся с образованием двух одинаковых по размеру дочерних клеток, поэтому этот процесс ещё иногда называют бинарным делением. В связи с тем, что в подавляющем большинстве случаев прокариотические клетки имеют клеточную стенку, бинарное деление сопровождается образованием септы -- перегородки между дочерними клетками, которая затем расслаивается посередине. Процесс деления прокариотической клетки подробно изучен на примере Escherichia coli[7].

27. Генетический код

Генетимческий код -- свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

В ДНК используется четыре нуклеотида -- аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом -- урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.

Генетический код

Белки практически всех живых организмов построены из аминокислот всего 20 видов. Эти аминокислоты называют каноническими. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот, соединённых в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства.

Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза мРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на мРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам, изображены на рисунке.

28. Понятие биосферы

Биосфемра (от др.-греч. ???? -- жизнь и ?????? -- сфера, шар) -- оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Биосфера -- оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера сформировалась 500 млн. лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу. Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 000 000 видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В. И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».

Термин «биосфера» был введён в биологии Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX в., а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году[1].

Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В. И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Существует и другое, более широкое определение: Биосфера -- область распространения жизни на космическом теле. При том что существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока неизвестно, считается что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане спутника Юпитера Европы.

29. ноосфера

Ноосфемра (греч. ???? -- «разум» и ?????? -- «шар») -- сфера разума; сфера взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития (эта сфера обозначается также терминами «антропосфера», «биосфера», «биотехносфера»)[1].

Ноосфера -- предположительно новая, высшая стадия эволюции биосферы, становление которой связано с развитием общества, оказывающего глубокое воздействие на природные процессы. Согласно В. И. Вернадскому, «в биосфере существует великая геологическая, быть может, космическая сила, планетное действие которой обычно не принимается во внимание в представлениях о космосе… Эта сила есть разум человека, устремленная и организованная воля его как существа общественного»[1].

30. Роль естествознания в формировании профессиональных знаний

Большое многообразие проявлений окружающего нас мира требует глубокого и комплексного восприятия фундаментальных понятий о материи, пространстве и времени, о добре и зле, о законе и справедливости, о природе поведения человека в обществе. Фундаментальные законы, понятия и закономерности отражают не только объективную реальность материального мира, но и мира социального. К сожалению, уходящий век оставляет немало примеров того, что забвение фундаментальных истин наносило и наносит невосполнимый ущерб природе, живому миру, самому человеку.

Близится рубеж тысячелетий. Завершается XX век, явивший миру черты новой цивилизации. Человек вышел в космос, проник внутрь атомного ядра, освоил новые виды энергии, создал мощные вычислительные системы, разгадал генетическую природу наследственности, научился использовать в невиданных масштабах богатство природы. Однако он гораздо менее преуспел в рациональном и бережном отношении к природе и к богатейшим ее ресурсам.

Что же происходит сейчас, в период интенсивного техногенного развития человечества? По оценкам палеонтологов, за все время эволюции жизни на Земле чередой прошли около 500 млн. живых организмов. Сейчас их насчитывается примерно 2 млн. Только в результате вырубки лесов суммарные потери составляют 4-6 тыс. видов в год. Это приблизительно в 10 тыс. раз больше естественной скорости их вымирания до появления человека. Одновременно наша планета интенсивно пополняется большим множеством различных видов искусственно созданной технической продукции, иногда называемых техногенными видами популяции. Ежегодно производится около 15- 20 млн. различных машин, приборов, устройств, строений и т. п., которые образуют своеобразную техногенную сферу.

Новые технологии земледелия не обходятся без гигантского потока химических веществ. Энергетика стала обязательной спутницей любой развитой страны. Она же является одной из причин нарушения экологического равновесия - глобального потепления, вызванного парниковым эффектом, что подтверждается не только ежегодным повышением средней температуры воздуха, но и ростом уровня Мирового океана на 2-3 мм в год. Разрушается озоновый слой, защищающий все живое от чрезмерного ультрафиолетового излучения; во многих местах нашей планеты выпадают кислотные осадки, приносящие громадный ущерб объектам живой и неживой природы.

Все это - в значительной степени результат активного вмешательства человека в природу и свидетельствует о неудовлетворительном состоянии индустриально-технологической практики, образовательной философии, снижении нравственного и духовного уровней человека. Общество фактически смирилось с существованием людей, имеющих ограниченный кругозор, с подготовкой специалистов узкого профиля. Дифференциация и специализация, вроде бы диктуемые логикой научного процесса, в действительности порождают многие экологические и социальные проблемы. В такой ситуации отдельные представители науки и прогрессивной общественности зачастую оказываются бессильны решить данные проблемы, а также справиться с инстинктом толпы, которой руководит чаще всего желание создать удобный и приятный образ жизни.

Итак, нам представляется, назрела необходимость кардинального пересмотра всей системы знаний о мире, человеке и обществе. При этом необходимо осознанно вернуться, к изучению единого мироустройства, к целостному знанию, но на более высокий виток его развития. Другими словами, возникла объективная необходимость в повышении роли фундаментальной базы образования, построенной на основе органического единства его естественно-научной и гуманитарной составляющих. Человек должен осознанно увидеть свою зависимость от окружающего его мира.

