Материал: Тесты с ответами по естествознанию

Течение многих химических реакций весьма сложно, а иногда попросту трудноуправляемо: одни из них почему-то невозможны, другие невозможно или сложно остановить (горение, взрыв), третьи ветвятся и т. п. Методы управления химическими реакциями подразделяются на термодинамические и кинетические, при которых главенствующую роль играют те или иные катализаторы.

Каждая химическая реакция обратима. Обратимость служит основанием равновесия между прямой и обратимой реакциями. В зависимости от природы реагентов и условий процесса, равновесие может смещаться в прямую либо в обратную сторону изменением температуры, давления и концентрации реагентов. Подобрать, однако, условия осуществления тех или иных, на первый взгляд простых, реакций, иногда не удавалось в течение ста и более лет. Такой реакцией оказалась реакция синтеза аммиака из молекулярных азота и водорода, впервые успешно осуществленная в 1913 г., после открытий Я. Вант-Гоф-фом и А. Ле Шателье принципа, получившего их имена. Согласно этому принципу любое изменение одного из условий равновесия вызывает смещение системы в таком направлении, которое уменьшает первоначальное изменение. Оказалось, что аммиак может синтезироваться в присутствии металлоорганического катализатора (первоначально специально обработанного железа) при высоком давлении и нормальной температуре.

Термодинамическое воздействие оказывает влияние на направленность реакции, а вот функции управления скоростью химической реакцией выполняет химическая ки-нетика, ускоряя или замедляя реакции с помощью катализаторов и ингибиторов, соответственно. Химический катализ был открыт в 1812 г. русским химиком Константином Кирхгофом (не путать с немецким физиком Густавом Кирхгофом, установившим законы для электрической цепи, первооткрывателем спектроскопии вместе с Р. Бун-зеном и т. д.). Среди катализаторов особая роль принадлежит ферментам, своеобразным живым катализаторам, сыгравшим ключевую роль в возникновении жизни.

8.7. Концепции и принципы эволюционной химии и самоорганизации эволюционных химических систем

Система и концепции эволюционной химии стали формироваться в 60-70-е годы XX века и в своей основе отвечают давней мечте химиков освоить и перенять опыт лаборатории живого организма, понять, как из неорганической (косной) материи возникает органическая, а затем и живое вещество — жизнь. Здесь опять можно упомянуть И. Берцелиуса, а дополнительно немца Ю. Либиха, француза М. Бертло.

Наш выдающийся химико-физик, Нобелевский лауреат по химии Николай Николаевич Семенов представлял химические процессы в тканях растений и животных как химическое производство живой природы, как производство неких «молекулярных машин» совершенно исключительной точности, быстроты и необычайного совершенства. Это подтверждается открытым недавно синтезом больших белковых молекул со строгим чередованием аминокислот. Клетки имеют в своем составе субмикроскпические «сборные заводики» — рибосомы, содержащие рибонуклеиновые кислоты (РНК), как сборные «машины». Каждый вид коротких молекул транспортных РНК захватывает один определенный вид аминокислот, несет их в рибосому и ставит каждую аминокислоту на свое место согласно информации, содержащейся в молекулах РНК. Тут же к аминокислотам подходят катализаторы-ферменты и осуществляют «сшивку» аминокислот в одну молекулу белка со строгим чередованием. Это настоящий природный завод, строящий молекулу по плану, выработанному организмами в процессе эволюции. Вот эти планы живых организмов и предполагается использовать в новой эволюционной химии.

А начиналось это направление в трудах великого французского биолога Луи Пастера при исследовании процесса брожения, осуществляемого деятельностью молочнокислых бактерий. Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне материальной организации ферментов, что в конечном итоге привело к созданию такой науки, как ферментология, к успехам эволюционного катализа и молекулярной биологии. Так было установлено, что состав и структура биополимеров имеют единый набор для всех живых организмов и что одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизнедеятельности. Кроме того, была доказана уникальная специфичность живого, проявляющаяся не только на высших уровнях организации клетки, но и в поведении фрагментов живых организмов на молекулярном уровне, на котором также действуют закономерности других уровней.

Специфика молекулярного уровня живых и неживых систем — в существенном различии принципов действия ферментов и катализаторов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров. Структура указанных полимеров определяется только генетическим кодом (сегодня точно известным науке), и, наконец, в таком поразительном факте, что многие химические реакции окислительно-восстановительного характера могут происходить в клетке без непосредственного контакта между реагирующими молекулами. Таким образом, в живых организмах могут происходить и происходят такие химические превращения, которые, казалось бы, невозможно было встретить в неживой природе. Но постепенно они стали доступны химикам, когда удалось освоить каталитический опыт природы, живой клетки.

