Химические системы и процессы

 

Вещество, окружающее нас и составляющее нас, столь разнообразно, что трудно себе представить, как природа создала это разнообразие всего из нескольких десятков элементов, используя только электромагнитное взаимодействие. В настоящее время человек благодаря знаниям о свойствах материи вполне может конкурировать с природой в создании новых видов вещества.

Изучением веществ и процессов их превращения, сопровождающихся изменениями состава и структуры, занимается химия. Количество вещества в химии принято выражать в молях. Моль вещества – это такое его количество, которое содержит столько же структурных единиц (атомов или молекул), сколько содержится атомов в 12 г углерода-12 (6,022×10²³). Взаимодействия принято характеризовать энергетически. В качестве единицы используется кДж/моль. Чтобы было удобно сопоставлять энергии химических процессов с физическими процессами, будем пользоваться соотношением 100 кДж/моль = 1,04 эВ/молекула.

Основные системы, которые изучает химия – это химические элементы, молекулы и комплексы.

 

Химические элементы

Химические элемент – это вид атомов, характеризующихся определенным зарядом ядра (к данному химическому элементу могут относиться разные изотопы). Существование атомов и молекул было доказано на основе изучения химических превращений вещества. Свойства химических элементов определяется электронной структурой их атомов, и обладают периодичностью. Периодичность химических свойств элемента в зависимости от массы атома была открыта Д.И. Менделеевым (1869). Периодичность химических свойств элементов была объяснена позже на основе квантовых законов движения электронов в поле атомного ядра. Мозли (1913) установил, что атомный номер элемента совпадает с зарядом ядра (в единицах e).

Химические свойства элемента обуславливаются способностью его атома терять или приобретать электроны. Сродством к электрону называют энергетический эффект F присоединения электрона к атому:

A + e ^– = A ^– + F.

Энергия ионизации: – это количество энергии, необходимое для отрыва электрона от невозбужденного атома. У многоэлектронных атомов энергии ионизации I ₁, I ₂… соответствуют отрыву первого, второго т.д. электронов.

A + I ₁ = A ⁺ + e ^–, A ⁺ + I ₂ = A ⁺⁺ + e ^–.

 

Элемент	H	Li	Na	C	N	O	F	Cl
F, эВ	0,75	0,59	0,34	1,27	–0,21	1,47	3,45	3,61
I 1, эВ	13,6	5,4	5,1	11,26	14,5	13,6	17,4	13,0

 

Химические элементы могут превращаться друг в друга в ядерных процессах и реакциях. Так как энергетика ядерных процессов обусловлена в основном сильным взаимодействием, характерные энергии таких процессов составляют ~10 Мэв/нуклон. Изучением таких превращений занимается раздел ядерной физики, называемый ядерной химией.

 

Молекулы и химическая связь

Молекула – совокупность химически связанных атомов, представляющая собой сложную систему атомных ядер и электронов. На первое место здесь выступает химическая связь. Она образуется, если при сближении атомов полная энергия системы понижается. Химическая связь характеризуется энергией связи (диссоциации) и длиной связи. Энергия химических связей для многих молекул лежит от 0,1 до 1 эВ. Длина связи составляет l _св ~ 10^–10 м.

Выделяют следующие виды межатомной химической связи: ионную, ковалентную и металлическую, хотя такое деление в определенной мере является условным. По своей природе они относятся к электромагнитным взаимодействиям.

Ионная связь обусловлена кулоновским притяжением ионов, например NaCl, MgF₂, Al₂O₃ и др. В твердом состоянии вещества благодаря ионной связи образуются ионные кристаллы.

Ковалентная связь атомов обусловлена общей парой электронов, которые занимают одну и ту же орбиталь с противоположными спинами. В этом виде связи главную роль играет специфическое квантово-механическое взаимодействие, называемое обменным взаимодействием. Энергии связи лежит обычно в пределах от 150 до 950 кДж/моль. Примеры ковалентных молекул: Cl₂, CO₂, CH₄, …. В твердом состоянии ковалентные связи приводят к образованию ковалентных кристаллов, таких как алмаз, кремний и др.

Для металлов в конденсированном состоянии характерна металлическая связь, когда положительные ионы стянуты вырожденным газом обобществленных валентных электронов. Благодаря наличию электронного газа металлы обладают хорошей электро- и теплопроводностью, свойственным всем металлам блеском. У химических элементов с большими атомными номерами преобладают металлические свойства, так как экранированные внутренними оболочками валентные электроны оказываются слабо связанными с ядром и легко обобществляются. При очень больших давлениях почти все элементы должны переходить в металлическое состояние, например, водород при давлениях свыше 10⁶ Па превращается в металлический.

Между молекулами также существуют взаимодействия. Они уступают по интенсивности межатомным силам. Различают диполь-дипольные взаимодействия, вандерваальсовы силы, донорно-акцепторное взаимодействие, водородные связи и некоторые другие взаимодействия.

Диполь-дипольные взаимодействия характерны для полярных молекул и зависят от взаимной ориентации дипольных моментов молекул. Вандерваальсовы силы обусловлены мгновенной поляризацией молекул, которая приводит к их притяжению. Вандерваальсова связь примерно на порядок слабее ковалентной. Например, энергия диссоциации Cl₂ составляет 243 кДж/моль, а энергия возгонки составляет 25 кДж/моль. Донорно-акцепторное взаимодействие имеет место, когда молекула-донор поставляет электронную пару, а молекула-акцептор – свободные орбитали.

