Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
2 монеты
doc

Шпаргалка «Экзаменационная» по Концепции современного естествознания (Белкова Ю. А.)

1 УЧЕНИЕ О СОСТАВЕ ВЕЩЕСТВА

Учение о составе веществ является первым уровнем химических знаний. До 20-30-х гг. XIX в. вся химия не выходила за пределы этого подхода. Но постепенно рамки состава (свойств) - стали тесны химии, и во второй половине XIX в. главенствующую роль в химии постепенно приобрело понятие «структура», ориентированное, что и отражено непосредственно в самом понятии, на структуру молекулы реагента.

Первый действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился в XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. У Бойля наименьшими частичками вещества оказывались неосязаемые органами чувств мельчайшие частички (атомы), которые могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения - кластеры (по терминологии Бойля). В зависимости от объема и формы кластеров, от того, находились они в движении или покоились, зависели и свойства природных тел. Сегодня мы вместо термина «кластер» используем понятие «молекула».

В период с середины XVII в. до первой половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой всю химию того времени. Оно существует и сегодня, представляя собой первую концептуальную систему химии. На этом уровне химического знания Ученые решали и решают три важнейшие проблемы: химического элемента, химического соединения и задачу создания новых материалов с вновь открытыми химическими элементами.

Химическим элементом называют все атомы, имеющие одинаковый заряд ядра. Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и тоже место в периодической системе элементов. Термин «изотоп» был введен в 1910 г. английским радиохимиком Ф. Содди. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

С момента открытия изотопов наибольший интерес вызвали радиоактивные изотопы, которые стали широко использоваться в атомной энергетике, приборостроении, медицине и т. д.

Первое научное определение химического элемента, когда еще не было открыто ни одного из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие. Открытие французским химиком А. Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной материи» (флогистоне).

В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном. В 1999 г. было сообщено, что путем физического синтеза атомных ядер открыт 114-й элемент.

Концепция химических соединений. Долгое время химики эмпирическим путем определяли, что относится к химическим соединениям, а что - к простым телам или смесям. В начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава, в соответствии с которым любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей.

Теоретическое обоснование закона Пруста было дано Дж. Дальтоном в законе кратных отношений. Согласно этому закону состав любого вещества можно было представить как простую формулу, а эквивалентные составные части молекулы - атомы, обозначавшиеся соответствующими символами, - могли замещаться на другие атомы.

Химическое соединение - понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента. Это О2, графит, алмаз и другие кристаллы без посторонних включений в их решетку в идеальном случае».

Дальнейшее развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав, существуют еще и соединения переменного состава - бертоллиды. В результате были переосмыслены представления о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но в XX в. была понята сущность химической связи, которая стала пониматься как вид взаимодействия между атомами и атомно-молекулярными частицами, обусловленный совместным использованием их электронов.

На этой концептуальной основе была разработана стройная атомно-молекулярная теория того времени, которая впоследствии оказалась не в состоянии объяснить многие экспериментальные факты конца XIX - начала XX вв. Картина прояснилась с открытием сложного строения атома, когда стали ясны причины связи атомов, взаимодействующих друг с другом. В частности, химические связи указывают на взаимодействие атомных электрических зарядов, носителями которых оказываются электроны и ядра атомов.

Существуют ковалентные, полярные, ионные и ионно-ковалентные химические связи, отличающиеся характером физического взаимодействия частиц между собой. Поэтому теперь под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой: молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат.

Осуществляют химические связи между атомами электроны, расположенные на внешней оболочке и связанные с ядром наименее прочно. Их назвали валентными электронами. В зависимости от характера взаимодействия между этими электронами различают ковалентную, ионную и металлическую химические связи.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам.

Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованное за счет полного смещения электрической пары к одному из атомов.

Металлическая связь - это связь между положительными ионами в кристаллах атомов металлов, образующаяся за счет притяжения электронов, но перемещающаяся по кристаллу в свободном виде.

Химическая связь является таким взаимодействием, которое связывает отдельные атомы в более сложные образования, в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. в те структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука. Химическую связь объясняют взаимодействием электрических полей, образующихся между электронами и ядрами атомов в процессе химических преобразований. Прочность химической связи зависит от энергии связи.

Основываясь на законах термодинамики, химия определяет возможность того или иного процесса, условия его осуществления, внутреннюю энергию. «Внутренняя энергия - это общий запас энергии системы, который складывается из энергии движения и взаимодействия молекул, энергии движения и взаимодействия ядер и электронов в атомах, в молекулах и т.п.»

2 Современные представления о химическом элементе, о химическом соединении

Еще Д.И. Менделеев обратил внимание на то, что химия, в отличие от многих других наук (например, биологии), сама создает свой предмет исследования. Как никакая другая наука, она является одновременно и наукой, и производством. Химия всегда была нужна человечеству в основном для того, чтобы получать из веществ природы по возможности все необходимые металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и фармацевтические препараты, взрывчатые вещества и горюче-смазочные материалы, каучук и пластмассы, химические волокна и материалы с заданными электрофизическими свойствами. Поэтому все химические знания», приобретенные за многие столетия и представленные в виде теорий, законов, методов, технологий, объединяет одна-единственная непреходящая, главная задача химии. Это задача получения веществ с необходимыми свойствами. Но это - производственная задача, и, чтобы ее реализовать, надо уметь из одних веществ производить другие, то есть осуществлять качественные превращения вещества. А поскольку качество - это совокупность свойств вещества, надо знать, от чего зависят свойства. Иначе говоря, чтобы решить названную производственную задачу, химия должна решить теоретическую задачу генезиса (происхождения) свойств вещества.

Таким образом, основанием химии выступает двуединая проблема - получение веществ с заданными свойствами (на достижение чего направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию чего направлена научно-исследовательская деятельность).

Это и есть основная проблема химии. Она же является системообразующим началом данной науки. Эта проблема возникла в древности и не теряет своего значения в наши дни. Естественно, что в разные исторические эпохи она решалась по-разному, так как способы ее решения зависят от уровня материальной и духовной культуры общества, а также от внутренних закономерностей, присущих ходу научного познания. Достаточно сказать, что изготовление таких материалов, как, например, стекло и керамика, краски и душистые вещества, в древности осуществлялось совершенно иначе, чем в XVIII веке и позже.

Вся история химии, все ее развитие является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы.

Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения. Речь идет при этом не о частных методах изучения и превращения вещества - их множество, а о самых общих способах решения вопроса: от чего, от каких факторов зависят свойства вещества. А они зависят от четырех факторов:

1. От его элементного и молекулярного состава;

2. От структуры его молекул;

3.От термодинамических и кинетических (наличие катализаторов, воздействие материала стенок сосудов и т.д.) условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;

4. От высоты химической организации вещества.

Первый по-настоящему действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII века в работах английского ученого Роберта Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тела не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. С этого момента стали считать, что наименьшей частицей простого тела является молекула. В период с середины XVII века до первой половины XIX века учение о составе вещества представляло собой всю тогдашнюю химию. Оно существует и сегодня, представляя собой часть химии.

Монопольное положение учения о составе вещества сохранялось до 1830-х годов. К этому времени мануфактурное производство сменилось фабричным, опирающимся на машинную технику и широкую сырьевую базу. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения, их качественное разнообразие потрясающе велико - сотни тысяч химических соединений, а состав их крайне однообразен - лишь несколько элементов-органогенов (углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор), из которых эти соединения состоят. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном их элементном составе было найдено в явлениях, получивших названия «изомерия» и «полимерия». Стало совершенно ясно, что свойства веществ, а следовательно, и их качественное разнообразие обусловливаются не только составом, но еще и структурой молекул. Появилось новое решение проблемы генезиса свойств, а также отграничились сами понятия «свойство» и «функция» или реакционная способность. В понятие «реакционная способность» включались представления о химической активности отдельных фрагментов молекулы - атомов, атомных групп и даже отдельных химических связей.

Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии. Она стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе, включая его в себя.

На втором уровне своего развития химия превратилась из науки преимущественно аналитической в науку главным образом синтетическую. Этот период связан с развитием химии органического синтеза. В это время появились всевозможные азокрасители для текстильной промышленности, различные препараты для фармации, искусственный шелк и т.д. Для этого все материалы добывались в ограниченных масштабах и с огромными затратами низкопроизводительного, преимущественно сельскохозяйственного труда.

Но изумление успехами структурной химии было недолгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине XX века выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ решения основной проблемы химии, основанный на учении о составе и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учитывал резкие изменения свойств вещества в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость химических процессов.

Под влиянием новых требований производства возник третий способ решения проблемы генезиса свойств, учитывающий всю сложность организации химических процессов в реакторах и обеспечивающий их экономически приемлемую производительность. После этого химия становится наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, но наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Благодаря этому она обеспечила многотоннажное производство синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищево

3 Развитие учения о структуре молекул

Моле́кула (новолатинское molecula, уменьшительное от лат. moles — масса) — наименьшая частица вещества, несущая его химические свойства.

Молекула состоит из двух или более атомов, характеризуется количеством входящих в неё атомных ядер и электронов, а также определённой структурой.

В основе структурной химии лежит химическая атомистика Дж. Дальтона, согласно которой любой химический индивид стоит из совокупности молекул, обладающих строго определенным качественным и количественным составом. Более конкретные представления о структуре молекул содержатся в теории Берцелиуса, который пытался ответить на вопрос: существует ли какая-либо упорядоченность в объединении атомов в молекуле или они объединяются произвольно. И. Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы химических элементов обладают различной электроотрицательностью в зависимости места, которое они занимают в ряду элементов с убывающей электроотрицательностью. Атом каждого элемента несет два заряда: положительный и отрицательный, но в зависимости от места в ряду один из зарядов больше. Объединение атомов в молекулу приводит к частичной нейтрализации зарядов.

Полная нейтрализация невозможна из-за неравенства зарядов. Поэтому молекулы каждого соединения обладают также избыточным зарядом и склонны к образованию более сложных молекул в виде комплексов.

Таким образом, по Берцелиусу, молекула представляет собой объединение двух разноименно заряженных атомов или атомных групп-радикалов. В этом заключается содержание понятия ”структура" по Берцелиусу.

Французский химик Ш. Жерар (1816-1856) показал, что структурные представления Берцелиуса соответствуют действительности только в ряде случаев. Молекула является единой неделимой и унитарной системой, в которой все атомы всех элементов взаимодействуют — взаимно преобразуются, в этом сущность "структуры" по Жерару.

Комбинируя атомы разных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения.

Таким образом можно создавать схему синтеза любого химического соединения, в том числе и неизвестного. Однако в некоторых случаях, хотя формульная схема составлена правильно, химическая реакция может не осуществиться. Поэтому нужно учитывать не только методику составления формул, но и химическую активность реагентов, которая лежит в основе теории химического строения Бутлерова.

Крупным шагом в развитии представлений о строении молекул явилась теория химического строения, выдвинутая в 1861 г. выдающимся русским химиком А. М. Бутлеровым.

Основу теории, разработанной А. М. Бутлеровым, составляют следующие положения:

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.

2. Соединение атомов происходит в соответствии с их валентностью.

3. Свойства веществ зависят не только от их состава, но и от их «химического строения», т. е. от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния. Наиболее сильно влияют друг на друга атомы, непосредственно связанные между собой. Теория химического строения Бутлерова сочетается с широкими теоретическими обобщениями и научным предвидением. Бутлеров был убежден в возможности выразить формулами строения молекул химических соединений и притом сделать это путем изучения их химических превращений.

В 30-е годы нашего века теория Бутлерова нашла физическое квантово-механическое обоснование. Согласно современным представлениям структура молекул — это пространственная и энергетическая упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов.

Структурная химия охватывает и неорганические материалы. В структурной неорганической химии можно выделить два перспективных направления:

• синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;

• создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для производства материалов с заданными электрическими, магнитными, оптическими и другими свойствами.

Исследования последнего времени направлены на разработку эффективных технологий синтеза не только органических, но и неорганических материалов.

Многообразие химических

Различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенной называется система, состоящая из одной фазы, гетерогенной—система, состоящая из нескольких фаз. Фазой называется часть системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком.

Примером гомогенной системы может служить любая газовая смесь (все газы при не очень высоких давлениях неограниченно растворяются друг в друге), хотя бы смесь азота с кислородом. Другим примером гомогенной системы может служить раствор нескольких веществ в одном растворителе, например раствор хлорида натрия, сульфата магния, азота и кислорода в воде. В каждом из этих двух случаев система состоит только из одной фазы, из газовой фазы в первом примере и из водного раствора во втором. В качестве примеров гетерогенных систем можно привести следующие системы: вода со льдом, насыщенный раствор с осадком, уголь и сера в атмосфере воздуха. В последнем случае система состоит из трех фаз: двух твердых и одной газовой.

Если реакция протекает в гомогенной системе, то она идет во всем объеме этой системы.

Если реакция протекает между веществами, образующими гетерогенную систему, то она может идти только на поверхности раздела фаз, образующих систему. Скорость гомогенной реакции и скорость гетерогенной реакции определяются различно.

Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы.

Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице площади поверхности фазы .

Неорганические и органические соединения.

Соединения углерода (за исключением некоторых наиболее простых) издавна получили название органических соединении, так как в природе они встречаются почти исключительно в организмах хвойных и растений, принимают участие в жизненных процессах или же являются продуктами жизнедеятельности или распада организмов. В отличие от органических соединений, такие вещества, как песок, глина, различные минералы, вода, оксиды углерода: угольная кислота, ее соли и другие, встречающиеся в неживой природе, получили название неорганических или минеральных веществ.

Деление веществ на органические и неорганические возникло вследствие своеобразия органических соединений, обладающих специфическими свойствами. Долгое время считалось, что углеродосодержащие вещества, образующиеся в организмах, в принципе невозможно получать путем синтеза из неорганических соединений.

Органическая химия — химия углеводородов и их производных. Особенность органической химии связана с исключительными свойствами атома углерода и его способностью образовывать химические связи и геометрические структуры, обладающие гораздо большим разнообразием, чем структуры и связи других элементов.

Связь между атомами в молекулах органических веществ — ковалентная. Этим объясняется отсутствие электролитических свойств многих органических веществ.

Органические соединения содержат простые (одинарные) связи между атомами углерода С—С и атомами углерода и водорода С—Н, которые близки друг другу прочности. Поэтому органические вещества взаимодействуют друг с другом с большим трудом или вообще взаимодействуют.

Органические вещества, как правило, молекулярного строения, поэтому они имеют низкие температуры плавления. Все органические вещества горючи и легко разлагаются при нагревании.Важной особенностью органических соединений является изомерия. Этим объясняется различие свойств веществ, имеющих одинаковый состав и молекулярную массу.

С развитием синтеза органических соединений была уничтожена грань, отделяющая эти соединения от неорганических, однако название «органические соединения» сохранилось. Большинство известных в настоящее время соединений углерода в организмах даже не встречаются, а получены искусственным путем.

4 Развитие учения о химических процессах. Автокаталитические реакци

Учение о химических процессах - область науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, поэтому оно в равной степени принадлежит физике и химии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н.Н. Семенов, основатель химической физики.

Учение о химических процессах базируется на идее, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условиями протекания химических реакций, которые могут оказывать воздействие на характер и результаты этих реакций.

Важнейшей задачей химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические (влияют на смещение химического равновесия реакции) и кинетические (влияют на скорость протекания химической реакции).

Для управления химическими процессами разработаны термодинамический и кинетический методы.

Французский химик А. Ле Шателье в конце XIX в. сформулировал принцип подвижного равновесия, обеспечив химиков методами смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов. Эти методы управления и получили название термодинамических. Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Это зависит как от природы реагентов, так и от условий процесса.

Термодинамические методы преимущественно влияют на направление химических процессов, а не на их скорость.

Скоростью химических процессов управляет химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т. п.

Химическая кинетика. Объясняет качественные и количественные изменения в химических процессах и выявляет механизм реакции. Реакции проходят, как правило, ряд последовательных стадий, которые составляют полную реакцию. Скорость реакции зависит от условий протекания и природы веществ, вступивших в нее. К ним относятся концентрация, температура и присутствие катализаторов. Описывая химическую реакцию, ученые скрупулезно отмечают все условия ее протекания, поскольку в других условиях и при иных физических состояниях веществ эффект будет разный.

Задача исследования химических реакций является очень сложной. Ведь практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, могущими как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс.

Катализ - ускорение химической реакции в присутствии особых веществ - катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в конечный состав продуктов. Он был открыт в 1812 г. российским химиком К. Г. С. Кирхгофом.

Сущность катализа сводится к следующему:

1) активная молекула реагента достигается за счет их неполновалентного взаимодействия с веществом катализатора и состоит в расслаблении химических связей реагента;

2) в общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение расслабленных (неполновалентных) химических связей.

