Концепции современного естествознания

Ковалентная связь возникает при парном обобществлении валентных электронов. Примером молекул с ковалентными связями могут быть

молекулы водорода Н2 , воды Н2О , метана и др.

Ионная связь образуется за счёт переноса электронов от одного атома к другому, в результате которого возникают ионы разных знаков. Например, поваренная соль NaCl , соляная кислота HCl и др.

Из рассмотренных типов связей следует, что во всех случаях образования химической связи при потере, присоединении или обобществлении валентных электронов электронная конфигурация атома становится такой же, как у атома инертного (благородного) газа, находящегося в конце того же периода периодической таблицы элементов, что и данный элемент, или в конце предыдущего периода таблицы. Атомы всех благородных газов имеют на внешней оболочке по восемь электронов, за исключением гелия, у которого эта оболочка единственная и на ней два электрона.

6.4 Химические реакции. Реакционная способность

Химическая реакция – это превращение одних веществ в другие, когда появляется новое вещество. В этих процессах ядра атомов не участвуют, а все изменения происходят только во внешних электронных оболочках атомов, которые приводят к разрыву одних химических связей и образованию других. Способность вещества соединяться с другим веществом в определённом количественном соотношении характеризуется валентностью. Для записи химических реакций используют сокращённые формулы веществ, из которых записывается уравнение реакции. Например, в результате присоединения молекулой углерода молекулы кислорода образуется молекула углекислого газа:

С + О2= СО2 ( 1 )

Компоненты левой части равенства называются реагентами, а в правой части – продуктами реакции. В уравнениях химических реакций переставлять местами левую и правую части уравнения нельзя, т.к. получится совсем другая реакция:

С О2= С + О2 ( 2 )

Реакция (1) является реакцией соединения, реакция (2) - реакцией разложения.

Каждая химическая реакция характеризуется определённым энергетическим эффектом, т.е. при каждой химической реакции происходит выделение (экзотермическая реакция – реакция (1) ) или поглощение энергии (эндотермическая реакция – реакция (2) ). Химическая энергия может перейти в тепловую (при сжигании топлива, например), в механическую (во взрывчатых веществах), в электрическую (в гальваническом элементе) и т.д.

72

Скорость протекания химических реакций зависит от температуры, давления и концентрации реагентов. Реакционной способностью обладают не все молекулы, а наиболее активные, имеющие некоторую избыточную энергию – энергию активации, которой можно управлять (увеличивать или уменьшать) с помощью специальных веществ – катализаторов, которые непосредственно в реакции не участвуют. Положительные катализаторы увеличивают скорость протекания реакции, отрицательные – уменьшают. Катализ широко используется в современных химических технологиях

6.5. Биохимические концепции

Установлено, что из сотни химических элементов, встречающихся в земной коре, для жизни необходимы только 16, причём четыре из них (водород, кислород, углерод и азот) наиболее распространены в живых организмах и составляют примерно 99% массы живого. Биологическое значение этих элементов обусловлено их в а л е н т н о с т ь ю и способностью образовывать прочные к о в а л е н т н ы е связи.

Одним из самых распространённых веществ на Земле является в о д а , которая на нашей планете может существовать в трёх агрегатных состояниях

– твёрдом, жидком и газообразном. Из воды в основном состоит почти всё живое, она является прекрасным растворителем. Уникальные свойства воды связаны со структурой её молекул: молекула изогнута под углом 105° , в вершине которого находится кислород, который, в свою очередь, ковалентно связан с двумя атомами водорода. Кислород притягивает к себе электроны сильнее, чем водород, поэтому молекула воды является полярной. Друг с другом молекулы воды соединяются водородными связями .Из-за своей полярности вода хорошо растворяет другие полярные соединения, ионные вещества.