При взаимодействии атома водорода с электроотрицательным атомом может образоваться межмолекулярная водородная связь. Рассмотрим ее на примере фторида водорода.

.

С одним атомом фтора водород связан сильнее, обычной ковалентной связью, а с другим слабее. Последняя связь получила название водородной. Она возникает из-за ничтожно малых размеров поляризованного атома водорода и его способностью внедряться в электронную оболочку соседнего (ковалентно с ним не связанного) отрицательно поляризованного атома. Вследствие этого наряду с электростатическим взаимодействием проявляется и донорно-акцепторное взаимодействие.

Водородная связь по прочности превосходит вандерваальсово взаимодействие, и ее энергия составляет 8 – 40 кДж/моль.

Вода является одним из важнейших в природе химических соединений. Ее молекула состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода и обладает значительным дипольным моментом.

 

Задача 6.1. Оцените энергию водородных связей молекул воды, если ее удельная теплота парообразования составляет 2,3 МДж/кг. На одну молекулу воды в кристаллах льда приходится две водородные связи O^…H (каждая молекула связана с четырьмя другими).

Решение. Молярная масса воды m = 18×10^–3 кг/моль. Поэтому количество энергии, необходимой для разрыва одной водородной связи равно

кДж/моль.

Задача 6.2. Оцените долю разорванных водородных связей при плавлении льда, если удельная теплота плавления льда равна 0,33 МДж/кг.

Решение. Отношение удельной теплоты плавления льда к удельной теплоте парообразования воды дает оценку доли разорванных водородных связей воды:

.

При плавлении льда разрывается около 14% водородных связей.

 

Молекула воды может образовывать четыре водородные связи. Это обусловливает строение воды и льда, а также уникальные термодинамические свойства воды, благодаря которым вода занимает особое место среди всех веществ на земле. Ведь вода – это основа жизни. В жидком состоянии молекулы воды в значительной мере ассоциированы водородными связями, в твердом состоянии водородные связи обеспечивают достаточно рыхлую тетраэдрическую структуру льда.

Кроме межмолекулярной различают внутримолекулярную водородную связь. Водородная связь играет большую роль в биополимерах. Вследствие их незначительной прочности водородные связи легко возникают и легко разрываются при обычной температуре, что весьма существенно для биологических процессов, в частности для механизма наследственности. В молекулах белка внутримолекулярные водородные связи приводят к возникновению вторичной структуры белка. Молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) построена из двух нитевидных макромолекул, обвивающих друг друга в виде двойной спирали. Нити удерживаются водородными связями между основаниями. Из четырех оснований тимин может образовывать водородные связи с аденином, а цитозин – с гуанином.

Существует обширный класс так называемых комплексных соединений. Образование комплексов обусловлено взаимодействием между молекулами, ионами. Причиной комплексообразования может быть как электростатическое, так и донорно-акцепторное взаимодействие. В большинстве комплексных соединений выделяются центральный атом (комплексообразователь) и координированные вокруг него молекулы – лиганды.

Комплексные соединения широко распространены в природе и играют важную роль в биологических процессах. Например, гемоглобин крови (комплексообразователь Fe²⁺) и хлорофилл зеленых растений (комплексообразователь Mg²⁺).

 

Химические процессы

Химическая реакция – это качественный скачок, при котором исчезают одни вещества и образуются другие. Происходящая при этом перестройка электронных структур атомов, ионов и молекул, сопровождается выделением или поглощением энергии. Состояние системы (вещества или совокупности веществ) описывается с помощью ряда термодинамических параметров: Т, Р, V, m. Для характеристики состояний системы и происходящих в ней изменений важно знать такие величины: U – внутренняя энергия, H – энтальпия, S – энтропия, G – потенциал Гиббса. По их изменению можно судить об энергетике процесса.

Из определения энтальпии следует, что . Так как согласно первому закону термодинамики , получаем

.

Отсюда следует, что при P = const имеет место , т.е. в изобарном процессе энергетический эффект химического процесса находится как изменение энтальпии.

Кроме энтальпии важную роль в химических реакциях играет энтропия – мера хаотичности движения частиц. Стремление частиц объединиться отражает уменьшение энтальпии, а стремление разъединиться увеличивает энтропию. Направление процесса определяет изменение потенциала Гиббса:

при P = const, T = const.

Если: dG < 0, то реакция может идти самопроизвольно, без добавления энергии. Если dG > 0, то процесс не может идти самопроизвольно. Если dG = 0, то имеет место химическое равновесие (при P = const, T = const). Следовательно направление химического процесса определяется изменением потенциала Гиббса.

Самопроизвольному протеканию процесса способствует уменьшение энтальпии (dH < 0) и увеличение энтропии (dS > 0). Чем меньше dH и чем больше dS, тем лучше проходит самопроизвольное протекание химического процесса.

 

Задача 6.3. Оцените энергетический выход для процесса горения углеводородного топлива (бензина, керосина и др.), формулу которых можно представить в виде n ×(CH₂). Удельная теплота сгорания составляет приблизительно 43 МДж/кг.

