Эволюционная биология

Эмпирическая химическая формула вещества (устанавливаемая опытным путем) показывает, какие элементы и в каком соотношении входят в состав химического соединения – молекулярная формула.

Химические уравнения – способ описания химических процессов.

Структурная формула показывает последовательность и пространственный порядок соединения атомов в молекуле.

Благодаря своему языку, своему феноменологическому описанию свойств веществ и химических превращений, химия стала развитой фундаментальной наукой задолго до того, как квантовая механика вскрыла сущность химических явлений.

Атомно-молекулярный уровень организации материи, сложно описываемый на фундаментальном уровне, (т.е. квантовой механикой) потребовал выработки более эффективного для практики химического языка. Сегодня физика, составляющая ядро теоретической химии, служит базой дальнейшего развития этой науки. Прогресс современной химии, ее основные концепции оказались тесно связанными не только с физикой, но и с другими естественными науками, особенно с биологией.

Особенность химии – в значительной мере сама создает свой объект изучения: исследования направлены на раскрытие закономерностей химических превращений, которые реализованы искусственно; на получение и изучение веществ, большинство из которых в природе не встречается.

Химия как наука теснейшим образом связана с химией как производством.

Основная цель современной химии – получение веществ с заданными свойствами. Это и определяет содержание двуединой задачи химии: исследование генезиса (т.е. происхождения) свойств веществ и разработка на этой основе методов получения веществ с заранее заданными свойствами.

Четыре концептуальные системы химических знаний:

4. Эволюционная химия

3. Учение о химических процессах

2. Структурная химия

1. Учение о составе

XVII век XIX век 1950-е годы 1970-е годы Развитие химии

Концептуальные подходы к решению основной проблемы химии появлялись последовательно; каждая новая концептуальная ступень в развитии химии означала не отрицание подходов, использовавшихся ранее, а опору на них, как на свое основание. Все концептуальные системы используются не порознь, а во взаимосвязи.

1. Первоначально, свойства веществ связывались исключительно с их составом (суть учения о составе) – на этом уровне содержание химии исчерпывалось ее традиционным менделеевским определением как науки о химических элементах и их соединениях.

2. Учение о составе было дополнено концепцией структурной химии: структурная концепция объединяет теоретические представления в химии, устанавливающие связь свойств веществ не только с составом, но и со структурой молекул. В рамках этого подхода возникло понятие реакционная способность, включающее представление о химической активности отдельных фрагментов молекулы – отдельных ее атомов, атомных групп, отдельных химических связей.

Структурная концепция превратила химию из преимущественно аналитической в синтетическую науку. Этот подход позволил создать промышленные технологии синтеза многих органических веществ.

3. Затем было развито учение о химических процессах:

· в рамках этой концепции с помощью методов физической кинетики и термодинамики были выявлены факторы, влияющие на направленность и скорость протекания химических превращений и на их результат;

· химия вскрыла механизмы управления реакциями и предложила способы изменения свойств получаемых веществ.

4. Последний этап концептуального развития химии – использование принципов, реализованных в химизме живой природы. В рамках эволюционной химии осуществляется поиск таких условий, при которых в процессе химических превращений идет самосовершенствование катализаторов реакций: речь идет об изучении и применении процессов самоорганизации химических систем, происходящих в клетках живых организмов.

2. Особенности моделирования объектов в химии.

Химические явления протекают в системах, плохо обусловленных – одновременно действует множество сложным образом изменяющихся факторов:

· трудно описать языком математики, поэтому многие теоретические модели химии носят качественный характер, построены на наглядных представлениях;

· роль теории сводится к объяснению химических превращений не на фундаментальном уровне, а на уровне понятий, которыми привыкли описывать условия экспериментального осуществления химических реакций.

Поэтому в химической теории выработано множество частных моделей, применимость которых ограничена узкими рамками конкретных условий проведения реакций. Создана пестрая, фрагментарная картина теоретической химии. Модели химии распределены по концептуальным уровням. КСП в большей степени соответствует ряд представлений, выработанных в рамках учения о составе, структурной концепции, учения о химических процессах.

