Панорама современного естествознания

Панорама современного естествознания

I. Панорама современного естествознания.

Введение

В XX в. естествознание развивалось невероятно быстрыми темпами, что обусловливалось потребностями практики. Промышленность требовала новых технологий, в основе которых лежало естественнонаучное знание.

Мощным стимулятором для развития науки и техники стали мировые войны, а также экономическое и военное противостояние двух военно-политических блоков, во главе которых стояли СССР и США. Развитые промышленные страны начали выделять большие средства на развитие системы образования, подготовку и воспроизводство научных кадров. Существенно расширилась сеть научно-исследовательских учреждений, финансируемых как государством, так и частными компаниями.

Наука в XX столетии перестала быть частным делом, каковой она была в XVIII—XIX вв., когда ее развивали любознательные самоучки: адвокаты, священники, медики, ремесленники и т. д. Наука становится профессией огромного числа людей. Современные исследования показывают, что развитие науки может быть выражено экспоненциальным законом. Объем научной деятельности удваивается каждые 10-15 лет. Это проявляется в ускорении роста количества научных открытий и объема научной информации, а также числа людей, занятых в науке. В результате — феноменальные достижения во всех областях науки и, прежде всего, в естествознании, которыми так богато ушедшее XX столетие.

1. ФИЗИКА МИКРОМИРА И МЕГАМИРА

 

1.1. Атомная физика

Представления об атомах и их строении за последние сто лет изменились радикально. В конце XIX века ученые считали, что:

1) химические атомы каждого элемента неизменны, и существуют столько сортов атомов, сколько известно химических элементов (в то время — примерно 70);

2) атомы данного элемента одинаковы;

3) атомы имеют вес, причем различие атомов основано на различии их веса;

4) взаимный переход атомов данного элемента в атомы другого элемента невозможен.

В конце XIX — начале XX вв. в физике были сделаны выдающиеся открытия, разрушившие прежние представления о строении материи. Открытие электрона (1897 г.), затем протона, фотона и нейтрона показали, что атом имеет сложную структуру. Исследование строения атома становит­ся важнейшей задачей физики XX в.

После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 г. нейтрона, было установлено существование большого числа новых элементарных частиц. В том числе: позитрон, (античастица электрона); мезоны — нестабильные микрочастицы; различного рода гипероны — нестабильные микрочастицы с массами больше массы нейтрона; частицы резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10 -22— 10 -24 с); нейтрино — стабильная, не имеющая электрического заряда частица, обладающая почти невероятной проницаемостью; антинейтрино — античастица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного заряда, и др.

В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление — взаимодействие.

Различают четыре вида взаимодействия.

Сильное взаимодействие (короткодействующее, радиус действия около (10 -13 см) связывает между собой нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре; именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие (дальнодействующее, радиус действия не ограничен) определяет взаимодействие между электронами и ядрами атомов или молекул; взаимодействующие частицы имеют электрические заряды; проявляется в химических связях, силах упругости, трения.

Слабое взаимодействие (короткодействующее, радиус действия меньше 10 -15 см), в котором участвуют все элементарные частицы, обусловливает взаимодействие нейтрино с веществом.

Гравитационное взаимодействие - самое слабое, не учитывается в теории элементарных частиц; распространяется на все виды материи; имеет решающее значение, когда речь идет об очень больших массах.

Элементарные частицы в настоящее время обычно разделяют на следующие классы:

1.       Фотоны - кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электромагнитном.

2. Лептоны (от греч. leptos - легкий), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают силь­ным взаимодействием, но учасвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд — также и в электромагнитном взаимодействии.

3. Мезоны - сильно взаимодействующие нестабильные частицы.

4. Барионы (от греч. berys - тяжелый), в состав которых входят нуклоны (нестабильные частицы с массами, большими массы нейтрона), гипероны, многие из резонансов.

Сначала, особенно когда число известных элементарных частиц ограничивалось электроном, нейтроном и протоном, господствовала точка зрения, что атом состоит из этих элементарных «кирпичиков». А дальнейшая задача в исследовании структуры вещества заключается в том, чтобы разыс­кивать новые, еще не известные «кирпичики», из которых состоит атом, и в определении того, не являются ли эти «кирпичики» (или некоторые из них) сами сложными частицами, построенными из еще более тонких «кирпичиков».

Однако действительная картина строения вещества оказалась еще более сложной, чем можно было предполагать. Оказалось, что элементарные частицы могут претерпевать взаимные превращения, в результате которых некоторые из них исчезают, а некоторые появляются. Нестабильные микрочастицы распадаются на другие, более стабильные, но это вовсе не значит, что первые состоят из вторых. Поэтому в настоящее время под элементарными частицами понимают такие «кирпичики» Вселенной, из которых можно построить все, что нам известно в природе.

Приблизительно в 1963-1964 гг. появилась гипотеза о существовании кварков - частиц, из которых состоят барионы и мезоны, являющиеся сильно взаимодействующими и по этому свойству объединенными общим названием адронов. Кварки имеют весьма необычные свойства: обладают дробными электрическими зарядами, что не характерно для других микрочастиц, и, по-видимому, не могут существовать в свободном, не связанном виде. Число различных кварков, отличающихся друг от друга величиной и знаком электрического заряда и некоторыми другими признаками, достигает уже нескольких десятков.

Основные положения современной атомистики могут быть сформулированы следующим образом:

1.       Атом является сложной материальной структурой, представляет собой мельчайшую частицу химического элемента.

2.       У каждого элемента существуют разновидности атомов (содержащиеся в природных объектах или искусственно синтезированы).

3.       Атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого; эти процессы осуществляются либо самопроизвольно (естественные радиоактивные превращения), либо искусственным путем (посредством различных ядерных реакций).

Таким образом, физика XX в. давала все более глубокое обоснование идеи развития.

1.2. Астрофизика. Релятивистская космология

Современная космология начала складываться в 20-е гг. XX в. на основе созданной Эйнштейном общей теории относительности. Из этой теории следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, - релятивистская. Еще в 1922 г. советский математик и геофизик

А.А. Фридман нашел решение уравнений общей теории относительности для замкнутой расширяющейся Вселенной. Он установил, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься.

Уравнения Фридмана теоретически обосновали нестационарность Вселенной. На этот вывод ученые не обращали внимание вплоть до открытия американским астроном Эдвином Хабблом (1889—1953) в 1929 году так называемого «красного смещения». Дело в том, что еще в XIX веке австрийский физик и астроном Кристиан Доплер обнаружил, что если источ­ник света приближается, спектральные линии смещаются в сторону более коротких волн, если удаляется — в сторону более длинных (красных) волн. Это явление было названо эффектом Доплера. Э. Хаббл открыл «красное смещение» для всех далеких источников света. Красное смещение оказалось пропорциональным расстоянию до источника, что подтверждало гипотезу о расширении видимой части Вселенной. Тем самым теоретически построенные Фридманом модели нестационарной Вселенной были обоснованы результатами наблюдений.

Существует два различных типа моделей Фридмана.

Если средняя плотность материи во Вселенной меньше некоторой критической величины или равна ей, то тогда Вселенная должна быть пространственно бесконечной. В этом случае современное расширение Вселенной будет продолжаться всегда.

В то же время, если плотность материи во Вселенной больше той лее критической величины, тогда гравитационное поле, порожденное материей, искривляет Вселенную, замыкая ее на себя. Вселенная в этом случае конечна, хотя и не ограничена, вроде поверхности сферы. Гравитационные поля достаточно сильны для того, чтобы в конце концов остановить расши­рение Вселенной, так что рано или поздно она начнет снова сжиматься к состоянию бесконечно большой плотности.

В 1965 г. американские ученые-астрономы А. Пензиас и Р. Вилсон сделали с помощью радиотелескопа — устройства, предназначенного для приема радиоизлучения космических объектов, - открытие большой важности. Они установили, что во Вселенной имеется так называемое фоновое радиоизлучение, названное советским ученым И. С. Шкловским ре­ликтовым. Реликтовое радиоизлучение образовалось на раннем этапе существования Вселенной, когда ей было всего около 3 млрд лет.

Два экспериментально установленных положения — расширение Вселенной и реликтовое излучение — являются убедительными доводами в пользу так называемой теории «большого взрыва», ставшей теперь общепризнанной.

До утверждения этой теории существовала теория стационарного состояния, согласно которой Вселенная всегда была почти такой, какой мы видим ее сейчас. В XVIII—XIX вв. и даже в первой половине XX в. в астрономии господствовал взгляд на Вселенную как на нечто статическое, не изменяющееся.

Основываясь на теории расширяющейся Вселенной, оказалось возможным проследить развитие Вселенной в «обратную сторону», т. е. попробовать вернуться возможно дальше назад. Хотя осуществить такую реконструкцию было далеко не просто, но все же она оказалась успешной.

По современным представлениям, вначале был взрыв. Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 млрд. градусов К (1011 К). При такой высокой температуре (выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 секунды после взрыва, несмотря на очень высокую температуру, была огромной, в 4000 млн. раз больше, чем у воды.

В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд. градусов (109 К). Плотность вещества также снизилась, но еще была близкой к плотности воды. При этой, хотя и очень высокой, температуре начали образовываться ядра атомов, в частности ядра тяжелого водорода (дейтерия) и ядра гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Только по истечении нескольких сотен тысяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия. Силы гравитации превращали газ в сгустки, ставшие материалом для возникновения галактик и звезд.

Как следует из сказанного, за последние примерно 50 лет достигнуты значительные результаты в изучении звезд, галактик и даже Вселенной и их эволюции.

2. ДОСТИЖЕНИЯ В ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ СОВРЕМЕННОЙ ХИМИИ

Химию принято подразделять на пять разделов: неорганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений.

Основными задачами неорганической химии являются: изучение строения соединений, установление связи строения со свойствами и реакционной способностью. Также разрабатываются методы синтеза и глубокой очистки веществ. Большое внимание уделяется кинетике и механизму неорганических реакций, их каталитическому ускорению и замедлению. Для синтезов все чаще применяют методы физического воздействия: сверхвысокие температуры и давления, ионизирующее излучение, ультразвук, магнитные поля. Многие процессы проходят в условиях горения или низкотемпературной плазмы. Химические реакции часто сочетают с получением волокнистых, слоистых и монокристаллических материалов, с изготовлением электронных схем.

Неорганические соединения применяются как конструкционные материалы для всех отраслей промышленности, включая космическую технику, как удобрение и кормовые добавки, ядерное и ракетное топливо, фармацевтические материалы.

Органическая химия — наиболее крупный раздел химической науки. Если число известных неорганических веществ исчисляется тысячами, то органических веществ известно несколько миллионов. Общепризнано огромное значение химии полимеров. Так, еще в 1910 году СВ. Лебедев разработал промышленный способ получения бутадиена, а из него каучука.

В 1936 г. У. Карозерс синтезирует «найден», открыв новый тип синтетических полимеров — полиамиды. В 1938 г. Р. Планкет случайно открывает тефлон, создавший эпоху синтеза фторполимеров с уникальной термостабильностью, создаются «вечные» смазочные масла (пластмассы и эластомеры), широко используемые космической и реактивной техникой, химической и электротехнической промышленностью. Благодаря этим и многим другим открытиям из органической химии выросла химия высокомолекулярных соединений (или полимеров).

Начавшиеся в 30-40-е гг. широкие исследования фосфорорганических соединений (А.Е. Арбузов) привели к открытию новых типов физиологически активных соединений — лекарственных препаратов, отравляющих веществ, средств защиты растений и др.

Химия красителей практически дала начало химической индустрии. Например, химия ароматических и гетероциклических соединений создала первую отрасль химической про­мышленности, продукция которой ныне превосходит 1 млрд. тонн, и породила новые отрасли — производство душистых и лекарственных веществ.

Проникновение органической химии в смежные области - биохимию, биологию, медицину, сельское хозяйство - привело к изучению свойств, установлению структуры и синтезу витаминов, белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков, новых средств ускорения роста растений и средств борьбы с вредителями.

Ощутимые результаты дает применение математического моделирования. Если нахождение какого-либо фармацевтического препарата или инсектицида требовало синтеза 10— 20 тыс. веществ, то с помощью математического моделирования выбор делается, лишь в результате синтеза нескольких десятков соединений.

Роль органической химии в биохимии трудно переоценить. Так, в 1963 г. В. Виньо синтезировал инсулин, также были синтезированы окситоцин (пептидный гормон), вазопрессин (гормон обладает антидиуретическим действием), брадикикин (обладает сосудорасширяющим действием). Разработаны полуавтоматические методы синтеза полипептидов (Р. Мерифилд, 1962).

Вершиной достижений органической химии в генной инженерии явился первый синтез активного гена (X. Корана, 1976). В 1977 г. синтезирован ген, кодирующий синтез человеческого инсулина, а в 78-м - ген соматостатина (способен угнетать секрецию инсулина, пептидный гормон).

Физическая химия объясняет химические явления и устанавливает их общие закономерности. Физическая химия последних десятилетий характеризуется следующими чертами: в результате развития квантовой химии (использует идеи и методы квантовой физики для объяснения химических явлений) многие проблемы химического строения веществ и механизма реакций решаются на основании теоретических расчетов; наряду с этим широко используются физические методы исследования — рентгеноструктурный анализ, дифракция электронов, спектроскопия, методы, основанные на применении изотопов и др.

Аналитическая химия рассматривает принципы и методы изучения химического состава вещества. Включает количественный и качественный анализ. Современные методы аналитической химии связаны с необходимостью получения полупроводниковых и других материалов высокой частоты. Для решения этих задач были разработаны чувствительные методы: активационный анализ, химико-спектральный анализ и др.

Современная химия предстает перед нами как исключительно многогранная и разветвленная система знаний, для которой характерно интенсивное развитие. Важнейшим стратегическим ориентиром этого процесса является все более тесный синтез химии как науки и химии как технологии промышленного производства.

3. БИОЛОГИЯ XX в.: ПОЗНАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО УРОВНЯ ЖИЗНИ

 

3.1. Предпосылки развития современной биологии

 

Современная биология основывается на тех достижениях, которые были сделаны в этой науке во второй половине XIX в.: создание Ч. Дарвином эволюционного учения, основополагающие работы К. Бернара в области физиологии, важнейшие исследования Л. Пастера, Р. Коха и И.И. Мечникова в области микробиологии и иммунологии, работы И.М. Сеченова и И.И. Павлова в области высшей нервной деятельности и, наконец, блестящие работы Г. Менделя, хотя и не получившие известности до начала XX в., но уже выполненные их выдающимся автором.

XX в. явился продолжением не менее интенсивного прогресса в биологии. В 1900 г. голландским ученым-биологом X. де Фризом (1848-1935), немецким ученым-ботаником К.Э. Корренсом (1864-1933) и австрийским ученым Э. Чермак-Зейзенеггом (1871-1962) независимо друг от друга и почти одновременно вторично были открыты и стали всеобщим достоянием законы наследственности, установленные Менделем.

Развитие генетики после этого происходило быстро. Был принят принцип дискретности в явлениях наследственности, открытый еще Менделем; опыты по изучению закономерностей наследования потомками свойств и признаков родителей были значительно расширены. Было принято понятие «ген», введенное известным датским биологом Вильгельмом Иогансоном (1857-1927) в 1909 г. и означающее единицу наследственного материала, ответственного за передачу по наследству определенного признака.

Утвердилось понятие хромосомы как структурного ядра клетки, содержащего дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК)

—      высокомолекулярное соединение, носитель наследственных признаков.

Дальнейшие исследования показали, что ген является определенной частью ДНК и действительно носителем только определенных наследуемых свойств, в то время как ДНК — носитель всей наследственной информации организма.

Развитию генетики способствовали в большой мере исследования известного американского биолога, одного из основоположников этой науки, Томаса Ханта Моргана (1866— 1945). Он сформулировал хромосомную теорию наследственности. Большинство растительных и животных организмов являются диплоидными, т.е. их клетки (за исключением по­ловых) имеют наборы парных хромосом, однотипных хромосом от женского и мужского организмов. Хромосомная теория наследственности сделала более понятными явления расщепления в наследовании признаков.

Важным событием в развитии генетики стало открытие мутаций — возникающих внезапно изменений в наследственной системе организмов и потому могущих привести к устойчивому изменению свойств гибридов, передаваемых и далее по наследству. Своим возникновением мутации обязаны либо случайным в развитии организма событиям (их обычно назы­вают естественными или спонтанными мутациями), либо искусственно вызываемым воздействиям (такие мутации часто именуют индуцированными). Все виды живых организмов (как растительных, так и животных) способны мутировать, т.е. давать мутации. Это явление — внезапное возникновение новых, передающихся по наследству свойств — известно в биологии давно. Однако систематическое изучение мутаций было начато голландским ученым Хуго де Фризом, установившим и сам термин «мутации». Было обнаружено, что индуциро­ванные мутации могут возникать в результате радиоактивного облучения организмов, а также могут быть вызваны воздействием некоторых химических веществ.

Следует отметить первооткрывателей всего того, что связано с мутациями. Советский ученый-микробиолог Георгий Адамович Надсон (1867—1940) вместе со своими коллегами и учениками установил в 1925 году воздействие радиоизлучения на наследственную изменчивость у грибов. Известный американский генетик Герман Джозеф Меллер (1890—1967), работавший в течение 1933—1937 гг. в СССР, обнаружил в 1927 г. в опытах с дрозофилами сильное мутагенное действие рентгеновских лучей. В дальнейшем было установлено, что не только рентгеновское, но и любое ионизированное облучение вызывает мутации.

Достижения генетики (и биологии в целом) за прошедшее после выхода в свет книги Дарвина «Происхождение видов» время так значительны, что было бы удивительно, если бы все это никак не повлияло на дарвиновскую теорию эволюции. Два фактора: изменчивость и наследственность, которым Дарвин придавал большое значение, получили более глубокое толкование.

Итак, дальнейшее развитие биологии и входящей в нее составной частью генетики, во-первых, еще более укрепило дарвиновскую теорию эволюции живого мира и, во-вторых, дало более глубокое толкование (соответствующее достигнутым успехам в биологии) понятиям изменчивости и наследственности, а следовательно, всему процессу эволюции живо­го мира. Более того, можно сказать, что успехи биологии выдвинули эту науку в ряды лидеров естествознания, причем наиболее поразительные ее достижения связаны с изучением процессов, происходящих на молекулярном уровне.

