приховати рекламу

Концепції сучасного природознавства 4

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

"Істина прихована в глибині (лежить на дні морському)"
Великий філософ давнини Демокріт
V ст. до н. е..
Часто зустрічається твердження: головна мета природознавства - встановлення законів природи, відкриття прихованих істин - явно чи неявно припускає, що істина десь вже є і існує в готовому вигляді, її треба тільки знайти, відшукати як якесь скарб.
Наведене вище твердження має два аспекти. Перший, - якою мірою можна довіряти наукових результатів, тобто питання про якість роботи вченого. Другий аспект - філософський - набагато тонший і пов'язаний з питанням про те, що ж називати істиною.
Почнемо з першого. Доводиться констатувати, що наукова продукція на своєму шляху до наукової істини переповнена помилковими результатами. Помилковими не в тому об'єктивному сенсі, що деякі теорії та подання з часом відмирають, поступаючись місцем новим, або результати експерименту завжди супроводжуються цілком певної абсолютною помилкою, а в набагато більш простому розумінні, коли пропонований результат не витримує перевірки на відповідність актуальним критеріям правильності. Помилкові формули, невірні докази, неправильні умови, невідповідність фундаментальним законам природознавства і тому подібні є, на жаль, не винятком, а правилом. Для визначення спроможності чи неспроможності наукових результатів проводяться їх експертна оцінка, опонування та рецензування. Чи ефективна така процедура? Наведемо деякі цифри. У роки Другої світової війни національна рада винаходів США розглянув 208975 заявок на винаходи. З них, що не суперечать здоровому глузду, виявилося 8615 (трохи більше 4%), а реалізовано всього 106 (менше 0,05%).
До недавнього часу у вітчизняних академічних журналах після рецензування публікувалася приблизно кожна п'ята робота з усіх представлених до публікації. Сумлінне опонування дозволяє істотно скоротити потік неспроможних робіт, представлених на здобуття наукового ступеня.
Природознавство тим чи іншим способом систематизує наші спостереження над природою. При цьому не можна вважати, наприклад, теорію кривих другого порядку наближеною на тій підставі, що в природі в точності кривих другого порядку немає.
У сучасному уявленні істина - правильне, адекватне відображення предметів і явищ дійсності пізнає суб'єктом, що відтворює їх так, як вони існують поза і незалежно від свідомості. Істина об'єктивна за змістом, але суб'єктивна за формою як результат діяльності людського мислення. Можна говорити про відносну істину як відбиває предмет не повністю, а в об'єктивно обумовлених межах. Абсолютна істина повністю вичерпує предмет пізнання. Будь-яка відносна істина містить елемент абсолютного знання. Абсолютна істина складається із суми відносних істин. Істина завжди конкретна.
Як би не уявлялося зміст істини, що займає розуми великих учених з давніх часів, і як би не вирішувалося дуже складне питання про предмет науки в цілому і природознавстві зокрема, одне очевидно: природознавство є надзвичайно ефективний, потужний інструмент, не тільки дозволяє пізнати навколишній світ , але і приносить величезну користь.

Навряд чи викликає сумнів твердження: математика потрібна всім незалежно від роду занять і професії. Однак для різних людей потрібна і різна математика: для продавця може бути достатньо знань найпростіших арифметичних операцій, а для справжнього дослідника природи обов'язково потрібні глибокі знання сучасної математики - тільки на їх основі можливі відкриття законів природи і пізнання її гармонійного розвитку. Іноді до пізнання математики ваблять і суб'єктивні спонукання. Про один з них Луцій Анней Сенека (4 до н. Е.. - 65 н. Е..), Римський письменник і філософ, писав: Олександр, цар Македонський, почав вивчати геометрію - нещасний! - Тільки з тим, щоб дізнатися, як мала земля, чию мізерну частину він захопив. Нещасним я називаю його тому, що він повинен був зрозуміти хибність свого прізвиська, бо чи можна бути великим на незначному просторі ». Виникає питання: чи може серйозний природодослідник обійтися без глибокого пізнання математики? Так, може. Наприклад, Чарльз Дарвін, узагальнюючи результати власних спостережень і досягнення сучасної йому біології, розкрив основні фактори еволюції органічного світу. Причому він це зробив, не спираючись на добре розроблений до того часу математичний апарат, хоч і високо цінував математику. Хто знає - може бути, володіння математичним почуттям дозволило б Дарвіну внести ще більший внесок в пізнання гармонії природи.
Відомо, що ще в давні часи математики надавалося велике значення. Девіз першої Академії - платонівської Академії - "Не знають математики сюди не входять" - яскраво свідчить про те, наскільки високо цінували математику на зорі розвитку науки, хоча в ті часи основним предметом науки була філософія. Академія Платона (428/427 - 348/347 до н. Е..), Одного з основоположників давньогрецької філософії, - перша філософська школа, що мала на перший погляд дуже непрямий стосунок до математики.