Можно назвать две группы причин, указывающих на необходимость повышения роли фундаментальной базы образования. Первая группа связана с глобальными проблемами цивилизации, нынешний этап развития которой характеризуется наличием признаков экономического, экологического, энергетического, информационного кризисов, а также резким обострением национальных и социальных конфликтов во многих странах мира. Вторая группа причин обусловлена тем, что мировое сообщество в последние десятилетия явно ставит в центр системы образования приоритет человеческой личности. Формирование широкообразованной личности требует решения ряда взаимосвязанных задач. Во-первых, нужно создать оптимальные условия для гармонических связей человека с природой посредством изучения естественно-научных фундаментальных законов природы. Во-вторых, человек живет в обществе, и для его гармонического существования необходимо погружение в культурную среду через освоение истории, права, экономики, философии и других наук.

Концепцию фундаментального образования впервые отчетливо сформулировал в начале XIX в. немецкий филолог и философ Вильгельм Гумбольдт (1767- 1835). По его мнению, предметом такого образования должны служить те фундаментальные знания, которые именно превалируют в фундаментальной науке. Ученый утверждал, что образование должно быть встроено в научные исследования. Эта прогрессивная идея системы образования реализована в лучших университетах мира.

Необходимость перехода к системе образования, в которой повышается роль фундаментальной базы образования, многими специалистами к настоящему времени признана. В этом направлении уже сделаны конкретные шаги. Один из них - введение в общеобразовательный цикл в вузах новой дисциплины - концепции современного естествознания - для обязательного изучения.

Знание концепций современного естествознания поможет будущим специалистам гуманитарных направлений расширить кругозор и познакомиться с конкретными естественно-научными проблемами, тесно связанными с экономическими, социальными и другими задачами, от решений которых зависит уровень жизни каждого из нас.

Любой специалист, вне зависимости от профиля и специфики своей деятельности, так или иначе рано или поздно касается проблем управления. А это означает, что он должен владеть знанием менеджмента. На первый взгляд может показаться, что естествознание - ненужный груз для специалистов управления, экономики, руководителей предприятий и других подобного рода специалистов. Однако на самом деле любой специалист, если он истинный специалист, и прежде всего менеджер или экономист, должен владеть не только законами управления и экономики, но и естественно-научной сущностью объекта, для которого проводится, например, экономический анализ. Без знаний естественно-научной сущности анализируемого объекта и без понимания естественно-научных основ современных технологий менеджеры и экономисты, даже владеющие знаниями менеджмента и экономики, не в состоянии дать квалифицированных рекомендаций по оптимальному решению даже самого простого вопроса, связанного с оценкой, например, экономической эффективности применения различных предлагаемых технологий изготовления какого-либо товара. Ведь каждая технология характеризуется собственной спецификой, влияющей на качество выпускаемого товара, своей материально-технической базой, воздействием на окружающую среду и т. п., а это означает, что поставленный вопрос сопряжен с решением комплекса задач, включающего и экономические, и социальные, и естественно-научные аспекты. Специалисту, владеющему вопросами современного естествознания вместе с теоретическими знаниями управления экономики, не составит труда решить не только простую экономическую задачу (допустим, составить экономически обоснованный бизнес-план), но и любую сколь угодно сложную.

Первую оценку того или иного предложения настоящий руководитель любого ранга обычно производит самостоятельно, до того, как примет окончательное решение о необходимости прибегнуть к услугам специалистов. Вероятность того, что оценка будет объективной, а решение - единственно верным, тем выше, чем шире профессиональный кругозор руководителя, что чрезвычайно важно для принятия особо ответственных решений, связанных, например, со строительством крупных объектов: мощных электростанций, протяженных магистралей и т. п., затрагивающих интересы колоссального числа людей, а нередко государства в целом, иногда и многих государств. Без владения естественно-научными основами современных технологий получения электроэнергии вряд ли возможно принятие решения о строительстве такой электростанции, которая бы наносила минимальный экологический ущерб и производила бы дешевую энергию. Если руководители и работающие вместе с ними специалисты вынесут решение без учета естественно-научных основ энергетики и экологии, то такое некомпетентное решение сделает возможным строительство, например, гидроэлектростанций на равнинных реках, которые, как сейчас всем понятно, производят не самую дешевую энергию, нарушают естественный природный баланс, на восстановление которого потребуется гораздо больше энергии, чем ее производят такие электростанции. Подобные некомпетентные решения могут послужить основой для строительства гигантской мощности атомной электростанции в том регионе, где нет крупных потребителей энергии и где природные условия позволяют строить электростанции совершенно другого типа, например, гелиоэлектростанцию, мощности которой вполне достаточно для местного потребления. При этом не возникает проблемы передачи электроэнергии на большие расстояния другим потребителям, что влечет за собой неизбежные потери полезной энергии. Кроме того, гелиоэлектростанция мало влияет на окружающую среду. Знание естественно-научных основ энергетики и экологии поможет выбрать наиболее оптимальный тип гелиоэлектростанции, которая органически вписывалась бы в живую природу, вырабатывая при этом дешевую энергию.