Решение. Схему процесса можно записать в виде:

CH₂ + O₂ = CO₂ + H₂O + Q.

Молярная масса группы CH₂ равна m = 14×10^–3 кг/моль. Поэтому энергетический выход оценим так:

кДж/моль.

 

По величине изменения потенциала Гиббса можно судить о принципиальной возможности реакции. Однако эта величина ничего не говорит о реальной возможности протекания реакции в данных условиях, не дает представления о скорости и механизме реакции. Даже при положительном энергетическом выходе большинство реакций не может происходить самопроизвольно. Это связано обычно с наличием активационного энергетического барьера. Например, таковой является обычная реакция горения (окисления) углерода. Для ее начала необходима температура выше температуры возгорания, при которой тепловой энергии частиц будет достаточно для преодоления энергетического барьера, характеризуемого энергией активации E_a. Другой пример связан с реакцией окисления водорода:

H₂ + O₂ = H₂O + 241 кДж/моль.

Энергетический выход положительный (DG₂₉₈ = –229 кДж/моль), но при комнатной температуре смесь водорода с кислородом сохраняется длительное время без заметных изменений. При температуре 700° С реакция протекает практически мгновенно (взрыв).

Таким образом, скорость протекания реакции очень сильно зависит от температуры. Это связано с активационным характером реакций. Скорость реакции в очень сильной степени зависит от соотношения энергии активации E_a и температуры:

.

 

Энергетическая схема (энтальпийный профиль) хода реакции A + B = AB в зависимости от координаты реакции x представлена на рис.5. Здесь видно, что энергия активации, есть энергия образования активированного комплекса A ^… B.

 

H

A^…B

 

E_a

A+B

 

AK

D H

 

AB

 

x

 

Рис. 5.

Одним из наиболее распространенных методов ускорения реакций является катализ. В присутствие катализатора изменяется путь химической реакции. Катализатор участвует в промежуточном химическом взаимодействии с компонентами, но в итоге реакции восстанавливается. Увеличение скорости реакции связано с меньшей энергией активации нового пути реакции. В биохимических реакциях катализаторами являются ферменты. Именно они управляют химическими процессами, происходящими в живых системах.

 

 

Биосфера и космос

 

Среди макросистем, изучаемых естественными науками, особо выделяются биологические объекты или объекты живой материи. К ним относятся: животные, растения, грибы, бактерии и вирусы.

Природа жизни, ее происхождение, разнообразие живых существ и объединяющая их структурная и функциональная близость занимают одно из центральных мест в биологии. Биология XX в. углубила понимание существенных черт живого, раскрыв молекулярные основы жизни.

Все многообразие жизни на Земле объясняется эволюционным процессом и действием окружающей среды на организмы. Основными признаками живых систем являются: единство химического состава; обмен веществ и энергии; саморегуляция; раздражимость; изменчивость; наследственность; самовоспроизведение; рост и развитие; дискретность – прерывистость, существование жизни в виде отдельных организмов.

В основе современной биологической картины мира лежит представление о том, что мир живого – это грандиозная система высокоорганизованных систем.

Уровни организации живой материи

Молекулярно-генетический уровень. В состав любой живой системы входят биологические макромолекулы: нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), белки, углеводы (полисахариды), липиды (воски и жиры) и др. На молекулярном уровне происходят обмен веществ, превращение энергии, передача наследственной информации.

Размеры биологических макромолекул составляют примерно от 1 нм до 10 нм. Например, размеры аминокислот l _{аминокислоты} @ 0,3 нм.

Молекулы белков являются нерегулярными биополимерами, мономерами которых являются аминокислоты (известно 20 аминокислот), соединенные пептидными связями: –CO–NH–.Число мономеров может достигать нескольких тысяч. Белок может находиться в виде полипептидной цепи, в виде закрученной спирали, витки которой соединены водородными связями; в виде глобулы или фибриллы. Массы молекул белков (в а.е.м.) от 300 до 30000.

Масса молекулы (комплекса) гемоглобина, состоящей из четырех глобулярных белковых молекул, составляет M» 36000, фермента рибонуклеазы M» 12700, гормона инсулина M» 5700.

Роль элементов питания в живых системах играют молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) с молекулярной массой M» 500. В процессе гидролизного расщепления АТФ на АДФ и фосфорную кислоту освобождается около 30,6 кДж/моль свободной энергии:

АТФ + H₂O = АДФ + HPO₃ + 30,6 кДж/моль.

Носителями наследственной информации являются хромосомы и гены. Основу гена составляют нуклеиновые кислоты – фосфорсодержащие биополимеры. Существует два типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК).

 

Вирусы. Вирусы (открыты в 1892 г. Д.И. Ивановским) являются неклеточной формой жизни, занимающей промежуточное положение между живой и неживой материей. Предполагается, что вирусы – это сильно дегенерированные клетки или их фрагменты, которые в процессе эволюции приспособились к паразитизму и утратили почти все органеллы. Вирусы состоят из ДНК или РНК и белка и не способны к самостоятельному синтезу белка. Свойства живых организмов вирусы проявляют, только попадая в клетки и используя их обмен веществ для собственной репродукции.