Найпростіші в сучасному розумінні математичні початку, що включають елементарний арифметичний рахунок і найпростіші геометричні вимірювання, є відправною точкою природознавства.
Той, хто хоче вирішити питання природничих наук без допомоги математики, ставить нездійсненне завдання. Слід вимірювати те, що вимірюється, і робити вимірним те, що таким не є.

Хімією називають науку про хімічні елементи і їх сполуках. Будь-яка речовина складається з хімічних елементів і їх сполук. Властивості речовини визначаються:
· Його елементних та молекулярним складом;
· Структурою його молекул;
· Термодинамічними і кінетичними умовами, в яких речовина знаходиться в процесі хімічної реакції;
· Рівнем хімічної організації речовини.
Історія розвитку хімічних концепцій починається з давніх часів. Демокріт, Епікур і інші представники стародавньої натурфілософії висловлювали геніальні думки про те, що всі тіла складаються з атомів різної величини та різної форми, що й обумовлює їх якісна різниця. Аристотель і Емпедокл пояснювали все видиме різноманітність тел природи з антіатомістіческіх позицій: вони вважали, що в тілах поєднуються різні елементи-стихії або елементи-властивості: тепло і холод, сухість і вологість. Подібне навчання про елементи-властивості було розвинене в алхімії, яка рясніла такими, наприклад, рецептами приготування необхідних речовин: "візьміть трохи горючості, додайте до нього текучості, відніміть вологість ..." і т.п. Однак ні ідеї Демокріта про атоми, ні уявлення Емпедокла про елементи-стихії не знайшли застосування ні в металургії, ні в стеклоделия, ні в гончарному ремеслі.
Перший, по-справжньому дієвий, спосіб визначення властивостей речовини був запропонований у другій половині XVII ст. англійським вченим Р. Бойл (1627 - 1691).
Результати експериментальних досліджень Р. Бойля показали, що якості і властивості тіл залежать від того, з яких матеріальних елементів вони складаються. Виник таким чином вчення про склад речовини існує і сьогодні, і продовжує розвиватися на якісно новому рівні.
Вчення про склад займало монопольне становище аж до 30-40-х років минулого століття. До того часу мануфактурна стадія виробництва з ручною технікою і обмеженим асортиментом сировини змінювалася фабричної стадією з машинною технікою і широкої сировинною базою. У хімічному виробництві стала переважати переробка величезних мас речовин рослинного і тваринного походження, якісні різноманітності яких приголомшливо великі - сотні тисяч хімічних сполук, а склад вкрай одноманітний - лише кілька елементів-органогенов: вуглець, водень, кисень, сірка, фосфор. Пояснення надзвичайно широкої різноманітності органічних сполук при настільки різноманітному їх елементному складі стали шукати не тільки в їх складі, а й у структурі молекул.
У 1860 р . видатним російським хіміком А.М. Бутлеровим (1828 - 1886) була створена теорія хімічної будови речовини - виник більш високий рівень розвитку хімічних знань - структурна хімія.
Період становлення структурної хімії іноді називають, "тріумфальним маршем органічного синтезу". У цей період зароджувалася технологія органічних речовин. Були отримані різноманітні барвники для тканин, штучний шовк і т.п.
Інтенсивний розвиток автомобільної промисловості, авіації, енергетики та приладобудування в першій половині XX ст. висунуло нові вимоги до виробництва матеріалів. Необхідно було отримувати високооктанове моторне паливо, спеціальні синтетичні каучуки, пластмаси, високо стійкі ізолятори, жароміцні органічні й неорганічні полімери, напівпровідники. Для отримання таких матеріалів знань про склад і структуру речовини було недостатньо.
Під впливом нових вимог виробництва виникло вчення про хімічні процеси, в якому враховувалася зміна властивостей речовини під впливом температури, тиску, розчинників і інших чинників. Таке вчення сприяло організації багато тоннажного виробництва синтетичних матеріалів, що заміняють дерево і метал в будівельних роботах, харчова сировина у виробництві оліфи, лаків, миючих засобів і мастильних матеріалів. Виробництво штучних волокон, каучуків, етилового спирту і багатьох розчинників стало базуватися на нафтовій сировині, а виробництво азотних добрив - на основі азоту повітря. З'явилася технологія нафтохімічних виробництв з її поточними системами, що забезпечують безперервні високопродуктивні процеси.
У 1960 - 1970 рр.. з'явився наступний, більш високий, рівень хімічних знань - еволюційна хімія. В основі її лежить принцип самоорганізації хімічних систем, тобто принцип застосування хімічного досліду високоорганізованої живої природи.