3.2. Молекулярная биология

Прогресс в области изучения макромолекул до второй половины нашего века был сравнительно медленным, но благодаря технике физических методов анализа, скорость его резко возросла.

У. Астбери ввел в науку термин «молекулярная биология» и провел основополагающие исследования белков и ДНК. Хотя в 40-е г. почти повсеместно господствовало мнение, что гены представляют собой особый тип белковых молекул, в 1944 г. О. Эвери, К. Маклеод и М. Маккарти показали, что генетические функции в клетке выполняет не белок, а ДНК. Установление генетической роли нуклеиновых кислот имело решающее значение для дальнейшего развития молекулярной биологии, причем было показано, что эта роль принадлежит не только ДНК, но и РНК (рибонуклеи­новой кислоте).

Расшифровку молекулы ДНК произвели в 1953 г. Ф. Крик (Англия) и Д. Уотсон (США). Уотсону и Крику удалось построить модель молекулы ДНК, напоминающую двойную спираль.

Наряду с изучением нуклеиновых кислот и процессом синтеза белка в молекулярной биологии большое значение с самого начала имели исследования структуры и свойств самих белков. Параллельно с расшифровкой аминокислотного состава белков проводились исследования их пространственной структуры. Среди важнейших достижений этого направления следует назвать теорию спирали, разработанную в 1951 г. Э. Полингом и Р. Кори. Согласно этой теории, полипептидная цепь белка не является плоской, а свернута в спираль, характеристики которой были также определены.

Несмотря на молодость молекулярной биологии, успехи, достигнутые ею в этой области, ошеломляющи. За сравнительно короткий срок были установлены природа гена и основные принципы его организации, воспроизведения и функционирования. Полностью расшифрован генетический код, выявлены и исследованы механизмы и главные пути образования белка в клетке. Полностью определена первичная структура многих транспортных РНК. Установлены основные принципы организации разных субклеточных частиц, многих ви­русов, и разгаданы пути их биогенеза в клетке.

Другое направление молекулярной генетики — исследование мутации генов. Современный уровень знаний позволяет не только понять эти тонкие процессы, но и использовать их в своих целях. Разрабатываются методы генной инженерии, позволяющие внедрить в клетку желаемую генетическую информацию. В 70-е гг. появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помощью электрофореза.

В 1981 г. процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автоматизирован. Генная инженерия в сочетании с микроэлектроникой предвещают возможности управлять живой материей почти так же, как неживой.

В последнее время в средствах массовой информации активно обсуждаются опыты по клонированию и связанные с этим нравственные, правовые и религиозные проблемы. Еще в 1943 году журнал «Сайенс» сообщил об успешном оплодотворении яйцеклетки в «пробирке». Далее события развивались следующим образом.

1973 г. — профессор Л. Шетлз из Колумбийского университета в Нью-Йорке заявил, что он готов произвести на свет первого «бэби из пробирки», после чего последовали катего­рические запреты Ватикана и пресвитерианской церкви США.

1978 г. — рождение в Англии Луизы Браун, первого ребенка «из пробирки».

1997 г. - 27 февраля «Нейчур» поместил на своей обложке — на фоне микрофотографии яйцеклетки — знаменитую овечку Долли, родившуюся в институте Рослин в Эдинбурге.

1997 г. — в самом конце декабря журнал «Сайенс» сообщил о рождении шести овец, полученных по рослинскому методу. Три из них, в том числе и овечка Долли, несли человеческий ген «фактора IX», или кровоостанавливающего белка, который необходим людям, страдающим гемофилией, то есть несвертываемостью крови.

1997 г. — чикагский физик Сиди объявляет о создании лаборатории по клонированию людей: он утверждает, что отбоя от клиентов у него не будет.

1998 г., начало марта — французские ученые объявили о рождении клонированной телочки.

Все это открывает уникальные перспективы для человечества.

Клонирование органов и тканей — это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и в других областях медицины и биологии. При пересадке клонированного органа не надо думать о подавлении реакции отторжения и возможных последствиях в виде рака, развившегося на фоне иммунодефицита. Клонированные органы станут спасением для людей, попавших в автомобильные аварии или какие-нибудь иные катастрофы, или для людей, которым нужна радикальная помощь из-за заболеваний пожилого возраста (изношенное сердце, больная печень и т. д.).

Самый наглядный эффект клонирования — дать возможность бездетным людям иметь своих собственных детей. Миллионы семейных пар во всем мире страдают, будучи обреченными оставаться без потомков.

3.3. Расшифровка генома человека

Первоначально (в 1988 г.) средства на изучение генома человека выделило министерство энергетики США, и одним из руководителей программы «Геном человека» стал профессор Чарлз Кэнтор.

В 1990 г. Нобелевский лауреат Джеймс Уотсон начал лоббирование конгресса США, и вскоре конгресс распорядился выделить сразу сотни миллионов долларов на изучение генома человека. Эти средства были добавлены к бюджету министерства здравоохранения, оттуда они перетекли в ведение дирекции сети институтов, объединенных под общим названием — Национальные институты здоровья (National Institutes of Health, сокращенно NIH). В составе NIH появился новый институт — Национальный институт исследования генома человека (NHGRI, директор Фрэнсис Коллинз).

В мае 1992 г. ведущий сотрудник NIH Крэйг Вентер подал заявление об уходе и объявил, о создании нового, частного исследовательского учреждения — Института геномных исследований (The Institute for Genomic Research, сокращенно - TIGR, или ТИГР).

Ожидание гигантских прибылей от будущего внедрения результатов изучения геномов хорошо поняли не только в США. В ведущих странах Запада началась настоящая гонка в отношении вклада средств в исследования геномов. 3 мая 1999 г. британский «Белком траст» (формально правительство Великобритании финансирует британскую часть проекта «Геном человека» через этот частный благотворительный фонд) добавил дополнительно 100 млн. фунтов стерлингов (примерно 167 млн. долларов) нескольким английским лабораториям, за­нимающимся исследованиями генома человека, из них 77 млн. долларов было выделено на 1999 г. Сэнгеровскому центру в Кэмбридже.

При первоначальном объявлении сроков завершения проекта в 2003 г. предполагалось, что точность исследования генома составит 99,99%. Потом сроки подвинули, основываясь на том, что для биологов и медиков хватит и 90% -ой точности, зато отрапортовать о завершении генома можно будет к концу 2000 г.

2 декабря 1999 г. журнал «Nature» обнародовал данные, касающиеся крупного прорыва в исследовании генома человека: в основном усилиями английских ученых при активном участии других европейских, японских и американских лабораторий был завершен полный анализ одной из хромосом человека (правда, одной из самых маленьких) — хромосомы 22.

На этом гонка отнюдь не затихла. Как сообщил журнал «Science» со ссылкой на газету «Ле Монд» от 14 мая 1999 г., французское правительство решило в этот момент «впрыснуть» дополнительно 330 млн. долларов на ближайшие три года в бюджет расположенного рядом с Парижем исследовательского центра генома в Иври.

В июне 1999 года Германия, которая до этого выделяла явно недостаточно средств на исследования генома человека (всего 23 млн. долларов в год, начиная с 1996 г.), изменила свой подход: на ближайшие пять лет было отпущено 550 млн. долларов. В ноябре — декабре 1999 г. стало ясно, что ученым удалось убедить правительство увеличить ежегодные траты на исследования генома человека до 280 млн. долларов.

13 июля 1999 г. об увеличении выделяемых средств на работы по исследованию генома человека объявило правительство Японии.

То, что участвовавшая в начале создания международного проекта «Геном человека» Россия фактически приостановила свой вклад в него, можно рассматривать однозначно отрицательно: Россия обрекает себя в этом отношении на скатывание на уровень второстепенных государств, обреченных на экономическую зависимость в будущем от тех, кто вложил средства в эту перспективную научную область.

Описание генома человека ученым удалось получить значительно раньше планировавшихся сроков (2005—2010 гг.). Уже в канун нового, XXI в. были достигнуты сенсационные результаты в деле реализации указанного проекта. Оказалось, что в геноме человека — от 30 до 40 тысяч генов (вместо предполагавшихся ранее 80—100 тысяч). Это ненамного больше, чем у червяка (19 тысяч генов) или мухи-дрозофилы (13,5 тысячи).

Расшифровка генома человека дала огромную, качественно новую научную информацию для фармацевтической промышленности. Вместе с тем оказалось, что использовать это научное богатство фармацевтической индустрии сегодня не по силам. Нужны новые технологии, которые появятся, как предполагается, в ближайшие 10-15 лет. Именно тогда станут реальностью лекарства, поступающие непосредственно к больному органу, минуя все побочные эффекты. Выйдет на качественно новый уровень трансплантология, получат развитие клеточная и генная терапия, радикально изменится медицинская диагностика и т. д.

Выводы

Научные исследования физических, химических, биологических явлений, проводившиеся в XX в., существенно расширили, углубили прежние представления о структуре и свойствах материи.

Если на рубеже XIX и XX вв. была известна лишь одна элементарная частица — электрон, то на рубеже XX и XXI вв. количество известных элементарных частиц исчисляется сотнями. Во второй половине XX в. было выяснено, что элементарные частицы, образующие ядра атомов, сами обладают внутренней структурой и состоят из «еще более элементарных» частиц — кварков.

Наряду с успехами в исследовании микромира современная наука имеет значительные достижения и в познании мегамира. В XVIII—XIX вв. и даже в первой половине XX в. господствовала теория стационарной Вселенной, которая представлялась статичной, не изменяющейся в пространстве. Такое понимание во второй половине XX в. было отброшено и заменено теорией расширяющейся Вселенной.

Современная астрофизика внесла много нового в понимание эволюции звезд, открыла совершенно новые, неизвестные ранее космические объекты (пульсары, квазары).

Крупнейшее достижение науки начала XX в. — создание теории относительности — явилось естественно-научным подтверждением важнейшего положения диалектико-материа-листической картины мира о единстве материи, движения, пространства и времени. Творцу теории относительности удалось показать не просто единство, но зависимость свойств пространства и времени от движущейся материи и друг от друга.

Существенно расширились в XX столетии представления и о структурных уровнях органической природы, которые включают молекулярный уровень жизни, клеточный уровень (микроорганизмов, тканей и органов), уровни целого живого организма, сообществ организмов, биологических видов, биогеоценозов (совокупности видов различных организмов в единстве с природными условиями их существования) и, нако­нец, биосферы в целом, т.е. области распространения жизни на Земле.

Если важнейшими доказательствами единства органического мира в XIX в. стали открытие клеточного строения организмов и эволюционная теория Дарвина, то в XX в. такими доказательствами явились открытия в области молекулярных основ наследственности в живой природе.

Прогресс в биологии еще в первой половине XX в. привел к введению понятий гена (как единицы наследственного материала, ответственного за передачу по наследству определенного признака) и хромосомы (как структурного ядра клетки, обозначаемого ДНК и являющегося высокомолекулярным соединением — носителем наследственных признаков). Расшифровка молекулы ДНК в середине XX в. послужила началом интенсивных исследований в области молекулярной биологии, которые к концу XX в. вплотную подвели к расшифровке генома человека.

II. Атомная энергия в народном хозяйстве

Одной из самых замечательных ядерных реакций является реакция деления. Делением называется реакция расщепления атомного ядра на две примерно равные по массе части (осколки деления). Тяжелые ядра (Z ≥ 90) делятся как самопроизвольно (спонтанное деление), так и принудительно (вынужденное деление). В отличие от спонтанного вынужденное деление происходит практически мгновенно (t < 10-14 с). Для вынужденного деления ядер с Z ≥ 90 достаточно их предварительно слабо возбудить, например, облучая нейтронами с энергией около 1 МэВ. Некоторые ядра, например 235U, делятся даже под действием тепловых нейтронов. Масса (а значит, и энергия) делящегося ядра значительно превышает сумму масс осколков. В связи с этим при делении освобождается очень большая энергия Q = 200 МэВ, значительную часть которой (=170 МэВ) уносят осколки в виде кинетической энергии. Осколки деления имеют большой избыток нейтронов. Поэтому они обладают β-радиоактивными цепочками из продуктов деления, а также испускают мгновенные (2—3 на один акт урана) и запаздывающие (=1% мгновенных) нейтроны.

Большое энерговыделение, испускание нескольких нейтронов, возможность деления при небольшом возбуждении ядра позволяют осуществить цепную реакцию деления. Идея цепной реакции деления заключается в использовании вылетевших в процессе деления нейтронов для деления новых ядер с образованием новых нейтронов деления и т. д. Для нарастания цепного процесса необходимо, чтобы отношение числа нейтронов в двух последовательных положениях (так называемый коэффициент размножения нейтронов К больше единицы (К>1). Значения коэффициента размножения зависит от числа нейтронов, испускаемых в одном акте деления; от вероятности их разных энергиях; от конструкции и размеров реакторной установки. В частности, активная зона реактора (область, где развивается цепная реакция) должна иметь размеры не меньше некоторой критической величины. Цепная реакция, протекающая в уранграфитовом реакторе на тепловых нейтронах при К =1,005, относится к классу медленных управляемых цепных ядерных процессов. Естественный уран не пригоден для осуществления быстрого цепного ядерного процесса взрывного типа на быстрых нейтронах. Такой процесс был осуществлен в 1945 г. на чистом изотопе 235U и на обладающем аналогичными свойствами изотопе 239Рu трансуранового элемента плутония.

Принцип работы атомной бомбы заключается в очень быстром сближении нескольких порций ядерного горючего, общее количество которых после их объединения превосходит по массе и размерам критические значения. Энергетическая и эффективность атомной бомбы примерно в миллион раз повышает эффективность обычной бомбы.

После окончания Второй мировой войны основные усилия ученых-атомщиков были направлены на освоение атомной энергии в мирных целях. В 1954 г. у нас в стране была пущена первая в мире атомная электростанция, в 1957 г. был пущен на воду атомный ледокол. В настоящее время атомная энергия применяется практически во всех областях народного хозяйства и науки и вносит все больший вклад в мировую энергетику. Построено и работает много ядерных реакторов разных типов (на тепловых, промежуточных и быстрых нейтронах) с различными замедлителями (графит, вода, тяжелая вода, бериллий и др.) и совсем без замедлителя (на быстрых нейтронах), с разным ядерным горючим (естественный уран, обогащенный уран, плутоний и др). Они используются и для получения энергии (атомные электростанции, суда и др.), и для различных научных исследований. И хотя Чернобыльская трагедия умерила восторг от успехов атомной энергетики, ее развитие обещает в дальнейшем широкие возможности и электрификации, и теплофикации, и даже химизации. Проблемы надежности работы атомных электростанций и их безаварийности более всего связаны с решением вопросов защиты атомных реакторов от внешних экстремальных воздействий (например, в условиях пожара) и захоронения радиоактивных отходов. Но в ближайшей перспективе по мере развития ядерной энергетики и радиохимии хранилища изотопов, т.е. осколки ядерного деления, могут превратиться в очаги производства ценнейших элементов, в частности, платиноидов. Сегодня изотопы легких платиновых металлов, образующиеся в процессе деления ядер урана и плутония на атомных станциях, доставляют хлопоты: куда бы их подальше спрятать и изолировать. Но радиохимия, изучающая химические свойства и химические превращения радиоактивных веществ, уже ближайшее время должна решить задачу выделения этих ценных металлов и очищения их от радиоактивных примесей.

Один атом гелия легче, чем четыре атома водорода; дефект масс соответствует выделяющейся энергии излучения.

И все-таки современные электростанции нельзя считать верхом достижения атомной энергетики и энергетики вообще, хотя они сегодня вносят около 12% вклада в общий энергетический баланс. Их недостаток — не только в опасности типа Чернобыля, а еще и в том, что они работают, используя в качестве ядерного топлива изотоп 235U, доля которого в природном уране составляет всего-навсего 0,7%. Поэтому развитие атомной энергетики на основе современного поколения АЭС определяется ресурсами урана, которые по энергетическому запасу сравнимы с запасами нефти.

Кроме реакции деления тяжелых ядер, существует еще один способ освобождения внутриядерной энергии — реакция синтеза легких ядер. Величина энерговыделения в процессе синтеза настолько велика, что при большой концентрации взаимодействующих ядер ее может оказаться достаточно для возникновения цепной термоядерной peакции. В этом процессе быстрое тепловое движение ядер поддерживается за счет энергии реакции, а сама реакция — за счет теплового движения. Для достижения необходимой кинетической энергии температура реагирующего вещества должна быть очень высокой (107 — 108 К). При такой температуре вещество находится в состоянии горячей, полностью ионизированной плазмы, состоящей из атомных ядер и электронов. Совершенно новые возможности открываются перед человечеством с осуществлением термоядерной реакции синтеза легких элементов. Можно представить себе три способа осуществления этой реакции:

1)       медленная термоядерная реакция, самопроизвольно происходящая в недрах Солнца и других звезд;

2)       быстрая самоподдерживающая термоядерная реакция неуправляемого характера, происходящая при взрыве водородной бомбы;

3)       управляемая термоядерная реакция.

Неуправляемая термоядерная реакция — это водородная бомба, взрыв которой происходит в результате ядерного взаимодействия:

Д + Д -> Не3 + n; Д + Д -> Т + р; Т + Д -> Не4 + n,

приводящего к синтезу изотопа гелия He3, содержащего в ядре два протона и один нейтрон, и обычного гелия Не4, содержащего в ядре два протона и два нейтрона. Здесь n — это нейтрон, а р — протон, Д — дейтерий и Т — тритий.

При обеих реакциях Д + Д и Д + Т выделяется огромное количество тепла: один грамм газа, "сгорая", образует столько энергии, сколько получается при сгорании примерно 12 т угля! Реакции протекают при температуре 107—1011 К. Поэтому удерживать столь высоко разогретую массу, состоящую из ядер, протонов и нейтронов (она получила название плазмы), невозможно ни в каком котле, изготовленном из сколь угодно жаропрочного материала. Это обстоятельство оказалось главным препятствием на пути осуществления управляемой термоядерной реакции.

