Многообразие живых организмов
Многообразие живых организмов
План:
Вопрос 1
Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости
биосферы.
Вопрос 2
Особенности химии конца 20 века.
Вопрос 1
В.И.Вернадский о биосфере и “живом
веществе”.
На
основе наблюдений природных явлений представление о том, что живые существа
взаимодействует с внешней средой и влияет на ее изменение, возникло давно. В
начале 17 века зачатки представлений о биосфере мы встречаем в
трудах голландских ученых Б. Варениуса (1629- 1695) и Х. Гюйгенса,
а также у знаменитого французского журналиста Ж.Бюффона (1707- 1788).
Спустя время французский журналист Ж.Кювье (1769- 1832) заметил, что
живые организмы могут существовать только путем обмена веществ с
внешней средой. Другие исследователи - французские химики Ж.Б. Дюма (1800-
1884), Ж. Бусенго (1802- 1887), немецкий химик Ю. Либих (1803- 1873) выяснили
значение зеленых растений в газовом обмене земного шара и роль почвенных
растворов в питании растений.
Многие
ученые изучили взаимоотношение организмов со средой их обитания и гибели,
что непосредственно предшествовало нашему современному пониманию биосферы.
Ж.Б. Ламарк в своей книге "Гидрогеология" посвятил целую главу
влиянию живых организмов на земную поверхность. Он писал: "... в
природе существует особая сила, могущественная и непрерывно
действующая, которая обладает способностью образовывать сочетания,
умножать их, разнообразить их... влияние живых организмов на вещества,
находящиеся на поверхности земного шара и образующие его внешнюю кору,
весьма значительно, потому что эти существа, бесконечно разнообразные и
многочисленные, с непрерывно меняющимися поколениями, покрывают своими постепенно
накапливающимися и все время отлагающимися остатками все участки
поверхности земного шара".
Из
этих высказываний следует правильная оценка огромной геологической
роли организмов и продуктов их разложения. Выдающийся натуралист и
географ А. Гамбольд (1769- 1858) в своем сочинении "Космос" дал
синтез знаний того времени о Земле и Космосе и на основании этого развил
идею о взаимосвязи всех природных процессов и явлений.
Так
что такое биосфера? Каковы ее особенности и закономерности существования?
Глубоко актуальны обобщения Вернадского о биосфере области существования
жизни, живых организмов на Земле как единого образования. Иногда в его
заботах встречаются разночтения и противоречия, но в целом они образуют
грандиозную порядочную структуру, своеобразное единство учение о биосфере.
Первыми услышали начала учения о биосфере студенты Сорбонны, которым
Вернадский читал лекции по геохимии в 1932-24 годах. Идеи Вернадского о
живом веществе и биосфере быстро нашли отклик, но лишь в узком кругу
специалистов. Общественный резонанс опоздал на полвека - случай, не
характерный для нашего научно-технического века.
"Среди огромной геологической литературы отсутствует связанный
очерк биосферы, рассматриваемой как единое целое, как закономерное
проявление механизма планеты, ее верхней области - земной коры".
(В.И.Вернадский) Вернадский стал первым исследовать жизнь как единое целое,
как теологически своеобразное живое вещество, характеризующееся весом,
химическим составом, энергией и геохимической активностью. Вернадский
подчеркивал, что за геологическую историю организмы, по-видимому,
осваивали новые области планеты, приспосабливаясь к многообразным
природным условиям, участвуя в их изменении. Он первым из ученых понял, что
Ж.Б.
Ламарк "Гидрогеология"
мы
всецело принадлежим биосфере - и телом, и духовной жизнью, прошлым и будущим,
став органом ее самопознания и преобразования. Шаг за шагом исследуя,
геохимические и биогеохимические процессы, Вернадский подходит к коренным
проблемам энергетики и термодинамики взаимодействия живого и костного
вещества планеты и далее, углубляясь в биологическую роль человечества,
сознания, трудовой деятельности, обращается к естественно
историческим закономерностям социально экономического развития общества.
Вернадский
рассматривал биосферу как особое геологическое тело, строение и
функции которого определяются особенностями Земли и Космоса. А живые
организмы, популяции, виды и все живое вещество – это формы, уровни
организации биосферы.