Молекула - найменша структурна одиниця хімічної сполуки, що володіє його головними хімічними властивостями. Молекули простих речовин складаються з однакових атомів, складних - з різних атомів. Інертні гази (гелій, неон, аргон, криптон, ксенон, радон) знаходяться в одноатомної стані. Існує велика кількість сполук, молекули яких складаються з багатьох тисяч атомів (штучні полімери, білки, целюлоза). Такі молекули називаються макромолекулами.
Як відомо, хімія вивчає процеси перетворення молекул при взаємодіях і при дії на них зовнішніх факторів (теплоти, світла, електричного струму, магнітного поля), під час яких утворюються нові хімічні зв'язки. Під хімічним зв'язком розуміється результат взаємодії між атомами, що виражається у створенні певної конфігурації атомів, що відрізняють один тип молекули від іншого.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
Н
Н
_
+
+
+
 
+

Рис. 1а «Іонна в'язь» Рис. 1б «Ковалентний зв'язок»
У молекулі виділяють два основних типи зв'язків: іонну і ковалентний, а також водневу.
При іонного зв'язку один атом віддає іншому один або декілька електронів, і так кожен атом стає володарем стабільного числа електронів. Наприклад, біля атома хлору для стабільності бракує одного електрона, а в атома натрію у зовнішній оболонці - тільки один електрон. Його приймає атом хлору, і тоді в натрію протонів стає більше, ніж електронів. Атоми натрію і хлору, перетворившись на позитивно і негативно заряджені іони, притягуються одне до одного і утворюють кухонну сіль.
При ковалентного зв'язку двох атомів виникає усуспільнення пари електронів, по одному від кожного атома (приклад - молекула водню). Обидва атома притягують цю пару електронів з однаковою силою, і електрони (або електронне хмара) знаходяться більший час між ними. Якщо ковалентний зв'язок утворюється між атомами різних елементів, то електронне хмара виявляється зміщеним, тобто більший час знаходиться ближче до більш притягає атому. Такий зв'язок називають полярною, або електрично несиметричною (в останньому випадку одна наближається до іонної).
Водневий зв'язок названа так із-за атома водню, який з'єднаний ковалентним зв'язком з іншим атомом (наприклад, кисню або азоту) так, що позитивною виявляється воднева частина молекули. Цей частково позитивний водневий «край» притягується третім, негативно зарядженим атомом (знову ж кисню або азоту). Цей зв'язок слабкіше, ніж дві попередні, але широко поширена в живій матерії. Практично, можна сказати, що на ній тримається світ живого.
Сили взаємодії між атомами є короткодіючими (радіус дії r ~ 10 - 9 м , Розмір атома ~ 10-10м). Причому одночасно діють як сили тяжіння, так і сили відштовхування, але вони по-різному залежать від відстані. При r = r0 - стан стійкої рівноваги, на цій відстані і знаходяться атоми, що утворюють молекулу. Якщо збільшити r - збільшуються сили тяжіння і повертають систему в початковий стан. При r <r0 сили відштовхування також повертають систему в стан стійкої рівноваги.
Хімічні зв'язку можна розглядати з точки зору перетворення енергії: якщо при створенні молекули її енергія менше, ніж сума енергій складових її атомів, то вона може існувати, тобто її зв'язок стійка. Стійким вважається стан, в якому потенційна енергія мінімальна, тому при утворенні молекули атоми перебувають в потенційній ямі, здійснюючи невеликі теплові коливання біля положення рівноваги (див. рис.2). Відстань від вертикальної осі до дна ями відповідає рівновазі - на цій відстані перебували б молекули, якби припинилося тепловий рух. Точки лівіше дна відповідають відштовхуванню, праві - тяжінню. Крутизна кривої виражає силу взаємодії між атомами: чим крутіше крива, тим більше сила взаємодії.
SHAPE \ * MERGEFORMAT
Для різних пар атомів різні не тільки відстані від вертикальної осі до дна ями, а й глибина ям. Дійсно, для того, щоб вибратися з ями, потрібна енергія, відповідна глибині ями. Тому глибину ями можна назвати енергією зв'язку частинок, або енергією асоціації. Енергія, необхідна для розкладання молекули на атоми, називається енергією дисоціації. Вона дорівнює енергії асоціації.
Насичуваність молекул, тобто здатність приєднувати атоми, визначає їх постійний склад для даної речовини і пов'язана з валентністю - властивістю атомів (або групи атомів) з'єднуватися з деяким числом інших атомів. Величина валентності визначається числом атомів водню (або іншого одновалентного елементу), з якими з'єднується атом даного елементу.