Размеры вирусов от 15 до 300 нм. В сердцевине находится ДНК или РНК. При попадании вируса в клетку нуклеиновая кислота «впрыскивается» в клетку, а белок остается на клеточной оболочке. Таким образом, геном вируса, встраиваясь в наследственный аппарат клетки хозяина, изменяет его и направляет синтез вирусных компонентов.

 

Клеточный уровень. Клетка – это основная структурная и функциональная единица, а также единица развития живых организмов. Клетка – элементарная живая система, способная к самовоспроизведению. С клетки начинается онтогенез – индивидуальное развитие особи, вся совокупность ее преобразований от зарождения до конца жизни. На клеточном уровне сопрягаются передача информации и превращение веществ и энергии. Впервые термин «клетка» ввел Р. Гук. Клеточную теорию создали Шлейден, Шван (1838 – 1839) и Вирхов (1859).

Различают безъядерные клетки – прокариоты (1 – 5 мкм) и клетки с ядрами – эукариоты (средний размер ~ 25 мкм). Например, яйцеклетка страуса ~ 10 см, нервная клетка с отростками ~ 1м.

Клетка представляет собой сложное образование, в ее состав входит около 70 элементов. Определяющую роль среди них играют четыре элемента: кислород (65 – 75%), углерод (15 – 18%), водород (8 – 10%) и азот (1,5 – 3%). Десятые и сотые доли процента приходятся на серу, фосфор, калий, натрий, кальций, магний, марганец, железо, хлор. Остальные элементы присутствуют в гораздо меньших количествах.

Клетка на 75 – 85% по массе состоит из воды. Вода – это основная среда для протекания биохимических реакций клетки. Она является источником кислорода и водорода, а также транспортным средством. Других неорганических веществ в составе клетки 1,0 – 1,5%.

В состав клетки входят органические вещества: белки (10 – 20% массы), нуклеиновые кислоты (1 – 2%), углеводы (0,2 – 2% массы), жиры (1 – 5%) и ряд небольших молекул – гормонов, пигментов, АТФ и др. В растительных клетках преобладают сложные углеводы – полисахариды, в животных – белки и жиры.

Основным регулятором поступления веществ в клетку и выхода их из клетки является клеточная мембрана. Регуляция основана на осмосе и удерживает химический состав клетки в определенных пределах.

 

Бактерии – самые древние прокариотические клеточные организмы, наиболее широко распространенные в природе. Играют важнейшую роль редуцентов органического вещества, фиксаторов азота. Являются возбудителями заболеваний животных и человека, используются для получения антибиотиков, молочнокислых продуктов, спиртов.

Клетка бактерий покрыта муреиновой оболочкой, тонкой клеточной стенкой. Наследственный материал содержится в нуклеоиде в виде кольцевой молекулы ДНК. По способу питания бактерии делятся на гетеротрофов и автотрофов. По способу использования кислорода бактерии делятся на аэробные и анаэробные.

Цианеи (сине-зеленые водоросли). Возникли свыше 3 млрд. лет тому назад. Клетки с многослойными стенками, состоящими из нерастворимых полисахаридов. Встречаются одноклеточные, многоклеточные и колониальные формы. По строению они похожи на бактерии. Фотоавтотрофы. Размножаются делением или распадом колоний. Они широко распространены в биосфере. Способны очищать воду, разлагая продукты гниения.

 

Организменный уровень. Организм – это живая система клеток, существующая во внешней среде в постоянном обмене веществ с ней. Способен размножаться и адаптироваться к условиям среды. Единица уровня – особь. Клетки организма дифференцированы, они образуют ткани и органы.

Ткань – это группа физически объединенных клеток и межклеточного вещества для выполнения определенной функции. Виды ткани: эпителиальная, соединительная, мышечная, нервная.

Орган – это относительно крупная функциональная единица, которая объединяет различные ткани в некоторые комплексы. Органы объединяются в системы органов для выполнения определенной функции.

Популяционно-видовой уровень. Популяция – это совокупность организмов одного вида с единым генофондом, занимающих определенную территорию (ареал). В этой системе осуществляются элементарные эволюционные преобразования.

Популяция характеризуется специфическими свойствами, которыми не обладают отдельные организмы данного вида. На этом уровне выявляются: численность и плотность населения, половой и возрастной состав, уровень размножения и смертности и др. Популяция не имеет свойственной организмам отграниченности от среды и от других популяций. Сами особи, образующие популяцию, сохраняют ярко выраженную самостоятельность. Организм относительно недолговечен, популяция же при сохранении необходимых условий практически бессмертна.

Биогеоценотический уровень. Биоценоз – это целостная группа популяций с общей территорией обитания, отличающейся от других соседних территорий природно-климатическими и др. условиями.

Биоценоз представляет собой эволюционно сложившуюся многовидовую биологическую (экологическую) систему. В ее состав входят представители различных таксонов, отличающиеся по своим экологическим и физиологическим свойствам и связанные по многим формам биологических отношений, как между собой, так и с окружающей их неорганической средой. Эти связи определяют целостность и способность к самоподдержанию многовидовых систем.

Биогеоценоз – единство биоценоза с неживой природой, т.е. живых существ со средой обитания: с температурными, географическими, атмосферными условиями.

Биосферный уровень. Биосфера – совокупность всех биогеоценозов. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращения энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов. Формируются сложные пищевые цепи, объединяющие все живое.

