Панорама сучасного природознавства

3. БІОЛОГІЯ XX ст.: ПІЗНАННЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО РІВНЯ ЖИТТЯ
3.1. Передумови розвитку сучасної біології
Сучасна біологія грунтується на тих досягненнях, які були зроблені в цій науці в другій половині XIX ст.: Створення Ч. Дарвіном еволюційного вчення, основні праці К. Бернара в області фізіології, найважливіші дослідження Л. Пастера, Р. Коха і І.І. Мечникова в області мікробіології та імунології, роботи І.М. Сєченова та І.І. Павлова у галузі вищої нервової діяльності і, нарешті, блискучі роботи Г. Менделя, хоча і не отримали популярності до початку XX ст., Але вже виконані їх видатним автором.
XX ст. з'явився продовженням не менш інтенсивного прогресу в біології. У 1900 р. голландським ученим-біологом X. де Фрізом (1848-1935), німецьким вченим-ботаніком К.Е. Корренсом (1864-1933) і австрійським вченим Е. Чермак-Зейзенеггом (1871-1962) незалежно один від одного і майже одночасно вдруге були відкриті і стали загальним надбанням закони спадковості, встановлені Менделем.
Розвиток генетики після цього відбувалося швидко. Був прийнятий принцип дискретності в явищах спадковості, відкритий ще Менделем; досліди з вивчення закономірностей успадкування нащадками властивостей і ознак батьків були значно розширені. Було прийняте поняття «ген», введене відомим датським біологом Вільгельмом Іогансоном (1857-1927) в 1909 р. і означає одиницю спадкового матеріалу, відповідального за передачу у спадок певної ознаки.
Утвердилося поняття хромосоми як структурного ядра клітини, що містить дезоксирибонуклеїнову кислоту (ДНК)
- Високомолекулярна сполука, носій спадкових ознак.
Подальші дослідження показали, що ген є певною частиною ДНК і дійсно носієм тільки певних успадкованих властивостей, у той час як ДНК - носій всієї спадкової інформації організму.
Розвитку генетики сприяли у великій мірі дослідження відомого американського біолога, одного з основоположників цієї науки, Томаса Ханта Моргана (1866 - 1945). Він сформулював хромосомну теорію спадковості. Більшість рослинних і тваринних організмів є диплоїдними, тобто їх клітини (за винятком статевих) мають набори парних хромосом, однотипних хромосом від жіночого та чоловічого організмів. Хромосомна теорія спадковості зробила більш зрозумілими явища розщеплення у спадкуванні ознак.
Важливою подією у розвитку генетики стало відкриття мутацій - виникають раптово змін до спадкової системі організмів і тому що можуть призвести до стійкого зміни властивостей гібридів, переданих і далі по спадку. Своїм виникненням мутації зобов'язані або випадковим у розвитку організму подій (їх зазвичай називають природними або спонтанними мутаціями), або штучно викликаним впливів (такі мутації часто іменують індукованими). Усі види живих організмів (як рослинних, так і тварин) здатні мутувати, тобто давати мутації. Це явище - раптове виникнення нових, що передаються у спадщину властивостей - відомо в біології давно. Однак систематичне вивчення мутацій було розпочато голландським ученим Хуго де Фріз, що встановив і сам термін «мутації». Було виявлено, що індуковані мутації можуть виникати в результаті радіоактивного опромінення організмів, а також можуть бути викликані впливом деяких хімічних речовин.
Слід зазначити першовідкривачів всього того, що пов'язано з мутаціями. Радянський вчений-мікробіолог Георгій Адамович Надсон (1867-1940) разом зі своїми колегами та учнями встановив в 1925 році вплив радіовипромінювання на спадкову мінливість у грибів. Відомий американський генетик Герман Джозеф Меллер (1890-1967), працював протягом 1933-1937 рр.. в СРСР, виявив в 1927 р. в дослідах з дрозофілами сильне мутагенну дію рентгенівських променів. У подальшому було встановлено, що не тільки рентгенівське, але і будь-яке іонізоване опромінення викликає мутації.