Хімічні реакції - це основа хімії. Одні реакції йдуть в обидва боки (тоді і стрілки в рівнянні реакції малюють в обидві сторони), тобто є оборотними, інші тільки в одну, треті - взагалі не йдуть. Тут важливо уявляти, від чого залежить можливість здійснення реакції, тобто перебудови хімічних зв'язків. Відповідь на це питання дає термодинаміка. Розглянемо умови самовільного розвитку хімічної реакції та умови її виникнення. Припустимо, ви припекло ранку перекисом водню (нестійке з'єднання), але зворотної реакції не буде. Термодинаміка пояснює це так: реакція піде тільки при зменшенні енергії речовин і збільшення ентропії 1. У самому справі, ентропія зростає, так як в малій молекулі води (вона менше, ніж молекула перекису водню) розташування атомів менш впорядковано, ніж у великій. Реакція можлива, якщо вона супроводжується зменшенням величини вільної енергії
F = E - TS. (Приклад з каменем: коли він падає у полі сил тяжіння, його потенційна енергія зменшується - назад він мимоволі не підніметься). У хімічних реакціях обов'язковий і облік зміни ентропії, оскільки можливість реакції ще не означає, що вона мимоволі піде.
Розвиток квантової хімії дозволило розглянути на мікро рівні протікання реакцій, окремі молекули і їхні електронні структури. Використання термодинамічного підходу, що описує не окремі об'єкти, а систему в цілому, дозволяє глибше зрозуміти тенденції протікання реакцій.
Вільні радикали. У минулому столітті тільки два типи частинок вважали беруть участь у хімічних реакціях: атоми і молекули. У 1900 р . Мозес Гомберг
(Україна) виявив третю - вільний радикал. Він виділив деякий з'єднання, здатне вступати в реакції, і довів, що воно представляє з себе половину молекули (позначається крапкою над символом, наприклад).
Підводячи деякі підсумки, можна сказати, що при хімічних перетвореннях на перший план виступають реакційна здатність, енергетичні та ентропійні можливості, каталітичні та кінетичні закономірності.


1 Поняття ентропії спочатку виникло в термодинаміці. Це слово ввів ще в 19-му столітті Клаузиса для визначення термодинамічних циклів. У 1945 році Клод Шеннон ввів ентропію в теорію інформації, що стала основою кібернетики. Ентропія у нього означала міру інформації. Статистична фізика розглядала ентропію як міру ймовірності перебування системи в даному стані
У загальному випадку, в хімічній системі мають місце як прямі, так і зворотні реакції, причому більшість хімічних реакцій не йдуть до кінця. Тут стає важливим поняття рівноваги між прямою і зворотною реакціями. У якийсь момент їх швидкості зрівняються, і в даній системі за даних умов встановиться динамічна рівновага. Вивести систему з рівноваги можна, тільки змінивши умови згідно з принципом, запропонованим в 1884 р . Анрі Луї Ле Шательє (1850-1936): «якщо в системі, що знаходиться в рівновазі, змінити один з факторів рівноваги. Наприклад, збільшити тиск, то відбудеться реакція, що супроводжується зменшенням об'єму, і навпаки. Якщо ж такі реакції відбуваються без зміни обсягу, то зміна тиску не буде впливати на рівновагу ». Інша, сучасне формулювання цього принципу така:
Зовнішній вплив, що виводить систему з термодинамічної рівноваги, викликає в ній процеси, спрямовані на ослаблення результатів такого впливу.
Ле Шательє застосовував цей закон у промислових умовах для оптимізації синтезу аміаку, виробництва скла і цементу, виплавки металів, одержання вибухових речовин. Як виявилося, каталізатори не впливають на стан рівноваги: ​​вони однаково впливають на пряму і зворотну реакції, прискорюють досягнення рівноваги, але не зрушують його.
В даний час принцип Ле Шательє розглядається як загальний принцип стабільності, що погоджує взаємозв'язку між елементами Всесвіту (Універсуму), у своїй розширеній трактуванні він може бути поширений на живі системи, на соціальні системи. Так, з появою життя виникає принцип відбору, заснований на прагненні живого зберегти свій гомеостаз, тобто цілісність і рівновагу, як самого організму, так і популяції. Принцип Ле Шательє, таким чином, пов'язаний з глибокими основами світобудови.
Еволюційна хімія увійшла в науку і практику порівняно недавно - в 50-60-х роках. Якщо біологи до того часу широко використовували еволюційну теорію Дарвіна, то хіміки не виявляли активного інтересу до походження видів, що становить сутність еволюційної теорії. Не без підстав вважалося, що отримання будь-якого нового хімічної речовини завжди було справою рук і надбанням розуму людини: молекули нової хімічної сполуки конструювалися за законами структурної хімії з атомів і атомних груп, як будинок будується з цегли або блоків. Живі ж організми подібним чином зібрати не можна. Але, незважаючи на це, назрівали еволюційні проблеми і для хімічних об'єктів, пов'язані з самовільним (без участі людини) синтезом нових хімічних сполук - більш складних і високоорганізованих продуктів у порівнянні з вихідними речовинами. У зв'язку з цим еволюційну хімію вважають предтечею біології - наукою про самоорганізацію і саморозвиток хімічних систем.