Но уже в 1950-х гг. наши отечественные физики первыми выдвинули и экспериментально обосновали принцип магнитной изоляции ядерной плазмы, которая позволяет уменьшить теплопередачу от плазмы к стенкам реактора. Впоследствии была сконструирована установка токамак — тороидальная камера магнитного удержания ядерной плазмы как ступень к решению задачи — управлению термоядерной реакцией. Однако чем дальше углублялись в поиск решения этой задачи, тем больше появлялось новых трудностей. И хотя ученые-физики нашей страны, США, Англии и других государств продвинулись в этом направлении довольно далеко, конечная цель, как они теперь полагают, может быть достигнута не ранее чем через сто лет.

Но существуют и другие препятствия на пути термоядерной энергии, главным из которых является возможный перегрев поверхности Земли в результате выделения тепла термоядерными реакторами. Собственно, речь идет о разумных экологических ограничениях производства термоядерной энергии в пределах не более чем 5% от солнечной энергии, поглощаемой Землей, однако даже и в этих пределах производство термоядерной энергии поднимает разогрев земной поверхности на 3,7°. Считают, что разогрев выше этой предельной температуры может привести к существенному изменению климата всей нашей планеты, даже к всемирному потопу за счет таяния льдов Антарктиды и Гренландии. Так что нужны меры по поиску экологически безупречных и практически неисчерпаемых источников энергии.

Самой рациональной из таких мер является использование солнечной энергии. Эта мера никогда не приведет к перегреву Земли и к загрязнению ее атмосферы, поверхности и океанов. Солнце ежесекундно посылает на Землю 4 трлн кал тепла. Около половины его рассеивается и поглощается атмосферой и около 10% задерживается в капельно-жидких и пылевых облаках. И все же остающаяся доля доходящей до поверхности солнечной энергии оказывается грандиозной, в десятки раз превышающей предельно допустимое производство термоядерной энергии.

Известные в настоящее время способы преобразования солнечной энергии в те виды, которые можно использовать в энергетике, условно делят на четыре типа: теплотехнические, физические, химические и биологические. Сегодня самыми распространенными являются теплотехнические способы. Но они находятся в зависимости от климатических условий, а их КПД при превращении тепловой энергии в электрическую и механическую не превышает 5%. Физические преобразователи солнечной энергии, в основе которых находятся полупроводниковые фотоэлементы, пока не нашли широкого применения. Они используются в космических кораблях. А построенные на базе кремневых фотоэлементов в качестве опытных наземные электростанции выдают энергию, которая примерно в 100 раз дороже электроэнергии, получаемой на атомных станциях.

Биологическое преобразование солнечной энергии происходит в результате фотосинтеза, происходящего в растениях. Благодаря этому на Земле образовались ископаемые топлива. Хотя на фотосинтез расходуется менее одного процента всей солнечной энергии, падающей на Землю, урожай зеленой массы растений за год по своей калорийности примерно равен добываемым за год из недр Земли горючим ископаемым.

 В настоящее время стала актуальной задача химического преобразования солнечной энергии, т. е. аккумулирование и запасание солнечной энергии методом фотосинтеза. В этом отношении представляет интерес получение на основе преобразования солнечной энергии водорода из воды. Разрабатываемые ныне искусственные молекулярные фотокаталитические системы все более приближаются к природным фотосинтезирующим объектам не только по принципу их действия, но и по самой организации систем. Поэтому, можно, в недалеком будущем удастся воспроизвести в искусственных условиях способность фотосинтезирующего аппарата растений запасать солнечную энергию в виде энергии химического топлива с одновременным выделением кислорода и КПД, близким к 40—50%. Во всяком случае, широкомасштабное преобразование солнечной энергии в энергию химического топлива поставлено на очередь дня. Водород является самым высококалорийным и экологически чистым топливом. Он удобен и для стационарной, и для транспортной энергетики. Бесспорно, это — универсальное топливо энергетики будущего.

III. Основные этапы развития жизни на Земле.

Одним из наиболее трудных и в то же время актуальных и интересных в современном естествознании является о происхождении жизни.

Жизнь — одно из сложнейших, если не самое сложное явление природы. Для нее особенно характерны обмен веществ и самовоспроизведение, а особенности более высоких уровней ее организации обусловлены строением более низких уровней. Живые существа — это естественные информационные системы, т. е. системы, существующие сами по себе, а не в результате построения или составленной кем-то программы.

Отличие живого от неживого заключается в нескольких фундаментальных направлениях: вещественном, структурном и функциональном планах его изучения. В вещественном плане в состав живого обязательно входят высокоупорядоченные макромолекулярные органические соединения, называемые биополимерами, — белки, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). В структурном плане живое отличается от него клеточным строением. В функциональном плане для некоторых тел характерно воспроизводство самих себя, вернее, самовоспроизводство.

Живые тела отличаются от неживых также наличием обмена веществ, способностью к росту и развитию, активной регуляцией своего состава и функций, способностью к движению, раздражимостью, приспособленностью к среде и т. д. Однако, имеются переходные формы от нежизни к жизни. Например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого, хотя у них есть наследственный аппарат. Они могут расти и размножаться лишь вне организма-хозяина, используя его ферментные системы. В современном естествознании существует пять основ концепций возникновения жизни:

1) креационизм — божественное сотворение живого;

2) концепция многократного самопроизвольного зарождения жизни из неживого вещества;

3) концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;

4) концепция панспермии - внеземного происхождения жизни;

5) концепция происхождения жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся естественно-научным законам.

Первая концепция является религиозной и к науке прямого отношения не имеет. Хотя к нему близка концепция, по которой жизнь создана высшим разумом, находящимся вне Вселенной. Основывается она на отрицании возможности объяснить генезис жизни естественными причинами и направлена против концепции химической, предбиологической эволюции. В качестве основополагающего тезиса в концепциях рассматривается положение о том, что жизнь как на Земле, так и вообще где-либо во Вселенной не может возникнуть случайно. Жизнь представляет собой акт преднамеренного творения, что приводит к отождествлению современных космологических представлений с религиозными истинами и для вечной, безграничной Вселенной характерно неизменное постоянство картин жизни. Изложенная в ней временная и иерархическая последовательность событий содержит исходное представление об эволюции: первый день — появление света, второй день — звезд, третий день - создание Земли, четвертый день — Солнца и Луны, пятый день рыб в море и птиц в небе, шестой день — создание человека и, наконец, седьмой день — день отдыха. В пользу ­данной концепции авторы приводят следующие аргументы.

1) белки, нуклеиновые кислоты и другие биологические соединения с их весьма сложной структурой могут быть созданы только живым существом, поскольку системы такой сложности не могут возникнуть в результате взаимодействия простых веществ в первичном океане;

2) в естественном объяснении происхождения жизни необходимо исходить из положения, что жизнь уже была закодирована в структуре атомов.

В конце прошлого века были распространены «теории», согласно которым жизнь возникает в болотах, гниющей массе и тому подобных местах. Именно там из неживой материи и возникают живые организмы — личинки мухи и даже мыши. Вторую концепцию опроверг изучавший деятельность бактерий французский микробиолог XIX в. — Луи Пастер. Третья концепция из-за своей оригинальности всегда имела немного сторонников.

К началу XX в. в науке господствовали две последние концепции. Концепция панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю извне, опиралась на обнаружение при изучении метеоритов и комет "предшественников живого" — органических соединений, которые, возможно сыграли роль "семян". Во второй половине прошлого века шведский ученый Сванте Аррениус выдвинул оригинальную гипотезу. По его мнению, жизнь возникла не на Земле, а занесена на нее из космоса. Наша планета была «заражена» микроорганизмами, прибывшими из глубин Вселенной. Этот процесс Аррениус назвал панспермией. Гипотеза шведского ученого не получила поддержки его коллег. Никто не видел возможности для микроорганизмов длительно путешествовать в космическом пространстве, не погибая от губительных излучений. В свое время эту гипотезу обсуждали очень бурно. Его сторонниками были выдающиеся умы своего времени. Но были противники. Так, А. И. Опарин показал, что эта теория, строго говоря, ничего не дает. Во всяком случае, она не имеет никакого отношения к происхождению жизни, ибо даже если удается доказать, что жизнь была занесена на нашу планету извне, то это не освобождает нас от необходимости объяснить, как же она возникла изначально. Теория панспермии позволяет разрешить лишь проблему происхождения земной жизни, одновременно увеличивая сложность основной проблемы во много раз.

В настоящее время возрождается старая идея панспермии. На международном симпозиуме "Поиски внеземной жизни", состоявшемся в Бостоне (США) в 1984 г., голландский ученый Гринберг сообщил, что в его экспериментах было показано, условиях вакуума и чрезвычайно низкой температуры, характерной для межзвездной среды, бактериальные споры могут противостоять радиации в течение нескольких тысяч лет. Этого, конечно, недостаточно, чтобы перенестись от звезды к звезде, но если "материнская" звезда проходит через пылевое облако, некоторые споры получают от его частиц дополнительную защиту и могут путешествовать миллионы лет. У концепции появления жизни на Земле в историческом прошлом два варианта. Согласно одному, происхождение жизни — результат случайного образования единичной "живой молекулы", в строении которой был заложен весь план дальнейшего развития живого. Согласно другой точке зрения, происхождение жизни — результат закономерной эволюции материи.

Это последняя концепция представляется наиболее научной; рассмотрим ее детально. Широко распространенной и экспериментально обоснованной является модель, получившая за рубежом название гипотезы Опарина—Холдейна - по имени ученых, выдвинувших сходные гипотезы, скорее всего, независимо друг от друга. Общность развиваемых учеными взглядов состоит в принятии за исходные тезисы утверждения о том, что все необходимые для возникновения жизни биологически значимые органические соединения могут образоваться в абиогенных условиях, т. е. без участия живого, лишь на основе физико-химических закономерностей превращения веществ. Большинство современных специалистов также убеждено, что возникновение жизни в условиях первичной Земли есть результат естественной эволюции материи. Для изучения научной проблемы происхождения жизни необходимы, прежде всего, сведения о физико-химических условиях на ранней Земле. Такие данные связаны как с геологической эволюцией планеты, так и с эволюцией химических элементов Солнечной системы и солнечной активностью. Из большого числа химических элементов для жизни необходимы только 16, а водород, углерод, кислород и азот составляют почти 99% живой материи. В вещественном плане 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. Уникальными свойствами обладает углерод, и наша жизнь называется углеродной, или органической. Четырехвалентность углерода приводит к огромному числу его соединений, которыми занимается органическая химия. Углерод образует сложные молекулы, представляющие собой кольца и цепи, обеспечивающие разнообразие органических соединений. Аминокислоты — важный для жизни класс органических соединений. В живых организмах они используются для синтеза белков, растения могут синтезировать их из простых веществ, а в животные организмы часть их должна поступать с пищей, поэтому их называют незаменимыми. Из четырех нуклеотидов построены и другие крупные молекулы — нуклеиновые кислоты, тоже входящие в состав живой клетки. Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к основам живого. Клетка состоит на 70% -из кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота. Все они 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. Органические вещества присутствовали на Земле при ее образовании. Они могли синтезироваться и на поверхности пылинок. Современная теория происхождения жизни основана на идее о том, что биологические молекулы могли возникнуть в далеком геологическом прошлом неорганическим путем. Для возникновения жизни нужны определенные температуры, влажность, давление, уровень радиации, определенная направленность развития Вселенной и время. Земля подходит для зарождения жизни. Ее возраст около 5 млрд. лет.

Температура поверхности в начальный период была 4000—8000°С и по мере остывания Земли углерод и более тугоплавкие металлы конденсировались и образовали земную кору. Первичная атмосфера Земли на протяжении 2 млрд. лет состояла, вероятно, главным образом из водяных паров, N2, CO2, с небольшой примесью других газов (NH3, СН4, H2S) при почти полном отсутствии О2 (практически весь кислород, содержащийся в атмосфере в настоящее время, является продуктом фотосинтеза). Отсутствие в первоначальной атмосфере кислорода было необходимым условием возникновения жизни так как органические вещества легче создаются в восстановительной среде. При отсутствии кислорода, который мог бы их разрушить, а также живых организмов, которые использовали их в качестве пищи, абиогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане, возникшем по мере охлаждения поверхности Земли вследствие конденсации водяных паров и выпадения осадков. В 1953 г. Меллер экспериментально установил, что при подводе энергии (например, в форме электрических зарядов, ультрафиолетового излучения, радиоактивного излучения и тепла) к газовой смеси, содержащей углерод, водород, кислород и азот в восстановительной среде образуются все важные детали, для построения биовеществ: аминокислот, гидроокисей, cахаров, пуриновых и пиримидиновых оснований. С инициацией химических процессов на планете Земля началась фаза химической эволюции около 4—4,5 млрд. лет. Основным результатом первой стадии химической эволюции стала интеграция простых атомов Н, С, N, Р, ... в относительно сложные органические молекулы. Результатом химической эволюции интеграция атомов химических во многие сложные органические, молекулы, а молекул — во многие еще более сложные ценные молекулы. Важную роль в этих превращениях играли следующие химические элементарные процессы: гомогенный и гетерогенный катализ, автокатализ, бистабильность и колебания.

Следующим шагом было образование более крупных полимеров из малых органических мономеров, опять же без участия живых организмов. Видимо, на первичной Земле образование полимеров со случайной последовательностью аминокислот или нуклеотидов могло происходить при испарении воды в водоемах, оставшихся после отлива. Если полимер образовался, он способен влиять на образование других и полимеров.

Сложную химическую эволюцию обычно выражают следующей обобщенной схемой: атомы —> простые соединении—> простые биоорганические соединения —> макромолекулы организованные системы. Следующим этапом после химической эволюции элементов является биохимическая эволюция. Жизнь как особая форма существования материи характеризуется двумя отличительными свойствами — самовоспроведением и обменом веществ с окружающей средой. На свойствах саморепродукции и обмена веществ строятся все современные гипотезы возникновения жизни. Наиболее широко признанные гипотезы — коацерватная и генетическая.

Коацерватная гипотеза (биохимическая эволюция). В 1924 г. А. И. Опарин впервые сформулировал основные положения концепции предбиологической эволюции и затем, опираясь на эксперименты Бунгенберга де Йонга, развил эти положения в коацерватной гипотезе происхождения жизни. Основу гипотезы составляет утверждение, что начальные этапы биогенеза были связаны с формированием белковых структур. Первые белковые структуры (протобионты, по терминологии Опарина) появились в период, когда молекулы белков отграничивались от окружающей среды мембраной. Эти структуры могли возникнуть из первичного "бульона" благодаря коацервации — самопроизвольному разделению водного раствора полимеров на фазы с различной их концентрацией. Процесс коацервации приводил к образованию микроскопических капелек с высокой концентрацией полимеров. Часть этих капелек поглощали из среды низкомолекулярные соединения: аминокислоты, глюкозу, примитивные катализаторы. Взаимодействие молекулярного субстрата и катализаторов уже означало возникновение простейшего метаболизма внутри протобионтов. Схема образования коацерватной капли следующая: молекула белка в растворе —> сближение молекул белка с потерей воды —> образование коацерватной капли. Обладавшие метаболизмом капельки включали в себя из окружающей среды новые соединения и увеличивались в объеме. Когда коацерваты достигали размера, максимально допустимого в данных физических условиях, они распадались на более мелкие капельки, например, под действием волн, как это происходит при встряхивании сосуда с эмульсией масла в воде. Мелкие капельки вновь начинали расти и затем образовывали новые поколения коацерватов. Постепенное усложнение протобионтов осуществлялось отбором таких коацерватных капель, которые обладали преимуществом в лучшем использовании вещества и энергии среды. Отбор как основная причина совершенствования коацерватов до первичных живых существ — центральное положение в гипотезе Опарина.

Генетическая гипотеза. Согласно этой гипотезе, вначале возникли нуклеиновые кислоты как матричная основа синтеза белков. Впервые ее выдвинул в 1929 г. Г. Меллер. Способность нуклеиновых кислот служить матрицами при образовании комплементарных цепей (например, синтез иРНК на ДНК) — наиболее убедительный аргумент в пользу представлений о ведущем значении в процессе биогенеза наследственного аппарата и, следовательно, в пользу генетической гипотезы происхождения жизни. Гены наследственности располагаются в ДНК, и передача информации идет в направлении ДНК—РНК—белок. Изменение пути передачи и информации РНК—белок—ДНК произошло в результате эволюции РНК.

УД. Холдейна «живыми или полуживыми объектами» назывались большие молекулы, способные к созданию своих копий. Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот. Вещество обрело тем самым важнейшее свойство самовоспроизведения и вступило в новую фазу эволюции — фазу самоорганизации через самовоспроизведения. Здесь большое значение имело образование молекулярного языка биополимеров. Элементарный язык биологической системы — это химический язык. Он имеет алфавит, состоящий из различных сортов нуклеотидов и аминокислот. Он позволяет выстраивать последовательности символов различной длины — единицы мутации, кодирования и рекомбинации. Возникали все более сложные репликативные системы, конкурировавшие друг с другом.

Возникновение протоклеток положило начало биологической эволюции вещества. После того, как углеродистые соединения образовали "первичный бульон", могли уже организоваться биополимеры — белки и нуклеиновые кислоты, обладающие свойством самопроизводства себе подобных. Механизм естественного отбора действовал на самых ранних стадиях зарождения органических веществ — из множества образующихся веществ сохранялись устойчивые к дальнейшему усложнению. Как показывает синергетика, энергия имела для возникновения жизни не меньшее значение, чем вещество. 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.

Начало жизни на Земле положило появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Однако до сих пор остаются неясными детали перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней на границе между коарцерватами — сгустками органических веществ — могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту. Следующим шагом в организации живого должно было стать образование мембран, которые отграничивали смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и получается клетка — "единица жизни", главное структурное отличие живого от неживого.

Основные этапы биогенеза. Процесс биогенеза включал три основных этапа: возникновение органических веществ, появления сложных полимеров (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов), образование первичных живых организмов. Клетка — основная элементарная единица жизни, способная к размножению, в ней протекают все главные обменные процессы (биосинтез, энергетический обмен и др.). Поэтому возникновение клеточной организации означало появление подлинной жизни и начало биологической эволюции.

Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках. Тысячи химических реакций происходят одновременно для того, чтобы клетка могла получить необходимые питательные вещества, синтезировать специальные биомолекулы и удалить отходы. Огромное значение для биологических процессов в клетке имеют ферменты. Синтез белка осуществляется в клетке. Величина клеток — от микрометра до более одного метра. Клетки могут быть дифференцированными (нервные, мышечные и т. д.). Большинство из них обладают способностью восстанавливаться, но некоторые, например, нервные — нет или почти нет.

На рисунке 1 изображено "дерево" эволюции жизни на нашей планете.

Рассмотрим подробнее особенности эволюции на клеточном уровне организации жизни. Наибольшее различие существует не между растениями, грибами и животными, а между организмами, обладающими ядром (эукариоты) и неимеющими его (прокариоты). Последние представлены низшими организмами — бактериями и сине-зелеными водорослями (цианобактерии, или цианеи), все остальные организмы — эукариоты, которые сходны между собой по внутриклеточной организации, генетике, биохимии и метаболизму.

Различие между прокариотами и эукариотами заключается еще и в том, что первые могут жить как в бескислородной (облигатные анаэробы), так и в среде с разным содержанием кислорода (факультативные анаэробы и аэробы), в то время как для эукариотов, за немногим исключением, обязателен кислород. Все эти различия имели существенное значение для понимания ранних стадий биологической эволюции. Сравнение прокариот и эукариот по потребности в кислороде приводят к заключению, что прокариоты возникли в период, когда содержание кислорода в среде изменялось. Ко времени же появления эукариот концентрация кислорода была высокой и относительно постоянной. Первые фотосинтезирующие орга­змы появились около 3 млрд лет назад, а значительное количество данных об ископаемых эукариотах позволяет сказать, что их возраст составляет около 1,5 млрд лет. Можно предположить, что первая микрофлора и первая микрофауна появились 3,3—4 млрд лет назад. Первыми микроорганизмами могли быть бактерии или примитивные водоросли. В дальнейшем важную роль начали играть трофические связи. Основанием возникшей трофической цепи служили автотрофные растения, которые производили молекулярные структурные единицы из воды и молекул газа под действием солнечного света. Они медленно изменяли состав атмосферы. Из неассимилирующих организмов шанс на выживание имели лишь паразиты на протофлоре. Так появился принцип гетеротрофии, под которым понимают любой организм (травоядный, плотоядный или всеядный), который питается другими организмами.

Возникновение содержащей кислород атмосферы, начавшееся 2 млрд лет назад, глубоко изменило условия существования жизни. Для живых существ той далекой эпохи кислород был высокотоксичным газом, который в результате процесса окисления мог привести к разрушению органических молекул. Мутация и отбор помогли преодолеть и эту смертельную угрозу: возникли живые организмы, снабженные сначала примитивными органами, а впоследствии жабрами и легкими, которые развили высокоэффективные механизмы обмена веществ для атмосферы, содержащей кислород.

Собственно биологическая эволюция начинается с возникновения клеточной организации и в дальнейшем идет по пути совершенствования строения и функций клетки, образования многоклеточной организации, разделения живого на царства растений, животных, грибов с последующей их дифференциацией на виды.

Основные положения естественно-научной теории происхождения жизни следующие:

1.органические вещества сформировались из неорганических под действием физических факторов среды;

2. органические вещества взаимодействовали, образуя все более сложные вещества, в результате чего возникли ферменты и самовоспроизводящиеся системы — свободные гены;

3. свободные гены соединялись с другими высокомолекулярными органическими веществами;

4. вокруг них стали образовываться белково-липидные мембраны;

5. возникли клетки;

6. из гетеротрофных организмов развились автотрофные. Основные этапы развития жизни на Земле представлены в таблице 1.

Вопрос о закономерном или случайном характере возникновения живых существ является самым трудным для принятия различных концепций происхождения жизни. В гипотезе Опарина жизнь рассматривается как закономерный результат эволюции материи во Вселенной. Альтернативные гипотезы происхождения, отрицающие это положение, постулируют либо предопределенный (американский биофизик Кеньон), либо случайный характер возникновения первичных организмов.

Таблица 1

Основные этапы развития жизни на Земле

Реальная шкала времени	Относительная шкала времени	Этапы развития жизни
3,5-4 млрд лет н.	1 января	Процессы приведшие к образованию органических молекул
	1 февраля	Свидетельства существования первых бактерий
	1 марта	Бактериальные колонии
3 млрд лет н.	1 апреля	Нитчатые фотосинтезирующие водоросли
	1 мая	Рост разнообразия бактерий
2,5 млрд лет н.	1 июня	Высокое разнообразие бактерий
2 млрд лет н.	1 июля	Развитие сложноорганизованных клеток
1,5 млрд лет н.	1 сентября	Первые клетки, характерные для живых и высших растений
1 млрд лет н.	1 октября	Рост разнообразия жизненных форм в морях, появление всех типов беспозвоночных
500 млн лет н.	1 ноября	Начало освоения суши, первые челюстно-ротые рыбы, развитие позвоночных
300 млн лет н.	1 декабря	Развитие млекопитающих, динозавры, амфибии
100 млн лет н.		Господство млекопитающих
11 млн лет н.	31 декабря 8 часов	Начало эволюции человека
5 млн лет н.	16 часов	Ископаемые останки людей
	23 ч 59 м 58 с	Начало промышленной революции

Если группа атомов в присутствии источника энергии образует некую стабильную структуру, то она имеет тенденцию к сохранению структуры. Самая ранняя форма конкуренции состояла в отборе стабильных форм и отбрасывании нестабильных. В этом нет ничего таинственного.

Одна из главных причин кризиса в решении проблемы происхождения жизни — отсутствие четкой границы между тремя понятиями: жизнь, живое и часть живого. Причем очень трудно одновременно изучать структуру и функцию: когда изучается структура (физико-химическими методами), то исчезает функция и наоборот.

Возраст самых древних организмов — клеток без ядер — составляет около 3 млрд. лет. Около 2 млрд. лет тому назад в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими. Их 25—30 тыс. видов. Самые простые из них — амебы, инфузории с ресничками. Примерно 1 млрд. лет тому назад появились первые многоклеточные организмы, и произошел выбор растительного и животного образа жизни.

Таким образом, эмпирические факты и теоретические концепции науки достаточно убедительно указывают, что современному уровню научного знания соответствует абиогенный характер возникновения и развития жизни. В рамках этой концепции предбиологическая эволюция имеет три фазы: первая — фаза элементарных полимеров, когда происходит абиогенный синтез простейших органических соединений, вторая фаза — полимеризация, ведущая к образованию предшественников нынешних живых клеток; третья — биохимическая фаза, в которой совершается возникновение генетического кода, биосинтез закодированных белков и переход к биологической эволюции.

2. Классификация уровней биологических структур и организации живых систем

 

Клетка — естественная крупника жизни, как атом — естественная крупинка неорганизованной материи.

Тейяр де Шарден

Рассмотрение явлений живой природы по уровням биологических структур даст возможность изучения возникновения и эволюции живых систем на Земле от простейших и менее организованных систем к более сложным и высокоорганизованным. Первые классификации растений, наиболее известной из которой была система Карла Линнея, а также классификация животных Жоржа Бюффона носили в значительной мере искусственный характер, поскольку не учитывали происхождения и развития живых организмов. Тем не менее, они способствовали объединению всего известного биологического знания, его анализу и исследованию причин и факторов происхождения и эволюции живых систем. Без такого исследования невозможно было бы, во-первых, перейти на новый уровень познания, когда объектами изучения биологов стали живые структуры сначала на клеточном, а затем на молекулярном уровне. Во-вторых, обобщение и систематизация знаний об отдельных видах и родах растений и животных требовали перехода от искусственных классификаций к естественным, где основой должен стать принцип генезиса, происхождения новых видов, а следовательно, разработана теория эволюции. В-третьих, именно описательная, эмпирическая биология послужила тем фундаментом, на основе которого сформировался целостный взгляд на многообразный, но в то же время единый мир живых систем.

Уровни организации живого – объекты изучения биологии, экологии и физической географии – показаны на рисунке 2.

Экология

Биология    Аутэкология        Синэкология        Физическая география

Род и другие таксоны

                    

Рис.2. Уровни организации живого

Представления о структурных уровнях организации живых систем сформировалось под влиянием открытия клеточной теории строения живых тел. В середине прошлого века клетка рассматривалась как элементарная единица живой материи, наподобие атома неорганических тел. Проблема строения живого, изучаемого молекулярной биологией, coвершила научную революцию с середины нашего столетия. Во второй половине XX в. были выяснены вещественный состав, структура клетки и процессы, происходящие в ней.

Каждая клетка содержит в середине плотное образование, названное ядром, которое плавает в "полужидкой" цитоплазме. Все они вместе заключены в клеточную мембрану. Клетка нужна для аппарата воспроизводства, который находится в ее ядре. Без клетки генетический аппарат не мог бы существовать. Основное вещество клетки — белки, молекулы которых обычно содержат несколько сот аминокислот и похожи на бусы или браслеты с брелочками, состоящими из главной и боковой цепей. У всех живых видов имеются особые белки, определяемые генетическим аппаратом.

Попадающие в организм белки расщепляются на аминокислоты, которые затем используются им для построения собственных белков. Нуклеиновые кислоты создают ферменты, управляющие реакциями. Хотя в состав белков человеческого организма входят 20 аминокислот, но совершенно обязательны для него только 9 из них. Остальные, по-видимому, вырабатываются самим организмом. Характерная особенность аминокислот, содержащихся не только в человеческом организме, но и в других живых системах (животных, растениях и даже вирусах), состоит в том, что все они являются левовращающими плоскость поляризации изомерами, хотя в принципе существуют аминокислоты и правого вращения.

Дальнейшие исследования были направлены на изучение механизмов воспроизводства и наследственности в надежде обнаружить в них то специфическое, что отличает живое от неживого. Наиболее важным открытием на этом пути было выделение из состава ядра клетки богатого фосфором вещества, обладающего свойствами кислоты и названного впоследствии нуклеиновой кислотой. В дальнейшем удалось выявить углеводный компонент этих кислот, в одном из которых оказалась Д-дезоксирибоза, а в другом Р-рибоза . Соответственно этому первый тип кислот стали называть дезоксири-бонуклеиновыми кислотами, или сокращенно, ДНК, а второй тип - рибонуклеиновыми, или кратко РНК кислотами.

Роль ДНК в хранении и передаче наследственности была выяснена после того, как в 1944 г. американским микробиологам удалось доказать, что выделенная из пневмококков свободная ДНК обладает свойством передавать генетическую информацию. В 1953 г. Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком была предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о строении молекулы ДНК как материального носителя информации. В 1960-е гг. французскими учеными Франсуа Жакобом и Жаком Моно была решена одна из важнейших проблем генной активности, раскрывающая фундаментальную особенность функционирования живой природы на молекулярном уровне. Они доказали, что по своей функциональной активности все гены разделяются на "регуляторные", кодирующие структуру регуляторного белка, и "структурные гены", кодирующие синтез ферментов.

Воспроизводство себе подобных и наследование признаков осуществляется с помощью наследственной информации, материальным носителем которой являются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК состоит из двух цепей, идущих в противоположных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие электрических проводов. Напоминает винтовую лестницу. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном. Гены расположены в хромосомах (части ядер клеток). Было доказано, что основная функция генов состоит в кодировании синтеза белков. Механизм передачи информации от ДНК к морфологическим структурам дал известный физик-теоретик Г.Гамов, указав, что для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Молекулярный уровень исследования позволил показать, что основным механизмом изменчивости и последующего отбора являются мутации, возникающие на молекулярно-генетическом уровне. Мутация — это частичное изменение структуры гена. Конечный эффект ее — изменение свойств белков, кодируемых мутантными генами. Появившийся в результате мутации признак не исчезает, а накапливается. Мутации вызываются радиацией, химическими соединениями, изменением температуры, наконец, могут быть просто случайным. Действие естественного отбора проявляется на уровне живого, целостного организма.

Поскольку минимальной самостоятельной живой системой можно считать клетку, постольку изучение онтогенетического уровня следует начать именно с клетки. В настоящее время различают три типа онтогенетического уровня организации живых систем, которое представляют собой три линии развития живого мира:

1) прокариоты — клетки, лишенные ядер;

2) эукариоты, появившиеся позднее, клетки, содержащие ядра;

3) архебактерии — клетки которых сходны с одной стороны с прокариотами, с другой — эукариотами. По-видимому, все эти три линии развития исходят из единой первичной минимальной живой системы, которую можно назвать протоклеткой. Структурный подход к анализу первичных живых систем на онтогенетическом уровне нуждается в дополнительном освещении функциональных особенностей их жизнедеятельности и обмена веществ.

Онтогенетический уровень организации относится к отдельным живым организмам — одноклеточным и многоклеточным. В разных организмах число клеток существенно отличается. В соответствии с числом клеток все живые организмы разделяют на пять царств.

Первые живые организмы имели одиночные клетки, затем эволюция жизни усложнила структуру и число клеток. Одноклеточные организмы, имеющие простое строение, называются мономерами (от греч. meros — часть), или бактериями. Одноклеточные организмы с более сложной структурой относят к царству водорослей, или проститов. Среди водорослей есть и простейшие многоклеточные организмы. К многоклеточным относят растения, грибы и животных. Живые организмы классифицируют в связи с их эволюционным родством, поэтому считается, что многоклеточные имели своими предками проститы, а те произошли от монер. Но три многоклеточных царства произошли от разных проститов. Каждая группа многоклеточных организмов — растений, животных и грибов имеет свой план строения, приспособленный к своему образу жизни, а у каждого вида в процессе эволюции сложилась определенная разновидность этого достаточно гибкого плана. Почти каждый вид состоит из различающихся по строению, но в тоже время кровно родственных групп индивидов. Вид представляет собой не простое собрание индивидуумов, а сложную систему группировок, соподчиненных и тесно связанных друг с другом.

Рис.3. Биогеоценоз

Известный немецкий биолог Э. Геккель открыл биогенетический закон, согласно которому онтогенез в краткой форме повторяет филогенез, т. е. отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме повторяет историю рода.

Популяционный уровень начинается с изучения взаимосвязи и взаимодействия между совокупностями особей одного вида, которые имеют единый генофонд и занимают единую территорию. Такие совокупности, или, скорее, системы живых организмов, составляют определенную популяцию. Очевидно, что популяционный уровень выходит за рамки отдельного организма, и поэтому его называют надорганизменным уровнем организации.

Популяция представляет собой первый надорганизменный уровень организации живых существ, который хотя и тесно связан с их онтогенетическим и молекулярными уровнями, но качественно отличается от них по характеру взаимодействия составляющих элементов, ибо в этом взаимодействии они выступают как целостные общности организмов. По современным представлениям, именно популяции служат элементарными единицами эволюции.

Второй надорганизменный уровень организации живого составляет различные системы популяций, которые назывют биоценозами или сообществами. Они являются более обширными объединениями живых существ и в значительно большей мере зависят от небиологических, или абиотических, факторов развития.

Третий надорганизменный уровень организации содержит в качестве элементов разные биоценозы и в еще большей степени характеризуется зависимостью от многочисленных земных и абиотических условий своего существования (географических, климатических, гидрологических, атмосферных и т. п.). Для его обозначения применяется термин биогеоценоз, или экологическая система — экосистема (рис.3.)

Четвертый надорганизменный уровень организации возникает из объединения самых разнообразных биогеоценозов и теперь называется биосферой.

Для характеристики трофического (пищевого) взаимодействия популяции и биоценозов существенное значение имеет общее правило, согласно которому, чем длиннее и сложнее пищевые связи между организмами и популяциями, тем более жизнеспособной и устойчивой является живая система любого (надорганизменного) уровня. Отсюда становится ясным, что с биологической точки зрения на таком уровне решающее значение приобретает трофический характер взаимодействия между составляющими живую систему элементами.

3. Генная инженерия и биотехнология

Многие вещи нам непонятны не потому, что наши понятия слабы; но потому, что сии вещи не входят в круг наших понятий.

Козьма Прутков

Результаты исследований молекулярной генетики и молекулярной биологии являются иллюстрацией лидирующего состояния биологии в современном естествознании. На их базе возникли новые научные направления, такие как генная инженерия и биотехнология.

Генетическая инженерия — это система экспериментальных приемов, позволяющих конструировать искусственные геческие структуры в виде гибридных молекул ДНК. Суть генетической инженерии сводится к переносу в организм чужеро­дных генов, которые могут сообщать им полезные свойства. Геном является определенный участок молекулы ДНК, который хранит и передает наследственную информацию. Молекулы ДНК представляют собой длинные полимерные молекулы - полинуклеотиды, состоящие из мономерных звеньев. Элементарными частицами генетического материала являются мономерные звенья полимерной молекулы ДНК. Гены содержат в себе такую информацию, код или своего рода программу, по указанию которой происходит синтез белков в клетках данного организма. На линейной молекуле ДНК отдельные гены разделены регуляторными участками, и они не могут перекрываться. Молекулу ДНК можно разбить на непрерывные участки (гены), на каждом из которых записана информация о последовательности аминокислот одного белка. Если найти методы, позволяющие резать ДНК на точно необходимые куски, отделять разные куски друг от друга и затем их сшивать по усмотрению экспериментатора и переносить их в клетку другого организма, то можно заставить эту клетку синтезировать не свойственный ему (т. е. чужой) белок.