Каталитические процессы различаются по своей физической и химической природе на следующие типы:

гетерогенный катализ - химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов на поверхности твердого катализатора;

гомогенный катализ - химическая реакция в газовой смеси или в жидкости, где растворены катализатор и реагенты;

электрокатализ - реакция на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока;

фотокатализ - реакция на поверхности твердого тела или в жидком растворе, стимулируется энергией поглощенного излучения.

Применение катализаторов изменило всю химическую промышленность. Катализ необходим при производстве маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (60-80 %) основаны на каталитических процессах. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором.

С участием катализаторов скорость некоторых реакций возрастает в 10 млрд раз. Есть катализаторы, позволяющие не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствующие образованию молекул определенной формы, что сильно влияет на физические свойства продукта (твердость, пластичность).

В современных условиях одно из важнейших направлений развития учения о химических процессах - создание методов управления этими процессами. Поэтому сегодня химическая наука занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.

Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме при 1000-10 000 °С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновением молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями химических реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока, поэтому они очень производительны.

Одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая зародилась во второй половине XX в. Предметом ее разработок - стали превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.

Еще одна область развития учения о химических процессах - химия высоких и сверхвысоких давлений. Химические превращения веществ при давлениях выше 100 атм относятся к химии высоких давлений, а при давлениях выше 1000 атм - к химии сверхвысоких давлений.

При высоком давлении сближаются и деформируются электронные оболочки атомов, что ведет к повышению реакционной способности веществ. При давлении 102-103 атм исчезает различие между жидкой и газовой фазами, а при 103-105 атм - между

твердой и жидкой фазами. При высоком давлении сильно меняются физические и химические свойства вещества. Например, при давлении 20 000 атм. металл становится эластичным, как каучук.

Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. Эти процессы изучают химия, физика и биология. Перед химической наукой стоит принципиальная задача - научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые процессы не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, другие трудно остановить - реакции горения, взрывы, а часть из них трудноуправляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов.

Автокатализ — катализ химической реакции одним из её продуктов или исходных веществ. Одним из наиболее широко известных примеров автокатализа является окисление щавелевой кислоты перманганатом калия:

2MnO4- + 5C2O42- + 16H+ = 2Mn2+ + 10CO2 + 8H2O

Катализатором этой реакции являются ионы Mn2+. При комнатной температуре эта реакция вначале протекает медленно, но по мере накопления в растворе продукта-катализатора, она ускоряется.

5 Развитие представлений об эволюционой химии

Эволюционная химия зародилась в 1950 - 1960 гг. В основе эволюционной химии лежат процессы биокатализа, ферментологии; ориентирована она главным образом на исследование молекулярного уровня живого, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеалом для многих химиков.

Идея концептуального представления о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности, предложенная французским естествоиспытателем Луи Пастером в ХIX веке, остается основополагающей и сегодня. Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия.

Ферменты- это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, т.е. в пределах примерно от 5 до 40 градусов. Можно сказать, что ферменты - это биологические катализаторы.

В основе эволюционной химии принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т. е. к самоорганизации химических систем.

В эволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации» систем. Теория самоорганизации «отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности, или материальной организации». В сущности, речь идет об использовании химического опыта живой природы. Это своеобразная биологизация химии. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения. Так появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания.

Под эволюционными проблемами понимают проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

До последней трети XX в. об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химики не интересовались вопросом происхождения вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека.

Постепенное развитие науки XIX в., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке. Для освоения опыта живой природы и реализации полученных знания в промышленности химики наметили ряд перспективных путей.

Во-первых ведутся исследования в области металлокомплексного катализа, который обогащается приемами, используемыми живыми организмами в реакциях с участием ферментов (биокатализаторов).

Во-вторых, ученые пытаются моделировать биокатализаторы. Уже удалось создать модели многих ферментов, которые извлекаются из живой клетки и используются в химических реакциях. Но проблема осложняется тем, что ферменты, устойчивые внутри клетки, вне нее быстро разрушаются.

В-третьих, развивается химия иммобилизованных систем, благодаря которой биокатализаторы стали стабильными, устойчивыми в химических реакциях, появилась возможность их многократного использования.

В-четвертых, химики пытаются освоить и использовать весь опыт живой природы. Это позволит ученым создать полные аналоги живых систем, в которых будут синтезироваться самые разнообразные вещества. Таким образом, будут созданы принципиально новые химические технологии.

Изучение процессов самоорганизации в химии привело к формированию двух подходов к анализу предбиологических систем: субстратного и функционального.

Результатом субстратного подхода стала информация об отборе химических элементов и структур.

Химикам важно понять, каким образом из минимума химических элементов (основу жизнедеятельности живых организмов составляют 38 химических элементов) и химических соединений (большинство образовано на основе 6—18 элементов) образовались сложнейшие биосистемы.

Функциональный подход в эволюционной химии. В рамках этого подхода также изучается роль катализа и выявляются законы, которым подчиняются процессы самоорганизации химических систем.

Роль каталитических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.

На основе этих наблюдений профессор МГУ А.П. Руденко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем. Очень скоро она была преобразована в общую теорию химической эволюции и биогенеза. В ней решены вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

Сущность этой теории состоит в том, что эволюционирующим веществом являются катализаторы, а не молекулы. При катализе идет реакция химического взаимодействия катализатора с реагентами с образованием при этом промежуточных комплексов со свойствами переходного состояния. Именно такой комплекс Руденко назвал элементарной каталитической системой. Если в ходе реакции идет постоянный приток извне новых реактивов, отвод готовой продукции, а также выполняются некоторые дополнительные условия, реакция может идти неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы являются элементарными открытыми каталитическими системами.

Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальное эволюционное преимущество получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Таким образом, реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Тем самым Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализаторов, которые связаны с ростом их абсолютной каталитической активности. При этом по параметру абсолютной каталитической активности складываются механизмы конкуренции и естественного отбора.

Теория саморазвития каталитических систем дает следующие возможности: выявлять этапы химической эволюции и на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации; использовать принципиально новый метод изучения катализа; дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу, связанного с преодолением второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.

Набирает теоретический и практический потенциал новейшее направление, расширяющее представление об эволюции химических систем, - нестационарная кинетика.

Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, которые встали перед человечеством в результате его наукоемкой и энергоемкой практической деятельности.

Химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет представления о мире. Концепции эволюционной химии, в том числе о химической эволюции на Земле, о самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной.

Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы.

Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет.

Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека.

6 Ферментативный катализ

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ (биокатализ), ускорение биохим. р-ций при участии белковых макромолекул, называемых ферментами (энзимами). Ф.к.- разновидность катализа, хотя термин "ферментация" (брожение)известен с давних времен, когда еще не было понятия хим. катализа.

Первое исследование Ф. к. как хим. процесса было выполнено К. Кирхгофом, к-рый в 1814 продемонстрировал фер-ментативную конверсию крахмала в растворимые углеводы.

Заметный вклад в представление о природе Ф. к. внесли работы И. Берцелиуса и Э. Мичерлиха, к-рые включили ферментативные р-ции в категорию хим. каталитич. процессов. В кон. 19 в. Э. Фишер высказал гипотезу о специфичности ферментативных р-ций и тесном стерич. соответствии между субстратом и активным центром фермента. Основы кинетики ферментативных р-ций были заложены в работах Л. Михаэ-лиса (1913).

В 20 в. происходит интенсивное изучение хим. основ Ф. к., получение ферментов в кристаллич. состоянии, изучение структуры белковых молекул и их активных центров, исследование большого числа конкретных ферментативных р-ций и ферментов.

В простейшем случае ур-ние р-ции с участием фермента имеет вид:

где E - фермент, S - субстрат, ES - фермент-субстратный комплекс (т. наз. комплекс Михаэлиса), P- продукт р-ции.

Превращение субстрата в продукт происходит в комплексе Михаэлиса. Часто субстрат образует ковалентные связи с функц. группами активного центра, в т. ч. и с группами кофермента (см. Коферменты). Большое значение в механизмах ферментативных р-ций имеет основной и кислотный катализ, реализуемый благодаря наличию имидазольных групп остатков гистидина и карбоксильных групп дикарбоно-вых аминокислот.

Важнейшие особенности Ф. к.- эффективность, специфичность и чувствительность к регуляторным воздействиям. Ферменты увеличивают скорость хим. превращения субстрата по сравнению с неферментативной р-цией в 109-1012 раз. Столь высокая эффективность обусловлена особенностями строения активного центра. Принято считать, что активный центр комплементарен (см. Комплементарность)переходному состоянию субстрата при превращении его в продукт. Благодаря этому стабилизируется переходное состояние и понижается активац. барьер р-ции.

Большинство ферментов обладает высокой субстратной специфичностью, т. е. способностью катализировать превращение только одного или неск. близких по структуре в-в. Специфичность определяется топографией связывающего субстрат участка активного центра.

Активность ферментов регулируется в процессе их биосинтеза (в т.ч. благодаря образованию изоферментов, к-рые катализируют идентичные р-ции, но отличаются строением и каталитич. св-вами), а также условиями среды (рН, т-ра, ионная сила р-ра) и многочисленными ингибиторами и активаторами, присутствующими в организме. Ингибиторами и активаторами могут служить сами субстраты (в определенных концентрациях), продукты р-ции, а также конечные продукты в цепи последоват. превращений в-ва (см. Регуляторы ферментов).

Ферментативные р-ции чувствительны к внеш. условиям, в частности к ионной силе р-ра и рН среды. Влияние т-ры на скорость ферментативной р-ции описывается кривой с максимумом, восходящая ветвь к-рой отражает обычную для хим. р-ций зависимость, выраженную ур-нием Аррениуса. Нисходящая ветвь связана с тепловой денатурацией фермента. Максимум кривой соответствует оптимальной т-ре Tопт, значение к-рой для большинства ферментов лежит в пределах 40-50 0C. Для нек-рых ферментов, особенно ферментов термофильных микроорганизмов, Tопт 80-90 0C. Подробнее о кинетике ферментативных р-ций см. Ферментативных реакций кинетика.

Осн. направления совр. исследований Ф.к.- выяснение механизма, обусловливающего высокие скорости процессов, высокую селективность (специфичность действия ферментов), изучение механизмов контроля и регуляции активности ферментов. Оказалось, в частности, что р-ции Ф. к. включают большое число стадий с участием лабильных промежут. соед., времена жизни к-рых изменяются в нано- и миллисекундном диапазонах. На активных центрах ферментов протекают быстрые (нелимитирующие) стадии, в результате чего понижается энергетич. барьер для наиб. трудной, лимитирующей стадии.

Установлен механизм регулирования ферментативной активности путем действия ингибитора (или активатора) на специфичный центр белковой молекулы с опосредованной передачей воздействия на активный центр фермента через белок. Обнаружены эффекты кооперативного взаимод. неск. молекул субстрата на белковой матрице. Найден способ "жесткого" выведения фермента из процесса посредством индуцированной субстратом необратимой инактивации.

Ф. к.- основа мн. современных хим. технологий, в частности крупномасштабных процессов получения глюкозы и фруктозы, антибиотиков, аминокислот, витаминов и регуляторов, а также тонкого орг. синтеза. Разработаны методы, позволяющие проводить ферментативные р-ции в орг. р-ри-телях, обращенных мицеллах (см. Мицеллообразование). С Ф.к. связаны перспективы развития иммуноферментного и биолюминесцентного анализа, применения биосенсоров. Созданы методы, позволившие придать каталитич. активность антителам, обнаружена каталитич. активность у рибонуклеи-новой к-ты (абзимы, рибозимы соотв.).

Лит.: Б е r е з и н И. В., Исследования в области ферментативного катализа и инженерной этимологии, M., 1990. См. также лит. к ст. Биотехнология^ Генетическая инженерия, Ферментативных реакций кинетика, Ферменты.

7 Эволюционный катализ

Основы эволюционного катализа. Модели элементарных каталитических систем (КС). Базисная реакция, кинетические и энергетические параметры КС. Теория самоорганизации, существования, устойчивости и саморазвития элементарных открытых КС (ЭОКС). Эволюционные законы химии. Связь эволюционного катализа с классической химией и теоретической биологией и вклад его в научную синергетику.Специфические свойства ЭОКС: неравновесность, целостность, системность и динамизм. Энергетическое сопряжение и синхронизация процессов в ЭОКС, образование электроно-транспортных цепей и цепей перераспределения связей. Нелинейность и эффекты синергизма в катализе. Использование специфических свойств ЭОКС для осуществления кинетически затрудненных и эндергонических процессов, для интенсификации и новых приемов управления процессами.Самоорганизация компонентов системы как необходимое условие осуществления каталитического акта. Саморазвитие самоорганизации ЭОКС как сущность прогрессивной химической эволюции. Механизм естественного отбора по функциональным параметрам. Типы самоорганизации микроскопических и макроскопических систем.Связь эффектов разработки катализаторов с явлением саморазвития ЭОКС. Возможности выявления индивидуальных свойств ЭОКС на основе кинетических данных. Периодические процессы в макросистемах.Поликонденсационные процессы и углеродные продукты уплотнения в органическом катализе, химии полиуглеродов и круговороте углерода в природе. Механизмы катализа с промежуточным образованием полимеркатализаторных комплексов. Нестационарные полимолекулярные процессы в разработке катализаторов, в образовании алмаза, графита, карбина и других полиуглеродов и в абиогенном синтезе углеводородов нефти и газа в открытых каталитических системах.

8 Отличие живого от неживого

Существует несколько подходов к определению живого вещества:

1. выделение основных свойств, отличающих живое от неживого - питание, дыхание, самовоспроизводство, а также различные оптические свойства живого и неживого: живое всегда оптически активно, т.е. молекулы обладают общей асимметрией и поляризуют свет, косное же вещество - минералы - имеют разные виды симметрии;

2. витализм (греч. vita - жизнь, vitalis - жизненный) - всё живое обладает душой (некоторые религии, впрочем, лишь человека наделяют душой); сущность и явления жизни объясняются наличием в организмах некоего нематериального начала - жизненной силы, души, энтелехии (греч. entelecheia) - последний термин имеется в философии Аристотеля и означает достижение цели, осуществляемое нематериальным деятельным началом, движителем материи;

3. редукционный подход - основан на клеточном строении организмов, клетка - это основа единства живых организмов.

Разумеется, этими тремя путями не исчерпываются все мнения, в качестве альтернативного подхода можно процитировать В.Солдатова (статья «Вопросы вечные (опыты православной философии)», журнал «Свет - Природа и Человек», №5, 2001г.):

«для живой материи характерно различение добра и зла, в то время как материя мёртвая в этом плане совершенно индифферентна. Конечно, на это можно возразить, что какие-либо примитивные формы вроде бактерий едва ли способны осознать различие между добром и злом... но... для тех же бактерий зло проявляет себя прежде всего как смерть, которой они активно сопротивляются. Поэтому и они вполне способны отличить добро от зла...

Добро и зло нематериальны, т.к. согласно ленинскому определению материи, не даны нам в ощущении. И различать нематериальные сущности способна лишь нематериальная субстанция. Поэтому природа жизни также нематериальна...»

Свойства живых систем

Составные части организма - клетки, ткани, органы - в сумме ещё не представляют собой организм. Лишь их соединение в порядке, исторически сложившемся в процессе эволюции, и их взаимодействие образуют целостную систему - организм, которому присущи определённые свойства:

единство химического состава - в состав живых организмов входят те же элементы, что и в объекты неживой природы, но в ином соотношении: в живых организмах 98% химического состава приходится на 4 элемента - С-углерод, O-кислород, N-азот, H-водород; живые организмы построены в основном из 4 крупных групп сложных органических молекул - нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и жиров;

обмен веществ: все живые организмы поглощают из окружающей среды необходимые для жизни вещества и выделяют продукты жизнедеятельности, при этом происходят химические превращения веществ (в отличие от неживой природы, где обмен веществами представляет собой их простой перенос с одного места на другое или изменение агрегатного состояния); обмен веществ обеспечивает гомеостаз - постоянство химического состава и строения частей организма и, соответственно, постоянство их функционирования;

самовоспроизведение* , или репродукция - образование новых структур на основе информации, заложенной в ДНК; это одно из основных свойств живого, тесно связанное с явлением наследственности;

наследственность - способность организма обеспечивать передачу своих признаков из поколения в поколение;

5. изменчивость - способность организмов приобретать новые свойства и признаки; эта способность лежит в основе естественного отбора;

рост и развитие; способность к развитию - всеобщее свойство материи, в результате развития возникает новое качественное состояние системы; развитие живых форм представлено онтогенезом - индивидуальным развитием, и филогенезом - историческим развитием видов;

раздражимость - свойство живых организмов избирательно реагировать на внешние воздействия;

дискретность (от лат. discretus = прерывистый, разделённый) - всеобщее свойство материи: атом состоит из элементарных частиц, молекулы - из атомов, простые молекулы входят в состав сложных соединений и т.д.; жизнь на Земле также проявляется в виде дискретных форм: любой вид организмов состоит из отдельных особей, тело каждой высокоорганизованной особи - из обособленных и ограниченных в пространстве, но тем не менее тесно взаимодействующих между собой частей, органы состоят из отдельных тканей и клеток и т.д.; дискретность строения организма - основа его структурной упорядоченности, она создаёт возможность постоянного самообновления организма путём замены «износившихся» элементов (ферментов, молекул, целых клеток) без прекращения выполняемой функции;

саморегуляция (авторегуляция) - способность организмов обеспечивать постоянство своего химического состава и физиологических процессов в постоянно меняющихся условиях среды;

ритмичность - периодические изменения интенсивности физиологических функций с различными периодами колебаний (напр., суточные ритмы сна и бодрствования, сезонные колебания активности и спячки у некоторых животных и др.); ритмичность обеспечивает согласование функций организма с окружающей средой;

энергозависимость - живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступает энергия и материя из окружающей среды, т.е. являются открытыми системами

9 Концепции возникновения жизни

Возникновение жизни — процесс превращения неживой природы в живую.