Витоки еволюційної хімії йдуть в далеке минуле. Вони пов'язані з давньою мрією хіміків - освоїти досвід лабораторії живого організму і зрозуміти, як з неорганічної матерії виникає органічна, а разом з нею і життя. Першим вченим, котра усвідомила важливість виключно високою впорядкованості, організованості та ефективності процесів у живих організмах, був один із засновників органічної хімії, шведський учений Якоб Берцеліус (1779 - 1848). Саме він вперше встановив, що основою лабораторії живого організму є каталіз, а точніше, біокаталізу. Ідеально вчинені перетворення за допомогою каталізу здатна виробляти лабораторія живого організму - так вважали німецький учений Ю. Лібіх (1803 - 1873), французький натураліст М. Бертло (1827-1907) і багато інших хіміки XIX ст.
Хімічний аналіз живої природи залишається актуальним і донині.
Передбачається, що, використовуючи принципи хімії організмів, можна побудувати зовсім нову хімію, засновану на незвичайному управлінні хімічними процесами. Будуть створені аналогічні каталізатори, далеко перевершують промислові аналоги останнього часу. Тоді стане можливим перетворення сонячної енергії з більшим коефіцієнтом корисної дії в інші види енергії: хімічну, електричну, теплову. Можливо, поєднання біохімічної енергетики з синтезом полімерних матеріалів призведе до створення такої макромолекули, яка подібно нашим м'язам буде здатна перетворити хімічну енергію в механічну.
Такі завдання можуть здатися фантазією. Можна навести приклади, коли в науці багато проблем спочатку здавалися теж фантастичними. Свого часу це були проблеми будови атома і його ядра. Минуло близько півстоліття експериментальних і теоретичних досліджень - і первинні ідеї вилилися в реальну можливість отримання атомної енергії.
Інтенсивні дослідження останнього часу спрямовані на з'ясування як матеріального складу рослинних і тваринних тканин, так і хімічних процесів, що відбуваються в організмі. Такі за змістом дослідження проводять і хіміки-органіки, і біохіміки, і навіть медики. При цьому, вирішуючи одні й ті ж завдання, вони ставлять різні цілі. Хіміків-органіків цікавлять перспективи створення більш складних речовин шляхом конструювання їх молекул для реалізації можливостей синтезу аналогів органічних сполук, що утворюються в живих організмах. Біологи мають на меті вивчення субстратної та функціональної основ життєдіяльності організмів. Медики прагнуть з'ясувати межі між нормою і патологією в організмах. Об'єднує всі ці дослідження ідея про провідну роль ферментів або, в більш широкому сенсі, біорегуляторів в процесі життєдіяльності. Ця ідея, вперше запропонована великим французьким натуралістом Луї Пастером (1822 - 1895), залишається основоположною і до цього дня при вивченні хімії живої природи в рамках динамічної біохімії, основний предмет якої - хімічні процеси, що відбуваються в живому організмі. У той же час вивченням молекулярного складу і структури тканини живого і неживого організму займається статична біохімія.
Динамічна біохімія народилася на межі XVIII і XIX століть, коли почали розрізняти процеси дихання і бродіння, асиміляції і дисиміляції як якісь перетворення речовин. Історія дослідження бродіння включає не тільки певні етапи пізнання дійсності, але й труднощі проникнення в таємниці живого: віру в життєву силу, надії Берцеліуса на особливі функції каталізу в життєдіяльності організмів, спрощені уявлення "чистих хіміків" - Лібіха і Бертло про бродінні як дії звичайних хімічних сил, геніальні передбачення Пастера про відмінності між безклітинним бродіння і ферментом живої діяльності дріжджових клітин і, нарешті, відкриття білкової основи ферментів і їх глибокої диференціації, а слідом за цим участі на різних стадіях бродіння різних ферментів.
Дослідження бродіння становить основний предмет ферментології - стрижневий галузі знань про процеси життєдіяльності. Протягом досить тривалої історії дослідження процес біокаталізу розглядався з двох різних точок зору. Однією з них, умовно названої хімічної, дотримувалися Ю. Лібіх і М. Бертло, а інший - біологічної - Л. Пастер.
У хімічній концепції весь каталіз зводився до звичайного хімічному каталізу. Незважаючи на спрощений підхід в рамках концепції були встановлені важливі положення: аналогія між біокаталізу і каталізом, між ферментами і каталізаторами; наявність у ферментах двох нерівноцінних компонентів - активних центрів і носіїв; висновок про важливу роль іонів перехідних металів і активних центрів багатьох ферментів; висновок про поширення на біокаталізу законів хімічної кінетики; зведення в окремих випадках біокаталізу до каталізу неорганічними агентами.