Итак, процедуры генетической инженерии сводятся к тому, что из набора фрагментов ДНК, содержащих нужный ген, собирают гибридную структуру, которую затем вводят в клетку. Введенная генетическая информация экспрессируется, что приводит к синтезу нового продукта. Таким образом, вводя в клетку новую генетическую информацию в виде, гибридных молекул ДНК, можно получить измененный организм. Синтезирование нужных белков, гормонов, вакцин и других необходимых для медицины и сельского хозяйства соединений методами молекулярной биологии и есть основная задача генной инженерии. Сложной задачей здесь является поиск методов резки молекулы ДНК с точностью до миллиардных долей метра с тем, чтобы получить все одинаковые молекулы в заданном образце строго в одних и тех же местах. После долгих исследований ученые установили, что в роли такого высокоточного скальпеля могут быть применены ферменты рестриктазы. Они узнают самые разные последовательности нуклеотидов и разрезают их в нужном месте. Полученные куски затем сшивают с помощью другого фермента, называемого ДНК-лигазой, способного залечивать разрывы в цепи ДНК. Таким путем искусственно можно получить какие угодно комбинации генов, которые в естественных условиях нельзя реализовать из-за существующих барьеров на межвидовое скрещивание.

Полученная путем перетасовки генов гибридная молекула ДНК должна размножаться в составе живой клетки и менять ее генетические свойства. В этом особая роль принадлежит плазмидам. Оказывается, в клетках бактерий, дрожжей и высших организмов кроме основных молекул ДНК, не переходящих из одной клетки в другую, присутствуют еще и маленькие молекулы ДНК-плазмиды, которыми клетки легко обмениваются. Если из бактерий извлечь плазмиды и встроить в них фрагменты чужой молекулы ДНК, а затем залечить раны и смешать полученные гибридные плазмиды с бактериальными клетками, то такие гибридные плазмиды окажутся биологически активными и будут размножаться. Далее в результате размножения гибридных плазмид с бактерией-хозяйкой удается многократно умножить (тиражировать) встроенный чужеродный фрагмент молекулы ДНК. Этот прием генной инженерии получил название клонирования. Метод клонирования с помощью плазмид дает молекулярной биологии уникальную возможность перетасовки генов бактерий, вирусов, дрожжей и высших организмов — человека и животных.

Еще несколько лет назад ученые задавали вопрос, можно ли создать сорта, сбалансированные по составу аминокислот, устойчивые к холоду, засухе, не поражаемые вредителями. Сегодня можно с уверенностью утверждать, что такие трансгенные растения уже вышли в поле. Областей применения трансгенных растений довольно много. На уровне лабораторных экспериментов ведутся работы по получению растений, устойчивых к холоду, тяжелым металлам, повышенному содержанию солей и др. Трансгенные растения, устойчивые к гербицидам (химическим соединениям, которые используют для борьбы с сорняками), к вирусам, растения с повышенным содержанием масел и незаменимых аминокислот уже выращивают на миллионах гектаров. Не менее интересен и другой аспект работ — получены трансгенные растения с измененными декоративными свойствами. Поскольку основные трансгенные формы кукурузы, сои, хлопчатника с устойчивостью к гербицидам и насекомым хорошо себя зарекомендовали, есть все основания ожидать, что площадь под генно-инженерными растениями в будущем увеличится.

Среди последних достижений инженерной, или конструктивной, биологии следует упомянуть успешное клонирование млекопитающих (овцы, свиньи, коровы), создание первых искусственных хромосом человека, создание трансгенных мышей.

Если в плазму встроить ген (фрагмент ДНК) человека, то такая плазмида внутри бактерии или дрожжей начинает вырабатывать белок, отвечающий человеческому гену. Разработка технологии, заставляющей бактериальные или дрожжевые клетки синтезировать в больших количествах необходимые человеку для различных целей белки, положило начало новой биотехнологической эре.

Услугами генной инженерии особенно успешно пользуются фармацевты, для которых этот метод дает сравнительно дешевые, жизненно необходимые гормоны, такие как инсулин, интерферон, гормоны роста и другие, имеющие белковую природу. По заказу фармацевтов генными инженерами налажено производство человеческого гормона инсулина ( вместо ранее применяемого животного инсулина), играющего важную роль в борьбе с сахарным диабетом. Методом генной инженерии получают также достаточно дешевый и чистый человеческий интерферон — белок, обладающий универсальным антивирусным действием, антиген вируса гепатита В.

Другими важнейшими областями, в которых успешно применяются достижения генной инженерии, являются медицина и сельское хозяйство. На наших глазах современная биология превратилась в науку, которая дала начало технологиям, преобразившим производство. Биотехнология стала реальной производительной силой. Питание и медицинское обслуживание возрастающего быстрыми темпами население Земли представляют собой наиболее важные проблемы, стоящие перед человечеством, и решать их, скорее всего, придется методами биотехнологии.

Производство и применение вакцин против вирусных заболеваний позволили медикам ликвидировать полностью эпидемии чумы и оспы, от которых раньше умирали миллионы людей. Метод генной инженерии, в отличие от других методов, позволяет получить абсолютно безвредную (не содержащую инфекционного начала) вакцину. Ведутся также работы по производству вакцин от гриппа, гепатита и других вирусных заболеваний человека.

В настоящее время для производства интерферона и гормона роста в качестве источника плазмидов вместо бактерий широко применяются также дрожжи, которые на эволюционной лестнице стоят где-то между бактериями и высшими организмами. Еще одной задачей, успешно решаемой в настоящее время биотехнологией, является производство белка, содержащего незаменимую аминокислоту лизин и используемого в качестве полноценных кормовых добавок для животных.

В биотехнологии применяются не только методы генной инженерии, но и методы клеточной инженерии. Суть метода клеточной инженерии сводится к следующему. Из организма искусственно выделяют клетки, которые затем размножают в специально подобранных питательных средах. Полученные таким путем клеточные культуры используются для производства ценных лекарственных веществ и для гибридизации клеток, которые невозможно воспроизвести обычным половым путем. Методом гибридизации соматических клеток получены новые формы культурных растений (томаты, картофель). Гибридизация же животных клеток (например, раковых клеток и клеток крови — лимфоцитов) применяется для выработки ценных медицинских препаратов.

4. Проблемы происхождения жизни во Вселенной

Река времен в своем стремлении Уносит все дела людей. И топит в пропасти забвенья Народы, царства и царей.

Г. Державин

На определенном этапе эволюции материи при появлении подходящих условий во Вселенной возникла жизнь. Ее возникновение, существование и развитие, как отмечалось выше, обусловлены рядом фундаментальных свойств Вселенной, выражающихся, например, в константах, характеризующих гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Ученые считают, что при значениях этих констант, например, гравитационной постоянной, отличающихся от наблюдаемых, жизнь во Вселенной существовать просто бы не могла. Ясно, что жизнь не могла возникнуть и на ранних стадиях расширения Метагалактики. Но именно в первые минуты расширения при температурах более 109 К вещество уже имело "стандартный химический состав" ( около 75% ядер атомов водорода и 25% ядер гелия). Если бы состав вещества был иным, то трудно сказать, какой стала бы дальнейшая химическая эволюция вещества Метагалактики. Образовавшиеся в поздних стадиях расширения Метагалактики звезды оказались не только источниками энергии, но и теми объектами Вселенной, в недрах которых синтезировались необходимые для возникновения жизни химические элементы. Для существования жизни небезразлично и то, что Метагалактика расширяется. Если бы по каким-либо причинам несколько миллиардов лет назад началось сжатие Метагалактики, то постепенное повышение температуры превысило бы значение, при котором возможно существование жизни.

Представление о наличии жизни во Вселенной исторически менялось и всегда интересовало человечество. Взгляды о бесчисленности обитаемых миров получили широчайшее распространение в XVIII—XIX вв. Особую известность и популярность завоевали труды Б. Фонтенеля, К. Фламмариона и др. В эту эпоху населенными считались практически все небесные тела — от Луны и планет до комет и Солнца. Об обитателях Луны, например, писали И. Кеплер, И.Ньютон, а позднее, уже на пороге XIX в., У. Гершель допускал возможность существования жизни на Солнце. Проблема происхождения жизни как предмет научных исследовании возникла во второй половине XIX в. Как отмечал Кельвин, еще Ч.Дарвин совершенно отчетливо ставил вопрос о естественном происхождении жизни на Земле в отдаленном прошлом и говорил об отсутствии условий для этого теперь, при наличии развитой жизни.

В начале XX в., однако, возобладало мнение, что жизнь — привилегия лишь планет типа Земли. А ставшая общепринятой космологическая теория Джинса, согласно которой планеты возникают в результате тесного сближения двух звезд — события очень редкого, привела к заключению о крайней редкости планетных систем и тем более жизни в звездном мире.

В 20-х гг. XX в. существенно изменилась астрономическая картина мира, и в том же десятилетии в трудах А. И. Опарина в СССР и Дж. Холдейна в Англии стала формироваться первая научная концепция происхождения жизни.

Итак, как отмечалось выше, в звездах первого поколения практически не было более тяжелых, чем Н и Не, химических элементов. Но без этих более тяжелых элементов невозможно существование ни земноподобных планет, ни живой материи. Однако эволюция некоторых типов массивных звезд космологически быстро, через какие-нибудь десятки или сотни миллионов лет завершается коллапсом центральной части такой звезды в сверхплотное состояние (белый карлик, нейтронная звезда, черная дыра) и сбросом оболочки, превраща­ющейся в газовую туманность — взрывом сверхновой звезды. При этом и образуются в небольшом количестве (порядка 1% по массе) более тяжелые, чем Н и Не, элементы. Именно эта стадия развития Вселенной и знаменует начало ее химической эволюции. Возможно, заметную роль в обогащении веществ галактик тяжелыми элементами играют и гигантские взрывы в ядрах этих звездных систем.

Солнце в соответствии с расчетами, основанными на современной теории эволюции звезд, образовалось около 5 млрд лет назад (через 8—10 млрд лет после звезд первого поколения) из газопылевой среды, уже обогащенной тяжелыми элементами. П.Дебай, а также В. Г. Фесенков подчеркнули, что у звезд первого поколения, составляющих 90% всех звезд Галактики, не может быть земноподобных планет, а следовательно, и жизни. Однако остальные 10%, составляющие население последующих поколений звезд Галактики (это ~1010 объектов) могут обладать планетами типа Земли. Планеты рождаются в ходе самого процесса звездообразования, и планетные системы могут быть у значительной доли звезд — до 2/3 общего числа звезд второго и последующих поколений могут обладать земноподобными планетами. Это значит, что необходимые для возникновения и развития жизни условия выполняются в галактиках, подобных нашей, не при уникальном сочетании редких событий, а как типичное явление. В пользу справедливости этого вывода свидетельствует медленное (обычно всего несколько км/с на экваторе) вращение большинства солнце-подобных звезд, ибо оно может быть истолковано как свидетельство наличия у них, как и у Солнца, планет, несущих основную (у них 98%) долю вращательного момента количества движения всей системы. Следовательно, образование земноподобных планет — естественный результат общегалактического космогонического процесса.

Коль скоро есть все основания предполагать, что планетных систем, сходных с Солнечной, в Галактике насчитывается несколько миллиардов, вполне естественно принять, что процесс жизни и ее эволюции там в общих чертах по своему характеру сходен с тем, что было на Земле. Разумеется, не на каждой планете возможно зарождение и развитие жизни. Для этого необходимо учесть:

1. Планеты, на которых возможно зарождение и развитие жизни, не могут обращаться вокруг звезды слишком близко или слишком далеко. Необходимо, чтобы температуры их поверхностей были благоприятны для развития жизни. Учитывая, однако, что одновременно со звездой должно образоваться сравнительно большое число планет (скажем ~10), с большой вероятностью можно ожидать, что хотя бы одна или две планеты будут обращаться на расстоянии, при котором температура лежит в нужных пределах.

2. Массы образовавшихся планет не должны быть ни слишком большими, ни слишком маленькими. Это обстоятельство в свое время подчеркивал В. Г. Фесенков. В первом случае гигантские атмосферы этих планет, богатые водородом и его соединениями, исключают возможность развития жизни. Во втором случае за время эволюции атмосферы будут рассеиваться (подобно Меркурию). Однако учитывая сравнительно большое число образующихся планет, можно ожидать, что некотоpoe, пусть малое количество их, будет обладать нужной массой. При этом необходимо, чтобы такие планеты одновременно удовлетворяли первому условию. Заметим, что первое и второе условия не являются независимыми.

3.       Высокоорганизованная жизнь может быть только на планетах, обращающихся вокруг достаточно старых звезд, возраст которых насчитывает несколько миллиардов лет.

4.       Звезда в течение нескольких миллиардов лет не должна существенно менять своей светимости. И этому условию удовлетворяют большинство интересующих нас звезд.

5. Звезда не должна быть двойной или кратной, ибо в противном случае орбитальное движение планет было бы существенно отлично от кругового, и резкие, если не катастрофические, изменения температуры поверхности планеты исключили бы возможность развития на ней жизни. Другой, хотя и косвенный, но важный (и видимо, типичный для любой звездной системы) путь воздействия Галактики на происхождение и развитие жизни на Земле, — возмущающее влияние притяжения звезд, проходящих в соседстве с Солнцем, на кометы из "свиты Солнца". На периферии Солнечной системы, возможно, движется до 1011 комет. Наша планета за свою историю испытала, по подсчетам ученых, около сотни столкновений с кометами; их суммарная масса могла составить достаточно заметную величину, равную примерно 1% массы земной атмосферы. Кометы богаты сложными химическими соединениями, включая органические, видимо, еще межзвездного происхождения, а также образовавшимися в период формирования солнечной системы. Их вклад в копилку первоначальной земной органики — основы предбиологической эволюции — мог быть существенным.

Совокупность свойств, наблюдаемых у нашей Вселенной (физическое состояние, химический состав, структура, расширение и связанное с ним красное смещение в спектрах далеких объектов), необходима для обеспечения возможности возникновения и существования в ней жизни. Итак, во Вселенной естественно возникают общие предпосылки для появления и развития жизни. Речь может и должна идти о жизни в тех ее рамках, в каких она известна нам. Именно поэтому специально обращалось внимание на необходимость для возникновения жизни предварительного образования во Вселенной С, О, N, Р и др., а также тяжелых элементов, без которых жизнь, во всяком случае известного нам типа, совершенно немыслима. Может быть, мы еще не заметили pоли и даже существования некоторых фундаментальных для жизни космических факторов, открытие которых в будущем существенно изменит наши представления о распространенности во Вселенной условий, в которых может появиться жизнь.

Земля вместе с Солнцем каждые 200—250 млн лет приближалась к центру Галактики, где, видимо, и тогда происходили мощные взрывы не очень понятного происхождения, следы каких наблюдаются и сейчас. Они воздействовали на всю систему взрывными волнами, потоками жестких космических лучей. Трудно сказать, каковы могли быть их влияния на Землю, но, например, длина галактического года подозрительно близка к периодичности великих оледенений истории Земли.

Молодую Землю заливали космические лучи солнечного и галактического (а возможно, и метагалактического) происхождения; она погружалась в газовые туманности, сброшенные при взрывах сверхновых звезд, которые вспыхивали в 100 раз чаще, чем ныне, так как количество дозвездного вещества в Галактике было много больше, т. е. и процесс звездообразования тел интенсивнее. Очень близкий взрыв сверхновой мог оказать и шоковое воздействие на биосферу Земли, особенно если бы он пришелся на период исчезновения геомагнитного поля, при смене его полярности. Говоря о космических факторах развития биосферы, не следует забывать, что с точки зрения астрофизики Земля, собственно, находится в атмосфере Солнца. Воздействие астрономических факторов могло иметь для жизни даже глобальный характер (например, выход температуры за допустимые границы; чрезмерное усиление радиационного потока, ультрафиолетового излучения). Это позволило поставить даже вопрос — однократно ли возникала жизнь на Земле?

Выводы

1. Среди известных гипотез происхождения жизни наиболее распространены: креационизм, самопроизвольное возникновение, вечное существование, панспермия, биохимический путь.

2. Для научного изучения происхождения жизни необходимы, прежде всего, данные о физико-химических условиях на ранней Земле. Такие данные связаны как с геологической эволюцией планеты, так и с эволюцией химических элементов Солнечной системы и солнечной активностью.

3. Из большого числа химических элементов для жизни необходимы только 16, а водород, углерод, кислород и азот составляют почти 99% живой материи. Уникальными свойствами обладает углерод, и наша жизнь называется углеродной, или органической. Четырехвалентность углерода приводит к огромному числу его соединений, которыми занимается органическая химия. Углерод образует сложные молекулы, представляющие собой кольца и цепи, обеспечивающие разнообразие органических соединений.

4. Аминокислоты — важный для жизни класс органических соединений. В живых организмах они используются для синтеза белков: растения могут синтезировать их из простых веществ, а в животные организмы они должны поступать с пищей, поэтому их называют незаменимыми. Из четырех нуклеотидов построены и другие крупные молекулы - нуклеиновые кислоты, тоже входящие в состав живой клетки. Нуклеиновые кислоты представляют собой двухцепочные молекулы.

5. Современные научные гипотезы происхождения жизни связаны с образованием в определенных условиях более сложноорганизованных молекул -коагулянтов, гелей коацерватов. У этих коллоидных образований, как считали Опарин и Холдейн, на поверхности могут происходить процессы, напоминающие метаболизм живых организмов. Коацерваты способны делиться на части, увеличиваться в размерах, поглощать более простые молекулы. Гипотеза Опарина—Холдейна проверялась на установке Меллера, где искровой разряд пропускался через смесь метана, аммиака, водорода и воды, что имитировало условия первичной Земли. Были синтезированы простейшие аминокислоты. Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самопроизводящие системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот.

IV. Человек: здоровье, эмоции, творчество, работоспособность, биоэтика.

Человек есть мера всем вещам — существованию — существующих и несуществованию — несуществующих.

Протагор (V в. п. до н.э.)

1. Физиология человека

Физиология человека как наука о жизнедеятельности здорового организма человека и функциях его составных частей: клеток, тканей, органов и систем — зародилась в XVIII столетии. Основоположником физиологии как самостоятельной отрасли знаний является английский ученый Уильям Гарвей, описавший большой и малый круги кровообращения и 1628 г. Физиология человека базируется на функционировании основных систем организма людей, таких как кровеносная, лимфатическая, пищеварительная, нервная, дыхательная и др. Физиологи Д. Эклс, А. Хаксли, А. Ходжкин ycтановили, что ионные механизмы важнейших физиологических процессов — возбуждения и торможения, за что были отмечены Нобелевской премией (1963 г). Как известно, нервы и мышцы относятся к возбудимым образованиям. Это значит, в ответ на раздражение в них возникают различные электрические потенциалы. Согласно ионно-мембранной теории биоэлектрических потенциалов, созданной в середине XX в. А. Ходжкиным, Э. Хаксли, Б. Катцом, они обусловлены неодинаковой концентрацией ионов К+, Na+, Сl- внутри и вне клетки и различной проницаемостью для них поверхностной мембраны. Позже были открыты медиаторы (нейротрансмиттеры), что легло в основу учения о химическом механизме передачи нервного импульса.