Досягнення генетики (і біології в цілому) за минуле після виходу в світ книги Дарвіна «Походження видів» час такі значні, що було б дивно, якби все це ніяк не вплинуло на дарвінівську теорію еволюції. Два фактори: мінливість і спадковість, яким Дарвін надавав великого значення, отримали більш глибоке тлумачення.
Отже, подальший розвиток біології і що входить до неї складовою частиною генетики, по-перше, ще більше зміцнило дарвінівську теорію еволюції живого світу і, по-друге, зумовлює більш глибоке тлумачення (відповідне досягнутим успіхам у біології) поняттям мінливості і спадковості, а отже, всьому процесу еволюції живого світу. Більш того, можна сказати, що успіхи біології висунули цю науку в ряди лідерів природознавства, причому найбільш вражаючі її досягнення пов'язані з вивченням процесів, що відбуваються на молекулярному рівні.
3.2. Молекулярна біологія
Прогрес в області вивчення макромолекул до другої половини нашого століття був порівняно повільним, але завдяки техніці фізичних методів аналізу, швидкість його різко зросла.
У. Астбері ввів у науку термін «молекулярна біологія» і провів основні дослідження білків і ДНК. Хоча в 40-ті р. майже повсюдно панувала думка, що гени представляють собою особливий тип білкових молекул, в 1944 р. О. Евері, К. Маклеод і М. Маккарті показали, що генетичні функції в клітині виконує не білок, а ДНК. Встановлення генетичної ролі нуклеїнових кислот мало вирішальне значення для подальшого розвитку молекулярної біології, причому було показано, що ця роль належить не тільки ДНК, але і РНК (рибонуклеїнової кислоти).
Розшифровку молекули ДНК виробили в 1953 р. Ф. Крик (Англія) і Д. Уотсон (США). Уотсону і Крику вдалося побудувати модель молекули ДНК, що нагадує подвійну спіраль.
Поряд з вивченням нуклеїнових кислот і процесом синтезу білка в молекулярній біології велике значення з самого початку мали дослідження структури і властивостей самих білків. Паралельно з розшифровкою амінокислотного складу білків проводилися дослідження їх просторової структури. Серед найважливіших досягнень цього напрямку слід назвати теорію спіралі, розроблену в 1951 р. Е. Полінгом і Р. Корі. Відповідно до цієї теорії, поліпептидний ланцюг білка не є плоскою, а згорнута в спіраль, характеристики якої були також визначені.
Незважаючи на молодість молекулярної біології, успіхи, досягнуті нею в цій області, приголомшливі. За порівняно короткий термін були встановлені природа гена і основні принципи його організації, відтворення та функціонування. Повністю розшифровано генетичний код, виявлено і досліджено механізми та головні шляхи утворення білка в клітині. Повністю визначена первинна структура багатьох транспортних РНК. Встановлено основні принципи організації різних субклітинних частинок, багатьох вірусів, і розгадані шляхи їх біогенезу в клітці.
Інший напрямок молекулярної генетики - дослідження мутації генів. Сучасний рівень знань дозволяє не тільки зрозуміти ці тонкі процеси, але і використовувати їх у своїх цілях. Розробляються методи генної інженерії, що дозволяють впровадити в клітку бажану генетичну інформацію. У 70-і рр.. з'явилися методи виділення в чистому вигляді фрагментів ДНК за допомогою електрофорезу.
У 1981 р. процес виділення генів і отримання з них різних ланцюгів був автоматизований. Генна інженерія в поєднанні з мікроелектронікою віщують можливості управляти живою матерією майже так само, як неживий.
Останнім часом у засобах масової інформації активно обговорюються досліди з клонування і пов'язані з цим моральні, правові та релігійні проблеми. Ще в 1943 році журнал «Сайєнс» повідомив про успішне заплідненні яйцеклітини в «пробірці». Далі події розвивалися наступним чином.
1973 р. - професор Л. Шетлз з Колумбійського університету в Нью-Йорку заявив, що він готовий провести на світ першого «бебі з пробірки», після чого послідували категоричні заборони Ватикану і пресвітеріанської церкви США.