На початку розвитку біологічна концепція не мала настільки великими експериментальними підтвердженнями. Її основною опорою були праці Л. Пастера і, зокрема, його прямі спостереження за діяльністю молочнокислих бактерій, які дозволили виявити бродіння і здатність мікроорганізмів отримувати необхідну їм енергію для життєдіяльності шляхом бродіння. Зі своїх спостережень Пастер зробив висновок про особливий рівень матеріальної організації ферментів. Проте всі його доводи, якщо і були не спростовані, то, принаймні, відсунуті на задній план після відкриття позаклітинного бродіння.
Проте з плином часу концепція Пастера перемогла. Про перспективність даної концепції свідчать сучасні еволюційний каталіз та молекулярна біологія. З одного боку, встановлено, що склад і структура біополімерний молекул представляють собою єдиний набір для всіх живих істот, цілком доступний для дослідження фізичних і хімічних властивостей - одні й ті ж фізичні і хімічні закони управляють як абіогенним процесами, так і процесами життєдіяльності. З іншого боку, доведено виняткова специфічність живого, що виявляється не тільки у вищих рівнях організації клітини, а й у поведінці фрагментів живих систем на молекулярному рівні, на якому відображаються закономірності інших рівнів. Специфічність молекулярного рівня живого полягає в істотному розходженні принципів дії каталізаторів і ферментів, у відмінності механізмів утворення полімерів та біополімерів, структура яких визначається тільки генетичним кодом і, нарешті, у своєму незвичайному факт: багато хімічні реакції окиснення-відновлення в живій клітині можуть відбуватися без безпосереднього контакту між реагують молекулами. А це означає, що в живих системах можуть відбуватися такі хімічні перетворення, які не виявлялися в неживому світі.

Генна інженерія з'явилася завдяки роботам багатьох дослідників у різних галузях біохімії та молекулярної генетики. Протягом багатьох років головним класом макромолекул вважали білки. Існувало навіть припущення, що гени мають білкову природу. Лише в 1944 році Ейвері, Мак Леод і Мак Карті показали, що носієм спадкової інформації є ДНК. З цього часу починається інтенсивне вивчення нуклеїнових кислот. Через десятиліття, в 1953 році Дж. Уотсон і Ф. Крик створили двуспіральную модель ДНК. Саме цей рік прийнято вважати роком народження молекулярної біології.
На рубежі 50 - 60-х років були з'ясовані властивості генетичного коду, а до кінця 60-х років його універсальність була підтверджена експериментально. Йшов інтенсивний розвиток молекулярної генетики, об'єктами якої стали E. coli, її віруси і плазміди. Були розроблені методи виділення високоочищених препаратів непошкоджених молекул ДНК, плазмід і вірусів. ДНК вірусів і плазмід вводили в клітини в біологічно активній формі, забезпечуючи її реплікацію та експресію відповідних генів. У 70-х роках було відкрито ряд ферментів, що каталізують реакції перетворення ДНК. Особлива роль у розвитку методів генної інженерії належить рестріктаза і ДНК-лігази.
Історію розвитку генетичної інженерії можна умовно розділити на три етапи:
1. Перший етап пов'язаний з доказом принципової можливості отримання рекомбінантних молекул ДНК in vitro. Ці роботи стосуються отримання гібридів між різними плазмідами. Була доведена можливість створення рекомбінантних молекул з використанням вихідних молекул ДНК з різних видів і штамів бактерій, їх життєздатність, стабільність і функціонування.
2. Другий етап пов'язаний з початком робіт з отримання рекомбінантних молекул ДНК між хромосомними генами прокаріотів і різними плазмідами, доказом їхньої стабільності і життєздатності.
3. Третій етап - початок робіт по включенню у векторні молекули ДНК (ДНК, використовуються для перенесення генів і здатні вбудовуватися в генетичний апарат клітини-рецепієнта) генів еукаріот, головним чином, тварин.
Формально датою народження генетичної інженерії слід вважати 1972 рік, коли в Стенфордському університеті П. Берг, С. Коен з співробітниками створили першу рекомбіновану ДНК, містила фрагменти ДНК вірусу SV40, бактеріофага і E. coli.