Распад вещества на ионы при растворении называется диссоциацией. Вещество является кислотой, если оно диссоциирует в воде с образованием ионов водорода, и основанием - если способно в растворе присоединять ионы водорода или образовывать гидроксильные группы ОН. Кислотность или щёлочность раствора характеризуется показателем рН. Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно и от этого возрастает реакционная способность. Поэтому большая часть реакций в живой клетке происходит в водном растворе. Вода как растворитель играет большую роль в транспортировке разных веществ по организму (в крови, в лимфатической системе, в пищеварительной системе и т.д.). Вода служит стабильной средой обитания для многих клеток и организмов, обеспечивая значительное постоянство внешних условий.

Уникальны и тепловые свойства воды. Плотность воды в жидком состоянии больше, чем в твёрдом – лёд легче воды и не тонет в ней. (Такими свойствами обладают ещё висмут и чугун). При температуре от +4 до 0

73

плотность воды уменьшается лёд образуется сначала у поверхности воды и только под конец – около дна. Малая плотность льда спасает животных – лёд плавает на поверхности и не пропускает холодный воздух вглубь, где находятся живые организмы. Удельная теплоёмкость воды больше, чем у других жидкостей. Поэтому поглощение и отдача теплоты водами мирового океана не приводят к существенному изменению температуры воды и атмосферы. Таким образом, все жизненные процессы происходят в водных растворах, вода является основным участником процессов метаболизма

С точки зрения химии, ж и з н ь связана с взаимными превращениями различных молекул, главным элементом которых является у г л е р о д. В земной коре углерода всего около 0,055%. В чистом виде углерод существует в виде графита и алмаза. Изучением соединений углерода занимается

электрона и образовать прочную ковалентную связь, например, молекулу метана СH4. Атомы углерода могут соединяться друг с другом разными способами, образуя различные цепи и кольца, и присоединять к себе различные атомы - отсюда вытекает такое большое разнообразие органических веществ. Углерод входит в состав белков, жиров, углеводов, гормонов, витаминов.

Важным для жизни классом органических соединений являются а м и н о к и с л о т ы . Каждая аминокислота содержит карбоксильную группу СООН и аминогруппу NH2, присоединённые к одному атому углерода. К этому же атому присоединена одна из белковых групп. Из-за такого строения аминокислоты обладают свойствами как кислот, так и оснований (амфотерностью), а их молекулы в зависимости от условий среды могут существовать как анионы, катионы или нейтральные соли. В живых организмах аминокислоты используются для синтеза белков: растения могут синтезировать их из простых веществ, а в животные организмы они должны поступать с пищей, поэтому их называют незаменимыми.

Аминокислоты образуют цепи - п о л и п е п т и д ы и являются мономерами для белков, в которые входят 20 аминокислот. Молекула гемоглобина, например, состоит из 4-х полипептидных цепей, каждая из которых содержит 145 аминокислот. Белки представляют собой большие молекулы, в которых аминокислоты нанизаны, как бусинки, на нить. (до 1000). Различные белки образуются из различных последовательностей аминокислот, которые записываются в виде алфавита из 20 букв. Составить последовательность из 1000 по 20 можно огромным числом способов, и каждому такому распределению соответствует определённый белок. Белки играют первостепенную роль в процессах жизнедеятельности всех живых организмов. Н у к л е о т и д ы состоят из азотистого основания, углевода и остатка фосфорной кислоты.

Из четырёх нуклеотидов построены и другие крупные молекулынуклеиновые кислоты, тоже входящие в состав живой клетки. Нуклеиновые

74

кислоты представляют собой уже не цепи, а винтовые спирали. Порядок нуклеотидов в ДНК обеспечивает определённый порядок аминокислот в белках. Существует два типа нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержит генетическую информацию о последовательности аминокислот в полипептидных цепях и определяет саму структуру белков. Рибонуклеиновая кислота (РНК) несёт ответственность за создание белков. Порядок расположения составляющих молекулы ДНК и РНК нуклеотидов определяет порядок расположения аминокислот, а также их воспроизведение в первичных структурах белков. Следовательно, через молекулы нуклеиновых кислот передаётся информация о различных наследственных свойствах структур живых организмов и идёт реализация механизма наследственности.

