Концепции современного естествознания

Концепции современного естествознания

Звезды малых масс эволюционируют медленно и многие из них дожили до наших дней.

Согласно данным некоторых астрономов, звездообразование в Галактике происходит с определенными перерывами.

По современным представлениям, звезды образуются в результате сжатия (под действием тяготения) облаков холодного газа. Сами эти облака представляют собой части более обширных и массивных комплексов, на которые распалось протогалактическое облако. Стадия будущей звезды, или протозвезды, длится у звезд с массами, близкими к солнечной, несколько миллионов лет. Формирующиеся звезды окружены газо-пылевыми оболочками, которые не пропускают оптическое излучение от разогревшихся в ходе сжатия центральных областей протозвезды.

“Включение” термоядерного реактора означает, что стадия протозвезды закончилась и началась стадия настоящей звезды.

Молодым звездам, массы которых близки к массе Солнца, предстоит долгая жизнь: только на главной последовательности они находятся не менее 10 млрд. лет.

Смена режима работы термоядерного топлива (водород выгорает в ядре, начинается горение в слоях, прилегающих к гелиевому ядру и т.д.) преображает звезду. Она разбухает, проходит стадию красного гиганта, теряет свою оболочку, ядро обнажается, и звезда постепенно превращается в белый карлик, а в будущем станет остывшим черным карликом.

Более массивные звезды взрываются, рассыпаясь в межзвездном пространстве, или оставляют после себя нейтронные звезды или даже черные дыры.

Разработка космогонических гипотез является результатом усилий многих ученых (Декарт, 1644; Кант, 1775; Лаплас, 1796; в XX столетии -О.Шмидт, Х.Альвен, Ф.Хойл, А.Камерон, Э.Шацман и др.).

Сейчас считается общепризнанным, что планеты возникли в результате объединения твердых тел и частиц, образовавшихся во вращающемся вокруг Солнца гигантском протопланетном облаке, состоящем и газа и пыли. Пока не существует однозначного ответа на вопрос: откуда взялось протопланетное облако? Однако у некоторых звезд, например Веги, обнаружены газово-пылевые диски.

Протопланетное облако содержало газ “звездного” состава (водород и гелий) и пыль из более тяжелых элементов. Сжимающееся облако увеличивало скорость вращения. Пылевой слой, будучи гравитационно неустойчивым, распался на множество сгустков, превратившихся в рой твердых тел. Сначала размеры этих тел были сравнительно невелики, а их орбиты юыли близки к круговым. По мере роста масс увеличивалось взаимное притяжение тел, возрастали их относительные скорости, орбиты становились эллиптическими.

Гравитационное взаимодействие было определяющим фактором в формировании будущих планет. Уменьшение числа зародышей и появление сверхзародышей происходило до тех пор, пока возникающие крупные и массивные тела не оказались на таких расстояниях, где взаимное притяжение не могло уже существенно изменить их орбиты. Эти безопасные расстояния и стали залогом устойчивости будущей Солнечной системы.

Планеты земной группы сформировались сравнительно быстро (Земля за 100 млн. лет), планеты-гиганты росли дольше.

В начале 50-х гг. наука отказалась от представления о первичной огненно-жидкой планете. Было развито представление об изначально холодной Земле. Но теперь ученые говорят если не об огненно-жидкой, то об умеренно горячей планете. Крупные по массам и размерам тела, падая на относительно холодную Землю и глубоко врезаясь в нее, разогревали нашу планету. Такой разогрев оказался сильнее, чем это могло произойти за счет энергии других механических (гравитационное сжатие) и немеханических (радиоактивный распад) процессов. Земля частично плавилась, изменяла свою структуру, формировала ядро и оболочки.

В настоящее время, как известно, Земля имеет расплавленное ядро, состоящее в основном из железа и никеля. Вещества, содержащие более легкие элементы (кремний, магний и др.), постепенно всплывали, образуя мантию и кору Земли. Самые легкие элементы вошли в состав океана и первичной атмосферы.

Самые легкие и легче всего испаряющиеся элементы - водород, углерод, азот и кислород - являются составными частями современной атмосферы и самой жизни. Внешние слои Земли содержали эти элементы не в свободном, а в связанном виде в составе других молекул. Под влиянием разогрева при соударениях вещество теряло летучие элементы, из которых образовалась первичная атмосфера. Некоторые молекулы разрушались в процессе фотодиссоциации под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. В результате атмосфера включала и небольшое количество водорода. Таким образом, атмосфера была слабо восстановительной.

Состав атмосферы менялся в результате улетучивания атомов и молекул водорода и выделения газов из земной коры, разогретой за счет распада радиоактивных изотопов. Выделение летучих элементов, которое в значительно ослабленной форме происходит и теперь из вулканов, внесло в атмосферу большое количество водяного пара, углекислого газа, азота и окиси углерода. Таким образом, практически вся вода современных океанов выделилась из пород, слагающих ныне кору и верхнюю мантию Земли.

Под влиянием ультрафиолетового излучения молекулы воды, входящие в состав атмосферы, распадаются на атомы водорода и кислорода. Однако, пока молекулы водорода оставались в составе атмосферы, свободные атомы кислорода быстро вступали в реакцию с ними. Как только водород улетучился, в атмосфере образовался свободный кислород, а затем и озон, который образовал озоновый экран, преградивший путь жесткому ультрафиолетовому излучения к поверхности Земли.