Факт того, что ферментный катализ играл решающую, фундаментальную роль в процессе перехода от химических систем к системам биологическим, т. е. на предбиоло-гической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными. Исключительно важную роль сыграла реакция по самоорганизации химических систем, проведенная выдающимся советским биохимиком Борисом Павловичем Белоусовым, затем тщательно изученная А. М. Жаботинским, вошедшая в арсенал современной эволюционной химии под названием реакции Белоусова -Жаботинского. Эта реакция сопровождается образованием специфических пространственных и временных структур (например, периодическое чередование цвета жидкости) за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Вот в этих реакциях самоорганизации как раз решающая роль принадлежит именно каталитическим процессам.

Понятие «самоорганизации» (более подробно см. в гл. 12) означает упорядоченность существования материальных динамических, качественно изменяющихся систем. Роль каталитических процессов в них усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Отрадно, что определяющее значение в исследовании этого плана сыграли работы отечественных ученых И. В. Березина, А. А. Баландина и особенно А. П. Руденко, создавшего в 1964-1969 гг. единую теорию химической эволюции и биогенеза. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, уровне химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции. Сущность теории Руденко состоит в утверждении и обосновании принципа того, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие открытых каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакций происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью.

Александр Прокопьевич Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.

Следует также отметить, что эволюционный процесс предполагает особый дифференцированный отбор лишь тех химических элементов и соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно упомянуть, что более чем из ста химических элементов лишь шесть — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера — общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%, получивших название органо- или биогенов, служат основой для построения живых систем.

Резюме

Менделеев называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях»; другие определяют ее как «науку о веществах и их превращениях» либо как «науку, изучающую процессы качественного превращения веществ» и т. д., наиболее полное определение: «химия — наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения».

Главная задача химии — задача получения веществ с необходимыми свойствами. Эта задача и научная и производственная, что определяет основную, можно сказать, двуединую основную проблему химии: 1. Получение веществ с заданными свойствами как производственная, практическая задача; 2. Выявление способов управления свойствами веществ как задача научно-исследовательская.

Решение этих проблем породило четыре основных этапа (концептуальные системы) в развитии химии с XVII века по настоящее время.

Первая концептуальная система — учение об элементном составе веществ, вторая — о структуре химических соединений, третья — учение о химических процессах и последняя, четвертая концептуальная система, — эволюционная химия.

Последняя, четвертая система, представляет собой единую теорию химической эволюции и биогенеза. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, уровне химической организации, иерархии химических систем как следствие эволюции.

Вопросы для обсуждения

1. Сформулируйте основные положения учений Дальтона и Берцелиуса. Чем разрешилась проблема о химическом элементе?

2. Какие проблемы охватывает учение о химических процессах?

3. В чем сущность обратимости химических реакций и в чем состоит роль температуры и давления для течения реакции?

4. Какова сущность катализа, катализаторов и ингибитаров?

5. В чем состояли идеи Луи Пастера при исследовании процесса брожения?

6. Какова роль ферментов в живой клетке?

7. В чем заключается естественный отбор химических элементов для образования живых организмов? Чем определяется основополагающая роль углерода для жизни?

8. Как возникает самоорганизация эволюционных систем? Охарактеризуйте реакцию Белоусова-Жаботинского.

9. Концепции и принципы биологического естествознания

9.1. Объекты биологического познания и структура биологических наук

Исторически биология развивалась как описательная (феноменологическая) наука о многообразных формах, видах и взаимосвязях растительного и животного мира. Это позволяет в начале XXI века определить ее как совокупность наук о живой природе, многообразии существовавших и существующих живых организмов, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает закономерности, возникающие в живых системах во всех их проявлениях (метаболизм или обмен веществ, наследственность, изменчивость, рост, раздражимость, подвижность, приспособляемость и др.).

В биологии, как ни в какой другой науке, важнейшую роль играли и играют методы анализа, систематизации и классификации эмпирического материала, заложенные впервые Аристотелем, затем продолженные К. Линнеем (1707-1778 гг.), Ж. Бюффоном (1707-1788 гг.), Ж. Ламарком (1744-1829 гг.), Э. Сент-Илером (1772-1844 гг.) и великим Ч. Дарвином (1809-1882 гг.). Структуру биологии как науки, как обширной совокупности наук сегодняшнего дня, можно рассматривать с нескольких точек зрения классификации и систематизации: по объектам, по свойствам, по уровням организации живого, выделять в ней основные этапы и биологические парадигмы.

По объектам исследования биологию подразделяют на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.

По свойствам, проявлениям живого допускается следующая классификация биологических наук: морфология — наука о строении живых организмов; физиология — наука о функционировании организмов; молекулярная биология — наука о микроструктуре живых тканей и клеток; биоэкология — наука об образе жизни сообществ растительного и животного мира, их взаимосвязях с окружающей средой; генетика — наука о наследственности и изменчивости.

По уровню организации живых организмов выделяют: анатомию - науку о макроскопическом строении животных и человека; гистологию — науку о строении тканей; цитологию — науку о строении живых клеток.

Исторически в биологии свершились три этапа: 1-й — систематики (К. Линней); И-й — эволюционный (Ч. Дарвин); III-й — биологии микромира (Т. Мендель, 1822-1884 гг.), каждый из которых порождал соответствующую биологическую парадигму (научно-исследовательскую программу).

Выявленные в ходе изучения живого масштабы позволяют дать следующую иерархию (структуру) уровней организации живых систем, в которой отражены их сложность и закономерности функционирования:

1. Биосферный — рассматривающий целостность всех живых организмов и окружающей среды, порождающий глобальную экологию планеты.

2. Уровень биогеоценозов — структурный уровень единства флоры и фауны (биоценоза) с населяемой географической областью планеты.

(Данное определение биогеоценоза предложил выдающийся советский биолог В. Н. Сукачев; употребляется как синоним экосистемы)

3. Популяционно-видовой уровень — образующийся свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.

4. Организменный или органо-тканевый уровень — все об отдельных особях: строение; физиология; поведение; функции органов и тканей.

5. Клеточный и субклеточный уровни — отражающие особенности функционирования и специализацию клеток, внутриклеточных особенностей.

6. Молекулярный уровень, на котором решаются проблемы генетики, генной инженерии и биотехнологий.

Не имея возможности осветить все аспекты биологических структур и концепций, остановимся лишь на особо значимых.

9.2. Гипотезы возникновения жизни и генетического кода

Первыми поставили как научную проблему и выдвинули гипотезу абиогенного синтеза органических соединений в условиях первобытной Земли русский биохимик А. И. Опарин (1894-1980 гг.), английский физиолог Дж. Холдейн (1860-1936 гг.) и английский физик Дж. Верная (1901-1971 гг.). Сложность проблемы самой жизни, непонимание многих факторов и явлений, имеющих место на уровне клеток и организмов (возникновение матричного механизма, универсальность генетического кода при отсутствии универсальности белков, особенности структуры ДНК и др.)» заставила многих ученых зачастую обращаться к фантастическим гипотезам и теориям происхождения жизни. Так возникли гипотезы типа: жизнь создана Богом; занесена на Землю из космоса; внеземное послание других цивилизаций; генетический код как реликт, попавший на Землю от живых систем предыдущего цикла Вселенной, и т. д.

В проблеме происхождения жизни есть трудно разрываемая круговая проблема; для саморепродукции нуклеиновых кислот — основы генетического кода (будем считать этот факт хорошо известным каждому) — необходимы ферментные белки, а для синтеза белков — нуклеиновые кислоты; вот круг и замкнулся. Что первично: белки или нуклеиновые кислоты, «курица или яйцо»? Все существующие концепции происхождения жизни разделяются на две — голобиоз и генобиоз. Голобиоз основывается на первичности структур типа клеток, способных к элементарному обмену. Это концепция Опарина и его последователей. Генобиоз, напротив, первичными признает системы со свойствами генетического кода. Это концепция Дж. Холдейна, гипотеза так называемого «голого гена». Проблема противостояния концепций сводится к вопросу первичности или старшинства — генетической репродукции перед метаболизмом или, наоборот, метаболизма перед генетической репродукцией. Но как бы ни разрешилась эта проблема в будущем, сейчас надо принимать во внимание твердо установленные факты: диссимметрию или хиральность нуклеиновых кислот ДНК и РНК как фундаментальный признак живой материи, первичность молекулы РНК (сейчас уже под глубоким вопросом), наличия у нее автокаталитической способности, совмещения в ней черт фенотипа и генотипа. Но поиск ответов на вопрос надо вести и в других направлениях, особо принимая во внимание, что хиральность и первичность РНК не могли возникнуть в ходе длительной эволюции, а, скорее всего, возникли скачком, сразу, вдруг, за конечное время, в считанные годы, месяцы, сутки или, может быть, даже часы!