Всё живое на Земле зависит от ф о т о с и н т е з а, который связан с превращением зелёными растениями и некоторыми микроорганизмами лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ. Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд. тонн органических веществ, усваивается 300 млрд. тонн углекислого газа и выделяется около 200млрд. тонн кислорода.

ТРЕНИРОВОЧНЫЙ ТЕСТ по теме 6

1.В современной таблице Менделеева элементы располагаются в порядке:

1)возрастания атомных масс;

2)возрастания зарядовых чисел ядер атомов;

3)возрастания валентности химических элементов.

2.Какое из фундаментальных физических взаимодействий реализуется в химической связи ?

1)гравитационное;

2)электромагнитное;

3)ядерное.

3.Горение органического топлива является примером реакции:

1)эндотермической;

2)экзотермической;

3)расщепления.

4. Способность воды растворять ионные вещества и тем самым обеспечивать жизнедеятельность клетки обусловлена тем, что:

1)молекулы воды содержат кислород;

2)молекулы воды сильно полярны;

3)вода содержит ионы.

75

5.Жизнь на Земле основана на:

1)углероде;

2)кислороде;

3)водороде.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ по теме 6

1.В чём состоит специфика химического познания природы? Каковы основные проблемы химии в системе современного естествознания?

2.Назовите и прокомментируйте основные законы химии.

3.Охарактеризуйте предбиологическую химическую эволюцию.

4. Что такое химический элемент, химическое вещество, химическая реакция?

5.Что представляет собой химическая связь? Рассмотрите особенности металлической, ковалентной и ионной связей.

ТЕМА 7. БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

Биология представляет собой совокупность наук о живой природе, она устанавливает общие и частные закономерности, присущие жизни во всех её проявлениях. Биология возникла и долгое время развивалась как описательная наука, осуществлявшая анализ и классификацию огромного эмпирического материала. Многообразие биологических наук обусловлено многообразием живого мира. К настоящему времени биологами исследовано 500 тысяч растений, 1,2 миллиона животных, сотни тысяч грибов, около 3 тысяч бактерий и т.п., и это составляет только две трети существующих видов. Перед современной биологией по-прежнему стоит задача классификации всего многообразия живых организмов.

В 20 веке биологическое знание приобрело объяснительный характер. Современная биология использует генетический и системно-структурный подходы; она тесно связана не только с другими естественными науками, но и с гуманитарными и социальными знаниями. Всё ближе подходя к разгадке тайны жизни, человечество сталкивается с множеством мировоззренческих проблем, решение которых необходимо, в том числе и в целях самосохранения и выживания. Новые биологические данные изменяют ту картину мира, которая на протяжении длительного времени формировалась физикой. Биология становится тем основанием, на котором формируются новые мировоззренческие принципы, определяющие самопонимание человека 21 века.

76

интересных. Вопросы, связанные с происхождением жизни, рассматриваются

ив религии, и в философии. Существует несколько концепций:

Кр е а ц и о н и с т с к а я - жизнь была создана Творцом, причём в соответствии с текстами Библии из анализа возрастов и родственных связей упоминаемых в Библии лиц можно вычислить дату возникновения жизни В 1650 году ирландский архиепископ Ашер вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 года до н.э., а 23 октября в 9 часов утра – и человека. Однако это противоречит реальности, т.к. к тому времени на Ближнем Востоке уже была развита цивилизация.