В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие теории:

Теория биохимической эволюции

Теория панспермии

Теория стационарного состояния жизни

Теория самозарождения

В настоящее время теории самозарождения и стационарного состояния представляют собой только исторический или философский интерес, так как результаты научных исследований противоречат выводам этих теорий.

Теория панспермии не решает принципиального вопроса о возникновении жизни, она только отдаляет его в ещё более туманное прошлое Вселенной, хотя и не может исключаться как гипотеза о начале жизни на Земле.

Биохимическая эволюция

[править]

Генобиоз и голобиоз

В зависимости от того, что считается первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:

Генобиоз — методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.

Голобиоз — методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделенных способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.

[править]

Белково-коацерватная теория Опарина

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

Возникновение органических веществ

Возникновение белков

Возникновение белковых тел

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

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

Наука доказала, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно синтезировать не только аминокислоты, но и другие биохимические вещества. Большой победой современной биохимии является первый полный синтез молекулы белков: синтезирован гормон инсулин, управляющий углеводным обменом.

Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных капель. При определённых условиях водная оболочка органических молекул приобретала чёткие границы и отделяла молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окружённые водной оболочкой, объединялись, образуя многомолекулярные комплексы — коацерваты.

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

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

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

Теория была обоснована, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путем случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения — внутри коацервата и в поколениях — единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур. Однако, было показано, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с "живыми растворами" – колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом[1].

Панспермия

Основная статья: Панспермия

Согласно теории Панспермии, предложенной в 1865 году немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррениусом в 1895 году, жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям. Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, найденных в метеоритах. Но если бы даже они попали на Землю и дали начало жизни на нашей планете, вопрос об изначальном возникновении жизни оставался бы без ответа

Самозарождение жизни

Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Древнем Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384—322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Согласно этой гипотезе, определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.

С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести: ее признали лишь те, кто верил в колдовство и поклонялся нечистой силе, но эта идея все продолжала существовать где-то на заднем плане в течение еще многих веков.

Известный ученый Ван Гельмот описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, тёмный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Ван Гельмот считал человеческий пот.

В 1688 году итальянский биолог и врач Франческо Реди подошел к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, — это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза).

Эти эксперименты, однако, не привели к отказу от идеи самозарождения, и хотя эта идея несколько отошла на задний план, она продолжала оставаться главной версией зарождения жизни.

В то время как эксперименты Реди, казалось бы, опровергли спонтанное зарождение мух, первые микроскопические исследования Антони ван Левенгука усилили эту теорию применительно к микроорганизмам. Сам Левенгук не вступал в споры между сторонниками биогенеза и спонтанного зарождения, однако его наблюдения под микроскопом давали пищу обеим теориям.

В 1860 году проблемой происхождения жизни занялся французский химик Луи Пастер. Своими опытами он доказал, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. Учёный кипятил в воде различные среды, в которых могли бы образоваться микроорганизмы. При дополнительном кипячении микроорганизмы и их споры погибали. Пастер присоединил к S-образной трубке запаянную колбу со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не обнаруживалось зарождения жизни, несмотря на то, что доступ воздуха был обеспечен.

В результате ряда экспериментов Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.

Теория стационарного состояния

Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вымирание.

Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной астрономии, которые указывают на конечное время существования любых звёзд и, соответственно, планетных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца и Солнечной системы исчисляется ~4,6 млрд лет. Поэтому эта гипотеза обычно не рассматривается академической наукой.

Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводит в качестве примера представителя кистеперых рыб — латимерию (целаканта). По палеонтологическим данным кистеперые вымерли в конце мелового периода. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистеперых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, ее сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков.

Религиозная

10 Уровни оганизации жизни: молекулярный клеточный онтогенетический популяциоонно-биоценотический, биосферный

различают такие уровни организации живой материи - уровни биологической организации: молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный, популяционно-видовой и экосистемный.

Молекулярный уровень организации - это уровень функционирования биологических макромолекул - биополимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов, стероидов. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности: обмен веществ, превращение энергии, передача наследственной информации. Этот уровень изучают: биохимия, молекулярная генетика, молекулярная биология, генетика, биофизика.

Клеточный уровень - это уровень клеток (клеток бактерий, цианобактерий, одноклеточных животных и водорослей, одноклеточных грибов, клеток многоклеточных организмов). Клетка - это структурная единица живого, функциональная единица, единица развития. Этот уровень изучают цитология, цитохимия, цитогенетика, микробиология.

Тканевый уровень организации - это уровень, на котором изучается строение и функционирование тканей. Исследуется этот уровень гистологией и гистохимией.

Органный уровень организации - это уровень органов многоклеточных организмов. Изучают этот уровень анатомия, физиология, эмбриология.

Организменный уровень организации - это уровень одноклеточных, колониальных и многоклеточных организмов. Специфика организменного уровня в том, что на этом уровне происходит декодирование и реализация генетической информации, формирование признаков, присущих особям данного вида. Этот уровень изучается морфологией (анатомией и эмбриологией), физиологией, генетикой, палеонтологией.

Популяционно-видовой уровень - это уровень совокупностей особей - популяций и видов. Этот уровень изучается систематикой, таксономией, экологией, биогеографией, генетикой популяций. На этом уровне изучаются генетические и экологические особенности популяций, элементарные эволюционные факторы и их влияние на генофонд (микроэволюция), проблема сохранения видов.

Экосистемный уровень организации - это уровень микроэкосистем, мезоэкосистем, макроэкосистем. На этом уровне изучаются типы питания, типы взаимоотношений организмов и популяций в экосистеме, численность популяций, динамика численности популяций, плотность популяций, продуктивность экосистем, сукцессии. Этот уровень изучает экология.

Выделяют также биосферный уровень организации живой материи. Биосфера - это гигантская экосистема, занимающая часть географической оболочки Земли. Это мега-экосистема. В биосфере происходит круговорот веществ и химических элементов, а также превращение солнечной энергии

11 Вещественная основа жизни. Концепция Опарина о происхождении жизни. Земля в период возникновении жизни

Вещественная основа жизни.

XX век привел к созданию первых научных моделей происхождения жизни. В 1924 году в книге Александра Ивановича Опарина «Происхождение жизни» была впервые сформулирована естественнонаучная концепция, согласно которой возникновение жизни – результат длительной эволюции на Земле – сначала химической, затем биохимической. Эта концепция получила наибольшее признание в научной среде.Можно выделить следующие этапы живых систем, начиная с самых простейших и затем следуя по пути постепенного усложнения. В вещественном плене для становления жизни нужен прежде всего углерод. Жизнь на Земле основана на этом элементе, хотя в принципе можно предположить существование жизни и на кремниевой основе. Возможно где -то во Вселенной существует и «кремниевая цивилизация», но на Земле основой жизни является углерод.Чем это обусловлено? Атомы углерода вырабатываются в недрах больших звезд в необходимом для образования жизни количестве. Углерод способен создавать разнообразные (несколько десятков миллионов), подвижные, низкоэлектропроводные, студенистые, насыщенные водой, длинные скрученные цепеобразные структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой, железом обладают замечательными каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами.Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к «кирпичикам» живого. Клетка состоит на 70% из кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота. Все кирпичики живого принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде.По радиоастрономическим данным органические вещества возникали не только до появления жизни, ни и до формирования нашей планеты. Следовательно, органические вещества абиогенного происхождения присутствовали на Земле уже при ее образовании.При образовании Земли из космической пыли (частиц железа и силикатов – веществ, в состав которых входит кремний) и газа весьма вероятно, что на внешних участках Солнечной системы газы могли конденсироваться. Органические соединения могли синтезироваться и на поверхности пылинок.Химические и палеонтологические исследования древнейшихдокембрийских отложений и особенно многочисленные модельные эксперименты, воспроизводящие условия, которые господствовали на поверхности первобытной Земли, позволяют понять, как в этих условиях происходило образование все более сложных органических веществ.Жизнь возможна только при определенных физических и химических условиях (температура, присутствие воды, солей и т. д.). прекращение жизненных процессов, например, при высушивании семян или глубоком замораживании мелких организмов, не ведет к потере жизнеспособности. Если структура сохраняется не поврежденной, она при возращении к нормальным условиям обеспечивает восстановление жизненных процессов.Также и для возникновения жизни нужны определенные диапазоны температуры, влажности, давления, уровня радиации, определенная направленность развития Вселенной и время. Взаимное удаление галактик приводит к тому, что их электромагнитное изучение приходит к нам сильно ослабленным. Если бы галактики сближались, то плотность радиации во Вселенной была бы столь велика, что жизнь не могла бы существовать. Углерод синтезирован в звездах-гигантах несколько миллиардов лет назад. Если бы возраст Вселенной был меньше, то жизнь также не могла бы возникнуть. Планеты должны иметь определенную массу для того, чтобы удержать атмосферу.

Земля в период возникновения жизни.

Наша планета – «золотая середина» в Солнечной системе, которая наиболее подходит для зарождения жизни. Возраст Земли около 5 млрд. лет. Температура поверхности в начальный период была 4000-8000ºС и по мере того как Земля остывала, углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору. Атмосфера была совершенно иной. Легкие газы – водород, гелий, азот, кислород – уходили из атмосферы, так как гравитационное поле нашей еще недостаточно плотной планеты не могло их удержать. Однако простые соединения, содержащие эти элементы, удерживались.Первичная атмосфера содержала водород и соединения углерода (метан) и азота (аммиак). Отсутствие в атмосфере кислорода было вероятно необходимым условием возникновения жизни: лабораторные опыты показывают, что органические вещества гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом. О том, что атмосфера была именно такой, свидетельствуют самые древние породы на Земле.Существуют разные точки зрения на проблему жизни на Земле. По мнению В.И. Вернадского жизнь появилась одновременно с образованием Земли. А.И. Опарин считал, что периоду развития жизни предшествовал длительный период химической эволюции Земли, во время которого (3-5 млрд. лет тому назад) образовались сложные органические вещества и протоклетки. Возникновение последних положило начало биохимической эволюции. Известны три способа синтеза природных органических веществ. Содержащие углерод и азот вещества могли возникать в расплавленных глубинах Земли и выноситься на поверхность при вулканической деятельности, попадая далее в океан.А.И. Опарин полагал, что органические вещества могли создаваться и в океане из более простых соединений. Энергию для этих реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнечная реакция (главным образом, ульрафиолетовая), падавшая на Землю до того, как образовался слой озона, который стал задерживать большую ее часть. Разнообразие находящихся в океанах простых соединений, площадь поверхности Земли, доступность энергии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и образовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь.Наконец, органические соединения могли образоваться во Вселенной из неорганического космического «сырья». Для построения любого сложного органического соединения, входящего в состав живых тел, нужен небольшой набор блоков-мономеров (низкомолекулярных соединений): 29 мономеров (из них 20 аминокислот, 5 азотистых оснований) описывают биохимические строение любого живого организма. Оно состоит из аминокислот (из которых построены все белки), азотистых соединений (составные части нуклеиновых кислот), глюкозы – источника энергии, жиров – структурного материала, идущего на построение в клетке мембран и запасающего энергию.После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», могли уже организовываться биополимеры – белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самовоспроизводства себе подобных. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений в минеральных частицах, например, на глине или гидроокиси железа, образующих ил прогреваемого Солнцем мелководья. Кроме того, органические вещества могли образовать на поверхности океана пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах.В начальный период формирования Земли воды, пропитывающие земной грунт, непрерывно перемещали растворенные в них вещества из мест их образования в места накопления. Там формировались пробионты – системы органических веществ, способных взаимодействовать с окружающей средой, т. е. расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды разнообразных богатых энергией веществ.Здесь уже возможен примитивный «отбор», ведущий к постепенному усложнению и упорядоченности как обеспечивающий преимущество в выживании.

Механизм отбора действовал на самых ранних стадиях зарождения органических веществ – из множества образующихся веществ сохранялись устойчивые к дальнейшему усложнению.Затем образуются микросферы – шаровидные тела, возникающие при растворении и конденсации абиогенно полученных белковоподобных веществ.В подтверждение возможности абиогенного синтеза были проведены следующие опыты. Воздействуя смесь газов электрическими зарядами, имитирующими молнию, и ультрафиолетовым излучением, ученые получали сложные органические вещества, входящие в состав живых белков. Органические соединения, играющие большую роль в обмене веществ, были искуствено получены при облучении водных растворов углекислоты. Американский ученый С. Миллер в 1953 году синтезировал ряд аминокислот при пропускании электрического заряда через смесь газов, предположительно составляющих земную атмосферу. Были синтезированы и простые нуклеиновые кислоты. Этими экспериментами было доказано, что абиогенное образование органических соединений во Вселенной могло происходить в результате воздействия тепловой энергии, ионизирующего и ультрафиолетового излучений и электрических разрядов. Первичным источником этих форм энергии служат термоядерные процессы, протекающие в недрах Земли.Как показывает синергетика, энергия имела для возникновения жизни не меньшее значения, чем вещество. Разумно предположить, считает И. Пригожин, что некоторые из первых стадий эволюции к жизни были связаны с возникновением механизмов, способных поглощать и трансформировать химическую энергию, как бы выталкивая систему в сильно неравновесные условия. Неравновесные структуры – переход к живому, но еще нет воспроизводства. Итак, в образовании органических соединений большую роль играло не только вещество космического пространства, но и энергия звезд.

12 Современные концепции происхождения жизни-гипотезы голобиоза и генобиоза

Генобиоз и голобиоз

В зависимости от того, что считается первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:

Генобиоз — методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.

Голобиоз — методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделенных способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.

Гипотезы и теории происхождения жизни.

Существует пять научных концепций возникновения жизни:

1. Возникновение живого из неживого, подчиняясь определенным физическим и

химическим закономерностям - (абиотическая концепция);

2. Гипотеза «голобиоза» - концепция протобионта или биода, некоего

доклеточного предка, начальных «жизнеспособных» структур;

3. Гипотеза «генобиоза», т.е. поиска генома как реликтового предка всех

живых клеточных структур, считая, что именно РНК сыграла первостепенную

роль в ёе зарождении жизни;

4. Концепция стационарного состояния жизни - жизнь существовала всегда,

начала жизни не существует;

5. Внеземное происхождение жизни – жизнь была занесена на Землю из Космоса

(концепция панспермии).

В развитии учений о происхождении жизни существенное место занимает

теория, утверждающая, что все живое происходит только от живого - теория

биогенеза. Эту теорию в середине XIX века противопоставляли ненаучным

представлениям о самозарождении организмов (червей, мух и др.). Однако как

теория происхождения жизни биогенез несостоятелен, поскольку принципиально

противопоставляет живое неживому, утверждает отвергнутую наукой идею

вечности жизни.Абиотическая концепция. Абиогенез - идея о происхождении живого изнеживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 1924 (стоимость) г. известный биохимик А.И.Опарин высказал предположение, что при мощныхэлектрических разрядах в земной атмосфере, которая 4-4,5 млрд.лет назадсостояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могливозникнуть простейшие органические соединения, необходимые длявозникновения жизни. Предсказание академика Опарина оправдалось. В 1955 (стоимость) г.американский исследователь С.Миллер, ропуская электрические заряды черезсмесь газов и паров, получил ростейшие жирные кислоты, мочевину, уксуснуюи муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким образом в середине XXвека был кспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных идр. органических веществ в условиях, производящих условия первобытнойЗемли. Гипотеза Опарина о озникновении жизни на Земле опирается напредставление о постепенном усложнении химической структуры иморфологического облика предшественников жизни (пробионтов) на пути к живыморганизмам. На стыке моря, суши и воздуха создавались благоприятные условиядля образования сложных органических соединений. В концентрированныхрастворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться сгустки подобноводным растворам желатина. А.И.Опарин назвал эти сгустки коацерватнымикаплями или коацерватами.Коацерваты - это обособленные в растворе органические многомолекулярныеструктуры.