 

Зарождение жизни и эволюция клетки

Одним из наиболее трудных и в то же время интересных в современном естествознании является вопрос о происхождении жизни. Он интересен не только сам по себе, но и тесной связью с проблемой отличия живого от неживого, а также связью с проблемой эволюции жизни.

Во второй половине XIX века теории Дарвина и Пастера опровергли теорию самозарождения жизни из неживой материи, восходящую к Аристотелю. Фундаментальный вопрос о происхождении жизни и до сегодняшнего дня является предметом дискуссий и гипотез. Остановимся на современной, наиболее аргументированной гипотезе возникновения жизни на Земле – гетеротрофной гипотезе или теории биохимической эволюции.

 

	Эта гипотеза предполагает, что древняя атмосфера Земли состояла в основном из водяного пара H20, водорода H2, метана CH4 и аммиака NH3. В 1953г. С. Миллер показал, что в газовой среде, которая состоит из водяного пара H20, водорода H2, метана CH4 и аммиака NH3, под действием тепла и электрических разрядов получаются аминокислоты – составляющие белков. Ему удалось синтезировать также аденин и рибозу. Позже Орджел синтезировал простые нуклеиновые кислоты.
	Возникновению жизни предшествовали образование и накопление органических молекул, и перенос их дождями в океаны. В течение миллионов лет органические молекулы накапливались в океане. Некоторые из них благодаря химическим реакциям образовывали более крупные и более сложные молекулы. Из аминокислот образуются молекулы белков (+ пептидная связь, – гидролиз). А.И. Опарин (1923) полагал, что решающая роль в превращении неживого в живое принадлежала белкам. Белки способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов – притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от среды, т.е. к коацервации. Коллоидный состав коацервата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие состава «бульона» в разных местах вело к различиям в составе коацерватов и к «биохимическому естественному отбору».
	Со временем некоторые коацерватоподобные системы начали использовать энергию химических связей для развития, поддержания и совершенствования своей молекулярной организации. Предполагается, что входящие в состав коацерватов вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. По мере своего развития гетеротрофы начали регулярно использовать последовательный ряд реакций, включающий ферменты и АТФ, для высвобождения энергии химических связей органических молекул
	На границе между коацерватами и средой выстраивались молекулы липидов, которые образовывали примитивную клеточную мембрану, обеспечивавшую коацерватам стабильность. Развиваясь они стали использовать энергию для транспортировки материалов через мембрану клеток. Избирательная проницаемость мембран, состоящих из белков и липидов, сопровождается активным транспортом, на что тратится энергия.
	У «прогрессивно» устроенных организмов одна из групп молекул – нуклеиновые кислоты – установила первичный контроль над основными процессами, идущими в клетке. Это обеспечивало стабильность и контролируемость в процессе жизнедеятельности. Поэтому они оказались более конкурентоспособными. Нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов, сахара и азотосодержащего основания (пурина или пиримидина). ДНК – в ядрах; РНК – в ядрах и цитоплазме. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способной к самовоспроизведению и внутренней перестройки покрытого липидной оболочкой коацервата, могла возникнуть первичная гетеротрофная клетка.
	При отборе преимущество было на стороне организмов, которые после завершения роста вырабатывали надежные методы размножения. При росте клеток уменьшается отношение площади поверхности клетки к объему клетки (). Одним из путей эффективного распространения веществ, становится деление клетки. Информацию для деления клетка получает от ДНК. Нуклеиновые кислоты способны к самоудвоению и зашифрованные в их химической структуре биологические признаки передаются из материнской клетки во вновь образующиеся при делении. Механизм самоудвоения ДНК был понят после открытия в 1953 г. структуры молекулы ДНК (Д. Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс). Предполагается, что ядерные клетки образовались из совокупности безъядерных клеток, которые образовали ядро и органеллы.
	В химической структуре нуклеиновых кислот закодирована информация, контролирующая жизнедеятельность клеток. ДНК управляет синтезом ферментов, таким образом, контролирует биохимические процессы.
	Как правило, при самоудвоении нуклеиновых кислот образуются точные копии. Однако случайные мутации искажают исходную информацию, вызывая изменение клеточных процессов.
	Перед гетеротрофами встают следующие проблемы: 1. получение энергии из окружающей среды; 2. самоорганизация и самоуправление; 3. воспроизводство; 4. адаптация к изменениям в окружающей среде.
	По мере уменьшения первичных органических веществ гетеротрофам становилось все труднее «добывать» органические молекулы. Возникла необходимость получения солнечной энергии. Первые организмы, которые могли использовать свет, скорее всего, были частично гетеротрофны. Такие бактерии встречаются и сегодня. Автотрофы с помощью фотосинтеза усваивают энергию света и синтезируют органические молекулы и с выделением кислорода: хлорофилл + CO2 + H2O + hw ® хлорофилл + крахмал + O2. Происходит накопление кислорода в атмосфере. Возможно, хлоропласты растительных клеток образовались в результате включения фотосинтезирующих бактерий.
	400 млн.лет назад образовался озоновый «щит» атмосферы. Живые организмы стали жить на суше, т.к. озоновый слой спасал их от ультрафиолетового излучения.
	Дыхание – процесс, при котором кислород используется для высвобождения энергии из органических соединений, – выработалось у живых клеток после появления кислорода в атмосфере Земли
	Клетки ® многоклеточные организмы ® дифференциация клеток ® органы ® деление на растения и животных.