Дальнейшие изменения атмосферы, гидросферы и верхних слоев литосферы происходили под существенным влиянием возникшей на Земле жизни. Что же произошло за последние 4 млрд. лет?

Живое вещество биосферы - это активное начало, преобразующее остальные сферы Земли. Эта роль жизни была впервые обоснована В.И.Вернадским.

Современная атмосфера Земли есть продукт деятельности живых организмов. Как писал Вернадский, “атмосфера всецело создана жизнью”.

Первичная атмосфера нашей планеты имела восстановительный характер, была лишена свободного кислорода и состояла из следующих газов: На первом месте по количеству стояли вода и углекислый газ. Развитие фотосинтеза приводило к освобождению больших количеств свободного кислорода в гидросфере и затем в атмосфере. Аммиак и метан практически полностью исчезают из состава атмосферы в результате окисления. Современная атмосфера является азотно-кислородной и состоит в основном из

Углекислый газ, который когда-то занимал второе место по содержанию в атмосфере, оказался химически связанным в породах, главным образом в виде карбоната кальция (мел, известняк). Почти весь углекислый газ исчез из атмосферы. Небольшие его количества остаются благодаря процессам выветривания и дыхания животных; разложение органического вещества также возвращает этот газ в атмосферу.

Кислород до развития жизни существовал в малых количествах. Фотосинтез синезеленых водорослей, а затем и зеленых растений увеличил его содержание в современной атмосфере до 21%.

Азот, из которого на 78% состоит современная атмосфера, поступил в нее при дегазации, но его сохранению помогло существование жизни. При каждом грозовом разряде в атмосфере часть атмосферного азота соединяется с кислородом и образует окислы азота, которые благодаря осадкам попадают в почву и океаны. В почве живут денитрифицирующие бактерии, которые разлагают окислы азота и возвращают его в атмосферу.

Окись углерода, которая была важным компонентом земной атмосферы, давно соединилась с кислородом и превратилась в углекислый газ, который, как отмечено выше, сконцентрировался в углеродсодержащих породах.

Водяной пар, содержание которого было высоким, все еще составляет часть оболочки Земли - океаны, покрывающие 71% поверхности Земли. Океаны отличают Землю от всех других планет.

Химизм вод Мирового океана в значительной степени определяется и регулируется живым веществом. Воды Мирового океана, как и атмосфера Земли, образовались за счет дегазации мантии, т.е. Мировой океан образовался из паров мантийного материала и вначале воды были кислые и минерализованы. Пресные воды появились позже в результате испарения с поверхности первичных океанов (процесс естественной дистилляции).

Сильные кислоты в составе ювенильных вод интенсивно разрушали первичные алюмосиликатные породы, извлекая из них щелочные и щелочноземельные металлы: Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, а также соли двухвалентного железа. Первичная поверхность суши омывалась кислыми дождями, под влиянием которых происходили гидролиз и гидратация первых минералов. При круговороте воды и выносе катионов Na, K, Mg, Ca значительная их часть задерживалась в океане и сейчас являются главными катионами океанической воды. К главным анионам ее относятся К редким элементам относятся азот, фосфор, кремний, концентрация которых контролируется ростом и размножением живых организмов океана. В морской воде растворены природные газы, тесно связанные с атмосферой и живым веществом моря: азот, кислород, углекислота, сероводород.

Земная кора как верхний слой твердой тела Земли первоначально возникла в результате выплавления материала мантии и в дальнейшем оказалась существенно переработанной в биосфере под влиянием атмосферы, воды и деятельности живых организмов.

Ландшафт первых сухопутных участков был типичный вулканический, подобный современному лунному ландшафту.

Литосфера Земли сформировалась в большей своей части за счет деятельности живого вещества. Это относится к осадочным породам. Известняки, мел, мрамор почти целиком состоят из остатков скелетов организмов.

Почвенный покров сформировался и развивался при активном участии живого вещества.

В самом начале палеозойской эры живое вещество переходит на сушу, формируются наземная флора и фауна. Происходит рост биомассы, усложняется ее качественный состав. Новые виды организмов для построения внутреннего и наружного скелета используют и др. В результате резко увеличивается воздействие живого вещества на геохимию океана, атмосферы и осадочной оболочки Земли.

Состав атмосферы приближается к современному. Морская вода из хлоридно-карбонатно-сульфатной постепенно превращается в хлоридно-сульфатную.

1. Хокинг С. Виден ли конец теоретической физики? Природа, 1982, 5

Молекулы находятся в непрерывном движении и сталкиваются друг с другом. Обычно при этом они просто отскакивают в разные стороны, так как их электронные оболочки отталкиваются. Но сильное соударение может вызвать перегруппировку электронов в столкнувшихся молекулах и возникновение нового соединения. Это явление называют химической реакцией. Химия изучает процессы превращения молекул при их взаимодействиях и при воздействиях на них внешних факторов - теплоты, света, электрического тока.

Количество химических реакций и количество молекул не поддаются исчислению. Химия непрерывно создает новые комбинации атомов, новые вещества.

Многие элементы образуют соединения с водородом -- гидриды (CH4, NH3, HF, SiH4, H2S, HCl), а также соединения с кислородом -- оксиды (CO, CO2, SO, SO2, SiO2, NO, N2O3, NO2, N2O5).