Это еще не живые существа. Их возникновение рассматривают какстадию развития преджизни. Наиболее важным этапом в происхождении жизнибыло озникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследованиясвойств предыдущих поколений. Это стало возможным благодаря образованиюсложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты,способные к амовоспроизведению, стали контролировать синтез белков,определяя в них порядок аминокислот. А белки-ферменты осуществляли процесссоздания новых копий нуклеиновых кислот. Так возникло главное свойство,характерное для жизни - способность к воспроизведению подобных себемолекул.Сильная сторона абиогенетической гипотезы - ее эволюционный характер,жизнь – закономерный этап эволюции материи. Возможность экспериментальнойпроверки основных положений гипотезы. На коацерватных каплях ожносымитировать доклеточные фазы зарождения жизни. Слабая сторона гипотезыОпарина опускала воспроизводство протоживых структур в тсутствиимолекулярных структур генетического кода. Гипотеза Опарина предъявляетособые ребования к экспериментальному воспроизведению коацерватныхструктур: «первичный бульон» с химически сложной структурой, элементыбиогенного происхождения (ферменты и коферменты).Абиогенная гипотеза встречает ешительный отпор ученых – сторонников идеивечности и безначальности биологической жизни. Русский ученый биохимик С.П. Костычев в своей брошюре «О появление жизни на Земле» замечает, чтопростейшие организмы посложнее всех фабрик и заводов, и случайноевозникновение жизни маловероятно, жизнь никогда «не создается из мертвойматерии». В тношении самозарождения организмов необходимо отметить, чтоФранцузская Академия наук еще в 1859 (стоимость) г. назначила специальную премию запопытку осветить по-новому вопрос о самопроизвольном зарождении жизни. Этупремию в 1862 (стоимость) г. получил знаменитый французский ученый, основоположниксовременной микробиологии Луи Пастер. Своими опытами он доказалневозможность самозарождения микроорганизмов.Важно подчеркнуть, что в настоящее время жизнь на Земле не может возникнутьабиогенным путем. Еще Дарвин в 1871 (стоимость) г. писал: "Но если бы сейчас ... вкаком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония ифосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т.п.,химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложнымпревращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено и поглощено, чтобыло невозможно в период возникновения живых существ". Жизнь возникла наЗемле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого(биогенное происхождение). Возможность овторного возникновения жизни наЗемле исключена. Теория панспермии. Наряду с теорией абиогенного происхождения жизнисуществуют и другие гипотезы. Так, в 1865 (стоимость) г. немецкий врач Г.Рихтервыдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствии скоторой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство,могут переноситься с одной планеты на другую. Сходную гипотезу в 1907 (стоимость) г.выдвинул известный шведский естествоиспытатель С.Аррениус, предположив, чтово Вселенной вечно существуют зародыши жизни - гипотезу панспермии. Онописывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировоепространство частички ещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Онисохраняют свою изнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счетсветового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни,они начинают новую жизнь на этой планете. Эту гипотезу поддерживали многие,в том числе русские ученые С. П. Костычев, Л. С. Берг и П. П. Лазарев.Данная гипотеза не предполагает какого механизма для объясненияпервичного возникновения жизни и ереносит проблему в другое местоВселенной.