Как альтернатива креацианизму существовала концепция с п о н т а н- н о го зарождения жизни. Так Эмпедокл и Аристотель исходили из того, что есть определённые частицы вещества, которые содержат некоторое активное жизненное начало. Такое начало есть в оплодотворённом яйце, в солнечном свете, в иле, в гниющем мясе и т.д. С распространением христианства идеи самозарождения жизни стали еретическими и долгое время их не вспоминали. В 1688г. итальянский биолог Ф.Реди. сформулировал свой принцип: всё живое - из живого на основе опытов с гниющим мясом, в котором появляются личинки мух ( маленькие белые черви). В 1860г. Пастер показал, что бактерии могут быть везде и заражать неживые вещества. Для избавления от них необходима стерилизация – пастеризация. Концепции самозарождения жизни придерживались Галилей, Декарт, Гегель, Ламарк.

С концепцией в е ч н о г о с у щ е с т в о в а н и я жизни связано несколько гипотез. Одна из них – гипотеза панспермии: живое семя, живые споры переносятся во Вселенной с одного космического тела на другое с помощью солнечного ветра, метеоритов и т.д. В какой-то момент времени жизнь могла быть занесена на Землю из космоса Такой точки зрения придерживались Либих, Рихтер, Аррениус, русские учёные С.П.Костычев, В.И.Вернадский и др.

В современной науке принята гипотеза а б и о г е н н о г о (небиологического) происхождения жизни под действием космических, геологических, химических факторов - а б и о г е н е з. Представители сторонников этой гипотезы Опарин, Холдейн. Первым этапом в процессе возникновения живого является химическая эволюция. В начале своего существования Земля имела температуру в несколько тысяч градусов. Постепенное остывание планеты сопровождалось тем, что тяжёлые химические элементы смещались к центру Земли, а лёгкие (водород, кислород, азот, углерод) скапливались у поверхности. По мнению академика Опарина атмосфера первичной Земли сильно отличалась от современной – она была бескислородной, насыщенной инертными газами. Именно в такой среде легко создаются органические соединения. Примерно через 1 млрд. лет по мере того, как формировалась оболочка Земли (в результате

77

вулканической деятельности происходил выброс на поверхность Земли различных карбидов – соединений углерода с металлами) началось формирование вторичной атмосферы. По мере остывания земной поверхности происходила конденсация водяных паров, что привело к появлению гидросферы. Карбиды смывались в первичный океан, где за счёт взаимодействия с водой возник первичный бульон, в котором осуществлялся дальнейший синтез сложных органических молекул - белков и нуклеиновых кислот. Возможность абиогенного синтеза биополимеров (белковых молекул и азотистых оснований) была экспериментально доказана в середине 20 века американским учёным С.Миллером. В первичном бульоне из разрозненных молекул постепенно возникли коацерватные капли. Коацерваты уже имели такие свойства, которые объединяли их с простейшими живыми организмами (они могли поглощать вещества из окружающей среды, вступать во взаимодействия друг с другом, увеличиваться в размерах и т.д.), но способности к самовоспроизводству они ещё не имели и приобрели эту способность в результате естественного отбора. Началом жизни считается возникновение стабильной самовоспроизводящейся органической системы с постоянной последовательностью нуклеотидов.

78

В настоящее время существует ещё одно объяснение перехода предбиологической эволюции к биологической, которое даёт синергетика. С точки зрения синергетики, возникновение одних форм материи из других могло происходить через спонтанное возникновение новых структур в ходе взаимодействия открытой системы с окружающей средой – самоорганизация материи.

79

7.2 СУЩНОСТЬ ЖИВОГО, ЕГО ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ.

Вопрос о сущности живого является принципиальным и обсуждается в науке на протяжении нескольких веков. В 17-18 веках, когда господствовала механистическая картина мира, в классической биологии существовало два различных направления: редукционизм (от слова reductioвозвращать назад, отодвигать) и витализм. Сторонники редукционизма сводили все процессы жизнедеятельности живых организмов к совокупности определённых химических реакций. Виталисты объясняют специфику живых организмов наличием в них некоторой жизненной силы, сущность которой не была ясна.

С современной точки зрения, жизнь – это не столько форма существования материи, сколько одна из форм самоорганизации материи.

Ж и з н ь – это форма существования высокоорганизованных неравновесных открытых систем, в структуре которых решающую роль играют белки и нуклеотиды.