Разработка И. П. Павловым учения об условных рефлексах позволило ему не только получить подтверждение сформированной И.М. Сеченовым концепции о зависимости всех функций организма от окружающей среды, но и создать новое учение — физиологию высшей нервной деятельности человека и животных.

Организм и окружающая среда — это единая система, так между ними происходит непрерывный обмен веществом и энергией (рис.1). Энергия необходима организму для поддержания всех его жизненно важных функций. Она выделяется за счет окисления сложных органических соединений, т. е. белков, жиров и углеводов. Резервирование энергии происходит в основном в виде макроэргических связей АТФ (адезонинтрифосфорной кислоты).

                                        

ПРИХОД ВЕЩЕСТВ Белки, жиры и углеводы пищи-белки, жиры и углеводы каловых масс
ПРИХОД ЭНЕРГИИ С пищевыми продуктами

Ассимиляция ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ диссимиляция

РАСХОД ВЕЩЕСТВ Расщепление белков до H2O и CO2 и азотосодержащих веществ; жиров до H2O и CO2; углеводов до H2O и CO2

РАСХОД ЭНЕРГИИ деятельность внутренних органов и двигательная активность

Рис. 1. Понятие об обмене веществ и энергии

АТФ — это универсальный источник энергии в организме человека. Высвобождение энергии происходит за счет гидролиза АТФ, связанного с разрывом химической связи концевой фосфатной группы. Часть этой энергии выделяется в виде теплоты, необходимой для теплорегуляции. Так, при сокращении мышц около 80% энергии теряется в виде тепла и только 20% превращается в механическую работу.

Рис. 2. Принципиальная схема превращения энергии в организме

На рисунке 2 показана принципиальная схема превращения энергии в организме.

Процессы обмена веществ, происходящие на клеточном и тканевом уровнях в организме человека, называют метаболизмом. Он состоит из двух противоположных процессов: анаболизма и катаболизма. Анаболизм — это процесс биосинтеза органических веществ, которые обеспечивают рост, развитие организма, обновление его структур и накопление структурной энергии. Катаболизм — это процесс расщепления или окисления сложных молекул до простых веществ с выделением энергии и резервированием ее в виде АТФ. Эти процессы обеспечивают в организме белковый, углеводный и жировой обмены.

Белки — это биополимеры, в состав которых входят около 20 аминокислот, содержащих азот. Функции белков многообразны: пластическая (строительная), энергетическая, транспортная, ферментативная и др. При сгорании 1 г белка в организме высвобождается 4,1 ккал энергии. Суточная потребность человека в белках не менее 85—90 г.

Жиры — это эфиры высших жирных кислот и глицерина. Важнейшие их функции — энергетическая и структурная. Так, при сгорании в организме 1 г жира высвобождается 9,3 ккал энергии. В сутки потребность человека в жирах составляет от 80 до 100 г. Жиры депонируются в организме в подкожной жировой клетчатке и в оболочках вокруг внутренних органов.

Углеводы — это вещества сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде. Их можно условно разделить на 3 класса соединений: моносахариды (глюкоза); дисахариды (мальтоза); полисахариды (крахмал). Они выполняют энергетическую и пластическую функции, а также входят в состав нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) и АТФ. Потребность в углеводах составляет в сутки 350—450 г. Запасы углеводов в организме человека в виде животного крахмала — гликогена - имеются в печени и в скелетных мышцах.

 Таким образом, соотношение в пищевом рационе основных питательных веществ составляет 1:1:4 (белков: жиров: углеводов).

В состав пищи входят также вода, минеральные (неорганические) вещества и витамины. Витамины — это особая группа веществ, не синтезируемых вовсе или синтезируемых в малых количествах в организме человека. Они необходим для нормального обмена веществ, роста, развития человека, поддержания его здоровья. Все витамины подразделяю на водо- и жирорастворимые. К первой группе относятся витамин С, витамины группы В. Они содержатся, в основном продуктах растительного происхождения (овощах, фруктах). Источником жирорастворимых витаминов (A, D, Е и К) является пища животного происхождения (молоко, яйца, мясо, печень). Некоторые витамины (К и В12) синтезируются микрофлорой кишечника. Недостаточные поступления витаминов в организм сопровождается различными заболеваниями (авитаминозы).

В состав внутренней среды организма входят кровь, лимфа и тканевая жидкость. Она обладает динамическим постоянством констант — гомеостазом, являющимся условием независимого существования организма человека.

Функциями кровеносной системы являются следующие:

1)  поддержание гомеостаза;

2)  транспортная (перенос газов, питательных веществ, продуктов их метаболизма);

3)  терморегуляторная;

4)  защитная (участие в иммунных реакциях);

5)  экскреторная (выделительная) и другие.

Объем крови в организме человека составляет 4—6 л (или 6—8% от массы тела). Всего 40—45% крови движется по сосудам (в норме); при нагрузке на организм кровь выходит из депо (селезенки, печени, легких) и ее обмен увеличивается. Система кровообращения человека — это сердце и замкнутая система кровеносных сосудов, включающая артерии, вены, капилляры. Благодаря сокращениям сердца кровь поступает в артерии, вены, капилляры. Сокращаясь, сердце выбрасывает порцию крови (70 мл) в артерии, при расслаблении в него вливается кровь из вен. Капилляры образуют густую сеть длиной 200 000 км. Масса сердца колеблется в пределах 200—400 г, по объему оно сопоставимо с кулаком. Сердце сокращается ритмично со средней частотой 75 раз в минуту. Объем крови, перекачиваемой сердцем за 1 минуту, составляет 6 л, но может достигать и 30 л/мин, если человек находится в состоянии возбуждения или выполняет большую физическую нагрузку. В нормальных условиях у взрослого человека максимальное (систологическое) давление крови в плечевой артерии составляет 110—125 мм рт. ст., а минимальное (диетологическое) — 70—85 мм рт. ст.

Система лимфообращения осуществляет постоянный остаток межтканевой жидкости по направлению к сердцу. Лимфа служит для поддержания объема и состава тканевой жидкости, всасывания и переноса питательных веществ из пищеварительного канала в венозную систему, а также для участия в иммунных реакциях организма посредством доставки лимфоцитов, антител и др. Лимфа поддерживает белковое постоянство крови. Ее движению способствуют ритмические сокращения стенок лимфатических сосудов и отрицательное (присасывающее) внутригрудное давление.

Основная функция органов дыхания — обеспечение тканей организма человека кислородом и освобождение их от углекислого газа. Внутриклеточное дыхание обеспечивает освобождение энергии, необходимой для поддержания процессов жизнедеятельности. Образующийся при этом углекислый газ (СО2) переносится кровью к легким и удаляется с выдыхаемым воздухом. Дыхание происходит непрерывно и автоматически благодаря нервным импульсам, поступающим из дыхательного центра, расположенного в продолговатом мозге. Несмотря на автоматизм дыхательного цикла, его работа контролируется корой больших полушарий. Взрослый человек в нормальном состоянии за один дыхательный цикл вдыхает и выдыхает в среднем около 500 см3 воздуха, а при дополнительном (после нормального вдоха) максимальном вдохе можно вдохнуть еще 1500—3000 см3 воздуха. Жизненная емкость легких равна суммарной величине дыхательного и дополнительного объемов вдоха и выдоха (3-5 л) (рис.3).

Пищеварительная система человека осуществляет механическую и химическую переработку пищи для всасывания питательных веществ через стенки пищеварительного тракта и поступления их в кровь и лимфу. В пищеварительном аппарате происходят сложные физико-химические превращения пищи: от формирования пищевого комка в ротовой полости до всасывания и удаления непереваренных ее остатков. Эти процессы осуществляются в результате двигательной, всасывающей и секреторной функций системы органов пищеварения. Все пищеварительные функции регулируются нервным и гуморальным путем. Нервные центры, регулирующие функции пищеварения, находятся в разных отделах головного мозга (продолговатый мозг, гипоталамус и кора головного мозга), а гормоны большей частью образуются в самом желудочно - кишечного тракте.

К выделительным органам относятся почки, кожа, потовые, сальные железы, легкие. Функции почек многообразны:

1) участие в регуляции водного баланса организма;

2) участие в постоянстве ионного баланса;

3) регуляция осмотического давления во внутренней среде организма;

4) поддержание кислотно-щелочного равновесия и др.

Основная функция почек — удаление из организма вредных и чужеродных для него веществ путем образования и выведения мочи. Почки каждую минуту пропускают более 1 л крови, а всего ими за сутки фильтруется и очищается 1700 л крови. Моча выделяется в количестве 1—1,5 л в сутки. В норме у здорового человека моча содержит только вредные продукты метаболизма и не должна содержать глюкозу и белок.

Наряду с нервной регуляцией функций в организме человека существует гуморальная (гормональная) регуляция с помощью биологически активных веществ — гормонов. Нервная и гуморальная регуляции функций в организме взаимосвязаны. Гормоны в организме человека влияют на следующие процессы:

1.                     обмен веществ и энергии;

2.                     рост и развитие;

3.                     размножение;

4.                     адаптация.

Гормоны — это биологически активные вещества, вырабатываемые специальными железами внутренней секреции, не имеющими специальных протоков. Они поступают прямо в кровь и регулируют функции органов — мишеней. Все железы внутренней секреции делятся на центральные и периферические. К центральным железам относятся гипофиз и эпифиз. Гипоталамус как структура промежуточного мозга выделяет вещества, обладающие гормональной активности. Периферическими железами являются щитовидная, половые, поджелудочная, надпочечники и тимус.

Нервная система обеспечивает взаимодействие организма с внешней средой и регулирует работу всех органов и систем организма. Она подразделяется на соматическую и вегетативную, а они, в свою очередь, на центральную и периферическую. Центральная нервная система состоит из спинного и головного мозга. Структурно-функциональной единицей нервной системы является нервная клетка — нейрон. Соматическая нервная система обеспечивает чувствительную и двигательную функции, а вегетативная — иннервирует все внутренние органы и железы, обеспечивая регуляцию питания, дыхания, выделения, размножения.

Особый раздел физиологии занимается изучением материальных основ психической деятельности человека. Он появился благодаря работам И. М. Сеченова и И. П. Павлова, создавших учение о безусловных и условных рефлексах как двух различных формах поведения человека. Безусловные рефлексы — видовые, генетически закрепленные, стереотипные формы поведения человека. Они возникают сразу, не нуждаются в выработке (например, врожденные ты вые и оборонительные рефлексы). Условные рефлексы- индивидуально приобретенные в процессе жизни и обучения приспособительные реакции, возникающие на основе образования временной связи между условным раздражителем и безусловно-рефлекторным актом. Данный раздел науки изучает такие сложные проявления психики человека, как сознание, внимание, память, эмоции, мышление и другие. Это высшие психические функции.

Сознание — это высшая форма отражения мозгом человека окружающего мира, передаваемая другим людям в форме слов и символов. Особенностью психических функций человека является наличие речи, или 2-й сигнальной системы. Это особые условные рефлексы, вырабатываемые на слово (1-я сигнальная система — это конкретные образцы окружающего мира). Слово — это обобщающий сигнал, заменяющий конкретный предмет, явления. Поэтому И. П. Павлов слово обозначил как «сигнал сигналов», или 2-ая сигнальная система. У человека благодаря 2-й сигнальной системе формируется абстрактно-логическое мышление. Речь — это исторически сложившаяся форма общения людей с помощью символов и знаков.

Благодаря высшей нервной деятельности (ВНД) у человека функционируют внимание, память, мышление. Внимание —это сосредоточенная, избирательная, познавательная направленность процессов, нацеленная на определенный объект, значимый в данный момент. Память — это способность мозга запоминать, хранить и воспроизводить полученную информацию. Мышление — это сложнейший вид мозговой деятельности человека в процессе приспособления к новым условиям решения новых жизненных задач.

2. Эмоции и творчество

Ничто — ни слова, ни мысли, ни даже поступки наши не выражают так ясно и верно нас самих, как наши чувствования; в них сложен характер не отдельной мысли, не отдельного решения, а всего содержания души нашей.

К. Д. Ушинский.

Деятельность человека по удовлетворению его разнообразных потребностей сопровождается проявлениями активности человека в виде эмоциональных переживаний. Эмоции - особый класс субъективных психологических состояний человека, отражающих в форме непосредственных переживаний процесс и результат практической деятельности, направленной на удовлетворение его актуальных потребностей. Эмоции, утверждал Ч. Дарвин, возникли в процессе эволюции как средство, при помощи которого живые существа устанавливают значимость тех или иных условий для удовлетворения актуальных для них потребностей. Эмоции играют в деятельности людей мобилизационную, интегративно - защитную, коммуникативную роль. Основные эмоциональные состояния, которые испытывает человек, делятся на собственно эмоции, чувства и аффекты. Формой эмоциональных переживаний является удовольствие, получаемое от удовлетворения потребностей, и неудовольствие, связанное с невозможностью это сделать при обострении соответствующей потребности. Чувства — высший продукт культурно-эмоционального развития человека; они обычно возникают в ответ на воздействие отдельных свойств окружающей среды. Они соотносятся с восприятием и оценкой сложных предметов, событий, людей, ситуаций. Проявление сильного и устойчивого положительного чувства к чему-либо или к кому-нибудь называется страстью. Устойчивые чувства умеренной или слабой силы, действующие в течение длительного времени, именуются настроениями. Аффекты — это выраженные эмоциональные состояния, сопровождаемые видимыми изменениями в поведении человека, который их испытывает. Аффект не предшествует поведению, а как бы сдвинут на его конец. Аффекты, как правило, препятствуют нормальной организации поведения, его разумности. Одним из наиболее распространенных в наши дни видов аффектов является стресс. Он представляет собой состояние чрезмерно сильного и длинного психологического напряжения, которое возникает у человека, когда его нервная система получает эмоциональную перегрузку. Стресс дезорганизует деятельность человека, нарушает нормальный ход его поведения.

Эмоция — это реакция всей личности (включая организм) на те ситуации, к которым она не может адаптироваться, она имеет преимущественно функциональное значение. Так, эмоция вызывает нарушение памяти, навыков и вообще замену трудных действий более легкими. Эмоция соответствует такому снижению уровня адаптации, которое наступает, когда мотивация является слишком сильной по сравнению с реальными возможностями субъекта. Эмоция — это страх, гнев, горе, иногда радость, особенно чрезмерная радость. Существует оптимум мотивации, за пределами которого возникает эмоциональное поведение. С усилением мотивации повышается качество исполнения, но до определенного предела: если она слишком велика, исполнение ухудшается. Эмоция возникает часто потому, что субъект не может или не умеет дать адекватный ответ на стимуляцию. Конфликты являются глав­ой причиной эмоций тогда, когда субъект не может легко найти решение. Эмоции способны мобилизовать человека, компенсировать недостаточность информации, недостаточность возможностей человека по решению проблемы.

Творчество как процесс создания чего-то нового часто предполагает, что человек может испытывать недостаточность информации, знаний, умений для достижения цели и решения той или иной проблемы, поэтому ему необходимо делать рывок в неизведанное, создать новые знания, умения, новые объекты и произведения. Эмоции, вдохновение, воображение помогают сделать этот "рывок в творчество".Творчество имеет место там, где воображение свободно от оков логики за счет эмоций. Выделяют 4 стадии творческого процесса: подготовка, созревание, вдохновение, проверка найденного решения. Научное творчество и особенно творчество в искусстве опирается на воображение, которое, в очередь, неразрывно связано с эмоциями и чувствами человека. Воображение является психическим процессом, заключающимся в создании новых образцов, представлений, полученных в предшествующем опыте. Видом творческого воображения, связанного с осознанием желаемого будущего, является мечта. Творческое мышление не тождественно интеллекту и имеет следующие отличительные черты:

1) оно оригинально, т. е. оно порождает неожиданные, небанальные, непривычные решения;

2) оно подвижно, т. е. для творческого мышления не составляет труда перейти от одного аспекта проблемы к другому, не ограничиваясь одной единственной точкой зрения;

3) оно пластично, т. е. творческие люди предлагают множество решений в тех случаях, когда обычный человек может найти лишь одно или два.

3. Здоровье и работоспособность

 

Достойно ли смиряться под ударами судьбы иль надо оказать сопротивленье и в смертной схватке с целым морем бед покончить с ними?

В. Шекспир.

Здоровье человека во многом связано с эволюционно-экологическими основами его психофизической деятельности .Ритмы жизни, урбанизация, миграция, современные биосферно-ноосферные экологические изменения в целом предъявляют к людям новые требования.

Французский биолог и медик К. Бернар выдвинул идею единства здоровья и болезни и, по существу, обосновал учение о гомеостазе. Учение о гомеостазе основано на убеждении единства здоровья и болезни. Здоровье и болезнь – это два качественно различных феномена, которые могут сосуществовать в индивидууме. Сам организм, его центральная нервная система может быть организатором патологических процессов. Самоорганизация патологического процесса есть организация адаптивной программы в экстремальных, аварийных условиях среды, а патология есть организованный вариант выживания на основе видовой программы приспособления вида. В экстремальных условиях (в случае перегрузки, травмы, инфекции, интоксикации и др.) видовая аварийная программа реализуется в том, что существенно сокращается внешняя работа и все резервы направляются на развитие новых внутренних функциональных морфологических механизмов сохранения жизнеспособности, выживания, выздоровления. Такая перестройка организма относительно обычной здоровой жизнеспособности оценивается как нечто внешнее, как болезнь. Значит, реакция организма на вредно-действующие на него влияния внешней среды и составляет сущность больной жизни.