 

Важнейшие особенности живых систем

1. Живые системы – это неравновесные системы, способные создавать порядок из хаотического теплового движения молекул, противодействуя возрастанию энтропии. Живое увеличивает информацию, увеличивая энтропию окружающей среды.

2. Живые системы отличаются от неживых сложностью своей структуры при определенной компактности. Например, яйцеклетка кита содержит 5×10^–18 кг ДНК в которой заключена информация для подавляющего большинства его признаков. Масса среднего кита 5×10⁴ кг (22 порядка).

3. Обмен с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Живое способно усваивать полученные вещества, перестраивать их соответственно своим материальным структурам и за счет этого многократно воспроизводить их.

4. Гораздо большую роль, чем в неживых системах играет обратная связь. Для создания новых структур нужна положительная обратная связь, а для устойчивого существования нужна отрицательная обратная связь.

5. Живые системы характеризуются очень высоким уровнем упорядоченности и асимметрии в пространстве и времени. Структурная компактность и энергетическая экономичность живых систем – это результат высочайшей упорядоченности на молекулярном уровне.

6. В самоорганизации неживых систем молекулы просты, а механизмы реакций сложны; в самоорганизации живых систем напротив схемы реакций просты, а молекулы сложны.

7. У каждой живой системы своя «история», есть прошлое. У неживых систем истории практически нет.

8. Раз, зародившись, жизнь находится в процессе постоянной эволюции.

9. Способность живого к избыточному самовоспроизводству. «Прогрессия размножения столь высока, что она ведет к борьбе за жизнь и ее последствию – естественному отбору» (Дарвин). Межвидовая борьба, внутривидовая конкуренция и др.

 

Генетика и эволюция

Применительно к живой природе эволюция принимается как образование более сложных видов из простых. Существование эволюции в живой природе было доказано Дарвином в 1839 г.

Генетическая теория эволюции отвечает на вопрос об эволюции живых систем. Схематически изменения вида происходит так: мутация ® появление нового признака ® борьба за существование ® естественный отбор.

В последние десятилетия появились теории, в которых отмечается важная роль сосуществования и симбиоза живых систем в процессе эволюции. С этих позиций естественный отбор не «автор», а скорее «редактор» эволюции.

 

Биосфера. Идеи Вернадского

Жизнь на нашей планете сосредоточена в биосфере, представляющей собой одну из оболочек земного шара, в которой геохимические и энергетические превращения определяются активностью всех живых организмов – живого вещества. Живое вещество представляет собой совокупность всех форм жизни в биосфере. Результаты активности живых организмов проявляются не только в виде их приспособленности к обитанию в условиях определенной среды, но и в обратном воздействии на среду, изменяющем ее характеристики. В основе этого лежит процесс обмена веществ..

Общая масса живого вещества на Земле по последним данным составляет 2,4232×10¹² т, причем на долю суши приходится 2,42×10¹² т, а на долю Мирового океана – всего 0,0032×10¹² т. Основную часть биомассы суши составляют зеленые растения (99,2%), а в Мировом океане – животные (93,7%). Имеются существенные отличия и в распределении живого вещества на континентах и в океане. Подсчитано, что около 90% биомассы суши сосредоточено в лесных формациях.

Количество биомассы любой экосистемы связано с ее биологической продуктивностью, т.е. количеством органического вещества, производимого организмами сообщества, в единицу времени (обычно за год) на единице площади. Эти важные количественные показатели растительных сообществ зависят, в конечном счете, от совокупности экологических факторов существования, что хорошо оценивается через спектр жизненных форм.

Биосфера – это открытая система, существующая почти столько же, что и сама Земля. Она непрерывно функционирует в силу своей неразрывной связи с другими геосферами планеты. Термин «биосфера» ввел Зюсс, но глубокое изучение биосферы начинается с работ В.И.Вернадского. Вот некоторые из его идей, касающихся биосферы:

1. Принцип целостности биосферы – все живое на земле взаимосвязано;

2. Принцип гармонии биосферы и ее организованность;

3. Роль живого в эволюции Земли. Живые системы изменялись и изменяли Землю;

4. Космическая роль биосферы в трансформации энергии;

5. Правило инерции. Жизнь растекается по Земле подобно газу, причем мелкие организмы размножаются быстрее;

6. Понятие автотрофности. Например, растение берут необходимое из неживой материи;

7. Жизнь определяется полем устойчивости растительности;

8. Постоянство количества живого вещества;

9. Понятие устойчивости равновесия биосферы. Устойчивость биосферы обусловлена сложностью и разнообразием видов.

 

Устойчивость биосферы

Специфическое свойство жизни – обмен веществ со средой. Любой организм получает из внешней среды определенные вещества как источники энергии и материал для построения собственного тела. Продукты метаболизма, уже непригодные для дальнейшего использования, выводятся наружу. Таким образом, каждая популяция в процессе своей жизнедеятельности ухудшает условия своего обитания. Возможность обратного процесса – поддержания жизненных условий или даже их улучшения определяется тем, что биосферу населяют разные виды с разным типом обмена веществ.