Эти системы способны к обмену веществ, самовоспроизведению путём передачи наследственной информации и изменчивости на основе мутаций. Неотъемлемым свойством живого является деятельность, активность. Отдельные качества живого могут быть присущи и неорганическим системам, однако ни одна из них не обладает всей совокупностью перечисленных выше признаков.

Существуют и промежуточные, переходные формы, которые объединяют в себе свойства живого и неживого, например, вирусы. Вне чужого организма они не проявляют признаков живого - не имеют собственного обмена веществ, не реагируют на раздражители, не способны к росту и размножению, т.е. они являются паразитами, но встраиваясь в клетки других организмов, они приобретают все признаки живого. Вирусы не погибают даже в вечной мерзлоте. Есть опасность, что к 2009 году Антарктида может быть поделена между государствами, начнутся разработки золота и других полезных ископаемых и появятся новые вирусы или те, которые существовали много лет назад.. Вирусы можно использовать для внесения в клетку каких-то полезных веществ или, наоборот, ядов для уничтожения, например, раковой клетки. Против вирусов эффективна только вакцинация, при этом он не погибает, а мутирует. По своей структуре вирусы очень похожи на гены, состоят из молекул нуклеиновой кислоты и молекул белка. Их называют иногда «взбесившимися» генами. Другим примером могут служить кристаллыони растут, поглощают из окружающей среды нужные компоненты, чувствительны к внешним условиям, однако их нельзя отнести к живой материи.

Академик Опарин был убеждён, что живые организмы должны обладать таким свойством, как «целесообразность строения». Занимаясь этим вопросом, он отмечал, что свойство целесообразности строения «пронизывает весь живой мир сверху донизу, до самых элементарных форм жизни».

80

7.3 СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ЖИВОГО - это уровни масштабности, уровни организации живой природы.

Жизнь на Земле представляет собой целостную систему, состоящую из различных уровней. Каждый уровень организации живого характеризуется собственными свойствами и закономерностями, а в целом вся иерархия живой природы позволяет представить её как целостную самоорганизующуюся систему, находящуюся в постоянном взаимоотношении с неорганической материей.

На самом низшем уровне стоят в и р у с ы – это системы, состоящие в основном из двух взаимодействующих компонентов: молекул нуклеиновой кислоты и молекул белка. Вирус в переводе означает яд. Вирусы резко отличаются от других форм жизни, они являются внутриклеточными паразитами.

На каждом уровне природы есть свои «первокирпичики». Так в физических формах материи таким первокирпичиком являются кварки, в химии - это атомы, в биологии – это к л е т к и, представляющие собой системы, состоящие из ядра, цитоплазмы и оболочки. Клетка является мельчайшей системой, которой присущи все признаки живого: метаболизм, гомеостаз, способность передавать наследственную информацию.

Совокупность сходных по строению клеток и межклеточного вещества, объединённых выполнением общей функции, образуют ткань живого организма. Структурно-функциональное объединение тканей нескольких типов образуют орган. Целостная гармоничная система органов, специализированная для выполнения различных функций, образует организм. О н т о г е н е з - процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения, процесс реализации наследственной информации. Термин «онтогенез» был введён в науку немецким биологом Э.Геккелем, который сформулировал основной биогенетический закон: в индивидуальном развитии организма (в онтогенезе) повторяются основные этапы филогенеза – развития вида, к которому принадлежит данный организм. Ф и л о г е н е з - это процесс исторического развития

организмов, их видов, родов, типов.

Следующий уровень - п о п у л я ц и я . Это совокупность особей одного вида, длительно занимающая определённое пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений. Популяция рассматривается как целостная открытая система, все элементы которой взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Термин «популяция» был введён одним из основателей генетики В.Иогансеном.

Б и о ц е н о з ы - это совокупность совместно обитающих и взаимодействующих между собой популяций растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих определённую территорию.

81