Необходимо четко разграничивать здоровье отдельного человека и здоровье популяции. Здоровье индивида есть динамический процесс сохранения и развития его социально-природных, биологических, физиологических и психических функций, социально-трудовой, социокультурной и творческой активности при максимальной продолжительности жизненного цикла. Здоровье популяции представляет собой процесс долговременного социально-природного, социально-исторического и социокультурного развития жизнеспособности и трудоспособности человеческого коллектива в ряду поколений. Здоровье популяции и индивида является необходимой предпосылкой интеллектуального здоровья человека, полноценной реализации его творческих возможностей.

Можно выделить три важнейшие функции популяционного здоровья:

1. конкретный живой труд в ходе производственной деятельности, которая совершается работающими индивидами внутри данной популяции;

2. социально-биологическое воспроизводство последующих поколений;

3. воспитание и обучение последующих поколений. Кратко понятие "здоровье" можно сформулировать как стояние полного физического, умственного и социального благосостояния. Запас жизненной энергии у людей разный. Когда организм переживает состояние стресса, все его жизненно важные системы подвергаются перенапряжению, будь то сердце, почки, желудок или другие органы. Они выходят из строя в зависимости от того, какой из них наиболее уязвим у каждого конкретного человека. Неверным является предположение о том, что после того, как они подверглись действию чрезвычайных раздражителей, отдых может им вернуть прежнее состояние и силы. Попытка избежать все формы стресса также не выход из положения. Исследования показали, что сокращение активности также ведет к сокращению жизни.

Когда человек не справляется с критическими стрессовыми состояниями, его мозг или организм обязательно выходит из строя. Заболевание ударит по самым уязвимым местам нашего организма, по тем органам, которые оказались повышенно чувствительными в результате перенесенных детских заболеваний, наследственной предрасположенности или состояния нервной системы. Чтобы противостоять болезням и сохранить состояние здоровья организма, необходимо стараться избежать состояний, ведущих к эмоциональному перенапряжению, например, избежать шума. Подобно тому, как мрачные мысли могут вывести организм из строя, так светлые и добрые помогут сохранить наилучшее здоровье. Свежий воздух, солнечный свет, умеренность, отдых, физические упражнения, вода и правильное питание — необходимые факторы здоровья и долголетия. Деятельность - закон всего нашего существования, бездеятельность — причина болезней. Чтобы избежать болезни, необходимо держать себя в хорошей физической форме. Среди физически пассивных людей инфаркт миокарда встречается в два раза чаще, чем среди людей физически активных.

Мало кто реально представляет себе, какую роль играет вода в нашей жизни. На 50—65% человеческий организм состоит из воды. В среднем человек должен выпивать минимум 6 стаканов воды ежедневно. Распланируйте питье воды таким образом: два стакана сразу после подъема утром, два - в середине дня, между завтраком и обедом, и два стакана во второй половине дня.

Для нормального функционирования наш организм нуждается в правильном питании. Чрезмерное употребление соли может привести к серьезным проблемам, в частности, к повышению кровяного давления. Повышенное потребление сахара пагубно влияет на состояние зубов, увеличивает уровень холестерина в крови, что может привести к заболеваниям сердца, приводит к нарушению работы клеток мозга и снижает устойчивость к инфекционным заболеваниям. Доказано не только то, что вегетарианская диета стоит наравне с мясной, но и то, что во многих отношениях она значительно лучше. Здоровье — это количество резервов в организме, это максимальная производительность органов при сохранении качественных пределов их функций. Секрет долго­летия кроется в следующих условиях жизни: закаленное тело, здоровые нервы и хороший характер, правильное питание, климат, ежедневный труд. С точки зрения современной науки имеются восемь важнейших условий правильного образа жизни:

1) труд является важнейшим условием физиологического благополучия;

2) нормальный сон является средством восстановления сил мозга;

3) хорошее настроение и положительные эмоции обеспечивают доброжелательное отношение к другим людям, оптимизм;

4) весьма существенным условием является рациональноe питание как по качеству и количеству, так и по режиму потребления;

5) важное условие — избежание потребления алкоголя и никотина;

6) соблюдение режима, т. е. выполнение определенной деятельности организма в определенное время, что приводит к образованию условных рефлексов на время;

7) закаливание организма понимается как процесс приспособления организма к неблагоприятным внешним воздействиям;

8) физические упражнения, достаточный объем двигательной активности являются важнейшим элементом правильного образа жизни.

Работоспособность определяет возможности организма при выполнении работы к поддержанию структуры и энергозапасов на заданном уровне. В соответствии с двумя основными типами работ — физической и умственной — различают физическую и умственную работоспособность. Работоспособность зависит от текущего уровня здоровья, самочувствия человека, типологических свойств нервной системы, индивидуальных особенностей функционирования психических процессов (памяти, мышления, внимания, восприятия), от оценки человеком значимости и целесообразности мобилизации определенных ресурсов для выполнения определенной деятельности. В процессе выполнения работы человек проходит через различные фазы работоспособности. Фаза мобилизации характеризуется предстартовым состоянием. При фазе врабатываемости могут быть сбои, ошибки в работе, постепенно происходит приспособление организма к наиболее экономному, оптимальному режиму выполнения данной конкретной работы. Фаза оптимальной работоспособности (или фаза компенсации) характеризуется оптимальным, экономным режимом работы организма и хорошими, стабильными результатами, максимальной производительностью и эффективностью труда. Затем, во время фазы неустойчивости компенсации, происходит своеобразная перестройка организма: необходимый уровень работы поддерживается за счет ослабления менее важных функций, дополнительных физиологических процессов, менее выгодных энергетически и функционально. При выходе за пределы работоспособности, после фазы неустойчивой компенсации наступает фаза декомпенсации, сопровождаемая прогрессирующим снижением производительности труда, появлением ошибок, выраженными вегетативными нарушениями: учащением дыхания, пум нарушением точности координации.

Первый этап — врабатывание — приходится, как правило, на первый час от начала работы. Второй этап — устойчивой работоспособности — длится последующие 2—3 ч, после чего работоспособность вновь снижается. В течение недели также отмечаются те же три этапа. В понедельник человек проходит стадию врабатывания, во вторник, среду и четверг имеет устойчивую работоспособность, а в пятницу и субботу у него развивается утомление. Утомление не разрушает организм, а поддерживает его. При этом происходят восстановительные процессы, "текущий ремонт" органов и тканей.

Начиная с фазы неустойчивой компенсации возникает специфическое состояние утомления. Различают физиологическое и психическое утомление. Первое из них выражает воздействие на нервную систему продуктов разложения, освобождающихся в результате двигательно-мускульной деятельности, а второе— состояние перегруженности самой центральной нервной системы. Психическое утомление, т. е. ощу­щение усталости, как правило, предшествует утомлению физиологическому. После прекращения работы наступает фаза восстановления физиологических и психических ресурсов организма. В случае неполного восстановительного периода сохраняются остаточные явления утомления, которые могут накапливаться, приводить к хроническому переутомлению различной степени выраженности. В состоянии переутомления длительность фазы оптимальной работоспособности резко сокращается, снижается умственная работоспособность.

4. Вопросы биомедицинской этики

Чтоб мудро жизнь прожить, знать надобно немало,

Два важных правила запомни для начала:

Ты лучше голодай, чем что попало есть

И лучше будь один, чем вместе с кем попало.

Омар Хайям.

Биоэтику, или сложные поведенческие программы, присущие животному миру, следует рассматривать как естественное обоснование человеческой морали. Много признаков, присущих человеку, обусловлено генетически. И только часть человеческих черт обусловлена воспитанием, образованием и другими факторами внешней среды обитания. Поэтому суть эволюции составляет процесс передачи генов от поколения к поколению. Все человеческие действия — это его поведение.

С помощью биоэтики можно ответить на вопрос о происхождении таких важнейших проявлений человеческого разума, как мораль и этика. Этологи — специалисты по поведению животных — открыли у них большой набор интенсивных запретов, необходимых и полезных в общении с сородичами. Все эти врожденные запреты возникают под жестким давлением отбора ради выполнения задачи сохранения вида. К важнейшим из таких запретов относятся следующие:

1) «не убей своего» — первый основополагающий запрет очень многих видов;

2) нельзя нападать неожиданно и сзади, без предупреждения и без проверки;

3) запрещено применять смертельное оружие или убийственный прием в драке со своими;

4) непозволительно бить того, кто принял позу покорности;

5) победа преимущественно бывает на стороне того, кто прав.

Таким образом, одним из важнейших выводов биоэтики является то, что в нашем поведении помимо действий, порожденных разумом, есть действия, мотивированные древними врожденными программами, доставшимися нам от животных предков. Биоэтика включает в себя этические нормы отношения к животным, экологическую этику, этику отношений человека с биогеоценозами и со всей биосферой. Она является формой защиты прав человека, в том числе его права на жизнь, на здоровье, на ответственное и свободное самоопределение своей жизни. Если биоэтику трактовать не как узкомедицинскую и биологическую, а как широкую и философски глубокую дисциплину, то ее центральное ядро - отношение к жизни и смерти. Жизнь понимается как самоценность, как высшая ценность. Поэтому возникают проблемы, которые выходят за рамки отношений врача и пациента, а именно отношение к жизни, животным, к биогеоценозам, к биосфере и т. д. Биоэтика как отрасль науки возникла и стала интенсивно развиваться в США и Западной Европе. В последние несколько десятилетий (начиная с 70-х гг.) в связи с успехом молекулярной биологии, генной инженерии, клеточной инженерии, внедрением в медицинскую практику трансплантации (пересадки) человеческих органов, появлением новых технологий деторождения, внедрением широкого спектра приемов продления жизни в реаниматологии и другими радикальными изменениями в медицине невольно возникала необходимость оценки моральной (этической) стороны (аспекта) и даже последствий подобных научных экспериментов и исследований. Дело в том, что научные эксперименты часто выходят за рамки сугубо профессиональной подготовки врача, генного инженера, биолога и приобретают Характер этических проблем, нуждаются в моральной оценке со стороны человеческого общества.

Рассмотрим естественно-научный и моральный аспекты каждого из этих достижений научно-технического прогресса. В связи с достигнутыми успехами генной инженерии в последнее время учеными предпринимаются серьезные попытки применения клонирования при помощи плазмид какого угодно участка ДНК многих животных, в том числе и человека. Ученым удалось перетасовать гены, комбинация которых в естественных условиях была невозможна из-за существующих барьеров (запретов биологического характера) на межвидовое скрещивание. По существу в области молекулярной биологии сняли природный запрет, позволили себе нарушить результаты эволюционного развития животного мира. Ведь известно, что ветви на дереве жизни в ходе эволюционного развития живой материи разошлись так сильно и далеко, что сама природа наложила вето на скрещивание разных видов ветвей (видов). Мы знаем, что в природных условиях невозможно скрещивание, например, между собакой и кошкой, как представителями разных видов. Подобные гибриды, если даже иногда образуются в самой природе, оказываются, хотя и жизнеспособными, но бесплодными (например, мул — помесь осла и лошади). А ученые, создавая в пробирке какие угодно комбинации генов, пошли против природы, поставившей запрет на это.

После удачных опытов, подтвердивших, что рекомбинантные молекулы ДНК оказываются вполне биологически активными в среде клетки-хозяйки, в умах самих ученых возникли серьезные сомнения. Ученые задумываются: а что, если гибридные молекулы ДНК окажутся с чудовищными качествами, начнут размножаться с огромной скоростью и последствия таких экспериментов будут непредсказуемыми и гибельными для человечества? Перед генными инженерами встала проблема моральной ответственности перед человеческим обществом за подобные эксперименты. Тревогу забила и общественность, которую пугают возможные отрицательные последствия подобной работы ученых. После каждого очередного сообщения ученых о результатах своих исследований в области генной инженерии (как, например, это произошло с клонированием овец в Англии) в обществе возникают бурные страсти. На какое-то время ученые под нажимом общественного мнения прекращают свою работу, однако тяга научного творчества оказывается сильнее страха и они снова берутся за эксперименты. Подобные ситуации возникали в науке не один раз: вспомним, какие чувства, например, испытывали американские ученые физики-ядерщики перед первым испытанием атомной бомбы. Хотя в случае с генной инженерией степень риска не так велика, как с атомной бомбой, тем не менее, опасения в обществе время от времени возникают.

Успехи клеточной инженерии позволяют ученым в настоящее время сохранить на длительный срок в соответствующей питательной среде соматические и половые (даже оплодотворенные) клетки умерших животных, в том числе человека. Если перенести такую оплодотворенную в пробирке яйцеклетку или же соответствующий ей плод в матку суррогатной матери (этот прием получил название клонирования), то можно осуществить полноценное вынашивание плода без особых физиологических проблем. Но в подобных случаях возникают моральные проблемы: как должен чувствовать с этической точки зрения человек, появившийся на свет не совсем обычным способом, как отнесутся к нему его же сверстники, какие у них будут взаимоотношения, каковы будут их последствия. Нелегко отвечать на все эти вопро­сы. В аналогичных случаях вопросов возникает гораздо большe, чем имеется на них ответов. Многое здесь, по-видимому, будет зависеть от уровня развития данного общества, от господствующей в обществе морали и принятых норм поведения людей, их научных или же религиозных взглядов.

При распространении новых технологий деторождения, в частности, при искусственном осеменении или же "материнстве по найму", естественно, могут возникнуть споры между биологической и юридической матерями ребенка. Кто в этой ситуации может решить вопрос, кому же больше принадлежит такой ребенок; где же тот критерий, основываясь на котором может быть вынесено окончательное решение; кто наделен правом рассудить их: судья, врач или же общественное мнение? Решение этих вопросов больше лежит в области этики, чем в медицинской сфере.

При развитии и размножении соматических клеток в специально подобранных питательных средах появляется возможность получения целого организма из нескольких клеток, так как в них сохраняется набор всех генов взрослого организма. А проблема в том, будет ли полученный таким образом организм полным подобием исходного, или это будет нечто другое. Клеточные культуры применяются для производства лекарственных веществ растений, а каковы будут последствия применения их в животном мире — трудно предусмотреть. Тут, по существу, речь может идти о возрождении, например, умершего человека из его оставшихся соматических (не половых) клеток. Если продолжить эту мысль, то можно прийти к выводу о том, что недалеко то время, когда методом культуры клеток (или тканей) или же клонированием можно искусственно "выращивать" в целях ускоренного развития человеческого общества таких гениальных людей, как А. Эйнштейн, В. А. Моцарт, В. Ленин и др. Трудно предугадать, какое общественное мнение возникнет на сей счет, как к этому отнесутся верующие люди и религия, не будут ли считать это греховным делом.

А пересадка человеческих органов, взятых у одного человека, другому человеку — пациенту, нуждающемуся в этой операции — это благо или же зло, а может быть, даже убийство? Мы знаем, что врачи считаются представителями самой гуманной на Земле профессии. Они по роду своей деятельности наделены правом, даже можно сказать, обязанностью вмешиваться в святая святых — человеческую жизнь. Пересадка человеческого органа производится врачом из гуманных соображений, во имя блага пациента. Но трансплантируемый орган (если он отдельно не выращивается методом клеточной культуры) извлекается из организма другого человека. Вот тут как раз возникает много вопросов, сомнений и этических проблем. Если для пересадки органа организуется "охота" на людей с применением криминальных методов или же используется профессиональная непорядочность врача, а может быть, и жажда наживы, то, несомненно, это зло и может быть квалифицировано как убийство. Не говоря уже о глубокой аморальности этого явления, его следует квалифицировать как тягчайшее преступление, наказание за которое должен определить суд. В данном случае для пациента оборачивается злом для другого человека, ставшего жертвой пациента.

Если даже изъятие органа у безнадежно больного человека на первый взгляд не покажется столь преступным, то и в этом случае этический аспект проблемы остается открытым. Дело в том, что в настоящее время, как это было им продемонстрировано, границу между жизнью и смертью проводят уже на молекулярном уровне. Поэтому старые подходы, когда конец человеческой жизни определяли по прекращению дыхания и сердцебиения, давно потеряли свою значимость. Сейчас благодаря успехам реаниматологии на длительное время возможно продление существования человека (даже при поражении некоторых жизненно важных органов) путем применения аппаратов искусственного дыхания, искусственной почки, кардиостимуляторов и т. д. Прежде чем извлечь из человеческого организма тот или иной орган для пересадки другому пациенту, необходимо установить факт смерти первого. Сейчас "граница" между жизнью и смертью определяется не деятельностью сердца и легких, а жизнеспособностью мозга. Пока мозг жив, следует считать, что человек жив даже при остановившемся сердце и прекратившемся дыхании, и наоборот, человек мертв, если мозг необратимо погиб, даже если его сердце продолжает биться, а легкие "дышат". Даже смерть самого мозга происходит в несколько стадий: сначала погибает кора мозга, а затем его стволовая часть. За мозговой смертью следует уже смерть внутренних органов, и человек перестает существовать как единый функционирующий организм. Современная медицина в этом случае вынуждена фиксировать конец человеческой жизни, а молекулярная биология оставляет и в этой ситуации шанс и надежду на сохранение некоторых клеток умершего в качестве возможности продолжения, а точнее, возрождения его жизни методами генной и клеточной инженерии. Поэтому определение границы между жизнью и смертью в современных условиях становится очень трудной задачей, поскольку эта граница проходит уже на клеточном уровне.

К кругу биомедицинской этики могут быть причислены и такие злободневные вопросы, как аборт, проведение рискованных опытов над людьми, испытание на больных новых аппаратов, подвергающих их жизнь опасности, и ряд других. В заключение следует отметить, что биомедицинская этика-это сравнительная молодая область науки, призванная связывать между собой естественно-научную и гуманитарные культурные традиции. Термин "биоэтика" был введен в 1971 г. американским ученым В. Р. Поттером, и круг рассматриваемых этой молодой наукой проблем в будущем, возможно, еще расширится.

Выводы

1.                   Физиология человека изучает жизнедеятельность здорового человека, функции составных частей его организма: клеток, тканей, органов, систем. Она основана на изучении деятельности кровеносной, лимфатической, дыхательной, пищеварительной, выделительной, нервной систем, обмена веществ и энергии, желез внутренней секреции и др.