Возможность овторного возникновения жизни наЗемле исключена. Теория панспермии. Наряду с теорией абиогенного происхождения жизнисуществуют и другие гипотезы. Так, в 1865 г. немецкий врач Г.Рихтервыдвинул гипотезу космозоев (космических зачатков), в соответствии скоторой жизнь является вечной и зачатки, населяющие мировое пространство,могут переноситься с одной планеты на другую. Сходную гипотезу в 1907 г.выдвинул известный шведский естествоиспытатель С.Аррениус, предположив, чтово Вселенной вечно существуют зародыши жизни - гипотезу панспермии. Онописывал, как с населенных другими существами планет уходят в мировоепространство частички ещества, пылинки и живые споры микроорганизмов. Онисохраняют свою изнеспособность, летая в пространстве Вселенной за счетсветового давления. Попадая на планету с подходящими условиями для жизни,они начинают новую жизнь на этой планете. Эту гипотезу поддерживали многие,в том числе русские ученые С. П. Костычев, Л. С. Берг и П. П. Лазарев.Данная гипотеза не предполагает какого механизма для объясненияпервичного возникновения жизни и ереносит проблему в другое местоВселенной. Либих считал, что «атмосферы небесных тел, а также вращающихсякосмических туманностей можно считать как вековечные хранилища оживленнойформы, как вечные плантации органических зародышей», откуда жизньрассеивается в виде этих зародышей во Вселенной. Подобным образом мыслилиКельвин, Гельмгольц. Для обоснования панспермии обычно используют наскальные рисунки сизображением предметов, похожих на ракеты или космонавтов, или появления НЛО. Полеты космических аппаратов разрушили веру в существование разумнойжизни на планетах солнечной системы, которая появилась после открытияСкипарелли каналов на марсе в 1877 г. Ловелл насчитал на Марсе 700 каналов. Сеть каналов охватывала всематерики. В 1924 г. каналы были сфотографированы, и большинство ученыхувидели в них доказательство существования разумной жизни. Фотоснимки 500каналов зафиксировали и сезонные изменения цвета, которые подтвердили идеисоветского астронома Г. А. Тихова о растительности на Марсе, сколькуозера и каналы имели зеленый цвет. Ценная информация о физических условияхна Марсе была получена советским космическим аппаратом «Марс» иамериканскими посадочными станциями «Викинг-1» и «Викинг-2». Так, полярныешапки, испытывающие сезонные изменения, оказались состоящими из водногопара с примесью минеральной пыли и из твердой двуокиси углерода (сухогольда). Но пока следов жизни на Марсе не найдено. Изучение поверхности с борта искусственных спутников позволилопредположить, что каналы и реки Марса могли возникнуть в результатерастапливания под поверхностного водяного льда в зонах повышеннойактивности или внутреннего тепла планеты или при периодических измененияхклимата. В конце 60-х годов вновь возрос интерес к гипотезам панспермии. Приизучении вещества метеоритов и комет были обнаружены ногие«предшественники живого» - органические соединения, синильная кислота,вода, формальдегид, цианогены. Формальдегид, в частности, обнаружен в 60%случаев в 22 исследованных областях, его облака с концентрацией примерно 1тысяча молекул в кубическом сантиметре заполняют обширные пространства. В1975 г. предшественники аминокислот найдены в лунном грунте и метеоритах. Концепция стационарного состояния жизни. По мнению В. И. Вернадского,нужно говорить об извечности жизни и проявлений ее организмов, как мыговорим об извечности материального субстрата небесных тел, их тепловых,электрических, магнитных свойств и их проявлений. Далек от научных исканийвопрос о начале жизни, как и вопрос о начале материи, теплоты,электричества, магнетизма, движения. Все живое произошло от живого (принципРеди). Примитивные одноклеточные организмы могли возникнуть только вбиосфере Земли, а шире, в биосфере Вселенной. По мнению Вернадского,естественные науки построены на предположении, что жизнь с ее особымикачествами не принимает никакого участия в жизни Вселенной. Но биосферунужно брать как целое, как единый живой космический организм (тогда иотпадает вопрос о начале живого, о скачке от неживого к живому). Гипотеза «голобиоза» касается прообраза доклеточного предка и егоспособностей. Есть различные формы доклеточного предка – «биоид»,«биомонада», «микросфера». Согласно биохимику П. Деккера, структурнуюоснову «биоида» составляют «жизнеподобные» «»неравновесные диссипативные(от лат. «dissipate») структуры, т. е. открытие микросистемы сферментативным аппаратом, катализирующим метаболизм биоида. Эта гипотезатрактует активность доклеточного предка в обменно-метаболическом духе.Именно в рамках гипотезы «голобиоза» моделировали биохимики С. Фокс и К.Дозе свои биополимеры, способные к метаболизму – комплексному белковомусинтезу. Главный недостаток этой гипотезы – отсутствие генетической системыпри таком синтезе. Отсюда предпочтение «молекулярного прародителя» всякогоживого, а не первичной протоклеточной структуры. Гипотеза «генобиоза». Американский ученый Холдейн считал, что первичнойбыла не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, амакромолекулярная система, подобная гену и способная к репродукции, апотому и названным им «голым геном». Общее признание гипотез «генобиоза»получили после открытия РНК и ДНК и их феноменальных свойств. В начале 80-хгг. была установлена способность РНК к самопродукции в отсутствии белковыхферментов. Второй момент – открытие у РНК автокаталитических функций.Именно объединение двух функций – каталитической и информационно-генетической – привело к тому, что макромолекулярная система сталаспособной к саморепродукции. Древняя РНК совмещала в себе черты фенотипа игенотипа, была подвержена как генетическим преобразованиям, так иестественному отбору, т. е. она эволюционировала. Итак, РНК сыграла первостепенную роль в зарождении жизни. Но мы же знаем, что современный геном биосферы именно ДНК, а не РНК. Но как этообъяснить, Ревертаза и матричный синтез с ДНК на РНК явились компонентамиединого для всего живого доклеточного предка. Но эволюция последнего шла всторону современной ДНК и утраты им самостоятельных каталитических функций. РНК является той первичной информационной молекулой, которая стояла уистоков жизни. Вот так решает современная наука вопрос о прообразедоклеточного предка живой материи. 13 Онтогенетический уровень организации жизни. Концепция прокариотной и эукариотной клеточной организации Онтогенетический уровень живых систем Онтогенетическим называют индивидуальный уровень развития и считают, что этот уровень охватывает все отдельные одноклеточные и многоклеточные живые организмы, а раньше чаще всего его рассматривали как включающий только многоклеточные организмы. Сам термин «онтогенез» ввел в науку известный немецкий биолог Э. Геккель, автор знаменитого биогенетического закона, согласно которому онтогенез в краткой форме повторяет филогенез. Это означает, что отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме повторяет историю рода, т.е. филогенеза (от греч. — род). Поскольку самостоятельной минимальной живой системой можно считать клетку, постольку изучение онтогенетического уровня следует начать именно с клетки. В зависимости от характера структуры и функционирования все клетки можно разделить на два класса: прокариоты — клетки, лишенные ядер; эукариоты — клетки, появившиеся позднее и содержащие ядра. При более глубоком исследовании оказалось, что эти два класса клеток обладают существенными различиями в структуре и функционировании генетического аппарата, строении клеточных стенок и мембранных систем, характере механизмов синтеза белков и т.п. В соответствии с тем, из каких клеток построены живые системы, их можно разделить на две обширные группы, или два живых царства. К первому принадлежат многочисленные виды таких одноклеточных организмов, как бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы и другие простейшие организмы. Все остальные одноклеточные, а также многоклеточные организмы, начиная от низших и кончая высшими, построены из возникших позднее эукариотных клеток. Эту классификацию пришлось, однако, пересмотреть после открытия архебактерий, Особенность архебактерий состоит в том, что их клетки в чем-то сходны, с одной стороны, с прокариотами, а с другой — с эукариотами. На этом основании в настоящее время различают три типа онтогенетического уровня организации живых систем, представляющих собой три линии развития живого мира: 1) прокариоты, или эубактерии; 2) эукариоты и 3) архебактерий. По-видимому, все эти три линии развития исходят из единой живой первичной минимальной системы, которую можно называть протоклеткой. Предполагают, что она обладала всеми основными свойствами, которые являются характерными для живых организмов. К ним относят прежде всего способность обмениваться с окружающей средой - признак, присущий всем открытым системам. С этой способностью непосредственно связана способность протоклетки к метаболизму, т.е. осуществлению биохимических реакций, сопровождающихся усвоения ем необходимых для роста клетки веществ и удалением использованных продуктов реакций. Дальнейшее функционирование и развитие клетки предполагает также наличие у нее способности к делению и отпочкованию. К этим признакам многие исследователи добавляют дополнительные свойства, но все ученые признают, что протоклетка отнюдь не была какой-то бесструктурной массой, а представляла собой достаточно организованную целостность, которую можно охарактеризовать как живую первичную систему. Предполагают также, что протоклетка по важнейшим своим структурно-функциональным свойствам не была подобна современным одноклеточным прокариотам, а обладала некоторыми признаками, аналогичными свойствам эукариотных клеток. По вопросу о происхождении эукариотных клеток существуют две основные гипотезы. Сторонники аутогенной гипотезы считают, что такие клетки могли возникнуть путем дифференциации и усложнения слабоструктурированных клеточных образований, подобных прокариотам. Защитники другой, симбиотической гипотезы полагают, что эукариотные клетки образовались путем симбиоза нескольких прокариотных клеток, геномы которых внедрились в клетку-хозяина, при чем, по одной версии, они способствовали постепенному превращению последней в эукариотную клетку, а по другой — она уже обладала некоторыми свойствами эукариотов. Структурный подход к анализу первичных живых систем на онтогенетическом уровне, о котором шла речь выше, нуждается в дополнительном освещении функциональных особенностей их жизнедеятельности и обмена веществ. Среди них особого внимания заслуживает исследование трофических, или пищевых, потребностей организмов. Для этого необходимо проследить взаимоотношения организмов с окружающей средой и рамках соответствующей экологической системы. Именно поэтому изучение структуры и основных типов питания уже давно привлекало внимание ученых. В ходе многочисленных длительных исследований были выделены прежде всего два главных типа питания. К первому, автотрофному типу относились организмы, которые не нуждались в органической пище и могли жить либо за счет ассимиляции углекислоты (бактерии), либо фотосинтеза (растения). Ко второму, гетеротрофному типу принадлежали все организмы, которые не могли жить без органической пищи. По вопросу о том, какой тип питания возник в начале становления живых систем, мнения расходятся. Одни ученые не без основания полагают, что сначала появился автотрофный тип, поскольку сложные органические вещества, необходимые для гетеротрофного питания, могли образоваться лишь после того, как автотрофные организмы создали для этого необходимые условия. Другие исследователи считают, что гетеротрофное питание появилось раньше автотрофного. Такого допущения, в частности, придерживается в своей гипотезе происхождения жизни А.И. Опарин, полагая, что уже первичный «бульон», в котором зародилась жизнь, содержал органические соединения как питательную среду для дальнейшего развития. Простая первоначальная классификация основных типов питания и соответственно организмов на автотрофы и гиперотрофы в дальнейшем подверглась изменениям и уточнениям, в которых выявлялись такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества для роста (витамины, гормоны и специфические ферменты), обеспечивать себя энергией, источниками получения углерода, азота и водорода; зависимость от экологической среды и т.п. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических потребностей организмов свидетельствует о необходимости целостного, системного подхода к изучению живых систем и на онтогенетическом уровне. Целостность, взаимосвязь и взаимодействие выступают в общей форме функциональной системности, которая находит выражение в согласованном функционировании различных компонентов одноклеточных и многоклеточных организмов. При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют сои гласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность в осуществлении всех процессов жизнедеятельности всего организма. Подобная функциональная системность в специфических формах выступает и на других уровнях организации живых организмов. Она является конкретным воплощением системного характера организации живой природы на всех ее уровнях, которая может лишь возрастать и усиливаться в зависимости от места, занимаемого организмом на эволюционной лестнице развития природы. 14 Стоение клеток Кле́тка — элементарная единица строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов, о которых нередко говорят как о неклеточных формах жизни), обладающая собственным обменом веществ, способная к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все ткани живых организмов либо, как многоклеточные животные, растения и грибы, состоят из множества клеток, либо, как многие простейшие и бактерии, являются одноклеточными организмами. Раздел биологии, занимающийся изучением строения и жизнедеятельности клеток, получил название цитологии. В последнее время принято также говорить о биологии клетки, или клеточной биологии (англ. Cell biology). Строение клеток Все клеточные формы жизни на земле можно разделить на два надцарства на основании строения составляющих их клеток — прокариоты (предъядерные) и эукариоты (ядерные). Прокариотические клетки — более простые по строению, по-видимому, они возникли в процессе эволюции раньше. Эукариотические клетки — более сложные, возникли позже. Клетки, составляющие тело человека, являются эукариотическими. Несмотря на многообразие форм организация клеток всех живых организмов подчинена единым структурным принципам. Живое содержимое клетки — протопласт — отделено от окружающей среды плазматической мембраной, или плазмалеммой. Внутри клетка заполнена цитоплазмой, в которой расположены различные органоиды и клеточные включения, а также генетический материал в виде молекулы ДНК. Каждый из органоидов клетки выполняет свою особую функцию, а в совокупности все они определяют жизнедеятельность клетки в целом. Прокариотическая клетка Прокариоты (от лат. pro — перед, до и греч. κάρῠον — ядро, орех) — организмы, не обладающие, в отличие от эукариот, оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами (за исключением плоских цистерн у фотосинтезирующих видов, например, у цианобактерий). Единственная крупная кольцевая (у некоторых видов — линейная) двухцепочечная молекула ДНК, в которой содержится основная часть генетического материала клетки (так называемый нуклеоид) не образует комплекса с белками-гистонами (так называемого хроматина). К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зелёные водоросли), и археи. Потомками прокариотических клеток являются органеллы эукариотических клеток — митохондрии и пластиды. Эукариотическая клетка Эукариоты (эвкариоты) (от греч. ευ — хорошо, полностью и κάρῠον — ядро, орех) — организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочечных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства (кроме динофлагеллят) комплекс с белками-гистонами, называемый 14хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, Аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты-прокариоты — митохондрии, а у водорослей и растений — также и пластиды. 15 Гипотезы происхождения эукариотной клетки Сто лет назад российский биолог К.С. Мережковский высказал предположение, что эукариотная клетка возникла в результате симбиоза нескольких самостоятельных организмов. Эта идея стала одной из главных парадигм современной биологии. Все живые организмы, населяющие нашу планету, делятся на две большие группы: прокариоты (безъядерные) и эукариоты (ядерные). Прокариоты - это бактерии, у которых наследственный материал представлен простой кольцевой молекулой ДНК. Ядерными называются различные одноклеточные и многоклеточные организмы (простейшие, растения, животные и грибы), в клетках которых имеется оформленное ядро с хромосомами, в которых линейные молекулы ДНК связаны с особыми ядерными белками - гистонами. Помимо ядра в клетках эукариотных организмов есть и другие органеллы: митохондрии, жгутики, хлоропласты. Когда и как возникли эукариотные организмы, господствующие в современной биосфере? Биосферные предпосылки возникновения эукариотных организмов Земля в первые полмиллиарда лет ее существования была лишена воды. Озера огненной лавы чередовались с застывшими лавовыми полями Согласно современным представлениям, наша планета сформировалась около 4,5 млрд. лет назад. Первоначально Земля была сухой, вода появилась в результате дегазации недр - выхода в атмосферу водяного пара и газов, составлявших древнюю атмосферу. По мере конденсации водяного пара появлялись сначала мелкие лужицы, которые понемногу становились все больше и больше. Однако понадобилось 500-700 млн. лет для того, чтобы на Земле возникли более или менее крупные водоемы, которые постепенно сформировали гидросферу - жидкую оболочку нашей планеты, занимающую в настоящее время около 70% ее поверхности. Затем в результате оседания на дно водоемов различных частичек образовались и осадочные породы. Древнейшими осадочными породами считаются графитизированные сланцы из формации Исуа в Гренландии - их возраст составляет около 3,8 млрд. лет. Удивительно, что в этих породах обнаружены несомненные признаки некогда существовавшей жизни - следы деятельности организмов, осуществлявших процесс фотосинтеза. Дело в том, что в органическом веществе, созданном в процессе фотосинтеза, соотношение изотопов углерода 12С и 13С меняется в пользу более легкого изотопа 12С. И что бы с данным веществом ни происходило в дальнейшем, такое соотношение в нем будет сохраняться. Углерод в сланцах формации Исуа - явно органического происхождения. Это означает, что уже 3,8 млрд. лет назад в первичных водоемах планеты (скорее всего Мирового океана в то время еще не существовало) жили организмы, способные к фотосинтезу. Окаменевшие клетки, сходные с современными цианобактериями, обнаружены в породах возрастом 3,5 млрд. лет (формация Варравуна в Австралии). В чуть более молодых отложениях (более 3,1 млрд. лет) найдены остатки хлорофилла - фитан и пристан, а также специфические пигменты цианобактерий - фикобилины. Разумеется, среди организмов той поры были не только фотосинтетики, использующие энергию солнечного света, но и хемосинтетики, получающие энергию за счет различных химических реакций. В первые миллиарды лет существования биосферы вследствие деятельности хемосинтетических бактерий сформировались многие (если не большинство) из рудных залежей, которыми до сих пор пользуется человечество, поэтому 15в рудных телах нередко находят окаменевшие остатки бактерий. Например, такое крупное месторождение железных руд, как Курская магнитная аномалия, по современным данным, образовалось в результате деятельности бактерий. Нет сомнения в том, что на протяжении значительной части своей истории (не менее 2 млрд. лет) биосфера была прокариотной, то есть в ее состав входили только организмы, сходные с современными бактериями. Эукариотные организмы - разнообразные одноклеточные простейшие, а позднее (600-800 млн. лет назад) и многоклеточные организмы - заняли свое место в биосфере лишь около 1 млрд. лет назад. Вода, выделившаяся с вулканическими газами, проливалась на поверхность планеты. Этот процесс сопровождался мощными электрическими разрядами, которые способствовали синтезу сложных органических молекул. Прокариоты и эукариоты - две главные разновидности живых существ на нашей планете. Биологи и медики, правда, активно изучают еще одну группу биологических объектов - вирусы, но они проявляют свойства живого организма только внутри клеток своих "хозяев". Размеры прокариотных клеток в большинстве случаев колеблются от 0,5 до 3 мкм, а самые мелкие (микоплазмы) не превышают 0,10-0,15 мкм. Гигантские клетки некоторых серобактерий достигают 100 мкм в длину, а клетки спирохет иногда вырастают до 250 мкм. Главная черта прокариот - отсутствие ядра. Их генетический материал (генофор) представлен единственной кольцевой молекулой двухцепочечной ДНК, закрепленной на цитоплазматической мембране, одевающей клетку. Прокариоты не имеют ядерной оболочки, эндоплазматического ретикулюма (иногда имеются впячивания поверхностной мембраны - так называемые мезосомы), митохондрий, пластид и других цитоплазматических органелл, свойственных эукариотам. У них отсутствуют и микротрубочки, поэтому они не имеют ни центриолей, ни веретена деления. Рибосомы прокариот лишены одного из типов рибосомальной РНК (так называемой 5,8S РНК) и имеют меньшую массу, чем у эукариот. Обычно масса рибосом оценивается так называемой константой седиментации (показателем скорости оседания при центрифугировании). Для рибосом прокариот она равна 70S, а для эукариот - 80S. Прокариоты обладают громадным (по сравнению с эукариотами) разнообразием обменных процессов. Они способны к фиксации углекислоты, азота, различным вариантам брожения, окислению всевозможных неорганических субстратов (соединений серы, железа, марганца, нитритов, аммиака, водорода и др.). Среди прокариот немало фотосинтезирующих форм, прежде всего это часто встречающиеся в современной биосфере цианобактерии, которые еще называют сине-зелеными водорослями. Они (или родственные им организмы) были широко распространены и в далеком прошлом. Геологические постройки, созданные древними цианобактериями (вероятно, вместе с другими фотосинтезирующими прокариотами) - строматолиты, - нередко обнаруживаются в древнейших слоях земной коры, соответствующих архею и раннему протерозою. Начавшаяся около 4 млрд. лет назад деятельность фотосинтезирующих и других автотрофных прокариот имела несколько важнейших последствий. Неглубокие водоемы, образовавшиеся около 4 млрд. лет назад. В них обитали первые живые организмы, близкие к современным цианобактериям. Первое связано с изменением атмосферы Земли. Дело в том, что в древности она была практически бескислородной. В результате фотосинтеза молекулярный кислород стал выделяться в атмосферу, но быстро связывался с неокисленными компонентами литосферы - железом и другими металлами. Поэтому, несмотря на наличие постоянного 15источника свободного кислорода, биосфера оставалась по преимуществу анаэробной. Живые организмы в этот период тоже были представлены в основном анаэробами. В литосфере между тем откладывались полосчатые железные руды (так называемые джеспилиты), в которых окисленное железо чередовалось с недоокисленным. В бескислородных условиях откладывались пириты (руды типа FeS2), которые не могли формироваться при наличии свободного кислорода. Находки подобных ископаемых позволяют установить, что, несмотря на обилие фотосинтетиков, анаэробный период в развитии биосферы длился почти 2 млрд. лет. Однако около 2 млрд. лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло 1% и продолжало повышаться, поскольку к тому времени большая часть находившегося на поверхности железа и других металлов оказалась окисленной. В то же время количество железа и других металлов, поднимающихся из глубин Земли, постепенно уменьшалось. При формировании планеты тяжелые и легкие компоненты оказались перемешаны случайным образом. В дальнейшем в процессе гравитационной дифференцировки металлы постепенно погружались к центру планеты, формируя ее железное ядро, а легкие компоненты - силикаты - поднимались вверх, образуя мантию. Для анаэробных организмов повышение концентрации кислорода было катастрофой, поскольку кислород - очень агрессивный элемент, он быстро окисляет и разрушает органические соединения. Если в анаэробной биосфере, в толще строматолитов оставались аэробные карманы, откуда накапливающийся в результате фотосинтеза кислород диффундировал в атмосферу, то теперь биосфера, по меткому выражению академика Г.