Вода - соединение водорода с кислородом - H2O. Это одно из самых распространенных веществ на Земле. Она обладает совершенно удивительными свойствами, которые настолько важны для живых организмов, что нельзя себе представить жизнь, в том виде как мы ее знаем, на какой бы то ни было планете, если только на этой планете нет достаточного запаса воды.

Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя водородными атомами. Молекула изогнута углом, в вершине угла находится атом кислорода. Молекула полярна: ее кислородный атом несет частичный отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода - частичный положительный заряд.

Частично отрицательный атом кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул; поэтому молекулы воды связаны друг с другом водородными связями. В жидком состоянии эти слабые связи быстро образуются и столь же быстро разрушаются при беспорядочных соударениях молекул.

Свойства воды, имеющие важное значение для жизни:

1. Вода способна слипаться сама с собой (когезия) и с другими веществами (адгезия). Отсюда поверхностное натяжение и капиллярность.

2. Вода является хорошим растворителем. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Благодаря своей полярной природе вода обладает способностью растворять ионные вещества и другие полярные соединения. Неполярные соединения в воде не растворяются, образуя с водой поверхности раздела. Поверхности раздела в живых организмах играют очень важную роль, так как именно здесь протекают многие химические реакции.

3. Вода обладает высокой теплопроводностью. В живом организма непрерывно происходят реакции, сопровождающиеся выделением тепла. Благодаря высокой теплопроводности воды это тепло равномерно распределяется по всей воде, содержащейся в организме; тем самым устраняется риск возникновения локальных горячих точек, которые могли бы послужить причиной повреждения тонких биологических структур.

4. Вода имеет высокую температуру кипения. К счастью для живых организмов, температуры на поверхности Земли редко достигают точки кипения.

5. Вода, испаряясь, способствует охлаждению тела, поскольку на испарение воды расходуется много тепла. Многие живые существа используют это свойство воды (потоотделение, тепловая одышка).

6. Вода имеет высокую температуру замерзания, а ее плотность максимальна при +4°С. Температура замерзания воды, пожалуй, несколько выше, чем было бы идеально для жизни, поскольку живые организмы во многих областях вынуждены существовать при температурах ниже точки замерзания воды. Необычное свойство воды: макисмальная плотность при температуре, которая выше точки замерзания. При охлаждении от +4°С до 0°С вода расширяется, поскольку расстояния между молекулами воды в кристалле льда больше, чем в жидком состоянии. Это значит, что кристалл льда больше объема той воды, из которой он образовался.

Если кристаллы льда образуются в живом организме, то они могут разрушить его тонкие структуры и вызвать гибель. У озимой пшеницы, у ряда насекомых, у лягушек и других есть природные антифризы, предотвращающие образование льда в их клетках. Ткани некоторых организмов не повреждаются кристаллами льда. У птиц и млекопитающих температура всегда поддерживается на высоком уровне.

Благодаря низкой плотности лед всегда плавает на поверхности жидкой воды. Это предотвращает замерзание всей толщи воды и делает возможным жизнь подо льдом. Особые термические свойства воды также обеспечивают перемешивание воды в озерах.

Одно из наиболее важных свойств воды - ее способность растворять многие вещества с образованием водных растворов. Растворы - очень важное состояние вещества.

Вода океанов представляет собой водный раствор, содержащий сотни компонентов. Воздух - газовый раствор азота, кислорода, двуокиси углерода, водяных паров и аргоноидов. Сплав, из которого изготавливают серебряные монеты, представляет собой твердый, или кристаллический, раствор серебра и меди.

Если один из компонентов раствора находится в большем количестве, чем другие, то его можно назвать растворителем. Другие компоненты называют растворенными веществами.

Кислота -- водородсодержащее веществом диссоциирующее в воде с образованием ионов водорода. Основание -- вещество, содержащее ион гидрах- сила или гидроксильнув группу (ОН), которая при диссоциации данного вещества в водном растворе образует ион гидроксила. Согласно другому определение, кислота - донор протонов, а основание -- акцептор протонов. Кислота и основание, содержащее гидроксил, доит воду и соль:

NaOH + HCl ? NaCl + H2O

Соль - это соединение, образующееся в результате полного или частичного замещения атомов водорода кислоты металлом. При растворении соли в воде составляющие ее ионы диссоциируют, т.е. превращаются в свободные ионы.

Окислительно-восстановительные реакции

Все биологические процессы связаны с потреблением энергии. Источником энергии являются различные реакции. Большую часть необходимой энергии клетка получает за счет окисления питательных веществ в процессе дыхания.

Окисление можно описать как потерю электрона, а восстановление -- как получение электрона. В обычных окислительно-восстановительных реакциях эти два процесса происходят одновременно.

Окислительная или восстановительная способность определяется числом электронов, участвующих в окислении или восстановлении.

Окисление может происходить путем присоединения кислорода к веществу (собственно окисление), и путем отнятия водорода (дегидрирование). Второй вариант является самой распространенной формой биологического окисления.

Восстановление происходит в результате отщепления молекулярного кислорода, присоединения атома водорода или присоединения электрона.

Вода с растворенными в ней различными простыми солями - необходимая среда для химических процессов, из которых слагается жизнь. Жизнь включает всевозможные превращения множества разнообразных крупных молекул, главным элементом в которых является углерод.