Напередодні відкриття Уотсона і Крику біологи вважали, що вторгнутися в спадковий апарат, а тим більше маніпулювати з ним наука буде в змозі лише в XXI ст. Так часом непередбачувані в науці її основоположні відкриття, що дають людству цілком нові можливості і в пізнанні, і в практиці. Але тут у справу вступили гранична чіткість будови ДНК, її некапризним характер, які в поєднанні з невиснажливого вигадкою дослідників породили новий вид дослідження: генну інженерію - мистецтво маніпулювання цією дивовижною молекулою. ДНК виявилася подвійною спіраллю, пов'язаної двома "базовими парами": тимін-аденін і цитозин-гуанін. Число цих пар, наприклад, у людини грандіозно: одні дослідники вважали, що їх 3 млрд., інші - більше 3,5 млрд. Перед наукою відкрилася можливість не тільки вивчати спадковий матеріал, але й впливати на саму спадковість: "оперувати" ДНК, зрощувати ділянки генів далеких один від одного тварин чи рослин інакше кажучи, творити невідомих природі химер, подібних тим, які з такою фантазією колись зображував на своїх полотнах відомий художник І. Босх. Першим за допомогою генної інженерії було отримано інсулін, потім інтерферон, потім гормон росту. Пізніше зуміли змінити спадковість свині, щоб вона не нарощувала стільки жиру, корови - щоб її молоко не скисало так швидко. Завдяки втручанню людини в конструкцію ДНК були поліпшені або змінені якості десятків тварин і рослин. Але несподівано генна інженерія надала можливість вирішувати завдання, здавалося б, зовсім далекі і від сільськогосподарських полів, і від ферм, і від потреб людського здоров'я. Старіє чи спадковий апарат? Мати, батько, дитина - сучасники. Чи збережеться дієвість генного аналізу, коли мова зайде про пішли з життя людей? Лабораторні дослідження підтверджують силу аналізу навіть в тому Випадку, якщо ДНК належать вельми далеким один від одного поколінням. Історія нещодавно надала можливість перевірити це. Необхідно було визначити, кому належать скелети, знайдені в похованні під Єкатеринбургом. Царської чи сім'ї, розстріляної в цьому місті в 1918 р .? Адже в роки громадянської війни загинули багато мільйонів. Зразки останків були відправлені в Англію, в центр судово-медичної експертизи, - там вже накопичений великий досвід генного аналізу. З кісткової тканини дослідники виділили молекули-ДНК і провели аналіз. З точністю 99% встановлено: у досліджуваній групі знаходяться останки батька, матері і їх трьох дочок. Але може бути, це не царська сім'я? Отже, треба було довести спорідненість цих останків з членами англійського королівського будинку, з яким Романови пов'язані досить близькими родинними узами. Зокрема, чоловік нині здорової королеви Англії принц Філіп - внучатий племінник російської імператриці Олександри Федорівни (його мати доводилася племінницею останньої російської цариці). Аналіз підтвердив спорідненість загиблих з англійським королівським будинком. Генеральний директор служби судово-медичної експертизи британського Міністерства внутрішніх, справ пані Джанет Томпсон офіційно оголосила, що знайдені під Єкатеринбургом останки належать царській сім'ї Романових. Відомо, що вся інформація про будову і розвиток живого організму "записана" у його геномі - сукупності генів. Вважається, що всередині одного виду геномні відмінності дуже незначні. Це означає, що ген, наприклад, забарвлення очей у людини відрізняється від гена забарвлення очей у кролика, але у різних людей цей ген влаштований однаково і складається з однакових послідовностей ДНК. Генетиків всього світу цікавлять зараз прикладні аспекти генетичної дактилоскопії. Обговорюються питання паспортизації за відбитками ДНК злочинців-рецидивістів, введення в картотеки слідчих органів даних про відбитки ДНК разом з описом зовнішності, особливих прикмет, відбитків пальців. Важливою складовою частиною біотехнології є генетична інженерія. Народився на початку 70-х років, вона домоглася сьогодні великих успіхів. Методи генної інженерії перетворять клітини бактерій, дріжджів і ссавців у "фабрики" для масштабного виробництва будь-якого білка. Це дає можливість детально аналізувати структуру і функції білків і використовувати їх в якості лікарських засобів. В даний час кишкова паличка (E. coli) стала постачальником таких важливих гормонів як інсулін і соматотропін. Раніше інсулін отримували з клітин підшлункової залози тварин, тому вартість його була дуже висока. Для отримання 100 г кристалічного інсуліну потрібно 800 - 1000 кг підшлункової залози, а один заліза корови важить 200 - 250 грам . Це робило інсулін дорогим і важкодоступним для широкого кола діабетиків. У 1978 році дослідники з компанії "Генентек" вперше отримали інсулін в спеціально сконструйованому штамі кишкової палички. Інсулін складається з двох поліпептидних ланцюгів А і В довжиною 20 і 30 амінокислот. При з'єднанні їх дисульфідними зв'язками утворюється нативний дволанцюжкової інсулін. Було показано, що він не містить білків E. coli, ендотоксинів та інших домішок, не дає побічних ефектів, як інсулін тварин, а з біологічної активності від нього не відрізняється. Згодом у клітинах E. coli був здійснений синтез проінсуліну, для чого на матриці РНК за допомогою зворотної транскриптази синтезували її ДНК-копію. Після очищення отриманого проінсуліну його розщепили і отримали нативний інсулін, при цьому етапи екстракції і виділення гормону були зведені до мінімуму. З 1000 літрів культуральної рідини можна отримувати до 200 грамів гормону, що еквівалентно кількості інсуліну, що виділяється з 1600 кг підшлункової залози свині чи корови.