А. Заварзина, "вывернулась наизнанку" - она превратилась в кислородную с немногочисленными бескислородными карманами, где нашли убежище анаэробные микроорганизмы. В новой аэробной атмосфере могли выжить только те немногие прокариоты (оксибактерии), которые еще раньше в кислородных карманах в толще строматолитов приспособились к высокой концентрации кислорода. Второе важное следствие деятельности автотрофных прокариот - накопление залежей органического вещества. Биотический круговорот веществ в биосфере, состоящей исключительно из прокариот, был очень несовершенен. Биомасса, созданная автотрофными бактериями, подвергалась разложению преимущественно под воздействием абиотических физических и химических процессов во внешней среде. Без сомнения, существенную роль в разложении биомассы, созданной прокариотными автотрофами, играли и гетеротрофные бактерии, однако их возможности были ограничены в силу особенностей организации клеток прокариот. Как известно, прокариоты принципиально не способны к заглатыванию своих жертв. Хищничество у бактерий встречается очень редко и выглядит весьма необычно. Хищная бактерия Bdellovibrio по размерам значительно меньше своих жертв, она проникает через клеточную стенку бактерии и размножается внутри организма несчастной. Клетки ископаемых прокариотных организмов, близких к цианобактериям, в тонких шлифах архейских осадочных пород (слева и в центре). Справа - фотография ископаемых строматолитов, образованных древними фотосинтезирующими бактериями. Почему же прокариоты неспособны к заглатыванию пищи? Дело в том, что у них отсутствуют актин и миозин - белки, обеспечивающие подвижность цитоплазмы у эукариот. Благодаря им при захвате пищевых частиц (фагоцитозе) и формировании пищеварительных вакуолей формируются псевдоподии (временные цитоплазмические выросты, служащие для передвижения и захвата пищи). Прокариоты этого делать не могут. Гетеротрофные бактерии выделяют ферменты во внешнюю среду, происходит 15своего рода "наружное переваривание" (экзоферментация), а низкомолекулярные продукты всасываются через цитоплазматическую мембрану. Все это обусловило низкую скорость разложения биомассы, созданной автотрофными прокариотами. Поэтому на ранних этапах эволюции биосферы огромные массы органического углерода выводились из биологического круговорота, сохранялись в осадке, подвергались химической трансформации, превращаясь в горючие сланцы, нефть и газ, которыми человечество активно пользуется до сих пор. Усовершенствовать биологический круговорот, ускорить возврат в него углерода и других биогенных элементов могло только появление микроскопических аэробных хищников, которые заглатывали бы бактерий, переваривали их и возвращали в биосферу углерод (желательно в виде СO2), азот (в виде соединений аммония), фосфор и другие биогенные элементы. Такими хищниками стали первые эукариотные организмы. 16 Популяционноый уровень организации клетки 17 Биосферный уровень организации жизни. Биоценоз и биогеоценоз 17Биосферный уровень Совокупность всех живых организмов на нашей планете и общей природной среды их обитания составляет биосферный уровень. На биосферном уровне современная биология решает глобальные проблемы, например определение интенсивности образования свободного кислорода растительным покровом Земли или изменения концентрации углекислого газа в атмосфере, связанные с деятельностью человека. Главную роль в биосферном уровне выполняют "живые вещества", т. е. совокупность живых организмов, населяющих Землю. Также в биосферном уровне имеют значение "биокосные вещества", образовавшиеся в результате жизнедеятельности живых организмов и "косных" веществ (т. е. условий окружающей среды. На биосферном уровне происходит круговорот веществ и энергии на Земле с участием всех живых организмов биосферы. иоценоз (от био... и греч. koinós - общий), совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих участок суши или водоёма и характеризующихся определёнными отношениями как между собой, так и с абиотическими факторами среды (см. Биотоп). Термин «Биоценоз» был предложен немецким биологом К. Мебиусом (1877). Биоценоз - комплекс организмов биогеоценоза, формирующийся в результате борьбы за существование, естественного отбора и других факторов эволюции. По участию в биогенном круговороте веществ в Биоценоз различают три группы организмов. 1) Продуценты (производители) - автотрофные организмы, создающие органические вещества из неорганических; основные продуценты во всех Биоценоз - зелёные растения (см. Фотосинтез). Деятельность продуцентов определяет исходное накопление органических веществ в Биоценоз (см. Биомасса, Биологическая продуктивность). 2) Консументы (потребители) - гетеротрофные организмы, питающиеся за счёт автотрофных. Консументы 1-го порядка - растительноядные животные, а также паразитические бактерии, грибы и другие бесхлорофильные растения, развивающиеся за счёт живых растений. Консументы 2-го порядка - хищники и паразиты растительноядных организмов. Бывают консументы 3-го и 4-го порядков (сверхпаразиты, суперпаразиты и т.п.), но всего в цепях питания не более 5 звеньев. На каждом последующем трофическом уровне количество биомассы резко снижается. Деятельность консументов способствует превращениям и перемещениям органических веществ в Биоценоз, частичной их минерализации, а также рассеянию энергии, накопленной продуцентами. 3) Редуценты (восстановители) - животные, питающиеся разлагающимися остатками организмов (сапрофаги), и особенно непаразитирующие гетеротрофные микроорганизмы - способствуют минерализации органических веществ, их переходу в усвояемое продуцентами состояние. В биологии используются три близких по значению понятия: Биогеоценоз (греч. «биос» — жизнь, «гео» — земля, «ценос» — общий) — структурная и функциональная элементарная единица биосферы. Представляет собой устойчивую саморегулирующуюся экологическую систему, в которой органические компоненты (животные, растения) неразрывно связаны с неорганическими (вода, почва). Например, озеро, сосновый лес, горная долина. Учение о биогеоценозе разработано Владимиром Сукачёвым в 1940 году. Биогеоценоз — биоценоз, который рассматривается во взаимодействии с абиотическими факторами, влияющими на него и в свою очередь изменяющимися под его воздействием. Биоценоз имеет синоним сообщество, ему также близко понятие экосистема. Экосистема — группа организмов разных видов, взаимосвязанных между собой круговоротом веществ. Каждый биогеоценоз — это экосистема, но не каждая экосистема — биогеоценоз. Для характеристики биогеоценоза используются два близких понятия: биотоп и экотоп(факторы неживой природы:климат,почва). Биотоп — это территория, которую занимает биогеоценоз. Экотоп — это биотоп, на который оказывают воздействие организмы из других биогеоценозов. Свойства биогеоценоза естественная, исторически сложившаяся система система, способная к саморегуляции и поддержанию своего состава на определенном постоянном уровне характерен круговорот веществ открытая система для поступления и выхода энергии, основной источник которой — Солнце 18. Живое вещество и биосфера. Учение Вернадского о биосфере. Учение В.И. Вернадского о биосфере представляет собой обобщение естественнонаучных знаний, оно вобрало в себя эволюционные взгляды Ч. Дарвина, периодический закон Д.И. Менделеева, теорию единства пространства и времени А. Энштейна, идеи о неразрывной связи живой и неживой природы многих отечественных и зарубежных ученых. В работах В.И. Вернадского рассматриваются компоненты биосферы, ее границы, функции живого вещества, эволюция биосферы. Ученый впервые показал, что живая и неживая природа Земли тесно взаимодействуют и составляют единую систему. Структура биосферы. В биосфере можно выделить следующие основные компоненты: живое вещество, косное (неживое) вещество, неживое биогенное вещество, биокосное вещество. Живым веществом В.И. Вернадский назвал совокупность живых организмов, населяющих нашу планету. Это главная сила, преобразующая поверхность планеты, основа формирования и существования самой биосферы. Во все геологические эпохи живое вещество, преобразуя и аккумулируя солнечную энергию, влияло на химический состав земной коры, было мощной геохимической силой, формирующей лик Земли. Живое вещество имеет количественные характеристики, его можно изучать, используя математические законы. Количество живого вещества в биосфере (биомасса) - величина постоянная или мало изменяющаяся с течением времени. Во все геологические эпохи на Земле количество живого вещества было практически одинаковым. Ученый подчеркивал, что современное живое вещество генетически родственно живому веществу прошлых геологических эпох. Под косным веществом В.И. Вернадский понимал такие вещества биосферы, в создании которых живые организмы не участвуют. Это, например, газы, твердые частицы и водяные пары, выбрасываемые вулканами, гейзерами. Кроме живого и косного веществ, в состав биосферы входят: неживое биогенное вещество, которое образовано живым веществом современной и прошлых геологических эпох (ископаемые остатки организмов, нефть, уголь, газы атмосферы, озерный ил - сапропель, осадочные породы, например, известняки); биокосное вещество, которое создавалось одновременно и живыми организмами и косным веществом (например, почва, вода обитаемых водоемов, глинистые минералы). Границы биосферы совпадают с границами распространения живых организмов в оболочках Земли, что определяется наличием условий существования жизни (благоприятный температурный режим, уровень радиации, достаточное количество воды, минеральных веществ, кислорода, углекислого газа). Биосфера охватывает всю поверхность суши, а также океаны, моря и ту часть недр Земли, где находятся породы, созданные в процессе жизнедеятельности живых организмов. Иначе говоря, биосфера - это часть литосферы, атмосферы, гидросферы, заселенная живым веществом. Для существования живых организмов необходимы следующие условия: достаточное количество воды, минеральных веществ, , , оптимальный температурный режим, уровень радиации и др. Верхняя граница биосферы определяется озоновым экраном, представляющим собой тонкий слой (2-4 мм) газа озона (). Роль озонового слоя в биосфере велика: он задерживает губительные для живого ультрафиолетовые лучи солнечного света. Этот слой расположен на высотах 16 - 20 км. Нижняя граница биосферы неровная. К примеру, в литосфере живые организмы или продукты их жизнедеятельности можно встретить на глубине 3,5-7,5 км, а в Мировом океане организмы - на глубине 10 - 11 км. Нижняя граница на суше связана с областями "былых биосфер" - так В.И. Вернадский назвал сохранившиеся остатки биосфер прошлых геологических эпох (накопления осадочных пород, углей, горючих сланцев и др.). "Былые биосферы" служат доказательством длительной эволюции биосферы Земли. Ученый отмечал, что живое вещество распределено в биосфере неравномерно. Основная его масса сконцентрирована в приповерхностном слое суши толщиной 50-100 м и в приповерхностной толще воды (10-20 м). Здесь находится более 90% биомассы Земли. Но и в приповерхностном слое имеются пространства, густо заселенные живыми организмами (тропики и субтропики, теплые моря), и менее заселенные территории (пустыни, высокогорья, арктические и антарктические области). Для остальных территорий биосферы характерно, по словам В.И. Вернадского, "разрежение живого вещества". Тем не менее, в пределах биосферы нет абсолютно безжизненных пространств. Даже в самых суровых условиях обитания можно найти бактерии и другие микроорганизмы. В.И. Вернадский высказал идею о "всюдности жизни", живое вещество способно "растекаться" по поверхности планеты; оно с огромной скоростью захватывает все незанятые участки биосферы, что обусловливает "давление жизни" на неживую природу. Функции живого вещества. Одна из основных заслуг В.И. Вернадского состоит в том, что он впервые обратил внимание на роль живых организмов как мощного геологического фактора, на то, что живое вещество выполняет в биосфере различные биогеохимические функции. Благодаря этому обеспечиваются круговорот веществ и превращение энергии и, в итоге, целостность, постоянство биосферы, ее устойчивое существование. Важнейшими функциями являются энергетическая, газовая, окислительно-восстановительная, концентрационная. Энергетическая функция заключается в накоплении и преобразовании растениями энергии Солнца (бактерии-хемоавтотрофы преобразуют энергию химических связей) и передаче ее по пищевым цепям: от продуцентов - к консументам и, далее, - к редуцентам. При этом энергия постепенно рассеивается, но часть ее вместе с остатками организмов переходит в ископаемое состояние, "консервируется" в земной коре, образуя запасы нефти, угля и др. В осуществлении газовой функции ведущая роль принадлежит зеленым растениям, которые в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют в атмосферу кислород. В то же время, большинство живых организмов (и растения в том числе) в процессе дыхания используют кислород, выделяя в атмосферу углекислый газ. Таким образом, участвуя в обменных процессах, живое вещество поддерживает на определенном уровне газовый состав атмосферы. Окислительно-восстановительная функция тесно связана с энергетической. Существуют микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности окисляют или восстанавливают различные соединения, получая при этом энергию для жизненных процессов. Велико их значение для образования многих полезных ископаемых. Например, деятельность железобактерий по окислению железа привела к образованию таких осадочных пород как железные руды; серобактерии, восстанавливая сульфаты, образовали месторождения серы. Концентрационная функция заключается в способности живых организмов накапливать различные химические элементы. Например, осоки и хвощи содержат много кремния, морская капуста и щавель - йод и кальций. В скелетах позвоночных животных содержится большое количество фосфора, кальция, магния. Осуществление данной функции способствовало образованию залежей известняка, мела, торфа, угля, нефти. Эволюция биосферы. В.И. Вернадский в своих работах подчеркивал, что история возникновения и эволюция биосферы - это история возникновения жизни на Земле. Развитие биосферы идет вместе с эволюцией органического мира - изменяется состав ее компонентов, расширяются границы и т. д. Живое вещество эволюционирует в сторону усложнения уровня организации, уменьшения прямой зависимости от среды обитания, усовершенствования способов ориентации и передвижения в пространстве. Перенеся идеи физики о неразрывности пространства и времени на явления природы, В.И. Вернадский объяснил направленность эволюции биосферы: она ограничена пространством, что определяется телом планеты, и направлена в сторону прогрессивного развития, так как необходимо приобрести свойства, которые позволят это ограниченное пространство использовать по возможности максимально. Особое внимание в своих трудах ученый уделял возрастающему влиянию человека на ход эволюции биосферы. Вернадский подчеркивал, что человек разумный - невиданная по своим масштабам геохимическая сила, которая увеличивает свое влияние по мере развития научной мысли. Еще в 20-х годах прошлого века ученый сумел предугадать многие тенденции воздействия человека на природу. Его теоретические положения о биосфере и месте в ней человека - блестящий пример научного обобщения. 19 Становление идеи развития в биологии. Учение Аристотеля, Линнея и др. 19В последнее время при изучении истории развития науки все острее встает проблема рациональной реконструкции ее исторического развития, связанная с различием между нашим пониманием происходивших в прошлом научных исследований и тем, как сами естествоиспытатели понимали свои открытия. Господствовавшая долгое время кумулятивистская модель развития науки, т.е. изложение содержания знаний в их историческом развитии, подвергается критике, так как в ее рамках знания вырываются из их исторического контекста и включаются в систему современных представлений, то есть предполагается существование некой общей для всех рациональности. В последнее время широкое распространение получила концепция революционной смены фундаментальных программ познания, и на место единой для всех приходят разные исторические типы рациональности. Изучая этапы становления идеи развития в биологии от античных до наших дней, необходимо попытаться создать рациональную реконструкцию, с одной стороны, и в то же время учитывать различия типов рациональности со сменой эпох. Сама биологическая эволюция в настоящее время является научно установленным фактом, в котором никто из естествоиспытателей не может сомневаться. Несмотря на ее кажущуюся законченность, и в настоящее время возникает немало споров, касающихся как происхождения различных биологических видов, так и самой жизни на Земле. Очень разнообразными были представления о происхождении жизни у античных философов. Особо стоит отметить одного из первых философов физиса - Анаксимандра с его гениальной догадкой о зарождении жизни в воде и последующем переселении живых существ на сушу. Великим систематизатором античных биологических знаний был и Аристотель. В средние века господствовала теория креационизма, согласно которой все сущее было творением высшего существа. С того момента, когда на Западе победило христианство, принятый без оговорок авторитет библии в течение долгих веков тормозил всякие независимые и самостоятельные исследования и искания в области эволюционизма. Дословное изложение генезиса исключало возможность перехода одной формы жизни в другие. Каждый вид был обязан своим существованием акту творения, а в настоящее время существуют только те формы жизни, которые уцелели из вод потопа благодаря Ноеву ковчегу. Все изменилось с приходом так называемого Нового времени: благодаря технической революции и Просвещению начинается бурное развитие биологии. В XVIII веке, к господствующей теории происхождения жизни, добавили теорию неизменности видов великого Карла Линнея, согласно которой растения и животные, сотворенные Богом, скорее всего до сотворения человека, пребывают неизменно такими же, размножаясь путем самопроизводства, а затем и теория - Бюффона, который одним из первых в развернутой форме изложил концепцию трансформизма, то есть ограниченной изменчивости видов и происхождения видов в пределах относительно узких подразделений (от одного единого предка) под влиянием среды. XIX век характеризовался бурным развитием биологической мысли: возникли теории катастрофизма Кювье, униформизма Лаейеля, великий предшественник Дарвина Ламарк выдвинул теорию о влиянии внешней среды, и самого Дарвина, которому удалось объединить все лучшее из существовавших в то время теорий. После смерти Дарвина в его учении выделились относительно самостоятельные направления, каждое из которых по-своему понимало, дополняло и совершенствовало его воззрения. XX век ознаменовался созданием синтетической теории и переходом к популяционной концепции эволюции. Новейшей теорией является системная теория нобелевского лауреата Пригожина, согласно которой развитие любой биологической системы связано с эволюцией систем более высокого ранга, в которые она входит в качестве элемента, при этом предполагается рассмотрение взаимодействий "сверху - вниз" от биосферы к экосистеме, сообществам, организмам и т.