Волькенштейн (1972): “Углерод - самый важный элемент на Земле. Я говорю о важности углерода для нас, для человечества. Наша жизнь - углеродная. Все биологически функциональные вещества, за исключением воды и некоторых солей, содержат углерод. Таковы белки, нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы, гормоны, витамины, порфирины”.

Углерод имеет четыре электрона на незаполненной оболочке, но он не может образовывать ионы, отдав или приняв четыре электрона. Однако углерод такой мастер образовывать ковалентные связи, что сейчас известно более миллиона веществ, построенных на его основе. Особенно интересна уникальная способность атомов углерода вступать в ковалентную связь друг с другом, образуя молекулы в виде длинных цепей, прямых или разветвленных, колец и других более сложных структур. Эти углеродные цепи и кольца составляют “скелеты” органических молекул. Такие молекулы могут объединять самое различное число атомов углерода - от нескольких штук до сотен тысяч и даже миллионов.

Простейшими углеродными соединениями являются углеводороды, и простейшим среди них - метан CH4. Метан входил в состав первичной атмосферы Земли. Жизнь зародилась в этой атмосфере, и, возможно, метан был древнейшим родоначальником бесчисленных углеродсодержащих соединений, возникавших по мере развития жизни. В современных живых организмах обнаружено лишь несколько углеводородов (каучук, каротин).

Углеводороды представляют собой соединения, содержащие только атомы углерода и водорода - ряд метана: метан - CH4, этан - C2H6, пропан - C3H8, бутан - C4H10 и т.д. (Они называются также алканами).

Природный газ, получаемый из нефтяных и газовых скважин, обычно содержит около 85% метана. Газ, поднимающийся со дна болот, состоит из метана с небольшим количеством двуокиси углерода и азота.

В состав некоторых молекул углеводородов входят кольца атомов углерода.

Простейшим циклическим углеводородом является циклопропан C3H6, который может быть хорошим анестезирующим средством, но опасен: в смеси с воздухом он воспламеняется от электрической искры.

Циклогексан C6H12 - бесцветная жидкость, получаемая при перегонке нефти, используется в качестве растворителя.

Спирты образуются из углеводорода при замещении одного атома водорода на гидроксильную группу - OH:

из метана CH4 - метиловый спирт CH3OH, из этана C2H6 - этиловый спирт C2H5OH. Из двух молекул спирта получается эфир: диэтиловый эфир C2H5OC2H5

Органические кислоты имеют группу COOH и образуются при окислении спиртов: C2H5OH + O2 ? CH3COOH (уксусная кислота) + H2O.

Жирные кислоты представлены длинной последовательностью углеводородных групп: пальмитиновая (насыщенная): CH3 - (CH2)14 - COOH; олеиновая (ненасыщенная): CH3 - (CH2)7 - CH = CH - (CH2)6 - COOH.

К гетероциклическим относятся соединения, в которых один, или несколько атомов, входящих в цикл, не являются атомами углерода. Например у пиримидина и пурина в состав кольца входят атомы азота.

Пиримидин входит в состав транквилизаторов (седуксен, эленеум), алкалоидов (кокаин, никотин), пурин -- в состав молекулы кофеина (кофе). Производные этих соединений входят в состав нуклеотидов ДНК.

Изомерия. Молекулы разных веществ могут иметь один и тот же атомный состав, но при этом сильно разнящиеся свойства. Примером могут служить этиловый спирт и диметиловый эфир - оба C2H6O.

Понять изомерию можно, сопоставив их структурные формулы:

Этиловый спирт известен в незапамятных времен, воспет Анакреонтом, Омаром Хайямом, правда не в чистом виде, а как важнейшая часть благородного напитка - вина. Диметиловый эфир - такого интереса для человечества не представляет. Это газообразное вещество, с которым имеют дело только химики. (Не путать с диэтиловым эфиром, применяемым для наркоза).

По мере увеличения числа атомов углерода в углеводороде число изомеров резко возрастает. У нонана C9H20 - 35 изомеров, у триаконтана C30H62 - 4 111 846 763 изомера. Не то чтобы получить все эти изомеры, но даже изобразить все невозможно.

Ротамерия. Возникает в результате поворотов групп атомов вокруг центральной связи --C--C--. В отличие от изомеров ротамеры быстро превращаются друг в друга, так как повороты вокруг единичной связи происходят все время. Расчет показывает, что частота таких поворотов -- 1010 раз в секунду. Значит выделить ротамеры нельзя, но наблюдать их можно.

Ротамерия существенно сказывается на химических свойствах вещества. Различные ротамеры соответствуют разным конформациям молекулы. Так циклогексан C6H12 может иметь конформации, похожие на кресло и на ванну. Физические исследования показали, что циклогексан имеет форму кресла.

Конформационная химия - новая отрасль этой обширной науки. Особенно важны конформационные свойства молекул в химии и физике полимеров и в биологии.

Примером может служить полиэтилен--CH2--CH2--CH2--...

Молекула полимера принимает конформацию, в которой энергия всех слабых взаимодействий минимальна. Цепочка самопроизвольно переходит в состояние клубка, состояние наименьшей упорядоченности, которому отвечает наибольшая энтропия. На степень свертывания влияют валентные углы, наличие ротамеров, что увеличивает объем или длину клубка. Ротамеры взаимозависимы или, иными словами, состояния полимерных звеньев зависят друг от друга.