Физиологическая разнокачественность живых организмов представляет собой основное условие устойчивого существования жизни на планете. Теоретически можно представить возникновение жизни в одной форме, но в этом случае специфичность обмена веществ неизбежно ведет к исчерпанию ресурсов и «загрязнению» среды продуктами жизнедеятельности, которые невозможно использовать вторично. Вид должен погибнуть.

Устойчивое существование жизни возможно лишь при многообразии, разнокачественности ее форм, специфика обмена которых обеспечивает последовательное использование выделяемых в среду продуктов метаболизма, формирующее биогенный круговорот веществ.

В простейшем виде набор качественных форм жизни представлен продуцентами, консументами и редуцентами, совместная деятельность которых обеспечивает извлечение определенных веществ из внешней среды, их трансформацию на разных уровнях пищевых цепей и минерализацию органического вещества до составляющих, доступных для очередного включения в круговорот.

Стабильность биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределении энергии, на теснейшем переплетении и взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов. В биосфере действуют сложные системы обратных связей.

Как показывают исследования, последние 600 млн. лет характер основных круговоротов на Земле существенно не менялся. Осуществлялись фундаментальные геохимические процессы, характерные и для современной эпохи: накопление кислорода, связывание натрия, осаждение кальция, образование кремнистых сланцев, отложение железных и марганцевых руд, сульфидных минералов, накопление фосфора и т. д. Менялись лишь скорости этих процессов. По-видимому, не менялся существенно и общий поток атомов, вовлекаемых в живые организмы. Считается, что масса живого вещества оставалась приблизительно постоянной, начиная с карбона, т.е. биосфера с тех пор поддерживает себя в определенном режиме круговоротов. Стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, обеспечивающего определенную скорость фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Таким образом, жизнь на Земле сама стабилизирует условия своего существования, что дает ей возможность развиваться бесконечно долго. Однако стабильность биосферы имеет определенные пределы, и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями.

Выступая как важнейший агент связывания и перераспределения на поверхности Земли космической (солнечной) энергии, живое вещество выполняет тем самым функцию космического значения.

Однако в настоящее время на Земле появилась новая сила, по мощности воздействия не уступающая суммарному действию живых организмов – человечество с его социальными законами развития и мощной техникой, позволяющей влиять на вековой ход биосферных процессов. Современное человечество использует не только огромные энергетические ресурсы биосферы, но и не биосферные источники энергии (например, атомной), ускоряя геохимические преобразования природы. Некоторые процессы, вызванные технической деятельностью человека, направлены противоположно по отношению к естественному ходу их в биосфере (рассеивание металлов, руд, углерода и др. биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение законсервированного углерода и его окисление и т.п.).

Современная деятельность человека во многом нанесла ущерб окружающей среде, что в конечном итоге угрожает дальнейшему развитию самого человечества. Поэтому одна из задач современной экологии – это изучение регуляторных процессов в биосфере, создание научного фундамента ее рационального использования.

Какова устойчивость биосферы, то есть ее способность возвращаться в исходное состояние после любых возмущающих воздействий? Она очень велика. Биосфера существует уже около 3,8 миллиардов лет (Солнце и планеты – около 4,6 миллиарда) и за это время ее эволюция не прерывалась: это следует из того, что все живые организмы, от вирусов до человека, имеют один и тот же генетический код, записанный в молекуле ДНК, а их белки построены из 20 аминокислот, одинаковых у всех организмов. И как бы не были велики возмущающие воздействия, а некоторые из них можно отнести к разряду глобальных катастроф, приводивших к исчезновению многих видов, в биосфере всегда находились внутренние резервы для восстановления и развития.

Только за последние 570 миллионов лет отмечено шесть крупных катастроф. В результате одной из них число семейств морских животных уменьшилось более чем на 40%. Крупнейшая катастрофа на границе пермского и триасового периодов (240 миллионов лет назад) привела к вымиранию около 70% видов, а катастрофа на границе мелового и третичного периодов (67 миллионов лет назад) – вымиранию почти половины видов (тогда-то вымерли и динозавры).

Причины таких катаклизмов могли быть различны: похолодание климата, вулканические извержения с обширными излияниями лавы, отступления океана, удары крупных метеоритов – биота все равно развивалась, приспосабливаясь к окружающей среде и одновременно оказывая на последнюю мощное преобразующее влияние. Образование атмосферного кислорода и увеличение его концентрации оказалось катастрофичным для некоторых видов – они вымерли, в то же время развитие других ускорилось. Содержание углекислого газа в атмосфере уменьшилось. Углерод начал накапливаться в биоте и детрите (запас мертвого органического вещества: опад листьев, засохшие деревья, торф, каменный уголь, нефть) и преобразовываться в уголь, нефть и газ. В океанах из раковин и скелетов морских организмов образовались мощные морские отложения карбонатов (известняк, мел, мрамор) и силикатов. Полосчатые железняки, составляющие главные промышленные запасы железа, образовались около 2 миллиардов лет назад под воздействием кислорода, выделенного фотосинтезирующими бактериями (только после этого кислород стал накапливаться в атмосфере). Ряд организмов, накапливающих определенные элементы, участвовал в создании месторождений других полезных ископаемых.

Биота прошла огромный путь эволюции от простейших организмов до животных и растений и достигла видового разнообразия, которое исследователи оценивают 2-10 миллионами видов животных, растений и микроорганизмов, каждый из которых занял свою экологическую нишу.