д 20 Теория эволюции Дарвина. Основные движущие факторы эволюции Жизнь и труды Ч. Дарвина. Чарльз Дарвин родился 12 февраля 1809 г. в семье врача. Во время обучения в университетах Эдинбурга и Кембриджа Дарвин получил глубокие знания в области зоологии, ботаники и геологии, навыки и вкус к полевым исследованиям. Большую роль в формировании его научного мировоззрения сыграла книга выдающегося английского геолога Чарльза Лайеля «Принципы геологии». Лайель утверждал, что современный облик Земли складывался постепенно под влиянием тех же естественных сил, что действуют и в настоящее время. Дарвин был знаком с эволюционными идеями Эразма Дарвина, Ламарка и других ранних эволюционистов, но они не казались ему убедительными. Решающим поворотом в его судьбе стало кругосветное путешествие на корабле «Бигль» (1832—1837). По словам самого Дарвина, в ходе этого путешествия на него произвели самое сильное впечатление: «1) открытие гигантских ископаемых животных, которые были покрыты панцирем, сходным с панцирем современных броненосцев; 2) то обстоятельство, что по мере продвижения по материку Южной Америки близкородственные виды животных замещают одни других; 3) тот факт, что близкородственные виды различных островов Галапагосского архипелага незначительно отличаются друг от друга. Было очевидно, что такого рода факты, так же как и многие другие, можно было объяснить только на основании предположения, что виды постепенно изменялись, и проблема эта стала преследовать меня». По возвращении из плавания Дарвин начинает обдумывать проблему происхождения видов. Он рассматривает разные идеи, в том числе идею Ламарка, и отвергает их, так как ни одна из них не дает объяснения фактам поразительной приспособленности животных и растений к условиям их обитания. То, что ранним эволюционистам казалось изначально заданным и не требующим объяснений, представляется для Дарвина самым важным вопросом. Он собирает данные об изменчивости животных и растений в природе и в условиях одомашнивания. Через много лет, вспоминая, как возникла его теория, Дарвин напишет: «Вскоре я понял, что краеугольным камнем успехов человека в создании полезных рас животных и растений был отбор. Однако в течение некоторого времени для меня оставалось тайной, каким образом отбор мог быть применен к организмам, живущим в естественных условиях». Как раз в то время в Англии бурно обсуждались идеи английского ученого Т. Мальтуса о возрастании численности популяций в геометрической прогрессии. «В октябре 1838 г. я прочитал книгу Мальтуса «О народонаселении»,— продолжает Дарвин,— и так как, благодаря продолжительным наблюдениям над образом жизни животных и растений, я был хорошо подготовлен к тому, чтобы оценить значение повсеместно происходящей борьбы за существование, меня сразу поразила мысль, что при таких условиях благоприятные изменения должны иметь тенденцию сохраняться, а неблагоприятные — уничтожаться. Результатом этого и должно быть образование новых видов». Алфред Рассел Уоллес (1823 – 1913) создал одновременно с Ч. Дарвином теорию естественного отбора. Один из основателей зоогеографии. Итак, идея о происхождении видов путем естественного отбора возникла у Дарвина в 1838 г. В течение 20 лет он работал над ней. В 1856 по совету Лайеля он начал готовить свою работу к публикации. В 1858 г. молодой английский ученый Альфред Уоллес прислал Дарвину рукопись своей статьи «О тенденции разновидностей к неограниченному отклонению от первоначального типа». Эта статья содержала изложение идеи происхождения видов путем естественного отбора. Дарвин был готов отказаться от публикации своего труда, однако его друзья геолог Ч. Лайель и ботаник Г. Гукер, которые давно знали об идее Дарвина и знакомились с предварительными набросками его книги, убедили ученого, что обе работы должны быть опубликованы одновременно. Книга Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь» вышла в 1859 г., и ее успех превзошел все ожидания. Его идея эволюции встретила страстную поддержку одних ученых и жесткую критику других. Этот и последующие труды Дарвина «Изменения животных и растений при одомашнивании», «Происхождение человека и половой отбор», «Выражение эмоций у человека и животных» немедленно после выхода переводились на многие языки. Примечательно, что русский перевод книги Дарвина «Изменения животных и растений при одомашнивании» был опубликован раньше, чем ее оригинальный текст. Выдающийся русский палеонтолог В. О. Ковалевский переводил эту книгу с издательских гранок, предоставленных ему Дарвином, и публиковал ее отдельными выпусками. Основные принципы эволюционной теории Ч. Дарвина. Сущность дарвиновской концепции эволюции сводится к ряду логичных, проверяемых в эксперименте и подтвержденных огромным количеством фактических данных положений: 1. В пределах каждого вида живых организмов существует огромный размах индивидуальной наследственной изменчивости по морфологическим, физиологическим, поведенческим и любым другим признакам. Эта изменчивость может иметь непрерывный, количественный, или прерывистый качественный характер, но она существует всегда. 2. Все живые организмы размножаются в геометрической прогрессии. 3. Жизненные ресурсы для любого вида живых организмов ограничены, и поэтому должна возникать борьба за существование либо между особями одного вида, либо между особями разных видов, либо с природными условиями. В понятие «борьба за существование» Дарвин включил не только собственно борьбу особи за жизнь, но и борьбу за успех в размножении. 4. В условиях борьбы за существование выживают и дают потомство наиболее приспособленные особи, имеющие те отклонения, которые случайно оказались адаптивными к данным условиям среды. Это принципиально важный момент в аргументации Дарвина. Отклонения возникают не направленно — в ответ на действие среды, а случайно. Немногие из них оказываются полезными в конкретных условиях. Потомки выжившей особи, которые наследуют полезное отклонение, позволившее выжить их предку, оказываются более приспособленными к данной среде, чем другие представители популяции. 5. Выживание и преимущественное размножение приспособленных особей Дарвин назвал естественным отбором. 6. Естественный отбор отдельных изолированных разновидностей в разных условиях существования постепенно ведет к дивергенции (расхождению) признаков этих разновидностей и, в конечном счете, к видообразованию. На этих постулатах, безупречных с точки зрения логики и подкрепленных огромным количеством фактов, была создана современная теория эволюции. Главная заслуга Дарвина в том, что он установил механизм эволюции, объясняющий как многообразие живых существ, так и их изумительную целесообразность, приспособленность к условиям существования. Этот механизм — постепенный естественный отбор случайных ненаправленных наследственных изменений. 21 Основы генетики Генетика — наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости. Мендель, проводя опыты по скрещиванию различных сортов гороха, установил ряд законов наследования, положивших начало генетике. Он разработал гибридо-логический метод анализа наследования признаков организмами. Этот метод предусматривает скрещивание особей с альтернативными признаками; анализ исследованных признаков у гибридов без учета остальных; количественный учет гибридов. Проводя моногибридное скрещивание (скрещивание по одной паре альтернативных признаков), Мендель установил закон единообразия первого поколения. Он гласит: при скрещивании двух гомозиготных организмов, отличающихся по одной паре альтернэтивных признаков, первое поколение гибридов единообразно как по фенотипу, так и по генотипу. Этот закон так же называют законом доминирования, т. к. один из признаков проявляется, а другой - подавлен. Если потомков первого поколения скрестить между собой, то во втором поколении исчезнувший в первом поколении признак проявляется вновь. Это явление получило название второго закона Менделя или закона расщепления. Он гласит: при скрещивании гибридов первого поколения между собой, во втором поколении наблюдается расщепление доминантных и рецессивных признаков в соотношении 3 :1. Генотипы второго поколения - АА, Аа, Аа, аа, то есть наблюдается соотношение 1:2:1. Расщепление признаков в потомстве при скрещивании гетерозиготных особей объясняется тем, что гаметы генетически чисты, несут только один ген из аллельной пары. При образовании половых клеток в каждую гамету попадает только один ген из аллельной пары (закон чистоты гамет). Цитологической основой расщепления признаков при моногибридном скрещивании является расхождение гомологичных хромосом к разным полюсам клетки и образование гаплоидных половых клеток в мейозе. Генотип - совокупность генов организма, взаимодействующих между собой. Фенотип - совокупность внешних признаков организма. В опытах Мендель использовал разные способы скрещивания: моногибридное, дигибридное и полигибридное. При последнем скрещивании особи отличаются более чем по двум парам признаков. Во всех случаях соблюдается закон единообразия первого поколения, закон расщепления признаков во втором поколении и закон независимого наследования. Закон независимого наследования: каждая пара признаков наследуется независимо друг от друга. В потомстве идет расщепление по фенотипу 3 :1 по каждой паре признаков. Закон независимого наследования справедлив лишь в том случае, если гены рассматриваемых пар признаков лежат в различных парах гомологичных хромосом. Гомологичные хромосомы сходны по форме, размерам и группам сцепления генов. Поведение любых пар негомологичных хромосом в мейозе не зависит друг от друга. Расхождение: их к полюсам клетки носит случайный характер. Независимое наследование имеет, большое значение для эволюции; так как является источником комбинативной наследственности. Сцепленное наследование Организм любого вида имеет большое разнообразие признаков, которое обеспечивается тысячами генов. В то же время число хромосом невелико, так у человека их всего 23 пары. Следовательно, в каждой хромосоме располагаются сотни и тысячи генов. Наследование признаков, гены которых находятся в одной хромосоме, исследовал американский генетик Т. Морган. Гены, расположенные в одной хромосоме, называют группой сцепления. Количество групп сцепления в клетке равно гаплоидному набору хромосом. Закон сцепленного наследования, открытый Морганом, гласит: гены, расположенные в одной хромосоме, образуют группу сцепления и наследуются вместе. Дальнейшие исследования Моргана показали, что сцепление не всегда бывает абсолютным. Причина тому — кроссинговер (обмен участками между гомологичными хромосомами), который происходит в профазе первого деления мейоза. Кроссинговер нарушает группы сцепления генов и ведет к появлению особей с перекомбинацией признаков. Частота кроссинговера зависит от расстояния между генами: чем ближе располагаются гены в хромосоме, тем меньше вероятность кроссинговера между ними и наоборот. Эта зависимость используется, для составления генетических карт хромосом, где по вероятности кроссинговера рассчитывается положение генов, в хромосоме. Расстояние между генами определяется по формуле: X = (A + C)/N x100, где X — расстояние между генами (в морга-нидах), А и С - количество кроссовертных особей, N - общее число особей. 22 Синтетическая теория эволюции Основанием всем системы современной эволюционной биологии выступает синтетическая теория эволюции, принципиальные положения которой были заложены работами С.С.Четверикова, Р.Фишера, С.Райта, Дж.Холдейна, Н.П.Дубинина и др. Элементарной клеточкой синтетической теории эволюции является популяция - совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений. Элементарной единицей наследственности выступает ген. Наследственное изменение популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под воздействием таких эволюционных факторов, как мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор. Таким образом, в синтетической теории эволюции на первый план выступает не онтогенез - совокупность преобразований, происходящих в организме от зарождения до конца жизни, т.е. индивидуальное развитие организма, а развитие популяций. Онтогенетический уровень организации жизни на Земле связан с жизнедеятельностью отдельных биологических особей, дискретных индивидуумов, а популяционный уровень надындивидуален. Популяция- это совокупность особей одного вида, населяющих определенную территорию, более или менее изолированную от соседних совокупностей того же вида. Виды - это системы популяций. Популяции и виды как надындивидуальные образования способны к существованию в течение длительного времени и к самостоятельному эволюционному развитию. Популяции - это генетические открытые системы, т.к. особи из разных популяций иногда скрещиваются. Виды являются наименьшими генетически закрытыми системами. Совокупность совместно обитающих популяций разных видов живых организмов называется биоценозом. Биоценоз - совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих участок среды с более или менее однородными условиями существования и характеризующихся определенными взаимосвязями между собой и приспособленностью к условиям окружающей среды (например, биоценоз озера, леса и т.д.). Совокупность растений на участке с одинаковыми природными условиями, которые взаимодействуют друг с другом и со своим окружением, называется фитоценозом или растительным сообществом Растительное сообщество (фитоценоз) - совокупность видов растений на однородном участке, находящихся в сложных взаимоотношениях между собой и с условиями окружающей среды (лес, степь, луг и т.д.). Фитоценоз характеризуется определенным видовым составом, строением и сложением. Фитоценоз - это часть биоценоза. Биоценозы входят в качестве составных частей в еще более сложные системы, представляющие собой взаимообусловленный комплекс живых и абиотических компонентов, связанных между собой обменом веществ и энергией - в биогеоценозы. Биогеоценоз - это однородный участок земной поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и абиотических косных (приземной слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) компонентов и динамическим взаимодействием между ними (обменом веществ и энергии). Термин предложил В.М.Сукачев (1940 г). Иногда этот термин употребляется как синоним экосистемы. Раздел биологии, изучающий экологические системы (биоценозы, биогеоценозы), называется биогеоценология. В развитии экосистем большую роль играют организмы, способные самостоятельно синтезировать органическое вещество из неорганических соединений. Эти организмы называются автотрофами. Автотрофы - это организмы, синтезирующие из неорганических веществ (главным образом воды, двуокиси углерода, неорганических соединений азота) все необходимые для жизни органические вещества, используя энергию фотосинтеза (все зеленые растения - фототрофы) или хемосинтеза (некоторые бактерии - хемотрофы). Автотрофы служат первичной биотической основой для сложения биогеоценозов. Организмы, использующие для питания органические вещества, произведенные другими организмами, называются гетеротрофами. К гетеротрофным организмам относится человек, все животные, грибы, большинство бактерий, вирусов. Автотрофные растения и микроорганизмы представляют жизненную среду для гетеротрофов. Складывается биогеоценотический комплекс, который может существовать веками Пространство, включающее околоземную атмосферу и наружную оболочку Земли, освоенное живыми организмами и находящееся под влиянием их жизнедеятельности, называется биосферой. Биосфера Земли образуется всей совокупностью биогеоценозов, связанных между собой круговоротом веществ и энергии. Она представляет собой область активной жизни, охватывающую нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В биосфере живые организмы и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. Термин "биосфера" введен в 1875 г. Э.Зюссом. Учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения, создал В.И.Вернадский (1926 г.) 22 по Дарвину Основные положения синтетической теории эволюции Синтетическая теория эволюции — современный дарвинизм — возникла в начале 40-х годов XX в. Она представляет собой учение об эволюции органического мира, разработанное на основе данных современной генетики, экологии и классического дарвинизма. Термин «синтетическая» идет от названия книги известного английского эволюциониста Дж. Хаксли «Эволюция: современный синтез» (1942). В разработку синтетической теории эволюции внесли вклад многие ученые. Основные положения синтетической теории эволюции в общих чертах можно выразить следующим образом: Материалом для эволюции служат наследственные изменения — мутации (как правило, генные) и их комбинации. Основным движущим фактором эволюции является естественный отбор, возникающий на основе борьбы за существование. Наименьшей единицей эволюции является популяция. Эволюция носит в большинстве случаев дивергентный характер, т. е. один таксон может стать предком нескольких дочерних таксонов. Эволюция носит постепенный и длительный характер. Видообразование как этап эволюционного процесса представляет собой последовательную смену одной временной популяции чередой последующих временных популяций. Вид состоит из множества соподчиненных, морфологически, физиологически, экологически, биохимически и генетически отличных, но репродуктивно не изолированных единиц — подвидов и популяций. Вид существует как целостное и замкнутое образование. Целостность вида поддерживается миграциями особей из одной популяции в другую, при которых наблюдается обмен аллелями («поток генов»), Макроэволюция на более высоком уровне, чем вид (род, семейство, отряд, класс и др.), идет путем микроэволюции. Согласно синтетической теории эволюции, не существует закономерностей макроэволюции, отличных от микроэволюции. Иными словами, для эволюции групп видов живых организмов характерны те же предпосылки и движущие силы, что и для микроэволюции. Любой реальный (а не сборный) таксон имеет монофилети-ческое происхождение. Эволюция имеет ненаправленный характер, т. е. не идет в направлении какой-либо конечной цели. Синтетическая теория эволюции вскрыла глубинные механизмы эволюционного процесса, накопила множество новых фактов и доказательств эволюции живых организмов, объединила данные многих биологических наук. Тем не менее синтетическая теория эволюции (или неодарвинизм) находится в русле тех идей и направлений, которые были заложены Ч. Дарвином. 23 Биосфера и космос Биосфе́ра — геологическая оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни». Термин «биосфера» был введён в биологии Ламарком в начале XIX в., а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году[1]. Состав биосферы Биосферу слагают следующие типы веществ[2]: Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6*1012 т (в сухом весе) и составляет менее 10-6 массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты». Биогенное вещество — вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д. Косное вещество — в образовании которого жизнь не участвует; твердое, жидкое и газообразное. Биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде. Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений. Вещество космического происхождения. Ко́смос (греч. κόσμος, «упорядоченное», «красивое») — строение, мир, вселенная, мироздание, материальный мир Вселенная — совокупность всего, что существует физически Космическое пространство — относительно пустые участки Вселенной, которые лежат вне границ атмосфер небесных тел Космос (философия) — мир в целом, миропорядок, упорядоченная Вселенная в противоположность хаосу Космос, или Космея (Cosmos) — род американских красивоцветущих травянистых растений семейства Астровые 24 Концепция ноосферы Вернадского 145 лет назад, 12 марта 1863 года родился Владимир Иванович Вернадский - естествоиспытатель, философ, общественный и политический деятель, академик Петербургской АН (с 1912 г.). Его называют "Ломоносовым XX века". В 1881-85 обучался на естественном отделении физико-математического факультета Петербургского университета у А. Н. Бекетова, Д. И. Менделеева, А. М. Бутлерова, И. М. Сеченова, В. В. Докучаева. С 1897 - профессор. Вёл активную научно-исследовательскую работу в области минералогии, геохимии и смежных наук. Труды Вернадского по минералогии и геохимии всемирно известны. И здесь нет смысла останавливаться на них. Начиная с 10-х годов, он всё больше внимания уделяет биосфере Земли, её влияние на минералогию и геологию вообще. Действительно, многие геологические процессы происходили под влиянием солнечного тепла и кислорода атмосферы. Не только нефть и другие органические минералы имеют биологическое происхождение. Структура многих неорганических минералов отражает влияние на их происхождение биомассы. С 20-х годов Вернадский пишет о влиянии на развитие земных процессов уже не просто живой природы, а целенаправленной деятельности человека. Ещё с XIX века технический прогресс дал возможность преобразовывать Землю. И не всегда с пользой для неё. Деятельность человека незаметно для него самого постепенно превратилась в мощную геологическую силу. И Вернадский вводит понятие ноосферы. Что это такое? Ноосфера (от греч. noos - разум) - это современная биосфера, частью которой является человечество. "Человечество, взятое в целом - писал Вернадский - становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера… [Человек] может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше". Владимир Иванович Вернадский Но эти взгляды Вернадского не соответствовали тогдашней государственной идеологии. В вышедшей в 1934 г. Малой Советской энциклопедии о Вернадском написано: "По своему мировоззрению - сторонник идеалистической философии. В научных трудах проводит идеи "нейтрализма" науки, выступает в защиту религии, мистики, исконности жизни и "живой материи", и ряда виталистических и антиматериалистических концепций, отрицая материалистическую диалектику". Вернадский считал движущей силой ноосферы не только разум, но и дух народа - его биополе. Действительно, часто в местах народных волнений происходят природные катаклизмы. И только в XXI веке эти идеи получили экспериментальное подтверждение. В взаимосвязи биополя и структуры воды. Рассматривая воду как минерал, Вернадский в работе "История минералов земной коры" дал минералогию воды. Он развивал учение о единстве вод и других минералов Земли. Вода - самый распространённый на Земле минерал, присутствует везде и служит мостом, связывающим биополя отдельных живых существ, как между собой, так и с неживой природой. Умер Владимир Иванович Вернадский 6 января 1945 года на восемьдесят втором году жизни. А его идеи только сейчас начинают доходить до нас. 25 Основы экологии. Экологический кризис Экологический кризис происходит, когда среда обитания одного из видов или популяции изменяется так, что ставит под сомнение его дальнейшее выживание. Основные причины кризиса: Абиотические: качество окружающей среды деградирует по сравнению с потребностями вида после изменения абиотических экологических факторов (например, увеличение температуры или уменьшение количества дождей). Биотические: окружающая среда становится сложной для выживания вида (или популяции) из-за увеличенного давления со стороны хищников или из-за перенаселения. Кризис может быть: глобальным; локальным. Бороться с глобальным экологическим кризисом гораздо труднее, чем с локальным. Решение этой проблемы можно достигнуть только минимизацией загрязнений, произведенных человечеством, до уровня, с которым экосистемы будут в состоянии справиться самостоятельно. В настоящее время глобальный экологический кризис включает четыре основных компонента: кислотные дожди, парниковый эффект, загрязнение планеты суперэкотоксикантами и так называемые озоновые дыры. Эволюционная теория прерывистого равновесия предполагает, что редкие экологические кризисы могут быть двигателем быстрой эволюции. Исчезновение многообразия видов Исчезает огромное количество видов. Каждый год от 17 до 100 тысяч видов исчезает. Скорость, с которой виды становятся исчезающими, необыкновенно выросла за последние годы. Иcчезновение видов из экосистемы рано или поздно коснется каждого. В США и Канаде, было зафиксировано необыкновенное сокращение популяции акул вдоль восточного побережья. Одновременно с этим было зафиксированно увеличение популяции скатов, которые в свою очередь, на порядок сократили количество ракообразных в том же регионе. Сокращение количества ракообразных привело к ухудшению качества воды и к сокрыщению подводных полей. Разнообразие видов сокращается с огромной скоростью. Чем больше видов в экосистеме, тем лучше она эволюционирует. Семь миллионов квадратных километров тропического леса исчезли за последние 50 лет. Два миллиона из них были впоследствии использованы под сельское хозяйство, остальные же пять для этого не подходят. Чтобы вернуть на них лес требуется примерно пять миллиардов тонн углерода из атмосферы каждый год в течение 10-20 лет. Лесонасаждение тем не менее, принесет огромную пользу разнообразию видов.. [править] Перенаселение В дикой природе проблема перенаселения решается с помощью хищников. Хищники отлично замечают следы болезни в своих жертвах и поедают в основном старых и больных. Побочным действием является выживание самых сильных и ограничение роста популяции . В отсутствие хищников, виды ограничиваются ресурсами, которые они могут найти на территории обитания, но это не всегда сдерживает перенаселение. Фактически, изобилие ресурсов может вызвать бум рождаемости который выльется в то, что в регионе окажется больше потребителей, чем он может прокормить. В этом случае, голод и жесточайшая конкуренция за оскудевшие ресурсы приведет популяцию к краху, причем очень быстро. Лемминги и некоторые другие грызуны, известны такими такими периодами быстрого роста и следующего за ними падения. В идеале, вместе с ростом популяции, растет и популяция хищников, ей питающихся. Животные, слабые генетически, или имеющие врожденные дефекты, также вскоре умирают, будучи неспособными соревноваться за выживание со здоровыми. В реальности же, животные, появившиеся в регионе извне имеют преимущество перед местными, например они могут быть "несъедобными" для местных хищников. В отсутствие контроля, такие животные могут мгновенно вырасти в количестве и практически уничтожить экосистему. 