Если случайный толчок заставил данное звено повернуться, то это повлечет за собой изменение состояния соседнего звена и т.д. Таким образом, вероятность того или иного состояния звена зависит от состояния предшествующего звена, и речь идет о взаимозависимых событиях.

Теорию вероятностей взаимозависимых событий создал великий математик А. А. Марков (1856-1922). Зависимые вероятности образуют своего рода цепи, которые так и называются - цепи Маркова. Полимерная цепь - это цепь Маркова. Математический метод, созданный Марковым, позволил провести строгие расчеты размеров и других физических свойств макромолекул.

Молекулярные системы, элементарные единицы которых взаимодействуют друг с другом и поэтому ведут себя согласованно, называются кооперативными системами. Явления, выражающие это взаимодействие, эту согласованность, именуются кооперативными.

Полимерная цепь, макромолекула - кооперативная ротамерная система. [Растяжение резины - кооперативный процесс ротамеризации, конформационной перестройки].

Пример из Волькенштейна (1972). Я еду в переполненном автобусе. Нужно выходить. Но пассажиры упакованы плотно. Выйти удается только в результате согласованного, кооперативного перемещения пассажиров, обменивающихся местами. По мере приближения автобуса к конечной станции он постепенно пустеет. Кооперативность уменьшается, в конце концов можно выйти из автобуса, никого не задевая, не спрашивая “Вы сходите?” и не прося подвинуться.

Еще пример. Процесс превращения газа в жидкость (или обратный процесс) - кооперативное явление, определяемое взаимодействием молекул, согласованностью в их поведении, вызванной силами межмолекулярного взаимодействия.

Так как молекулам полимеров, макромолекулам особенно трудно двигаться и поворачиваться, они легко стеклуются. Твердые пластмассы, и прозрачные и непрозрачные - это полимеры в стеклообразном состоянии.

Из всех полимерных веществ, существующих в природе и созданных человеком, самые важные - белки и нуклеиновые кислоты, биологические полимеры, макромолекулы.

Белки выполняют все жизненно важные функции в организме. Они являются катализаторами, управляющими всей химией живого организма, всеми биохимическими процессами. Они переносят кислород и запасают его, обеспечивая дыхание. Они служат основой движений внутри организма и движения организма как целого. Они защищают организм от болезней. Они являются главными опорными веществами тканей.

Короче говоря, белки умеют всё. Одного они, правда, не умеют - сами себя синтезировать. Для синтеза белков нужны другие полимеры - нуклеиновые кислоты.

Функциональность биополимеров непосредственно связана с их конформационными свойствами. Синтетические полимеры за редким исключением образуют статистические клубки в растворе. Биополимеры образуют глобулы. Глобула радикально отличается от клубка - глобула не рыхлое, а компактное образование, подобное твердому телу. Белковая глобула, построенная из цепи двадцати разных аминокислот, является по выражению Шредингера апериодическим кристаллом.

Замечательной физической особенностью аминокислот является их хиральность (за исключением глицина). Ниже приведены две формы аланина, l - левая и d - правая.

Эти две конфигурации нельзя совместить никаким поворотом, как правую и левую руки.

Весьма важно и интересно то, что все белки построены только из левых аминокислот. Правые и левые молекулы разнятся знаком вращения плоскости поляризации света, хиральные молекулы оптически активны. Соответственно оптически активны все белки, и это дает возможность их изучения.

При естественном свете плоскость электрических колебаний все время меняется. У поляризованного света плоскость колебаний фиксирована. Для получения такого света его пропускают через поляроидную пленку. Если пропустить плоскополяризованный свет через вещество, состоящее из асимметричных молекул, то плоскость поляризации повернется. Правые и левые молекулы поворачивают плоскость поляризации в разные стороны. Способность вращать плоскость поляризации и называется оптической активностью.

Рацемическая смесь, состоящая из равных чисел правых и левых молекул, не вращает плоскости поляризации.

Из Волькенштейна:

Маленькая Алиса разговаривает со своей кошкой: “Как бы тебе понравилось жить в зазеркальном доме, Кисанька? Не знаю, давали ли бы тебе там молоко? А может быть, зеркальное молоко не годится для питья?” Алиса угадала, зеркальное молоко действительно совершенно не питательно. Почему же права маленькая Алиса?

Белки, поступающие в организм с пищей, расщепляются на аминокислоты. Из аминокислот строятся новые белки, свойственные данному организму. Но строятся они только из левых аминокислот. Следовательно, зеркально отраженное молоко ему ни к чему. Правые аминокислоты не годятся для синтеза белка.

Последовательность аминокислот в белковой цепи называется ее первичной структурой.

Объединение аминокислот в белковую цепь происходит за счет групп NH2 и COOH с отщеплением молекул воды. Собственно говоря, это не полимеризация, а поликонденсация. Этот процесс применяется и в технике -посредством поликонденсации готовятся синтетические волокна - капрон и найлон. Но в капроне все звенья одинаковые, а в белке 20 разных звеньев - аминокислот.

В определенном белке аминокислотные остатки расположены в строго определенной последовательности. В этом смысле белок подобен тексту, напечатанному 20-буквенным алфавитом.

Содержание текста зависит от последовательности букв. Физико-химические и, следовательно, биологические свойства белка определяются его первичной структурой - последовательностью аминокислотных остатков в белковой цепи.