Состояние биоты определяется в основном физико-химическими характеристиками окружающей среды. Совокупность среднемноголетних характеристик атмосферы, гидросферы и суши мы называем климатом. Основная климатическая характеристика – температура у поверхности Земли – изменялась за время эволюции биоты относительно мало (при современном значении средней температуры 288 К изменения, с учетом ледниковых периодов, не превышали 10-20°).

Хотя на состояние экосистем и биосферы в целом физико-химические процессы в окружающей среде оказывают определенное влияние, сильно и обратное влияние биоты на окружающую среду. Причем воздействует она как на положительные, так и на отрицательные обратные связи, поэтому ее развитие иногда ускоряется, а иногда замедляется.

Но этот цикл не замкнут, не стационарен, как показали геологические данные, содержание в атмосфере СО₂ (и связанное с ним содержание О₂) за последние 570 миллионов лет неоднократно колебалось, причем количество СО₂ каждый раз уменьшалось или увеличивалось в несколько раз. В одних случаях это способствовало развитию биоты, а в других – мешало.

Не является замкнутым и медленный геохимический цикл: СО₂ поступает в атмосферу через вулканы, а расходуется на выветривание горных пород и на образование биоты. Часть атмосферного углерода откладывается, создавая запасы ископаемого топлива, а освободившийся кислород поступает в атмосферу. В результате за 4 миллиарда лет концентрация СО₂ в атмосфере уменьшилась в 100 – 1000 раз (из-за ослабления вулканизма), что отрицательно повлияло на питание растений. В то же время накопление кислорода в атмосфере резко ускорило развитие биоты, но не было на пользу самим анаэробным организмам, в результате жизнедеятельности которых появился кислород. Они были почти полностью вытеснены вновь возникшими аэробными организмами.

Большое влияние биоты на окружающую среду привело к гипотезе, что биота могла поддерживать в окружающей среде условия, благоприятные для ее жизнедеятельности. Но эта гипотеза противоречит ряду факторов (массовые вымирания, исчезновение миллиардов видов), а также дарвиновской теории эволюции. Биота не поддерживала условия среды, оптимальные для живущих организмов, поэтому многие организмы и виды не смогли пережить изменений географических и климатических условий. За время существования биосферы исчезло несколько миллиардов видов, тогда как сейчас существуют несколько миллионов. Но зато организмы, которые сумели пережить изменение условий, давали начало новым видам. Именно приспособление к изменяющимся условиям окружающей среды создало многочисленные и приспособленные виды, то есть двигало эволюцию. Если допустить, что биота может поддерживать состояние окружающей среды в оптимальных для себя пределах, то сейчас могли бы существовать климат и богатейшая растительность каменноугольного периода, но эволюция биоты прекратилась бы.

Имеются данные о том, что становлению человека как вида способствовали тяжелые условия окружающей среды, в которых жили наши предки. Когда он научился поддерживать благоприятные условия своего существования, его эволюция как биологического вида прекратилась, сменившись эволюцией общества.

 

 

Человек

 

Сложнейшей системой, изучаемой естествознанием является человек. С одной стороны человек – это биологический вид со всеми присущими ему свойствами, а с другой – это элемент и продукт общества – носитель духовной жизни. Сложность изучения человека во многом проистекает из того, что эти стороны самым тесным образом взаимосвязаны.

К важнейшим естественнонаучным проблемам относится проблема происхождения человека. С XIX века в науке господствует концепция происхождения человека от высокоразвитых приматов – предков современных людей и обезьян. В XX веке подтвердилось, что из всех животных по генетическому аппарату ближе всего к человеку шимпанзе.

Отличия человека:

1. Понятийное мышление. Человек сознает, что делает, и понимает мир.

2. Человек способен создавать орудия труда.

3. Прямохождение.

4. Развитие руки.

5. Использование огня.

6. Захоронение трупов.

 

Человек создал социум – структурированную общественную систему. Этика и биоэтика.

Человек: физиология, здоровье, эмоции, творчество, работоспособность. Человек и общество. Биоэтика. Человек, биосфера и космические циклы. Понятие о ноосфере.

 

Известный биофизик А.Л. Чижевский установил связь между цикличностью процессов на Солнце и явлениями в биосфере. Его концепция, основанная на богатом фактическом материале, доказывала существование космических ритмов и их связь с биологической и общественной жизнью. Он ввел представление о компенсаторно-защитной функции биосферы, необходимой для существования живых организмов на Земле.

 

Ноосфера – это высшая ступень интеграции всех форм существования материи, когда любая преобразующая деятельность человека будет основываться на научном понимании естественных и социальных процессов и органически согласовываться с общими законами развития природы. Это высший этап эволюции системы «природа – общество», который только формируется и должен быть, если человечество хочет жить без глобальных потрясений. Такой тип отношений «природа – общество» соответствует коэволюции. Термин «ноосфера» ввел В.И. Вернадский, затем широко использовали Э Леруа и П.Тейяр де Шарден в значении «оболочки мысли» на планете.

Концепция устойчивого развития основана на биотической регуляции среды. При этом увеличение давления на окружающую среду, сопровождающее экономическое развитие общества, должно компенсироваться соответствующим восстановлением природы на основе механизма саморегуляции природной среды.