1978 р. - народження в Англії Луїзи Браун, першої дитини «з пробірки».
1997 р. - 27 лютого «Нейчур» помістив на своїй обкладинці - на тлі мікрофотографії яйцеклітини - знамениту овечку Доллі, яка народилася в інституті Рослін в Единбурзі.
1997 р. - в самому кінці грудня журнал «Сайєнс» повідомив про народження шести овець, отриманих за Рослінського методу. Три з них, в тому числі й овечка Доллі, несли людський ген «фактора IX», або кровоспинний білка, який необхідний людям, страждаючим на гемофілію, тобто несвертиваемості крові.
1997 р. - чиказький фізик Сиди оголошує про створення лабораторії з клонування людей: він стверджує, що відбою від клієнтів у нього не буде.
1998 р., початок березня - французькі вчені оголосили про народження клонованої телички.
Все це відкриває унікальні перспективи для людства.
Клонування органів і тканин - це завдання номер один в галузі трансплантології, травматології і в інших областях медицини і біології. При пересадці клонованого органу не треба думати про придушення реакції відторгнення і можливі наслідки у вигляді раку, що розвинувся на фоні імунодефіциту. Клоновані органи стануть порятунком для людей, що потрапили в автомобільні аварії або які-небудь інші катастрофи, або для людей, яким потрібна радикальна допомога з-за захворювань похилого віку (зношене серце, хвора печінка і т. д.).
Найбільш наочний ефект клонування - дати можливість бездітним людям мати своїх власних дітей. Мільйони сімейних пар у всьому світі страждають, будучи приреченими залишатися без нащадків.
3.3. Розшифровка геному людини
Спочатку (у 1988 р.) кошти на вивчення геному людини виділило міністерство енергетики США, і одним із керівників програми «Геном людини» став професор Чарльз Кентор.
У 1990 р. Нобелівський лауреат Джеймс Уотсон почав лобіювання конгресу США, і незабаром конгрес розпорядився виділити відразу сотні мільйонів доларів на вивчення геному людини. Ці кошти були додані до бюджету міністерства охорони здоров'я, звідти вони перетекли у відання дирекції мережі інститутів, об'єднаних під загальною назвою - Національні інститути здоров'я (National Institutes of Health, NIH скорочено). У складі NIH з'явився новий інститут - Національний інститут дослідження генома людини (NHGRI, директор Френсіс Коллінз).
У травні 1992 р. провідний співробітник NIH Крейг Вентер подав заяву про звільнення і оголосив, про створення нового, приватного дослідної установи - Інституту геномних досліджень (The Institute for Genomic Research, скорочено - TIGR, або ТИГР).
Очікування гігантських прибутків від майбутнього впровадження результатів вивчення геномів добре зрозуміли не тільки в США. У провідних країнах Заходу розпочалася справжня гонка щодо вкладу коштів в дослідження геномів. 3 травня 1999 британський «Білком траст» (формально уряд Великобританії фінансує британську частину проекту «Геном людини» через цей приватний благодійний фонд) додав додатково 100 млн. фунтів стерлінгів (приблизно 167 млн. доларів) декільком англійською лабораторіям, які займаються дослідженнями геному людини , з них 77 млн. доларів було виділено на 1999 р. Сенгеровскому центру в Кембриджі.
При первинному оголошенні термінів завершення проекту в 2003 р. передбачалося, що точність дослідження геному складе 99,99%. Потім терміни посунули, грунтуючись на тому, що для біологів і медиків вистачить і 90%-ої точності, зате відрапортувати про завершення геному можна буде до кінця 2000 р.
2 грудня 1999 журнал «Nature» оприлюднив дані, що стосуються великого прориву в дослідженні геному людини: в основному зусиллями англійських вчених за активної участі інших європейських, японських і американських лабораторій був завершений повний аналіз однієї з хромосом людини (правда, однією з самих маленьких ) - хромосоми 22.
На цьому гонка аж ніяк не затихла. Як повідомив журнал «Science» з посиланням на газету «Ле Монд» від 14 травня 1999 р., французький уряд вирішив у цей момент «впорснути» додатково 330 млн. доларів на найближчі три роки до бюджету розташованого поряд з Парижем дослідного центру геному в Іврі .