В
1923 году Вернадский в своих лекциях по геохимии, прочитанных в Париже,
впервые указал на явление дисимметрии нашей планеты на примере
"подвижной части земной коры" - астеносферы в районе Тихого
океана: " Существование дисимметрии (не сплошных оболочек) указывает,
что их происхождение тесно связано с геологическими явлениями в истории
нашей планеты, имеющих планетарный характер. Оно отражается коренным образом
на всех явлениях, имеющих место на Земле, и на всех исканиях, с Землей
связанных" (В.И. Вернадский). Вернадский впервые получил количественный
показатель, подтверждающий дисимметрию планеты и указал, на возможность
нахождения "дисимметричных явлений" даже в Космосе.
Он
так же отмечал, что особую роль в биосфере играют биологические
круговороты, где важнейшим процессом является фотосинтез, осуществляемый
растительностью планеты, которая оказывает влияние на все
компоненты
природного комплекса биосферы - атмосферу, гидросферу, почву, животный
мир. Велика роль растений в жизни человеческого общества. Они
создают
необходимую среду существования и снабжают ее различными веществами.
Перенос вещества и энергии осуществляется затем посредством пищевых цепей. К
своеобразной разновидности круговоротов в биосфере относятся ее ритмические
изменения. Ритмикой называется повторяемость во времени комплекса
процессов, которые каждый раз развиваются в одном направлении.
При этом различают две ее формы: периодическую - это ритмы одинаковой
длительности (время оборота Земли вокруг оси) и циклическую - ритмы
переменной длительности. Периодичность в биосфере проявляется во многих
процессах: тектонических, осадконакоплении, климатических,
биологических и многих других. Ритмы бывают разной продолжительности:
геологические, вековые, внутривековые, годовые, суточные и т.д.
Вернадский
рассматривал биосферу как область жизни, основа которой взаимодействие
живого и костного вещества. Он писал: "Живые организмы являются
функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней
связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей".
.
Вернадский
В.И. О коренном материально-энергетическом отличии живых и косных тел биосферы
Взаимодействие
живого и костного вещества характеризуется, прежде всего, тем, что
часть энергии костного вещества усваивается, ассимилируется живым
веществом. Эта новая геологическая сила изменяет организацию поверхности
Земли. Количество накопленной потенциальной энергии увеличивается. Живое
вещество становится, таким образом, регулятором действительной энергии
биосферы. В биосфере виды и роды растительных и животных организмов
взаимосвязаны, продолжительность средней жизни есть производное отбора,
которое оптимально гарантирует выживание и компенсирует потомством.
Величина необходимой поглощаемой энергии у автотрофных и гетеротрофных
организмов лимитируется этой основной закономерностью эволюционного
процесса. "...В земной коре в результате жизни и всех ее проявлений
происходит увеличение действительной энергии" (В.И.Вернадский).
"...Это увеличение активной энергии сказывается хотя бы в увеличении
сознательности и в росте влияния в биосфере в геохимических процессах
единого комплекса жизни. Оно создание, медленно шедшее в геологическом
времени, такой геологической силы, какой является характерное для
нашей психозойской эры цивилизованное человечество, ясно это показывает"
(В.И.Вернадский).
"...Организмы
представляют живое вещество, т.е. совокупность всех живых организмов, в данный
момент существующих, численно выраженное в элементарном химическом
составе, в весе, в энергии. Оно связано с окружающей средой биогенным
током атомов: своим дыханием, питанием и размножением" (В.И.
Вернадский). Самая существенная особенность биосферы - это биогенная миграция
атомов химических элементов вызываемых лучистой энергией Солнца и
проявляющихся в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов.
Эта биогенная миграция атомов подчиняется двум биогеохимическим процессам:
1.
Стремится к максимальному явлению: возникает "всюду» жизни.
2.
Приводит к выживанию организмов, увеличивающих биогенную миграцию
атомов.
"Эволюция
видов, приводящая к созданию форм, устойчивых в биосфере, должна идти в
направлении, увеличивающем проявление биогенной миграции атомов в
биосфере" (В.И.Вернадский). Это биохимический принцип Вернадского
утверждает высокую приспосабливаемость живого вещества, пластичность,
изменчивость во времени.