Соматотропін - гормон росту людини, секретується гіпофізом. Недолік цього гормону призводить до гіпофізарної карликовості. Якщо вводити соматотропін в дозах 10 мг на кг ваги три рази на тиждень, то за рік дитина, яка страждає від його нестачі, може зрости на 6 см . Раніше його отримували з трупного матеріалу, з одного трупа: 4 - 6 мг соматотропіну в перерахунку на кінцевий фармацевтичний препарат. Таким чином, доступні кількості гормону були обмежені, крім того, гормон, що отримується цим способом, був неоднорідний і міг містити повільно розвиваються віруси. Компанія "Genentec" в 1980 році розробила технологію виробництва соматотропіну за допомогою бактерій, який був позбавлений перерахованих недоліків. У 1982 році гормон росту людини був отриманий в культурі E. coli і тварин клітин в інституті Пастера у Франції, а з 1984 року розпочато промислове виробництво інсуліну і в СРСР. При виробництві інтерферону використовують як E. coli, S. cerevisae (дріжджі), так і культуру фібробластів або трансформованих лейкоцитів. Аналогічними методами отримують також безпечні і дешеві вакцини. На технології рекомбінантних ДНК засновано отримання високоспецифічних ДНК-зондів, за допомогою яких вивчають експресію генів у тканинах, локалізацію генів у хромосомах, виявляють гени, що володіють спорідненими функціями (наприклад, у людини і курки). ДНК-зонди також використовуються в діагностиці різних захворювань. Технологія рекомбінантних ДНК зробила можливим нетрадиційний підхід "білок-ген", що отримав назву "зворотна генетика". При такому підході з клітини виділяють білок, клонують ген цього білка, модифікують його, створюючи мутантний ген, що кодує змінену форму білка. Отриманий ген вводять в клітину. Якщо він експресується, несуча його клітка і її нащадки будуть синтезувати змінений білок. Таким чином, можна виправляти дефектні гени і лікувати спадкові захворювання. Якщо гібридну ДНК ввести в запліднене яйцеклітину, можуть бути отримані трансгенні організми, що експресують мутантний ген і передають його нащадками. Генетична трансформація тварин дозволяє встановити роль окремих генів і їх білкових продуктів, як у регуляції активності інших генів, так і при різних патологічних процесах. За допомогою генетичної інженерії створені лінії тварин, стійких до вірусних захворювань, а також породи тварин з корисними для людини ознаками. Наприклад, мікроін'єкція рекомбінантної ДНК, яка мала ген соматотропіну бика в зиготу кролика дозволила отримати трансгенні тварина з гіперпродукцією цього гормону. Отримані тварини мали яскраво вираженої акромегалію 2. В даний час навіть важко передбачити всі можливості, які будуть реалізовані в найближчі кілька десятків років.


2 Акромегалія - ендокринне захворювання, обумовлене надлишковою продукцією гормону росту, головним чином при аденомі гіпофіза. Хворіють частіше у віці 20-40 років. Ектопічна продукція соматоліберину - основна причина акромегалії негіпофізарного походження. У США описано всього близько 100 випадків акромегалії, зумовленої ектопічної продукцією соматоліберину або СТГ. На їх частку припадає менше 1% всіх випадків акромегалії.

Список використаної літератури
Основна література
1. Горохів В.Г., «Концепції сучасного природознавства», М.: ИНФРА, 2003 р .;
2. Ліхіна А.Ф. «Концепції сучасного природознавства», М.: Проспект, 2004 р .;
3. Найда В.М. «Концепції сучасного природознавства», М.: Гардарика, 2003 р .;
Додаткова література
1. Акімов О.Є., «Природознавство», М.: ЮНИТИ, 2001р.;
2. Кедров Б.М., «Предмет і взаємозв'язок природничих наук», М., 1992 р .;
3. Колгінскій Е.І., «Еволюція біосфери», Л., 1990 р .;
4. Небель Б., «Наука про навколишнє середовище. Як влаштований світ », М., 1993 р .;
Інтернет - ресурси
1. www.biotechnolog.ru;
2. www.gumer.info.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Контрольна робота
81.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Концепції сучасного природознавства 6
Концепції сучасного природознавства 3
Концепції сучасного природознавства
Концепції сучасного природознавства 2
Концепції сучасного природознавства 2
Концепції сучасного природознавства 10
Концепції сучасного природознавства 2 червня
Концепції сучасного природознавства 2 вересня
Курс Концепції сучасного природознавства

Нажми чтобы узнать.
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru