Файл: Концепций Современного Естествознания.doc

3. II этап (XVIII- XIX вв.) – проблемы и их решение на уровне структурной химии.

Теория строения вещества Дж. Дальтона отвечала на вопрос: «Как можно отличить истинное вещество от смесей?». Но она не давала ответа на вопросы: «Каким образом объединяются атомы в молекулы?» «Существует ли какая-то упорядоченность в расположении атомов в молекуле?» «И как это может влиять на свойства вещества?»

На эти вопросы попытался дать ответ швед. химик И. Я. Берцелиус, который предложил новую модель атома в виде электрического диполя. Он выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы разных химических элементов обладают различной электроотрицательностью, и расположил их в своеобразный ряд по мере увеличения электроотрицательности. Он полагал, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а имеет определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами.

В 1840 г. фр. ученый Ш. Жерар показал, что структуры Берцелиуса справедливы не во всех случаях. Есть масса веществ, молекулы которых невозможно разложить на отдельные атомы под действием электрического тока. Именно такую систему Жерар предлагал называть молекулой. Он разработал теорию типов органических соединений.

Оставался открытым вопрос: какие же силы заставляют связываться атомы в молекулы? В 1857 г. нем. химик А. Кекуле обнародовал свои наблюдения о свойствах отдельных элементов, которые могут замещать атомы водорода в ряде соединений. Это были основополагающие положения теории валентности веществ. А. Кекуле вводит в обиход новый химический термин сродство, который обозначал количество атомов водорода, которое может заместить данный химический элемент. Число единиц сродства химического элемента ученый в последующем назвал валентностью атома. При объединении атомов в молекулу происходит замыкание свободных единиц сродства. Например:

Н- + Н- + -О- → Н – О – Н

Схемы Кекуле не всегда можно было осуществить на практике. Это происходило потому, что формульный схематизм не учитывал реакционную способность веществ, вступающих в химическое взаимодействие.

Ответы на волнующие вопросы дала теория химического строения рус. ученого А.М. Бутлерова. в своей теории, основываясь на выкладках Кекуле, он указывал на важность того, с каким «напряжением», большей или меньшей энергией, это сродство связывает вещества между собой. Другими словами, А.М. Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей таких как, например, одинарной, двойной или тройной в органических соединениях. Его теория указала на причины активности одних веществ и пассивности других.

А в 1869 г. рус. химик Д.И. Менделеев совершил революцию в естествознании, установив связь между химическими и физическими свойствами отдельных элементов и взаимную связь между всеми химическими элементами, открыв периодический закон и составив периодическую систему химических элементов.

---

Периодический закон: «свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома».

Основной принцип построения таблицы – это размещение элементов в порядке возрастания их атомных весов. Тем самым он дал ответ на вопрос: какова же причина периодических изменений физических и химических свойств элементов – она кроется в периодичности строения электронных оболочек атомов. Основным постулатом таблицы являлось то, что валентность химического элемента определяется числом электронов на внешней электронной оболочке.

4. III этап (XIX) – учение о химических процессах.

Успех синтеза того или иного соединения часто зависел от каких-то непредсказуемых обстоятельств. Этот факт не устраивал производителей процессами. Необходимо было научиться управлять химическими процессами. Учение о химических процессах – это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии.

В основе этого учения находится химическая термодинамика и кинетика. Каждая химическая реакция обратима и представляет собой перераспределение химических связей. На практике равновесие смещается в ту или иную сторону, в зависимости от природы реагентов и условий процесса. Какими же методами пользуются химики, чтобы управлять химическими процессами?

Методы управления химическими процессами: 1) термодинамические – это методы, влияющие на смещение химического равновесия реакции. В решение этой проблемы внес свой вклад в 1884 г. гол. химик Я. Вант-Гофф, который обосновал закон, устанавливающий зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции.

В этом же году фр. химик А. Ле-Шателье сформулировал принцип подвижного равновесия, при котором основными управляющими рычагами реакции выступали температура, давление и концентрация реагирующих веществ.

2. кинетические – это методы, влияющие на скорость протекания реакции. В решение этой проблемы внес свой вклад в 1812 г. рус. академик К.С. Кирхгоф, открыв явление химического катализа. Катализ – это способ проведения химической реакции, особенность которого – активация молекул реагента при их контакте с катализатором. При этом происходит как бы «расслабление» химических связей в исходном веществе, «растаскивание» его на отдельные части, которые затем легче вступают во взаимодействие друг с другом.

5. IV этап (вторая половина XX в.) – эволюционная химия.

В 1960 – 1979 гг. появился новый способ решения основных проблем химии, который получил название «эволюционная химия». В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения химических продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. самоорганизации химических систем.

---

Для самоорганизации необходимы как дополнительная энергия, так и способность системы к этой самоорганизации. Наблюдая за химическими процессами, происходящими в живых клетках, химики обнаружили способность биологических систем к самоорганизации. Основная роль в этих реакциях отводится биохимическим катализаторам – ферментам. Но при вычленении их из живой материи, они становятся очень неустойчивыми, при хранении быстро портятся, теряя свою активность.

Поэтому химики долгое время работали над созданием стабильных ферментов и в результате научились получать иммобилизованные ферменты – выделяемые из живого организма и прикрепленные к твердой поверхности путем их адсорбции. Такие биокатализаторы очень стабильны и устойчивы в химических реакциях и их можно использовать многократно. Основоположником химии иммобилизованных систем является рус. химик И.В. Березин.

Одновременно с этим в 1960-х годах были отмечены случаи самосовершенствования некоторых химических катализаторов в ходе химической реакции. Почему это происходило?

Ответ на этот вопрос попыталась дать теория химической эволюции и биогенеза, предложенная в 1964 г. рус. проф. А.П. Руденко. Ее сущность – химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем. В ходе реакции происходит отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Саморазвитие систем происходит за счет постоянного поглощения катализаторами потока энергии, который выделяется в ходе самой реакции.

Химическая реакция → энергия тепла → катализатор → самосовершенствование катализатора.

Теория саморазвития открытых каталитических систем имеет ряд важных следствий:

1. общая классификация этапов химической эволюции, а на ее основе классификация катализаторов по уровню их организации;

2. принципиально новый метод изучения катализа как динамического явления, связанного с изменением катализаторов в ходе реакции;

3. конкретная характеристика пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу.

Тема 11. Особенности биологического уровня организации материи.

1. Элементарная основа жизни. Отбор химических элементов для построения живых систем.

2. Вещественная основа жизни. Структура и свойства этих веществ.

3. Сущность живого, его основные признаки с точки зрения синергетики.

4. Основы и механизм воспроизводства жизни.

5. Структурные уровни живого. Гипотеза Гея-Земли.

6. Клетка – структурная единица жизни. Изучение клетки. Клеточная теория. Отличительные особенности животной, растительной, грибной и бактериальной клетки.

7. Систематизация живой материи. Вклад К. Линнея, Ж.Б. Ламарка и Ч. Дарвина в систематику живой материи. Современная систематика органического мира.

8. Эволюция форм жизни. Вклад Ж.Б. Ламарка и Ч. Дарвина в развитие эволюционного учения. Синтетическая теория эволюции. Концепция коэволюции.

---

В результате великих открытий второй половины XX в. биология вышла на молекулярный уровень изучения своих объектов и явлений, и естествознание обрело контуры целостной науки, исследующей единую природу во всех ее проявлениях.

Однако, биология, будучи «равной среди равных» в системе естественных наук, отмечена особым знаком судьбы. До сих пор нет единой точки зрения на ее «образ» как теоретической науки. Биология как бы существует одновременно в трех «лицах», развивается в трех основных направлениях: традиционная (натуралистическая) биология, физико-химическая биология и эволюционная. Общим среди этих трех направлений является одна цель – познание феномена Природы – жизнь и один живой объект исследования.

В настоящее время ведутся усиленные поиски объединяющего начала для всех трех «образов» биологии и создания единой теории жизни.

1. Основу живых систем составляют только шесть элементов, получивших название органогены. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организме составляет 97,4 %. За ними следуют 12 элементов, которые принимаю участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем и объединены в группу микроэлементы. Это натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель, весовая доля которых в организмах примерно 1,6 %. Еще около 20 элементов участвуют в построении и функционировании узко специфических биосистем, которые объединены в группу ультрамикроэлементы. Их доля от общей массы составляет примерно 1 %.

Химическая картина живых систем свидетельствует о тщательном отборе химических элементов для построения организмов. Геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических и биологических систем. Определяющим фактором является строение и свойства атомов. Природа отбирает химические элементы, способные к образованию прочных, энергоемких и лабильных связей.

Указанным условиям отвечает углерод как органоген № 1, т.к.:

1. углерод образует практически все типы связей, известные в химии: одинарные, ветвистые, замкнутые, двойные, тройные и пр. Большое количество связей в молекулах органических веществ обеспечивает их высокую информационную емкость. За счет связей в молекулах органических веществ создаются большие запасы энергии;

2. связи между атомами углерода лабильны, т.е. легко подвергаются расщеплению, перемещению, перераспределению;

3. соединения углерода активны при невысоких температурах и их активность может меняться;

4. углерод обладает окислительно-восстановительной двойственностью;

5. атомы углерода вырабатываются в недрах больших звезд и его много во Вселенной.

Все это позволяет создавать углероду разнообразные лабильные, низко электропроводные, студенистые, насыщенные водой длинные скрученные структуры, и в соединениях с другими органогенами создает вещества, обладающие замечательными каталитическими, строительными, энергетическими, информационными, двигательными, регуляторными и другими свойствами.

---

Элементы – органогены, благодаря своим свойствам обеспечивают динамичность всего живого, организацию и самоорганизацию жизни, аккумуляцию энергии, устойчивость и регулирование процессов, самовоспроизводство, т.к. они легко соединяются между собой, имеют маленькую атомную массу, их соединения легко растворяются в воде, они достаточно устойчивы и распространены во Вселенной.

2. Из 7,7 млн. органических веществ в построении живого участвую несколько сотен. Вещественную основу жизни составляют две группы веществ: неорганические вещества – вода (75-80 %) и минеральные соли (1-1,5 %) и органические вещества – белки (10-20 %), нуклеиновые кислоты (1-2 %), углеводы (0,2-8 %), липиды (1-5 %), АТФ (0,1-0,2 %) и низкомолекулярные органические вещества (0,1-0,5 %).

Особенности строения и свойства этих веществ.

Вода. Роль воды в клетке определяется ее химическими и структурными свойствами. Эти свойства связаны с малыми размерами молекул воды, их полярностью и способность соединяться друг с другом водородными связями. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи, вода является хорошим растворителем для полярных веществ, называемых гидрофильными. Неполярные вещества, например липиды, практически в воде нерастворимы, т.е. они гидрофобны. Вода является основной средой, где протекают большинство химических реакций. Вода обладает наивысшей удельной теплоемкостью из всех известных жидкостей и высокой теплопроводностью и поэтому участвует в процессах терморегуляции организма. Для воды характерно исключительно высокое поверхностное натяжение, что важно для передвижения растворов по тканям. Вода используется в качестве источника кислорода и водорода (фотосинтез).

Минеральные соли необходимы для нормальной жизнедеятельности клетки. Минеральные соли поддерживают кислотно-щелочной баланс цитоплазмы и напряженность (тургор) клеточных оболочек, влияют на процессы возбудимости, активируют ферменты. Соли кальция входят в состав костей, раковин, наружного скелета ракообразных. Повышение уровня солей калия в организме оказывает токсическое воздействие на сердечную и другие мышцы. При его недостатке нарушается функция ряда органов (приведите свои примеры значения минеральных солей для организма).

Белки – высокомолекулярные органические соединения, состоящие из остатков аминокислот, которые являются структурными единицами белков. Белки разных организмов содержат по 20 различных аминокислот и отличаются друг от друга их чередованием и частотой встречаемости в полипептидной цепи. В зависимости от пространственной конфигурации полипептидных цепей различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белковой молекулы. Свойства белка определяются также пространственным расположением полипептидных цепочек. Все особенности строения и функционирования макромолекул белка определяются его первичной структурой, которая обусловлена последовательностью аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Мономерами белков являются аминокислоты.

---