25 ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС Экологический кризис - кризис взаимоотношений общества и природы, сохранения окружающей среды. На протяжении тысячелетий человек постоянно увеличивал свои технические возможности, усиливал вмешательство в природу, забывая о необходимости поддержания в ней биологического равновесия.Особенно резко возросла нагрузка на окружающую среду во второй половине XX в. Во взаимоотношениях между обществом и природой произошел качественный скачок, когда в результате резкого увеличения численности населения, интенсивной индустриализации и урбанизации нашей планеты хозяйственные нагрузки начали повсеместно превышать способность экологических систем к самоочищению и регенерации. Вследствие этого нарушился естественный круговорот веществ в биосфере, под угрозой оказалось здоровье нынешнего и будущего поколения людей.Экологическая проблема современного мира не только остра, но и многогранна. Она проявляется практически во всех отраслях материального производства (особенно в сельском хозяйстве, химической промышленности, черной и цветной металлургии, атомной энергетике), имеет отношение ко всем регионам планеты. ИСТОЩЕНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ По меньшей мере, 94% из примерно полмиллиарда различных видов, которые жили на земле, исчезли или эволюционировали в новые виды. Массовое вымирание в далеком прошлом происходило в результате неизвестных природных причин. Однако с тех пор, как 10 000 лет назад зародилось земледелие, в результате человеческой деятельности скорость исчезновения видов возросла в миллионы раз и предполагается, что такая тенденция сохранится в ближайшие десятилетия. Виды, которые могут вскоре исчезнуть, классифицируются как виды, подвергающиеся опасности исчезновения, а те, которые, вероятно, будут подвергаться опасности, классифицируются как виды, находящиеся под угрозой исчезновения.Основными, связанными с деятельностью человека факторами, которые способны подвергнуть виды угрозе, опасности или исчезновению, являются:1. Уничтожение или нарушение мест обитания2. Промысловая охота3. Контролирование вредителей и хищников для защиты домашнего скота, сельскохозяйственных культур и для охоты4. Разведение в качестве домашних животных, декоративных растений, для медицинских, исследований и для зоопарков5. Загрязнение6. Случайная или намеренная интродукция конкурирующих или хищных видов в экосистемы7. Рост населенияРяд видов обладает природными особенностями, которые в большей степени способствуют их исчезновению в результате деятельности человека и природных катастроф, чем другие виды. Это: медленная скорость размножения, крупный размер, ограниченные или особые районы гнездования или размножения, особые привычки питания, установленные способы миграции и определенный тип поведения.Бытовые и промышленные отходы являются одним из факторов разрушения природной среды. Приблизительно за 500 лет до нашей эры в Афинах был издан первый из известных эдикт, запрещающий выбрасывать мусор на улицы, предусматривающий организацию специальных свалок и предписывающий мусорщикам сбрасывать отходы не ближе чем за милю от города.С тех пор мусор складировали на различных хранилищах в сельской местности. В результате роста городов свободные площади в их окрестностях уменьшались, а неприятные запахи, возросшее количество крыс, вызванное свалками, стали невыносимыми. Отдельно стоящие свалки были заменены ямами для хранения мусора.Около 90 % отходов в США до сих пор закапывается. Но свалки в США быстро заполняются, и страх перед загрязнениями подземных вод делает их нежелательными соседями. Эта практика заставила людей во многих населенных пунктах страны прекратить потребление воды из колодцев. Желая уменьшить этот риск, власти Чикаго с августа 1984 г. объявили мораторий на разработку новых площадей под свалку до тех пор, пока не будет разработан новый вид мониторинга, следящего за перемещением метана, так как если не проконтролировать его образование, он может взорваться.Даже простое захоронение отходов является дорогостоящим мероприятием. С 1980 по 1987 гг. стоимость захоронения отходов в США возросла с 20 до 90 долларов за 1 т. Тенденция к удорожанию сохраняется и сегодня.В густонаселенных районах Европы способ захоронения отходов, как требующий слишком больших площадей и способствующий загрязнению подземных вод, был предпочтен другому — сжиганию. Первое систематическое использование мусорных печей было опробовано в Ноттингеме, Англия, в 1874 г. Сжигание сократило объем мусора на 70-90 %, в зависимости от состава, поэтому оно нашло свое применение по обе стороны Атлантики. Густонаселенные и наиболее значимые города вскоре внедрили экспериментальные печи. Тепло, выделяемое при сжигании мусора, стали использовать для получения электрической энергии, но не везде эти проекты смогли оправдать затраты. Большие затраты на них были бы уместны тогда, когда не было бы дешевого способа захоронения. Многие города, которые применили эти печи, вскоре отказались от них из-за ухудшения состава воздуха. Захоронение отходов осталось в числе наиболее популярных методов решения данной проблемы.Наиболее перспективным способом решения проблемы является переработка городских отходов. Получили развитие следующие основные направления в переработке: органическая масса используется для получения удобрений, текстильная и бумажная макулатура используется для получения новой бумаги, металлолом направляется в переплавку.Основной проблемой в переработке является сортировка мусора и разработка технологических процессов переработки.Экономическая целесообразность способа переработки отходов зависит от стоимости альтернативных методов их утилизации, положения на рынке вторсырья и затрат на их переработку. Долгие годы деятельность по переработке отходов затруднялась из-за того, что существовало мнение, будто любое дело должно приносить прибыль. Но забывалось то, что переработка, по сравнению с захоронением и сжиганием, — наиболее эффективный способ решения проблемы отходов, так как требует меньше правительственных субсидий. Кроме того, он позволяет экономить энергию и беречь окружающую среду. И поскольку стоимость площадей для захоронения мусора растет из-за ужесточения норм, а печи слишком дороги и опасны для окружающей среды, роль переработки отходов будет неуклонно расти. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И СПОСОБЫ ОХРАНЫ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ.Для охраны подвергающихся опасности и угрозе вымирания диких видов и для предотвращения опасности, которой могут подвергнуться другие виды, используются три основные стратегии:1. Принятие соглашений, законов и создание заповедников2. Использование генных банков, зоопарков, исследовательских центров,ботанических садов и аквариумов для сохранения небольшого количества диких животных3. Охрана и защита разнообразия уникальных и типичных экосистем во всем миреМенеджмент диких животных подразумевает регулирование популяций диких видов и их мест обитания для пользы человека, благополучия других видов и для охраны подвергающихся опасности или угрозе вымирания видов. Для достижения этих часто противоречивых целей используются три подхода:1. Охрана относительно ненарушенных областей от наносящей вред человеческой деятельности2. Регулирование численности популяций, растительности в местах обитания и запасов воды для поддержания видового разнообразия территории3. Регулирование размеров популяций, растительности в местах обитания и запасов воды на конкретной территории для благополучия отдельного видаВ большинстве развитых стран популяции охотничьих животных регулируются законами, которые определяют способ и время спортивной охоты на определенные виды. Менеджмент водоплавающих перелетных птиц может осуществляться посредством:1. Охраны существующих мест обитания на лугах и заболоченных участках в районах их летних и зимних гнездований и вдоль путей миграции2. Создания новых мест обитания3. Регулирования охотыДля регулирования популяций ценных промысловых и представляющих интерес для спортивной рыбной ловли пресноводных и морских видов рыб также используются законы и постановления. Однако многие важные промысловые виды морских рыб и китов добывались в интересах краткосрочной экономической выгоды до тех пор, пока они не стали столь малочисленны, что ловить их стало невыгодно.В настоящее время ведутся разработки новых, более эффективных способов управления популяциями животных, делаются попытки оградить дикую природу от антропогенного воздействия, или хотя бы свести это воздействие к минимуму, при котором популяции животных перестали бы уменьшаться. ПУТИ ПРЕОДОЛЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КРИЗИСА.Во многих странах проблема экологии стоит на первом месте, но, увы, не в нашей стране, по крайней мере, раньше, но сейчас ей начинают уделять все больше внимания, принимаются новые экстренные меры:- усилить внимание к вопросам охраны природы и обеспечения рационального использования природных ресурсов;- установить систематический контроль за использованием предприятиями и организациями земель, вод, лесов, недр и других природных богатств;- усилить внимание к вопросам по предотвращению загрязнения и засоления почв, поверхностных и подземных вод;- уделять большое внимание сохранению водо-охранных и защитных функций лесов, сохранению и воспроизводству растительного и животного мира, предотвращению загрязнения атмосферного воздуха;- усилить борьбу с производственным и бытовым шумом.Для улучшения охраны зеленых зон и лесопарковых территорий необходимо определить их четкие границы. Должны быть установлены и благоустроены в них места длительного и кратковременного отдыха населения. Организована охрана и своевременная очистка данных территорий. Значительную роль играет проведение работ по расширению в городах и пригородных зонах площади зеленых насаждений, создание новых парков, садов, скверов. Также строго ограничивать отвод земельных участков в лесах зеленых зон городов, лесных защитных полосах и других лесах первой группы, для целей, не связанных с развитием лесного хозяйства.Землепользователи обязаны проводить эффективные меры по повышению плодородия почв, осуществлять комплекс организационно-хозяйственных, агротехнических, лесомелиоративных и гидротехнических мероприятий по предотвращению ветровой и водной эрозии почв, не допускать засоления, заболачивания, загрязнения земель, зарастания их сорняками, а также других процессов, ухудшающих состояние почв.Промышленные и строительные предприятия организации, учреждения обязаны не допускать загрязнения сельскохозяйственных и других земель производственными и другими отходами, а также сточными водами.Одной из главных задач является регулирование водных отношений в целях обеспечения рационального использования вод для нужд населения и народного хозяйства. Кроме того, существуют и другие задачи:- охрана вод от загрязнения, засорения и истощения;- предупреждения и ликвидации вредного воздействия вод- улучшение состояния водных объектов;- охрана прав предприятий, организаций, учреждений и граждан, укрепление законности в области водных отношений.Запрещается ввод в эксплуатацию:- новых и реконструированных предприятий, цехов и агрегатов, коммунальных и других объектов, не обеспеченных устройствами, предотвращающими загрязнение и засорение вод или их вредное воздействие;- оросительных и обводнительных систем, водохранилищ и каналов до проведения предусмотренных проектами мероприятий, предотвращающих затопление, подтопление, заболачивание, засоление земель и эрозию почв;- осушительных систем до готовности водоприемников и других сооружений в соответствии с утвержденными проектами;- водозаборных сооружений без рыбозащитных устройств в соответствии с утвержденными проектами;- гидротехнических сооружений до готовности устройств для пропуска паводковых вод и рыбы в соответствии с утвержденными проектами;- буровых скважин на воду без оборудования их водорегулирующими устройствами и установление в соответствующих случаях зон санитарной охраны;- запрещается наполнение водохранилищ до осуществления предусмотренных проектами мероприятий по подготовке ложа.Все воды подлежат охране от загрязнения, засорения и истощения, которые могут причинить вред здоровью населения, а также повлечь уменьшение рыбных запасов, ухудшение условий водоснабжения и другие неблагоприятные явления вследствие изменений физических, химических, биологических свойств вод.Немаловажное значение для охраны окружающей среды имеет выбор территории для строительства новых и расширения существующих городов и других населенных пунктов. Следует выбирать территории на землях не сель хозяйственного назначения или непригодных для сельского хозяйства либо на сельскохозяйственных землях худшего качества. Первоочередному освоению подлежат свободные от застройки земли, находящиеся в пределах границ, установленных для этого города или другого населенного пункта.Из всех проблем, названных выше, выплывает главная проблема - проблема здравоохранения: сейчас очень трудно встретить абсолютно здорового человека.Большее внимание нужно уделять санитарным требованиям, предъявляемым к планировке и застройке населенных пунктов:1) Планировка и застройка населенных пунктов должны предусматривать создание наиболее благоприятных условий для жизни и здоровья населения.2) Жилые массивы, промышленные предприятия и другие объекты должны размещаться таким образом, чтобы исключить неблагоприятное влияние вредных факторов на здоровье и санитарно-бытовые условия жизни населения,3) При проектировании и строительстве городов и поселков городского типа должны предусматриваться: водоснабжение, канализация, устройства уличных покрытий, озеленение, освещение, обеспечение санитарной очистки и другие виды благоустройств. КОНЦЕПЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОБЩЕСТВА И ПРИРОДЫ.Защита окружающей среды - проблема очень сложная и многогранная, для ее решения не достаточно одних только экологических мер. Для того чтобы решить ее, необходимо, прежде всего, покончить с бедностью. Неоценимую помощь в этом деле могут оказать внешние инвестиции и экспорт передовых (по крайней мере, относительно передовых) технологий: создание новых рабочих мест увеличит благосостояние жителей, а, следовательно - и благосостояние государства, и его способность оплачивать экологические программы. Местные товары, благодаря дешевизне рабочей силы и ресурсов, будут для большинства населения привлекательнее импортных, что значительно снизит потребность в экспорте сырья для покрытия внешнеторгового дефицита. И, наконец, более современные технологии являются и более экологически чистыми. Но вместе с тем, и технологии, и оборудование должны быть приспособлены к конкретным условиям той или иной страны.Важным подспорьем в деле защиты природы явилось бы развитие национальной науки и особенно - технических наук. Многие развивающиеся страны уже осознали это: создается система высшего образования, появляются специалисты высокого класса, но недостаток финансирования (в 80-х годах развивающиеся страны расходовали на науку всего 3% общемировых затрат) не позволяет радикально изменить ситуацию. И главной задачей стран третьего мира является не столько проведение исследований, сколько эффективное использование уже накопленных знаний.Охрана природы невозможна без активной помощи государства, и в этом вопросе нельзя не заметить позитивных сдвигов: во многих странах (Индия, Нигерия, Филиппины и др.) уже действуют государственные учреждения по экологии, в программах социально - экономического развития, принятых рядом развивающихся стран, появился тезис об эффективности природопользования. Особенно последовательную программу проводит Индия. Однако в большинстве стран Азии, Африки и Латинской Америки экологическое законодательство либо отсутствует, либо действует неэффективно. Отчасти это объясняется недостатком средств, отчасти - несовершенством системы управления, а во многом - боязнью отпугнуть инвесторов. Без радикальных изменений в данной сфере решить экологическую проблему невозможно.Использование альтернативных источников энергии могло бы значительно снизить остроту энергетической проблемы, позволив уменьшить потребление угля и нефти, сократить вырубку лесов. Азиатские страны, сосредотачивая 30% мирового гидроэнергетического потенциала, используют его только на 7.5%, Африка, способная производить 19% мировой гидроэлектроэнергии, использует свой потенциал всего на 1.5%. Но вряд ли стоит переоценивать перспективность этого направления: неизбежная потеря земель в зоне затопления может обернуться издержками, превышающими выгоду. Более перспективным представляется использование геотермальной, солнечной энергии и энергии ветра. В некоторых странах хорошие результаты дало применение биогаза.Очень серьезным подспорьем для экологии стала бы демилитаризация экономики (особенно это касается стран Латинской Америки). Военные расходы съедают огромную долю национального продукта, требуют большого импорта, а сами военные заводы наносят невосполнимый вред окружающей среде.Необходимо законодательное регулирование экспорта природных ресурсов и согласованность действий различных государств при проведении экспортной политики. И опыт 1973 года, когда странам-членам ОПЕК удалось заставить развитые государства считаться с их интересами, говорит о многом. Однако проведение такой политики требует большой взвешенности: можно очень легко потерять старые рынки. После трехкратного повышения цен на нефть страны Запада стали изыскивать внутренние источники, одновременно сокращая потребление энергии, и в 1986 г. цены на нефтепродукты снова упали.Для эффективного использования природных ресурсов ряд советских ученых предлагал создать территориально производственные комплексы по примеру Сибири, что уменьшило бы транспортные расходы, позволило бы на месте перерабатывать отходы, принося не только экономический, но и серьезный экологический эффект. Как мне кажется, рациональное зерно в этом предложении, безусловно, есть, но затраты, связанные с осуществлением этого проекта, вряд ли окажутся в ближайшее время по силам развивающимся странам.Создание обширных национальных парков позволит спасти от вымирания многие виды животных. Значительной будет и экономическая отдача: туристов всегда привлекала южная экзотика, а парк сможет им эту экзотику предложить в самом лучшем виде. Опыт некоторых африканских стран позволяет смотреть на это направление с оптимизмомИ, наконец, охрана природы развивающихся стран невозможна без внешней помощи. Возможно, это утверждение покажется оторванным от реальности, однако в настоящее время к пониманию этого приходят и на Западе: для примера можно назвать работы А.Льюиса, Г.Зингера и многих других Экосистема Земли едина, и последствия экологических катаклизмов не ограничатся рамками одного региона: уничтожение тропических лесов повысит содержание углекислого газа во всей атмосфере, кислотные тучи не знают национальных границ, загрязнение мирового океана также отразится на судьбе всего мира, и эти примеры можно продолжить. Если сейчас многие развитые страны, прямо скажем, по-хищнически относятся к Востоку, то через некоторое время неизбежно придет понимание того, что нельзя строить собственное экономическое благополучие за счет других стран: расплата будет неизбежной.

Показать полностью…
Похожие документы в приложении