2.                   Здоровье — это состояние полного физического, умственного и социального благосостояния человека. Оно во многом связано с эволюционно-экологическими основами его психофизической деятельности. Здоровье и болезнь — это два качественно различных феномена, которые могут сосуществовать в индивидууме. Свежий воздух, солнечный свет, умеренность, отдых, физические упражнения, вода и правильное питание — необходимое факторы здоровья и долголетия.

3.                   Работоспособность определяет возможности организма при выполнении работы и поддержании структуры и энего-запасов на заданном уровне. С точки зрения работоспособности, здоровье — это количество резервов в организме, максимальная производительность органов при сохранении качественных пределов их функций.

4.                   Эмоции — особый класс субъективных психологических состояний, отражающих в форме непосредственных переживаний результаты практической деятельности, направленной на удовлетворение актуальных потребностей. Они возникают лишь тогда, когда осуществление инстинктивных действий, привычных и произвольных форм поведения наталкивается на препятствия, к которым он не может адаптироваться.

5.                   Творчество — это процесс создания человеком нового, при котором он, хоть и испытывает недостаточность информации, знаний, умений для достижения цели и решения той или иной проблемы, делает рывок в неизведанное, создает новые знания, умения, новые объекты и произведения.

V. Творческие портреты выдающихся ученых.

Александр Михайлович Бутлеров (1828-1886)

А.М.Бутлеров родился 25 августа1828г. В г. Чистополе Казанской губернии. Вскоре он лишился матери и был взят на воспитание родителями отца в деревню Подлесная-Шантали Чистопольского уезда. Воспитание и образование А.М.Бутлеров получил вначале в одном из частных пансионов Казани, затем в первой Казанской гимназии, которую он окончил в 1844 г. В том же году А.М.Бутлеров поступил на естественное отделение физико-математического факультета Казанского университета. В первые годы своей студенческой жизни он увлекался ботаникой и зоологией, а затем под влиянием лекций К.К.Клауса и Н.Н.Зинина решил посвятить себя только химии. В 1849 г. А.М.Бутлеров окончил университет и по предложению К.К. Клауса был оставлен здесь для подготовки к профессорскому званию. После защиты магистерской диссертации (1851) на тему «Об окислении органических соединений» он был зачислен преподавателем Казанского университета. В 1854 г. А.М.Бутлеров защитил в Московском университете докторскую диссертацию на тему «Об эфирных маслах» и в 1857 г. Получил годичную командировку за границу, где посетил все лучшие химические лаборатории Германии, Франции, Англии, Швейцарии и Италии. В 1861 г. Он вновь отправился за границу и на съезде немецких врачей и натуралистов в Шпейере 19 сентября 1861 г. Сделал свой знаменитый доклад «О химическом строении веществ». В мае 1868 г. По представлению Д.И.Менделеева А.М.Бутлеров был избран ординарным профессором Петербургского университета. В 1870 г. Он стал экстраординарным, а в 1874 г. ординарным профессором.

А.М.Бутлеров - один из выдающихся теоретиков и блестящих экспериментаторов химии. Он является творцом теории химического строения органических соединений. Его научное направление в области органической химии до наших дней служит неиссякаемым источником бесконечного ряда открытий, имеющих в равной мере и теоретическое и практическое значение. А.М.Бутлеров создал знаменитую, известную всему миру, казанскую (бутлеровскую) школу химиков, представители которой (А.М. Зайцев, В.В. Марковников, А.Е. Арбузов, А.Е. Фаворский и др.),продолжая и развивая работы А.М. Бутлерова, утвердили русскую химическую науку как передовую науку в мире.

Ученые пытались проникнуть во внутреннюю взаимосвязь атомов в молекулах органических соединений и создать теорию химического строения этих соединений и в добутлеровский период. Этому вопросу были посвящены многочисленные работы крупнейших и наиболее влиятельных западноевропейских химиков-органиков: А. Кекуле, А. Кольбе, Ш. Вюрца и др. Однако, теоретические взгляды этих химиков оказались непоследовательными. Так, А. Кекуле считал, что для одного и того же химического соединения возможно несколько «более развернутых рациональных формул», в зависимости от того, какие химические превращения этого соединения они выражают. Уксусная кислота, по мнению А. Кекуле, имеет восемь рациональных формул, которые и передают все возможные ее превращения:

Гликолевая кислота, по его представлениям, также имеет несколько химических формул:

При этом А. Кекуле в формулах химических соединений видел лишь способ выражения химических превращений (реакций), полагая при этом, что эти формулы не могут выражать конструкцию, т.е. расположение атомов в существующих соединениях.

Такая точка зрения в решении практических задач органической химии обусловливалась у А. Кекуле его субъективно идеалистическим отношением к теории. Он считал, что о теории в химии не может быть речи. Все так называемые теоретические сообщения являются соображениями, основанными на вероятности и целесообразности. Аналогичные взгляды о непознаваемости истинной взаимосвязи атомов в молекуле органических соединений высказывали А.Кольбе, Ш.Вюрц и др. Так, А.Кольбе, считая принципиально невозможным выяснение химического строения молекул, утверждал, что нельзя создать никакого представления о способе взаимной связи элементарных атомов в молекуле и химики вообще никогда не приобретут этого представления. По его мнению, пространственное расположение атомов в химическом соединении останется навсегда скрытым от нашего телесного и духовного взора.

В то время, когда, казалось бы, теоретические представления в органической химии зашли в тупик, А.М.Бутлеров смело решил эту задачу. Он разработал новую теорию химического строения органических соединений, проложив тем самым путь к развитию теоретической химии и промышленности органического синтеза.

Свои взгляды на строение химических соединений А.М.Бутлеров впервые изложил в 1861 г. на съезде немецких естествоиспытателей в Шпейере. Он считал, что все 4 единицы валентности углерода совершенно равноценны и пространственно расположены симметрично; атомы углерода могут соединяться друг с другом в любом количестве и, затрачивая на взаимную связь1, 2 и 3 единицы валентности, образовывать могут связываться с атомами других элементов и остатками молекул. «Исходя от мысли, что каждый химический атом, входящий в состав тела, принимает участие в образовании этого последнего и действует определенным количеством принадлежащей ему химической силы (сродства), я называю химическим строением распределение этой силы, вследствие которого химические атомы, посредственно или непосредственно влияя друг на друга, соединяются в химическую частицу».

А.М. Бутлеров впервые в истории органической химии высказал утверждение о том, что на основании изучения химических свойств вещества можно установить его химическое строение и, наоборот, по структурной формуле строения вещества можно судить о химической природе этого вещества и в большинстве случаев предсказать его свойства.

«Химическая натура сложной частицы определяется натурой элементарных составных частей, количеством их и химическим строением… Возьмем грубый пример: предположим, что у четырехатомного пая углерода все 4 единицы сродства различны; представим его себе в виде тетраэдра, у которого каждая из 4 плоскостей способна связать один пай водорода. Не имея возможности обозначить каждую плоскость по способу оказываемого ею притяжения, мы тем не менее можем утверждать, что это притяжение различно для каждой плоскости, и можем охарактеризовать это различие, хотя и не знаем, которой из плоскостей принадлежит именно тот или иной способ действия». И далее: «Если попытаемся теперь определить химическое строение вещества, если нам удастся выразить его нашими формулами, то формулы эти будут, хотя еще не вполне, но до известной степени настоящими рациональными формулами. Для каждого возможна будет в этом смысле лишь одна рациональная формула, и когда сделаются известными общие законы зависимости химических свойств тел от их химического строения, подобная формула будет выражением всех этих свойств».

Эти положения, высказанные А.М. Бутлеровым, составляют основу всей современной органической химии; в них с предельной ясностью ученый указывает не только на значение теории химического строения, но и на пути ее развития.

В отличие от А.Кекуле, А.Купера и А.Кольбе, претендовавших на приоритет в создании теории строения органических соединений, А.М.Бутлеров считал, что структурные формулы химических соединений могут и должны отражать реальное строение молекул, а не условные, надуманные представления об этих молекулах. А.М.Бутлеров резко критиковал этих ученых за отрицание ими реального значения структурных формул органических соединений. При этом он подчеркивал, что каждая молекула имеет только одно вполне определенное строение и не может совмещать в себе несколько структур. Наряду с этим А.М.Бутлеров указывал, что однозначность строения химической частицы нельзя смешивать со способами, которыми можно выразить это строение на бумаге.

По мнению А.М.Бутлерова, дело не в форме, а в сущности, в понятии, в идее, что формулами, обозначающими изометрию, логически необходимо выражать настоящие частицы, т.е. некоторые химические отношения, в ней существующие. Отсюда легко прийти к убеждению, что всякий способ писания может быть хорош, лишь бы только он выражал эти отношения. Естественно даже употреблять разные способы, предпочитая тот, который является более выразительным для данного случая. В качестве примера А.М.Бутлеров приводит этан C2H6 , который может быть изображен так:

Теоретические взгляды А.М.Бутлерова, изложенные в 1891 г. в своем докладе, создали твердую и уверенную базу для предсказаний и оценки химической изометрии. Правильность этих взглядов была в дальнейшем подтверждена многочисленными специальными исследованиями. Например, можно было предвидеть существование четырех бутиловых спиртов:

А.М.Бутлеров дал названия этим спиртам:

А) Нормальный

Б) Вторичный

В) Первичный

Г) Третичный

Первым из этой серии стал известный спирт, открытый в 1852 г. Ш.Вюрцем в сивушном масле и принадлежащий (это было установлено Р.Эрленмейером и В.В.Марковниковым) к первичному изобутиловому спирту (В). Нормальный бутиловый спирт (А) впервые был получен в 1871 г. восстановлением нормальной масляной кислоты. Обработкой эритрита иодистым водородом был получен иодистый бутил; спирт же из иодистого бутила давал при окислении кетон (этилметилкетон), что указывает на принадлежность этого спирта к вторичным, т.е. к бутиловому спирту. Третичный спирт (триметилкарбинол) синтезировал А.М.Бутлеров взаимодействием цинкметила с хлорангидридом уксусной кислоты. В соответствии с правилами изометрии, высказанными в теоретических положениях А.М.Бутлерова, стало возможным существование четырех валериановых кислот формулы C4H9 COOH:

CH3-CH2-CH2-CH2-COOH -нормальная валерьяновая кислота

-изопропилуксусная (изовалентная) кислота

-метилэтилуксусная кислота

-триметилуксусная кислота

Действительно, эти предсказания также блестящи были подтверждены экспериментами Р. Эрленмейера, который в 1871г. установил строение первых трех известных в то время кислот; четвертая кислота в 1872г. была впервые получена А. М. Бутлеровым синтетически из первичного иодистого бутила. Теорию химического строения А.М. Бутлерова нельзя сводить только к представлению о пространственном расположении атомов и распределении связей в молекуле. А.М. Бутлеров неоднократно отмечал, что при изучении строения и свойств химических соединений необходимо учитывать наличие взаимного влияния между отдельными, непосредственно не связанными друг с другом атомами и атомными группами в молекуле. Он по этому поводу писал: «…мы имеем право сказать, что, например, с CH3Cl три атома водорода и атом хлора, будучи соединены с углеродом, не соединены непосредственно между собой; в CH2O так же водород и кислород соединены с углеродом и не соединены между собой:

Из этого, однако, не следует, чтобы атомы и вовсе не обнаруживали друг на друга никакого влияния; только это влияние будет влиянием другой категории, -его можно назвать взаимным влиянием атомов, непосредственно между собой не соединенных». Приводя примеры взаимного влияния атомов в молекуле (в частности, хлор в хлорангидридах кислот под влиянием кислорода обладает большей подвижностью, чем в хлористых алкилах), А.М.Бутлеров указывал, что при большей разработке такие обобщения, без сомнения, приобретут более твердые основания, более определенный вид и заслужат названия законов.

Закономерность о взаимном влиянии атомов в составе молекул сложного вещества, установленная А.М.Бутлеровым, получила дальнейшее развитие и экспериментальное подтверждение в работах его ученика В.В.Марковникова, защитившего в 1869 г. докторскую диссертацию на тему «Материалы по вопросу о взаимном влиянии атомов в химических соединениях».

Таким образом, основными и фундаментальными положениями теории химического строения, созданной А.М. Бутлеровым, является последовательное, научное обоснование и признание глубокой зависимости химических свойств вещества от химического строения его молекул. Эта теория указывает, что химические свойства веществ позволяют познать строение молекул и, наоборот, на основании химического строения можно предсказать химические свойства веществ.

Характеризуя теорию строения А.М.Бутлерова, Д.И.Менделеев писал: «Он впервые путем изучения химических превращений стремится проникнуть в самую глубь связей, скрепляющих разнообразные элементы в одно целое, признает за каждым из них врожденную способность вступать в известное число соединений и различные свойства приписывает различному способу связи. Никто не приводит этих мыслей так последовательно, как он, хотя они и проглядывали ранее».

Как учебник «Основы химии» Д.И.Менделеева стал необходимым пособием для химиков, так и книга «Введение к полному изучению органической химии» А.М.Бутлерова, в которой изложены новые взгляды на строение органических соединений, стала руководящей работой по органической химии. В Западной Европе эта книга произвела огромное впечатление и ее влияние надолго предопределило дальнейшее развитие химии углеродистых соединений.

«А.М.Бутлеров,- писал Д.И.Менделеев в 1864 г.,- один из замечательнейших русских ученых. Он русский и по учебному образованию, и по оригинальности своих трудов. Ученик знаменитого нашего академика Зинина, он сделался химиком не в чужих краях, а в Казани, где и продолжает развивать самостоятельную химическую школу. Направление ученых трудов А.М. Бутлерова не составляет продолжения или развития идей его предшественников, но принадлежит ему самому. В химии существуют бутлеровская школа и бутлеровское направление».

Трудно что-нибудь прибавить к этой блестящей характеристике.

А.М. Бутлеров прекрасно понимал значение своих работ. Возвратившись из поездки за границу в 1861 г., он писал, что все «…воззрения, встреченные мною в Западной Европе, представляли для меня мало нового. Откинув неуместную здесь ложную скромность, я должен заметить, что воззрения и выводы в последние годы более или менее уже усвоились в казанской лаборатории, не рассчитывавшей на оригинальность: они сделались в ней общим ходячим достоянием и частью введены были в преподавание».

Интересно отметить, что еще в 1886 г. А.М. Бутлеров высказал смелую для того времени мысль о сложности строения атома и о возможности существования различных видоизменений химических элементов, обладающих различной атомной массой. По его мнению, неделимость атомов относительна, атомы неделимы только потому, что для их разделения в распоряжении химиков нет средств. Неделимость атомов сохраняется в тех химических процессах, которые известны теперь, но они могут быть разделены в новых процессах, которые будут открыты впоследствии. Однако достоверность этой идеи была установлена после открытия катодных лучей (1879) и радиоактивности (1898).

Из числа многочисленных экспериментальных работ А.М. Бутлерова по синтезу и изучению свойств и строения органических соединений следует особо упомянуть его работы по полимеризации и конденсации формальдегида. Изучая свойства и превращения иодистого метилена (CH2I2), А.М.Бутлеров в 1859 г. открыл полимер формальдегида, названный им триоксиметиленом. При взаимодействии его с аммиаком А.М. Бутлеров получает довольно сложное вещество-гексаметилентетрамин, которое до настоящего времени под названием уротропина находит широкое применение в медицине: 6CH2O+4NH3 – 6H2O+C6H12N4

Детальные исследования показали, что уротропин имеет следующее строение:

Дальнейшее изучение свойств формальдегида приводит А.М.Бутлерова в 1861 г. к его конденсации (под действием известкового раствора) в сахаристое вещество: n(CH2O)3 – 3(C6H12O6)n

Он назвал данное вещество метиленитаном. Эта работа открыла широкую перспективу для дальнейшего синтеза сахаров из формальдегида. А.М.Бутлеров писал, что получение метиленитана следует рассматривать как факт, имеющий большое значение.

«Как бы то ни было, получение мениленитана является фактом замечательным: это первый пример образования вещества, обладающего свойствами настоящего сахаристого тела, за счет наиболее простых органических соединений и могучего, если принять во внимание весь ряд превращений, исходной точкой для которых является этильный алкоголь, образоваться даже из элементов. Таким образом, это первый полный синтез сахаристого вещества».

Только советским ученым впервые удалось разработать схему механизма этой сложной реакции, имеющей большое научное и практическое значение.

А.М. Бутлеров, как и Д.И. Менделеев, был сторонникомэкономического преобразования России и ярым поборником распространения просвящения среди широких масс населения. Особенно плодотворна общественная деятельность его в Вольном экономическом обществе, где в течение многих лет он был председателем.

Как и многим передовым ученым XIXв., А.М.Бутлерову не раз приходилось иметь столкновения с чиновничье-бюрократическим режимом дореволюционной Росси. Он, как академик, выдвинул в действительные члены Российской Академии наук Д.И. Менделеева. после того как немецкая реакционная группировка (не без поддержки правительства) провалила эту кандидатуру, А.М. Бутлеров выступил в печати с обличительной статьей «Русская или только императорская Академия наук». Само название этой статьи говорит о ее содержании.

А.М. Бутлеров вошел в историю химической науки как создатель теории строения органических соединений, которая явилась новым этапом в развитии органической химии.

До А.М. Бутлерова органическая химия не имела теоретических осеов и не была наукой в полном смысле этого слова. Начало развития органической химии как настоящей науки о молекулах, их свойствах и превращениях связано с именем А.М.Бутлерова, в работах которого теория химического строения получила глубокое научное обоснование и ясную формулировку.

На основе этой теории стал возможным планомерный, направленный органический синтез; это послужило, в свою очередь, толчком к развитию промышленного органического синтеза. Теория химического строения, правильно отражая объективную действительность, открывает неисчерпаемые возможности дальнейшего развития органической химии, что нашло свое выражение в создании стереохимии, учения об обратимой изомеризации и успешном изучении механизма химических реакций. Новые представления, связанные с открытием элементов, с учением о строении атома, с идеями квантовой механики, не зачеркнули этой теории, а, наоборот, углубили ее основные положения: она, как бессмертный периодический закон, развивается в наши дни на основе новейших достижений в области физики и химии.