В
своих работах Вернадский не ограничился общим описанием биосферы и выяснением
ее общих закономерностей. Проведя детальные исследования и выразив в
формулах и цифрах активность живого существа, а так же проследив судьбу
некоторых химических элементов в биосфере, например, общая масса живого
вещества на Земле была подсчитана им в 1927 году, он представил приближенную
величину порядка 10г., или же 10т.. Вернадский писал: "Живое вещество по
весу составляет ничтожную часть планеты. По-видимому, это наблюдается в течение
всего геологического времени, т. е. геологически вечно.
Оно
сосредоточено в тонкой, более или менее сплошной пленке на поверхности суши
в тропосфере - в полях и лесах - и проникает в океан. Количество его
исчисляется долями, не превышающими десятых долей процента биосферы по весу,
порядка близкого к 0,25%. На суше оно идет в больших скоплениях на
глубину в среднем, вероятно, меньше 3 км. Вне биосферы ее нет". Однако эта
величина оказалась завышенной. С тех пор разные исследователи производили
свои оценки биомассы на Земле, которые приводили к разным величинам.
.
Вернадский В.И. О коренном материально-энергетическом отличии живых и косных
тел биосферы
Научное
и практическое значение Вернадского как основателя учения о биосфере состоит
в том, что он впервые глубоко обосновал единство человека и биосферы.
Согласно
современным представлениям, биосфера - это своеобразная оболочка Земли,
содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества
планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.
Биосфера
охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхние
горизонты литосферы. Продукты жизнедеятельности живых существ
относятся к весьма подвижным веществам, которые перемещаются в пространстве
далеко за пределы обитания организмов. Поэтому естественно, что распределение
живых организмов более ограничено в пространстве, чем вся биосфера в целом.
Возникновение
жизни и биосферы представляют собой проблему современного
естествознания. Постепенное развитие живого вещества в пределах биосферы,
к переходу ее в ноосферу (от греческого "ноос" - разум). Под
ноосферой понимают сферу взаимодействия природы и общества.
Вернадский
В.И. О коренном материально-энергетическом отличии живых и косных тел биосферы
Вопрос 2 Особенности химии конца 20
века
Современное человеческое общество живет и
продолжает развиваться, активно используя достижения науки и техники, и
практически немыслимо остановиться на этом пути или вернуться назад,
отказавшись от использования знаний об окружающем мире, которыми человечество
уже обладает. Накоплением этих знаний, поиском закономерностей в них и их
применением на практике занимается наука. Человеку как объекту познания
свойственно разделять и классифицировать предмет своего познания (вероятно, для
простоты исследования) на множество категорий и групп; так и наука в свое время
была поделена на несколько больших классов: естественные науки, точные науки,
общественные науки, науки о человеке и пр. Каждый из этих классов делится, в
свою очередь, на подклассы и т.д. и т.п.
Химики второй половины XX века очень
активно занимались исследованиями живой природы. В пользу этого тезиса может
свидетельствовать хотя бы тот факт, что из 39 Нобелевских премий по химии,
врученных за последние 20 лет, получена 21 премия (больше половины! а ведь
отраслей химии очень много) была получена за решение химико-биологических
проблем.
Это и неудивительно, ведь живая клетка это
настоящее царство больших и малых молекул, которые непрерывно взаимодействуют,
образуются и распадаются... В организме человека реализуется около 100 000
процессов, причем каждый из них представляет собой совокупность различных
химических превращений. В одной клетке организма может происходить примерно
2000 реакций [4,5]. Все эти процессы осуществляются при помощи сравнительно небольшого
числа органических и неорганических соединений. Современная химия
характеризуется переходом к изучению сложных элементорганических соединений,
состоящих из неорганических и органических остатков. Неорганические части
представлены водой и ионами различных металлов, галогенов и фосфора (в
основном), органические части представлены белками, нуклеиновыми кислотами,
углеводами, липидами и достаточно обширной группой низкомолекулярных
биорегуляторов, таких как гормоны, витамины, антибиотики, простагландины,
алкалоиды, регуляторы роста и т.д.