2.1. Проблема химического элемента.

Классической идее жесткой причинно-следственной связи явлений отвечает открытый Д.И. Менделеевым Периодический закон, в определенной мере решивший так называемую проблему химического элемента:

«Что считать химическим элементом – неразложимым «кирпичиком» вещества?» - исходный вопрос в учении о составе. Отправная точка решения проблемы – формулирование Периодического закона: в основу систематизации свойств химических элементов была положена идея зависимости свойств элемента от атомной массы; Менделеев доказал, что признаком химического элемента является не экспериментально устанавливаемая неразложимость данного вещества, а место в Периодической системе, определяемая атомной массой.

Проблема химического элемента переросла рамки классических представлений о веществе: в связи с успехами квантовой теории физика помогла составить представление об атоме элемента как о сложной квантово-механической системе - место элемента в Периодической системе оказалось обусловленным зарядом ядра атома. На этой основе были выяснены особенности строения электронных оболочек всех элементов и раскрыт физический смысл Периодического закона. Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра, т.е. совокупность изотопов.

2.2. Классическая модель химического соединения.

Стехиометрическая модель вещества:

· стехиометрия – неизменность целочисленного соотношения компонентов;

· в рамках учения о химическом соединении Дж. Дальтон обосновал закон постоянства состава – составлюбого химического соединениявыражается строгой пропорцией, отражающей неизменное соотношение компонентов в данном веществе.

Долгое время не допускалось отклонений от этого закона; однако, уже современник Дальтона французский химик К. Бертолле указывал на возможность существования соединений переменного состава. Впоследствии были найдены доказательства существования химических соединений переменного состава (бертоллиды). За соединениями постоянного состава закрепилось название дальтониды.

На основе стехиометрической модели вещества выработался язык описания химических реакций в форме химических уравнений.

Химическое уравнение – простейшая классическая модель химического превращения.

2.3. Структурная концепция.

Молекула представляет собой не произвольную, а пространственно упорядоченную совокупность атомов, входящих в нее:

· форма молекул определяется углами между направлениями связей, соединяющих атомы в данную молекулу; например, молекула хлорида бериллия BeCl₂ – линейная,

H₂O …, CH₄ …

· структурная формула – дает представление не только об элементном составе и количественных пропорциях, но и о расположении атомов в пространстве и связях между ними;

· представление о строгой пространственной локализации химических связей сродни классическим представлениям о локализации классической частицы;

· в рамках структурной концепции сформулированы основные положения теории валентности и сделана попытка связать структуру молекулы с валентностью; валентность определяет вид структурной формулы молекул и многие их свойства;

· комбинируя атомы различных элементов, можно создавать структурные формулы любого химического соединения, т.е., в принципе, находить путь химического синтеза этого соединения.

С практической точки зрения важным явилось и знание химической активности реагентов. Причины химической активности одних веществ и пассивности других объяснила теория химического строения органических соединений А.М. Бутлерова:

· она позволила выявлять в структуре молекул активные центры и группировки;

· позже теория Бутлерова нашла фундаментальное обоснование на основе квантовой механики;

· химическую активность можно рассматривать с точки зрения превращения энергии – если при образовании химической связи сумма энергий связываемых атомов больше, чем энергия образующейся молекулы, то такая связь оказывается устойчивой; энергия химической связи – энергия, необходимая для разрыва образовавшейся связи; она может быть обеспечена каким-либо целенаправленным воздействием на вещество (самым простым способом является поддержание достаточной температуры).

Значение и недостатки структурной концепции:

· превратила химию в науку, способную создавать новые вещества и новые материалы с заданными свойствами; получил развитие органический синтез;

· пределы практического использования структурных теорий – в рамках структурной концепции уровень химических знаний ограничен сведениями о дореакционном состоянии молекул; но таких сведений недостаточно для эффективного управления химическими процессами; в этом проявилась ограниченность классической концепции контролируемого воздействия.

Существенная особенность химии – нацеленность на технологию, самая непосредственная связь с химическим производством. Наметившийся в конце 20 века поворот в химической технологии к сложным системам с многовариантной, варьируемой структурой неизбежно ускорит отход от классической стратегии познания и в теоретической химии.

3. Структурные уровни живой материи. Концептуальные уровни современной биологии.

Предбиологические структуры, представляющие собой гигантские органические макромолекулы, - предел химической эволюции вещества. Следующий и принципиально иной уровень сложности в организации материи по сравнению с атомарно-молекулярным уровнем – живая материя. Жизнь во всех ее формах – объект биологии, поэтому можно говорить о биологическом уровне организации материи. Любой живой объект – сложная система и представляет собой совокупность множества взаимодействующих элементов. Эта система обладает свойствами, отсутствующими у ее элементов.

Жизнь есть форма существования макроскопических гетерогенных открытых сильнонеравновесных систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению (академик М.В. Волькенштейн).

Макроскопичность – любой живой организм, начиная с бактерии, или же его самостоятельно функционирующая подсистема должны содержать большое число атомов (иначе упорядоченность, необходимая для жизни, разрушилась бы флуктуациями).

Гетерогенность – организм содержит одновременно множество различных веществ, обеспечивающих все разнообразие биохимических процессов в организме.

Открытость – непрерывный обмен энергией и веществом с окружающей средой; самоорганизация возможна лишь в открытых сильнонеравновесных системах.

Перечислены ключевые особенности живых систем.

Другие важные свойства живых организмов:

· сходство химического состава – состав живого определяется главным образом (97,4% всего состава) шестью элементами: O, C, H, N, S, P; живые системы содержат совокупность сложных биополимеров, нехарактерных для неживых систем (белки, нуклеиновые кислоты, ферменты и др.)

· свойство самовоспроизведения – сохраняет биологические виды; конечность жизни живых систем создает условия их сменяемости и совершенствования

· раздражимость – реакция живой системы на воздействия извне

· дискретность – состоит из отдельных элементов, взаимодействующих между собой; каждый из элементов также является живой системой

· целостность – все элементы системы функционируют только благодаря функционированию всей системы в целом.

Биология – наука о живом, о строении живой материи и процессах с ее участием, о формах и развитии живого, распространенности живых организмов и их природных сообществ, взаимосвязях живой и неживой природе.

Три концептуальных уровня биологического знания (три «образа» современной биологии).

1.Традиционная биология (описательно-натуралистическая).

· метод – тщательное наблюдение и описание явлений природы

· главная задача – их классифицирование; выполняет биологическая систематика – биологические объекты объединяются в группы (таксоны) по различным признакам:

ü искусственная классификация – на основе легко обнаруживаемых признаков, например, по месту обитания;

ü естественная классификация – использует более содержательные критерии, например, эволюционные связи биологических объектов, в основе которых лежит общее историческое происхождение

ü по общепринятой системе (основоположник – швед биолог-натуралист К. Линней, 18 век) каждый организм имеет два латинских названия – родовое и видовое; в этой системе на основе общих признаков организмы объединяют в группы, расположенные на различных иерархических уровнях; в систему входят следующие уровни: царство, тип (отдел – у растений), класс, отряд (порядок – у растений), семейство, род, вид.

· объект изучения – живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности.

Традиционная биология продолжает развиваться и служит источником фактов, почерпнутых из наблюдений за живой природой во всем многообразии форм и связей.

2.Экспериментальная биология (физико-химическая) исследует молекулярный уровень живого, а также структуру и функции живых систем на всех остальных уровнях организации (метод изотопных индикаторов, методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, ультразвуковое зондирование, высокочувствительные методы электромагнитных измерений и др.).

Развитие физико-химического направления биологии объективно способствовало тесному взаимодействию естественных наук, формированию целостной современной научной картины мира; имеет большое значение как основа многих новейших направлений медицины.

С того времени, как в биологии в полной мере было осознано неотъемлемое и наиболеехарактерное свойство живого – способность развиваться и совершенствоваться, концепция коэволюции получила в ней самостоятельное значение и обусловила формирование отдельного направления – эволюционной биологии:

· истоки – традиционная биология (Дарвин создал теорию естественного отбора, будучи типичным натуралистом;

· задача – последовательное развитие представлений об увеличении многообразия и сложности живого, включая раскрытие деталей механизма эволюции и научное решение проблемы происхождения жизни.

Многообразные знания о живой природе плохо поддаются формализации и формулированию на их основе постулатов и обобщений, которые могли бы послужить базой для всеохватывающего теоретического знания о живом. На сегодняшний день теоретическая биология только формируется:

· главная проблема – создание единой теории живого;

· решение проблемы многим современным биологам видится именно на пути развития эволюционной биологии, выполняющей роль платформы для объединения усилий и достижений всех трех главных направлений биологического знания; более того, уже ясно, что только общими усилиями биологии, физики, химии и математики может быть осуществлено познание феномена жизни, создание единой теории жизни.

Жизни как природному явлению присуща своя иерархия уровней организации, упорядоченность, соподчиненность этих уровней. Основа построения иерархии живого:

· клетка как элемент живых структур:

· представление о системности, цельности живых структур.

Концепция структурных уровней живого включает представление об:

· иерархической соподчиненности живых организмов – каждый из уровней организации живой материи должен изучаться с учетом характера ниже- и вышестоящего уровней в их функциональном взаимодействии;

· системности живых организмов;

· органической целостности живых организмов.

Структурные уровни различаются сложностью и закономерностями функционирования.

Уровни организации живой материи (начиная с низшей ступени, на которой смыкаются биология и химия):

1. Молекулярно-генетический – на нем совершается скачок от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого:

· биохимическая основа уровня – белки – органические соединения, входящие в состав всех живых организмов, - это биополимерные макромолекулы, состоящие из большого числа повторяющихся и сходных по структуре низкомолекулярных соединений – мономеров – аминокислот (в состав белка входят 20 аминокислот). Перестановки и различные сочетания мономеров в длинных полимерных цепях обеспечивают построение множества вариантов молекул белка и придают ему разнообразные свойства

· характерное физическое свойство аминокислот, содержащихся в живых системах, - молекулярная асимметричность (подобная асимметричности левой и правой рук) или молекулярная хиральность – молекулы аминокислот способны поворачивать влево плоскость поляризации светового луча

Первоначально казалось, что фундаментальную основу жизни составляют именно белковые молекулы. Но с химической точки зрения, ни сам белок, ни его составные части не представляют ничего уникального. Дальнейшие исследования, направленные на изучение механизмов воспроизводства и наследственности, позволили выявить то специфическое, что отличает на молекулярном уровне живое от неживого. Наиболее важно – выделение из ядра клетки нуклеиновых (ядерных) кислот двух типов:

· РНК (рибонуклеиновые кислоты)

· ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) обладают способностью сохранять и передавать наследственную информацию организмов:

ü молекула ДНК состоит из двух мономерных цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой;

ü хромосомы – участки ДНК

ü ген – участок ДНК, содержащий информацию об одном из набора белков в организме; расположены гены в хромосомах

· в мономерах нуклеиновых кислот «записаны» алгоритмы, по которым строятся аминокислоты и белковые молекулы

2. Клеточный уровень.

Клетка – мельчайшая элементарная живая система, служит первоосновой строения, жизнедеятельности и размножения организмов.

Клетки всех организмов:

· сходны по строению и составу веществ

· всеми процессами в клетке управляет особая структура, как правило, находящаяся в ее ядре и состоящая из длинных цепей нуклеиновых кислот

· клетки обладают разнообразием форм, размеров, функций.

Дата добавления: 2014-01-11