В любых текстах встречаются опечатки. Они могут кардинально изменить смысл написанного. В одном немецком издании произведения Ницше “Так говорил Заратустра” вместо слова Incest (кровосмешение) было напечатано слово Insect (насекомое). Получилось, что Заратустра родился от насекомого.

Известны “опечатки” и в белковом тексте. Они изменяют биологические свойства белка и приводят к очень тяжелым последствиям для организма.

Белки функционируют в водной среде. Полимерной цепи в растворе полагается свертываться в беспорядочный клубок, этого требует второе начало термодинамики. Но если бы белки существовали в клубкообразном состоянии, то это противоречило бы точности и специфичности их действия. Биологически функциональные белки не являются такими клубками. Напротив, их структура упорядочена, так как свобода внутренних поворотов в белковой цепи сильно ограничена.

Белковая цепь свернута в виде винтовой спирали благодаря внутренним поворотам вокруг единичных связей C--C и C--N. Спиральная конформация удерживается благодаря водородным связям между N--H - группой одной пептидной связи и C=O - группой другой пептидной связи.

При нагревании белка, при изменении его окружения (воздействие кислот, щелочей и пр.) вторичная структура разрушается. Происходит переход спираль - клубок по принципу “все или ничего”. Иными словами, вплоть до некоторой температуры (обычно меньше 100°C) спираль устойчива, а затем разрушается как целое. Мы встречаемся здесь с кооперативным явлением, подобным фазовому переходу (нельзя освободить один атом, не трогая его соседей, также нельзя освободить одно звено в a-спирали, не разорвав соседних водородных связей.

Белковая цепь вследствие слабых взаимодействий между валентно не связанными звеньями свертывается в компактную глобулу, которая является третичной структурой. Глобулярная структура определяет функциональные свойства белка, и прежде всего его ферментативные свойства.

Не надо путать глобулу с беспорядочным полимерным клубком. Клубок -подвижная, флуктуирующая система, лишнная порядка. В глобуле сохраняется некоторая подвижность звеньев белковой цепи, но в целом она имеет вполне определенное строение.

Глобула стабилизирована целой совокупностью преимущественно слабых взаимодействий. (Слабые взаимодействия - это водородные связи, ван-дер-ваальсовы силы, электростатические взаимодействия между заряженными группами. Особо важную роль играют гидрофобные взаимодействия). Кроме того, имеются немногочисленные добавочные химические связи - дисульфидные связи S--S между остатками цистеина.

Среди 20 аминокислот имеются гидрофильные (глутамин, аспарагин, глицин и др.) и гидрофобные (триптофан, изолейцин, тирозин и др.). Гидрофобные аминокислоты имеют углеводородные R-группы.

Благодаря гидрофобным взаимодействиям гибкая белковая цепь сворачивается в глобулу таким образом, что гидрофобные остатки оказываются в центральной части глобулы и не контактируют с водой.

Глобулярную структуру имеют белки, существующие и функционирующие в растворе в виде отдельных молекул. Белки, образующие различные ткани в организме, чаще всего имеют форму волокон, то есть фибриллярны (паутина, шелк, шерсть, коллаген).

Белки могут соединяться с дополнительным компонентом и в этом случае они называются протеидами: металлопротеиды (в нитрогеназе, обеспечивающей фиксацию азота в клубеньковых бактериях, присутствует молибден), фосфопротеиды, хромопротеиды (гемоглобин), липопротеиды (с жироподобным компонентом), гликопротеиды (углеводный компонент), нуклеопротедиы (с нуклеиновыми кислотами).

Нуклеиновые кислоты. Это самые крупные из молекул, образуемых живыми организмами. Их мономерами являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из трех молекул: фосфорной кислоты, пентозного сахара и гетероциклического азотистого основания. Нуклеотиды ДНК содержат сахар -дезоксирибозу и одно из четырех азотистых основания - аденин, гуанин, цитозин или тимин. Нуклеотиды РНК содержат сахар - рибозу и одно из четырех азотистых оснований - аденин, урацил, тимин или цитозин.

Схема строения нуклеотида:

фосфорная кислота - сахар - азотистое основание

Молекула РНК является одинарной цепочкой нуклеотидов, а молекула ДНК - двойной. У большинства организмов ДНК является носителем генетической информации (кодирует структуру белков), а РНК принимает участие в синтезе белков. У некоторых вирусов (например, онкогенных) нет ДНК, а носителем генетической информации у них является РНК.

Структура молекулы ДНК:

На молекулярно-генетическом уровне в пределах клетки осуществляются процессы хранения, воспроизведения и реализации генетической информации. Генетическая информация заключается в кодировании структуры белков - последовательности аминокислот в их молекулах. Эта информация “записана” последовательностью нуклеотидов в молекулах нуклеиновых кислот. Носителем наследственной информации у большинства организмов служит ДНК, и лишь у некоторых вирусов - РНК.

Воспроизведение генетической информации осуществляется путем удвоения - редупликации молекул ДНК. Молекула ДНК представляет собой двойную цепочку нуклеотидов. Нуклеотиды двух цепей соединены строго определенным способом, образуя пары А-Т и Ц-Г. В результате цепи ДНК оказываются комплементарными или дополнительными. Редупликация молекул ДНК выражается в расхождении ее цепей и синтезе на них, как на матрицах, новых цепей. В силу принципа комплементарности новые молекулы ДНК оказываются идентичными исходной молекуле.

Материнская расхождение синтез комплементарных

Молекула днк цепей цепей и образование

Дочерних молекул днк

АТАГАГЦЦЦТЦА - АТАГАГЦЦЦТЦА - матрица

/ ТАТЦТЦГГГАГТ - новая цепь

АТАГАГЦЦЦТЦА

ТАТЦТЦГГГАГТ

\ АТАГАГЦЦЦТЦА - новая цепь

ТАТЦТЦГГГАГТ - ТАТЦТЦГГГАГТ - матрица

В способности молекул ДНК к самоудвоению заключена удивительная тайна наследственности - сходство родителей и детей.

Реализация генетической информации в клетке протекает в два этапа: 1 - синтез молекул информационной РНК на одной из цепей ДНК получил название транскрипции генетической информации в связи с тем, что последовательность АТЦГ в молекулах ДНК превращается в последовательность АУЦГ в молекулах РНК, и 2 - синтез белков из аминокислот на рибосомах - трансляция генетической информации, которая заключается в том, что последовательность нуклеотидов информационной РНК превращается в последовательность аминокислот в молекуле белка.

Термодинамические особенности живых систем. Термодинамические основы жизни рассмотрены Э.Шредингером в книге “Что такое жизнь с точки зрения физика?” (1945). Он отметил, что на первый взгляд имеется решительное противоречие между эволюцией изолированной физической системы к состоянию с максимальной энтропией, согласно второму началу термодинамики, и биологической эволюцией, идущей от простого к сложному. Организмы, однако, не изолированные, а открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой и веществом, и энергией. Находясь в неравновесном состоянии, организмы поддерживают это состояние, постоянно совершая работу против термодинамического равновесия (Э.Бауэр, 1936). Поддержание неравновесного состояния, или даже уменьшение энтропии состояния организмов оплачивается поступлением энергии извне и увеличением энтропии в окружающей среде. Так что в системе “организм-среда” второе начало термодинамики не нарушается.

Живой организм - открытая, термодинамически неравновесная система, связанная с окружающей средой обменом веществ и энергии. Среда - природные тела и явления, с которыми организм находится в прямых или косвенных взаимоотношениях. Условия среды - совокупность факторов, воздействующих на организм.

Можно выделить условия, необходимые для нормальной жизнедеятельности организма (тепло, влажность, освещенность, соленость) и ресурсы вещества и энергии, которые используются организмом для поддержания неравновесного состояния. Продукты метаболизма (обмена) с высоким содержание энтропии организм выделяет в окружающую среду.

Своей жизнедеятельностью организм изменяет среду, изменяя и условия своей жизни. Изменение в условиях среды вызывают изменения и характера жизнедеятельности или поведения организма, которые носят адаптивный характер. Некоторые изменения среды могут оказаться несовместимыми с жизнью, что вызывает гибель или миграцию организма. Таким образом, взаимоотношения организма со средой характеризуются активностью организма по отношению к среде, что выражается в стремлении организма к самосохранению, гомеостазису, в поисках или даже создании (для животных) оптимальных условий для своего существования.

Самым поразительным свойством живого вещества является способность к воспроизведению и эволюции. Во всех живых организмах процессом воспроизведения управляет ДНК, молекулы которой вместе с молекулами РНК снабжают новый организм информацией о том, как он должен быть устроен и как ему функционировать.

Генетическая информация в ДНК закодирована последовательностью нуклеотидов. Реализуется эта информация в процессе синтеза белков. Информация о структуре молекулы белка - о последовательности аминокислот в нем - содержится в одном из участков одной из молекул ДНК. Этот участок называется геном.

Совокупность всех генов, которые содержатся в молекулах ДНК данного организма, называется генотипом. Совокупность признаков и свойств организма называется фенотипом. Фенотип формируется в ходе индивидуального развития - онтогенеза. Фенотип организма на разных стадиях онтогенеза различен. Весь ход онтогенеза, его стадии и конечный результат, продолжительность запрограммированы генотипом. Однако эта программа допускает изменения хода онтогенеза, признаков и свойств организма под влиянием условий внешней среды в пределах, которые называются нормой реакции. Такие изменения носят приспособительный, или адаптивный характер и называются модификациями.

На молекулярном уровне способность к воспроизведению обеспечивается репликацией двойных спиралей ДНК: на одной из половинок старой молекулы синтезируется половинка новой, в результате из одной материнской молекулы ДНК получается две дочерних, которые идентичны друг другу и материнской. Это матричный способ воспроизведения информации: спирали материнской молекулы ДНК являются матрицами для синтеза дочерних молекул.

Иногда при репликации ДНК происходят изменения в последовательности нуклеотидов, которые сохраняются и воспроизводятся при дальнейшей репликации. Такие изменения последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК приводят к изменению последовательности аминокислот в молекулах белков и называются мутациями. Мутации приводят к изменению фенотипа, которые могут быть полезными, нейтральными или вредными, что является причиной дифференциального размножения особей с различными генотипами. Дифференциальное размножение лежит в основе биологической эволюции.

Впервые клетки (точнее, пустые и уже неживые клеточные стенки) увидел в микроскоп Роберт Гук в 1665 году. Основной вклад в развитие клеточной теории внесли Т.Шванн (1838) и Р.Вирхов (1855).

Все живые организмы построены из клеток: одноклеточные - из одной, многоклеточные - из множества клеток, образующихся путем деления из одной клетки-зиготы. Человеческое тело состоит примерно из (одного квадрильона) клеток.

Клетка обладает всеми основными свойствами живой системы: обменом веществ и энергии (метаболизм), размножением и ростом, реактивностью и движением. Она является наименьшей структурной и функциональной единицей живого.

Клетка состоит из трех основных частей: 1) поверхностной или клеточной мембраны, которая отделяет клетку от внешней среды и контролирует обмен между клеткой и средой; 2) цитоплазмы, содержащей разнообразные микроструктуры и органеллы и 3) клеточного ядра, в котором содержится ДНК - хранитель генетической информации.

Клеточная мембрана представляет собой двойной слой молекул липидов, в который встроены молекулы белков. Клетка способна выделять за пределы своей наружной мембраны различные вещества, например слизь, целлюлозу, образующие клеточные стенки, и другие материалы, а также избирательно поглощать различные вещества извне. Мембрана обеспечивает поддержание определенной концентрации солей внутри клетки на постоянном уровне. Гибнущая клетка теряет контроль над внутренней концентрацией различных веществ, особенно солей.

Поглощение и выделение различных веществ живой клеткой контролируется особыми белками, встроенными в мембрану. Эти белки служат как бы воротами или насосами, и их работа связана с потреблением энергии.

Внутри мембраны заключено клеточное содержимое - очень вязкая среда, называемая цитоплазмой. В цитоплазме находятся разнообразные органеллы, которые также обычно окружены мембранами. К ним относятся митохондрии, в которых заключены дыхательные ферменты. Здесь “сжигаются” сахара и синтезируется АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), богатая энергией. В растительных клетках кроме митохондрий есть хлоропласты, содержащие хлорофилл. Здесь происходит фотосинтез, в ходе которого синтезируются сахара и молекулы АТФ.

В клетках бактерий ДНК свободно располагается в цитоплазме. В клетках грибов, растений и животных ДНК входит в состав хромосом, которые располагаются в ядре. Ядро отделено от цитоплазмы ядерной мембраной.

В типичной клетке содержится свыше 500 различных ферментов и протекают сотни и даже тысячи химических реакций, которые осуществляются с помощью белков-ферментов. Синтез всех необходимых клетке веществ контролируется следующим образом:

1) С помощью репрессии (подавление) или индукции синтеза на генном уровне. Конечный продукт биосинтеза может выключить работу соответствующего гена (репрессия). Поступившее в клетку или образовашееся в ней вещество может включить работу соответствующего гена (индукция).

2) Посредством ингибирования (подавления) конечным продуктом активности ферментов. Если вещество становится доступным в достаточном количестве, то это ведет к подавлению синтеза как его самого, так и ферментов, участвующих в его образовании.

Ингибирование конечным продуктом есть проявление отрицательной обратной связи, обычного механизма регуляции, который встречается не только в клетках. Например, когда вода из туалетного бачка спущена, он снова наполняется до нужного уровня. Термостатическое устройство под действием тепла отключает систему обогрева комнаты, а наполненный желудок через посредство нервной системы выключает чувство голода.

Новые клетки образуются только в результате деления предшествующих клеток (принцип Вирхова). Основной способ деления клеток - митоз. Жизненный цикл клетки представляет собой промежуток времени от момента возникновения клетки до последующего деления. В это время клетка растет, специализируется и выполняет соответствующие функции в составе тканей и органов многоклеточного организма.

Ткани животного организма характеризуются различной судьбой составляющих их клеток. Так, в постоянно обновляющихся тканях (костный мозг, кишечный эпителий, эпителий кожи) большинство клеток постоянно находятся в митотическом цикле (до 80%). В растущих тканях (печень, почки), напротив, только 5-10% клеток непрерывно делятся, а другие выходят из митотического цикла и дифференцируются. Клетки стабильных тканей (нервной и мышечной систем) в конце эмбрионального периода выходят из митотического цикла, необратимо дифференцируются и выполняют специфические функции в течение всей жизни организма.

Разнообразие клеток столь же удивительно, как и разнообразие растений и животных. Проще всего устроены клетки цианобактерий и настоящих бактерий. У них отсутствуют ядра, митохондрии, пластиды и некоторые другие структуры, характерные для клеток высших организмов, не развита система внутренних мембран. В связи с отсутствием ядра такие клетки называются прокариотическими.

Бактериальные клетки могут быть округлыми, палочковидными, изогнутыми или скрученными. Клетки шарообразных бактерий (кокков) способны склеиваться друг с другом, образуя пары, комочки, пленки или длинные цепи. Палочковидные бактерии (бациллы) могут образовывать пары или цепочки, но чаще живут как одиночные клетки.

Клетки настоящих водорослей и наземных растений, грибов и животных имеют оформленное ядро и называются эукариотическими.

Огромное число эукариотических организмов существуют как отдельные клетки: одноклеточные водоросли (хлореллы), одноклеточные грибы (дрожжи) и одноклеточные животные (амебы, инфузории).

Клетки многоклеточных растений и животных могут выглядеть совершенно по-разному. Человек, например, как и все прочие позвоночные, состоит из нервных и мышечных клеток, клеток печени, костной ткани и многих других. Разнообразие формы и размеров клеток соответствует разнообразию их функций.

Несмотря на это разнообразие в основе своей все клетки очень сходны, и каждая клетка осуществляет все основные жизненные функции, которые свойственны любому живому существу.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9