Известно, что из множества химических
элементов в состав живых организмов входят только некоторые элементы. Наиболее
важными ионами металлов оказываются ионы натрия, калия, магния, кальция, цинка,
меди, кобальта, марганца, железа и молибдена. Из неметаллоидов в живых системах
практически всегда можно встретить атомы водорода, кислорода, азота, углерода,
фосфора и серы в составе органических соединений и атомы галогенов и бора как в
виде ионов, так и в составе органических частиц [4]. Отклонение в содержании
большинства из этих элементов в живых организмах часто приводит к достаточно
тяжелым нарушениям метаболизма.
Для химии особенно важно установление
связи между строением вещества и его свойствами, в частности, биологическим
действием. Для этого используется множество современных методов, входящих в
арсенал физики, органической химии, математики и биологии.
Основой химии природных соединений явилась
традиционная органическая химия, которая первоначально рассматривалась как
химия веществ, встречающихся в живой природе. Современная же органическая химия
занимается всеми соединениями, имеющими углеродные цепочки, а биоорганическая
химия, исследующая природные соединения, выделилась в отдельную отрасль науки.
Химия природных соединений возникла в середине XIX века, когда были
синтезированы некоторые жиры, сахара и аминокислоты (это связано с работами
М.Бертло, Ф.Велера, А.Бутлерова, Ф.Кекуле и др.). Первые подобные белкам
полипептиды были созданы в начале нашего века, тогда же Э.Фишер вместе с
другими исследователями внес свой вклад в исследование сахаров. Развитие
исследований по химии
К.А.Макаров. Химия и медицина.
М.:Просвещение,1981
В.Ф.Крамаренко. Токсикологическая химия.
Киев: Высшая школа,1989
А.Е.Браунштейн. На стыке химии и
биологии. М.:Наука,1987
природных веществ продолжалось
нарастающими темпами вплоть до середины XX века. Вслед за алкалоидами,
терпенами и витаминами эта наука стала изучать стероиды, ростовые вещества,
антибиотики, простагландины и другие низкомолекулярные биорегуляторы. Наряду с
ними химия природных соединений изучает биополимеры и биоолигомеры (нуклеиновые
кислоты, белки, нуклеопротеиды, гликопротеины, липопротеины, гликолипиды и
др.). Основной арсенал методов исследования составляют методы органической
химии, однако для решения структурно-функциональных задач активно привлекаются
и разнообразные физические, физико-химические, математические и биологические
методы. Основными задачами, решаемыми химией природных соединений, являются:
а) выделение в индивидуальном состоянии
изучаемых соединений с помощью кристаллизации, перегонки, различных видов
хроматографии, электрофореза, ультрафильтрации, ультрацентрифугирования,
противоточного распределения и т.п.;
б) установление структуры, включая
пространственное строение, на основе подходов органической и физической
органической химии с применением масс-спектроскопии, различных видов оптической
спектроскопии (ИК, УФ, лазерной и др.), рентгеноструктурного анализа, ядерного
магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса, дисперсии
оптического вращения и кругового дихроизма, методов быстрой кинетики и др.;
в) химический синтез и химическая
модификация изучаемых соединений, включая полный синтез, синтез аналогов и
производных, с целью подтверждения структуры, выяснения связи строения и
биологической функции, получения препаратов, ценных для практического
использования;
г) биологическое тестирование полученных
соединений.
Крупнейшими достижениями химии природных
соединений явились расшифровка строения и синтез биологически важных
алкалоидов, стероидов и витаминов, полный химический синтез некоторых пептидов,
простагландинов, пенициллинов, витаминов, хлорофилла и др. соединений; установлены
структуры множества белков, нуклеотидные последовательности множества генов и
т.д. и т.п.
Фармакология - это наука о лекарственных средствах,
действии различных химических соединений на живые организмы, о способах
введения лекарств в организмы и о взаимодействии лекарств между собой. Молекулярная
фармакология изучает поведение молекул лекарственных веществ внутри клетки,
транспорт этих молекул через мембраны и т.д. Человек начал применять
лекарственные вещества очень давно, несколько тысяч лет назад. Древняя медицина
практически полностью основывалась на лекарственных растениях, и этот подход
сохранил свою привлекательность о наших дней. Множество современных
лекарственных препаратов содержат вещества растительного происхождения или
химически синтезированные соединения, идентичные тем, которые можно обнаружить
в лекарственных растениях. Один из самых ранних из дошедших до нас трактат о
лекарственных средствах был написан древнегреческим врачом Гиппократом в IV
веке до нашей эры.
В настоящее время синтезированы десятки и
сотни тысяч лекарственных веществ, и их поиск продолжается. Но число активно
применяемых лекарств, конечно, значительно меньше. Не все вещества,
синтезированные в качестве потенциального нового лекарственного вещества,
находят свое применение на практике. Многие широко использовавшиеся ранее
лекарства вытесняются из сферы применения из-за того, что появляются более
эффективные аналоги, которые воздействуют на причину болезни гораздо активнее,
имеют меньше противопоказаний и побочных эффектов. Одним из крупных успехов
фармакологии второй половины нашего века явилось создание и внедрение в
практику антибиотиков широкого спектра действия: сульфамидных препаратов,
витаминов, средств, влияющих на деятельность центральной нервной системы транквилизаторов,
нейролептиков, и др. Многие из этих лекарств были открыты и впервые применены
в нашей стране (фторофур, феназепам, циклодол, витаминные препараты и мн.др.)
В настоящее время в мире существует
множество научных центров, ведущих разнообразные химико-биологические
исследования. Странами-лидерами в этой области являются США, европейские
страны: Англия, Франция, Германия, Швеция, Дания, Россия и
К.А.Макаров. Химия и медицина.
М.:Просвещение,1981
В.Ф.Крамаренко. Токсикологическая химия.
Киев: Высшая школа,1989
др. В нашей стране существует множество
научных центров, расположенных в Москве и Подмосковье (Пущино, Обнинск,
Черноголовка), Петербурге, Новосибирске, Красноярске, Владивостоке... Хотя,
справедливости ради, надо заметить, что и в этой области (как и во всей
российской науке в целом) наблюдается некоторый "упадок", связанный
как с недостатком финансирования и общим экономическим кризисом в РФ, так и с
проблемой brain-drain /"утечки мозгов"/ в более экономически благоприятные
страны. Однако многие исследовательские институты Академии Наук России,
Российской Академии Медицинских наук, Российской Академии Сельскохозяйственных
Наук, Министерства Здравоохранения и Медицинской Промышленности продолжают
научные изыскания (пока еще...), хотя и не на полную мощь. Одни из ведущих
центров по стране Институт биоорганической химии им. М.А.Шемякина и
Ю.А.Овчинникова, Институт молекулярной биологии им. В.А.Энгельгардта, Институт
органического синтеза им. Н.Д.Зелинского, Институт физико-химической биологии
МГУ им. Белозерского и др. В Санкт-Петербурге можно отметить Институт Цитологии
РАН, химический и биологические ф-ты Гос. Университета, Институт
экспериментальной медицины РАМН, Институт онкологии РАМН им. Петрова, Институт
особо чистых биопрепаратов МЗиМП и т.п.
Кроме того, постоянно исследуются
механизмы превращений химических веществ в организмах и на основе полученных
знаний ведется непрекращающийся поиск лекарственных веществ. Большое количество
разнообразных лекарственных веществ в настоящее время получают либо
биотехнологически (интерферон, инсулин, интерлейкин, рефнолин, соматоген,
антибиотики, лекарственные вакцины и пр.), используя микроорганизмы (многие из
которых являются продуктом генной инженерии), либо путем ставшего почти
традиционным химического синтеза, либо с помощью физико-химических методов
выделения из природного сырья (частей растений и животных).
Синтетические
красители
Производство синтетических красителей - отрасль промышленности
тонкого органического синтеза. Синтетические красители получают в результате
проведения многостадийного химического синтеза из промежуточных продуктов,
производимых, в свою очередь, из ароматических и гетероароматических
соединений, вырабатываемых угле- и нефтехимической промышленностью. Часто из
одного промежуточного продукта получают несколько синтетических красителей.
Промежуточные продукты, кроме того, широко используют для производства
лекарственных веществ, пестицидов, ростовых веществ и многих других продуктов.
Как правило, производство промежуточных продуктов организовано на заводах,
которые вырабатывают синтетические красители.
На основе одного и того же синтетического красителя может быть
приготовлено несколько выпускных форм. Синтетические красители производят в
виде порошков, гранул и жидкостей, в виде растворов.
Применяют синтетические красители для крашения волокон и различных
текстильных материалов, кожи, мехов, бумаги, древесины и др. Растворимые в
органических средах синтетические красители - для окрашивания бензинов,
парафина, спиртов, восков, растительных жиров, синтетических волокон при
получении их формированием в массе, пластмасс, резин. Синтетические красители
используют также в цветной и черно-белой кинематографии и фотографии, в
электрофотографии аналитической химии, в медицине (средства диагностики, при
биохимических исследованиях), в жидкостных лазерах, в различных физических
приборах в качестве полупроводников и элементов, обладающих фотопроводимостью и
некоторыми другими свойствами, как катализаторы.
Г.Б.Шульпин.
Химия для всех. М.:Знание,1987
Моторные
масла
Моторное масло, его качество, регулярность замены,
соответствие сорта данному двигателю и конкретным условиям его эксплуатации
играют большую роль в обеспечении надежной и долговечной работы двигателя.
Масло способствует созданию стабильной поверхности трения, снижению износа и уменьшению
механических потерь.
Моторные масла разделяют на два
основных вида - минеральные и синтетические. Вязкость минеральных масел,
получаемых из нефти, сильно зависит от температуры, поэтому они требуют
присадок, которые быстро разрушаются из-за высоких механических и тепловых
нагрузок, сокращая срок службы масла. Синтетические масла были созданы для
авиационных и гоночных моторов. Их получают путем химического синтеза, чем
достигается высокая однородность и стабильность свойств. Такие масла остаются
более жидкими на морозе и более густыми в жару, чем минеральные. Это свойство
позволяет снизить износ деталей и потери на трение, что экономит топливо. Кроме
того, синтетическое масло меньше сгорает в двигателе и служит дольше,
образовывая мало отложений
Заключение
Основной задачей химии является поиск
новых материалов, способных заменить живую ткань, необходимых при
протезировании. Химия подарила врачам сотни разнообразных вариантов новых
материалов.
Кроме множества лекарств, в повседневной
жизни люди сталкиваются с достижениями физико-химической биологии в различных
сферах своей профессиональной деятельности и в быту. Появляются новые продукты
питания или совершенствуются технологии сохранения уже известных продуктов.
Производятся новые косметические препараты, позволяющие человеку быть здоровым
и красивым, защищающие его от неблагоприятного воздействия окружающей среды. В
технике находят применение различные биодобавки ко многим продуктам
органического синтеза. В сельском хозяйстве применяются вещества, способные
повысить урожаи (стимуляторы роста, гербициды и др.) или отпугнуть вредителей
(феромоны, гормоны насекомых), излечить от болезней растения и животных и
многие другие...
Все эти вышеперечисленные успехи были
достигнуты с применением знаний и методов современной химии. В современной
биологи и медицине химии принадлежит одна из ведущих ролей, и значение
химической науки будет только возрастать. "Стык наук" химии и
биологии оказался на редкость плодотворным.
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Ю.А.Овчинников. Биоорганическая химия.
М.:Просвещение,1987
2. А.М.Радецкий. Органическая химия и
медицина.//Химия в школе(1995),N3:4043
3. Ю.А.Овчинников. Химия жизни (Избранные
труды). М.:Наука,1990
4. К.А.Макаров. Химия и медицина.
М.:Просвещение,1981
5. В.Ф.Крамаренко. Токсикологическая
химия. Киев: Вища школа,1989
6. А.Е.Браунштейн. На стыке химии и
биологии. М.:Наука,1987
7. Г.Б.Шульпин. Химия для
всех. М.:Знание,1987
8. В.И.Вернадский "Размышления натуралиста. - Научная мысль как планетное
явление". М.,Hаука, 1977
М.-Л., изд-во АН СССР, 1940
10. "В.И.Вернадский. Материалы к биографии" М.,изд-во "Молодая
гвардия" 1988