У червні 1999 року Німеччина, яка до цього виділяла явно недостатньо коштів на дослідження геному людини (всього 23 млн. доларів на рік, починаючи з 1996 р.), змінила свій підхід: на найближчі п'ять років було відпущено 550 млн. доларів. У листопаді - грудні 1999 р. стало ясно, що вченим вдалося переконати уряд збільшити щорічні витрати на дослідження геному людини до 280 млн. доларів.
13 липня 1999 про збільшення коштів, що виділяються на роботи з дослідження геному людини оголосив уряд Японії.
Те, що брала участь на початку створення міжнародного проекту «Геном людини» Росія фактично призупинила свій внесок у нього, можна розглядати однозначно негативно: Росія прирікає себе в цьому відношенні на поступовий перехід на рівень другорядних держав, приречених на економічну залежність в майбутньому від тих, хто вклав кошти в цю перспективну наукову галузь.
Опис геному людини вченим вдалося отримати значно раніше планувалися термінів (2005-2010 рр.).. Уже напередодні нового, XXI ст. були досягнуті сенсаційні результати у справі реалізації зазначеного проекту. Виявилося, що в геномі людини - від 30 до 40 тисяч генів (замість передбачуваних раніше 80-100 тисяч). Це ненабагато більше, ніж у черв'яка (19 тисяч генів) або мухи-дрозофіли (13,5 тисячі).
Розшифровка геному людини дала величезну, якісно нову наукову інформацію для фармацевтичної промисловості. Разом з тим виявилося, що використовувати цей науковий багатство фармацевтичної індустрії сьогодні не під силу. Потрібні нові технології, які з'являться, як передбачається, у найближчі 10-15 років. Саме тоді стануть реальністю ліки, що надходять безпосередньо до хворого органу, минаючи всі побічні ефекти. Вийде на якісно новий рівень трансплантологія, отримають розвиток клітинна і генна терапія, радикально зміниться медична діагностика і т. д.

Висновки
Наукові дослідження фізичних, хімічних, біологічних явищ, що проводилися в XX ст., Суттєво розширили, поглибили колишні уявлення про структуру й властивості матерії.
Якщо на рубежі XIX і XX ст. була відома лише одна елементарна частинка - електрон, то на рубежі XX і XXI ст. кількість відомих елементарних частинок обчислюється сотнями. У другій половині XX ст. було з'ясовано, що елементарні частинки, що утворюють ядра атомів, самі володіють внутрішньою структурою і складаються з «ще більш елементарних» частинок - кварків.
Поряд з успіхами в дослідженні мікросвіту сучасна наука має значні здобутки і в пізнанні мегасвіту. У XVIII-XIX ст. і навіть у першій половині XX ст. панувала теорія стаціонарного Всесвіту, яка представлялася статичною, не змінюється в просторі. Таке розуміння у другій половині XX ст. було відкинуто і замінено теорією розширюваного Всесвіту.
Сучасна астрофізика внесла багато нового в розуміння еволюції зірок, відкрила зовсім нові, невідомі раніше космічні об'єкти (пульсари, квазари).
Найбільше досягнення науки початку XX ст. - Створення теорії відносності - з'явилося природно-науковим підтвердженням найважливішого положення діалектико-матеріа-криміналістичного картини світу про єдність матерії, руху, простору і часу. Творцю теорії відносності вдалося показати не просто єдність, але залежність властивостей простору і часу від рухомої матерії і один від одного.
Істотно розширилися у XX столітті уявлення і про структурні рівнях органічної природи, які включають молекулярний рівень життя, клітинний рівень (мікроорганізмів, тканин і органів), рівні цілого живого організму, співтовариств організмів, біологічних видів, біогеоценозів (сукупності видів різних організмів в єдності з природними умовами їх існування) і, нарешті, біосфери в цілому, тобто області поширення життя на Землі.
Якщо найважливішими доказами єдності органічного світу в XIX ст. стали відкриття клітинної будови організмів і еволюційна теорія Дарвіна, то в XX ст. такими доказами з'явилися відкриття в області молекулярних основ спадковості в живій природі.
Прогрес в біології ще в першій половині XX ст. привів до введення понять гена (як одиниці спадкового матеріалу, відповідального за передачу у спадок певної ознаки) і хромосоми (як структурного ядра клітини, що позначається ДНК і є високомолекулярним з'єднанням - носієм спадкових ознак). Розшифровка молекули ДНК в середині XX ст. послужила початком інтенсивних досліджень в галузі молекулярної біології, які до кінця XX ст. впритул підвели до розшифровки генома людини.

II. Атомна енергія в народному господарстві
Однією з найбільш чудових ядерних реакцій є реакція поділу. Розподілом називається реакція розщеплення атомного ядра на дві приблизно рівні за масою частини (осколки поділу). Важкі ядра (Z ≥ 90) діляться як мимовільно (спонтанне ділення), так і примусово (вимушене розподіл). На відміну від спонтанного вимушене розподіл відбувається практично миттєво (t <10-14 с). Для вимушеного поділу ядер з Z ≥ 90 достатньо їх попередньо слабо порушити, наприклад, опромінюючи нейтронами з енергією близько 1 МеВ. Деякі ядра, наприклад 235U, діляться навіть під дією теплових нейтронів. Маса (а значить, і енергія) ділиться ядра значно перевищує суму мас осколків. У зв'язку з цим при розподілі звільняється дуже велика енергія Q = 200 МеВ, значну частину якої (= 170 МеВ) забирають осколки у вигляді кінетичної енергії. Осколки поділу мають великий надлишок нейтронів. Тому вони мають β-радіоактивними ланцюжками з продуктів поділу, а також випускають миттєві (2-3 на один акт урану) і запізнілі (= 1% миттєвих) нейтрони.
Велике енерговиділення, випускання кількох нейтронів, можливість поділу при невеликому порушення ядра дозволяють здійснити ланцюгову реакцію поділу. Ідея ланцюгової реакції поділу полягає у використанні вилетіли в процесі розподілу нейтронів для начення нових ядер з утворенням нових нейтронів ділення і т. д. Для наростання ланцюгового процесу необхідно, щоб відношення числа нейтронів у двох послідовних положеннях (так званий коефіцієнт розмноження нейтронів К більше одиниці ( К> 1). Значення коефіцієнта розмноження залежить від числа нейтронів, що випускаються в одному акті поділу; від імовірності їх різних енергіях; від конструкції і розмірів реакторної установки. Зокрема, активна зона реактора (область, де розвивається ланцюгова реакція) повинна мати розміри не менше деякої критичної величини. Ланцюгова реакція, що протікає в уранграфітовом реакторі на теплових нейтронах при К = 1,005, відноситься до класу повільних керованих ланцюгових ядерних процесів. Природний уран не придатний для здійснення швидкого ланцюгового ядерного процесу вибухового типу на швидких нейтронах. Такий процес був здійснений у 1945 р. на чистому ізотопі 235U і на обладающем аналогічними властивостями ізотопі 239Рu трансуранового елемента плутонію.
Принцип роботи атомної бомби полягає в дуже швидкому зближенні кількох порцій ядерного пального, загальна кількість яких після їх об'єднання перевершує за масою і розмірами критичні значення. Енергетична і ефективність атомної бомби приблизно в мільйон разів підвищує ефективність звичайної бомби.
Після закінчення Другої світової війни основні зусилля вчених-атомників були спрямовані на освоєння атомної енергії в мирних цілях. У 1954 р. у нас в країні була пущена перша в світі атомна електростанція, в 1957 р. був пущений на воду атомний криголам. Сьогодні ядерна енергія застосовується практично у всіх галузях народного господарства і науки та вносить все більший внесок у світову енергетику. Побудовано та працює багато ядерних реакторів різних типів (на теплових, проміжних і швидких нейтронах) з різними сповільнювачами (графіт, вода, важка вода, берилій тощо) і зовсім без сповільнювача (на швидких нейтронах), з різним ядерним пальним (природний уран , збагачений уран, плутоній та ін). Вони використовуються і для отримання енергії (атомні електростанції, суду та ін), і для різних наукових досліджень. І хоча Чорнобильська трагедія стримала захват від успіхів атомної енергетики, її розвиток обіцяє надалі широкі можливості та електрифікації, і теплофікації, і навіть хімізації. Проблеми надійності роботи атомних електростанцій та їх безаварійності більш за все пов'язані з вирішенням питань захисту атомних реакторів від зовнішніх екстремальних впливів (наприклад, в умовах пожежі) і поховання радіоактивних відходів. Але в найближчій перспективі в міру розвитку ядерної енергетики і радіохімії сховища ізотопів, тобто осколки ядерного поділу, можуть перетворитися на осередки виробництва найцінніших елементів, зокрема, платиноїдів. Сьогодні ізотопи легких платинових металів, що утворюються в процесі розподілу ядер урану і плутонію на атомних станціях, доставляють клопоти: куди б їх подалі заховати і ізолювати. Але радіохімія, що вивчає хімічні властивості і хімічні перетворення радіоактивних речовин, вже найближчим часом має вирішити завдання виділення цих цінних металів і очищення їх від радіоактивних домішок.
Один атом гелію легше, ніж чотири атома водню; дефект мас відповідає виділяється енергії випромінювання.
І все-таки сучасні електростанції не можна вважати верхом досягнення атомної енергетики та енергетики взагалі, хоча вони сьогодні вносять близько 12% внеску в загальний енергетичний баланс. Їх недолік - не тільки в небезпеці типу Чорнобиля, а ще й у тому, що вони працюють, використовуючи як ядерного палива ізотоп 235U, частка якого в природному урані становить всього-на-всього 0,7%. Тому розвиток атомної енергетики на основі сучасного покоління АЕС визначається ресурсами урану, які з енергетичного запасу порівнянні із запасами нафти.
Окрім реакції поділу важких ядер, існує ще один спосіб звільнення внутрішньоядерної енергії - реакція синтезу легких ядер. Величина енерговиділення в процесі синтезу настільки велика, що при великій концентрації взаємодіючих ядер її може виявитися достатньо для виникнення ланцюгової термоядерної peакціі. У цьому процесі швидке тепловий рух ядер підтримується за рахунок енергії реакції, а сама реакція - за рахунок теплового руху. Для досягнення необхідної кінетичної енергії температура реагує речовини повинна бути дуже високою (107 - 108 К). При такій температурі речовина перебуває у стані гарячої, повністю іонізованої плазми, що складається з атомних ядер і електронів. Абсолютно нові можливості відкриваються перед людством із здійсненням термоядерної реакції синтезу легких елементів. Можна уявити собі три способи здійснення цієї реакції:
1) повільна термоядерна реакція, мимовільно відбувається в надрах Сонця та інших зірок;
2) швидка самопідтримуються термоядерна реакція некерованого характеру, що відбувається при вибуху водневої бомби;
3) керована термоядерна реакція.
Некерована термоядерна реакція - це воднева бомба, вибух якої відбувається в результаті ядерної взаємодії:
Д + Д -> Не3 + n; Д + Д -> Т + р; Т + Д -> Не4 + n,
приводить до синтезу ізотопу гелію He3, що містить в ядрі два протони та один нейтрон, і звичайного гелію Не4, що містить в ядрі два протони і два нейтрони. Тут n - це нейтрон, а р - протон, Д - дейтерій і Т - тритій.
При обох реакціях Д + Д і Д + Т виділяється величезна кількість тепла: один грам газу, "згораючи", утворює стільки енергії, скільки виходить при згоранні приблизно 12 т вугілля! Реакції протікають при температурі 107-1011 К. Тому утримувати настільки високо розігріту масу, що складається з ядер, протонів і нейтронів (вона отримала назву плазми), неможливо ні в якому котлі, виготовленому з як завгодно жароміцного матеріалу. Це обставина виявилася головною перешкодою на шляху здійснення керованої термоядерної реакції.
Але вже в 1950-х рр.. наші вітчизняні фізики першими висунули і експериментально обгрунтували принцип магнітної ізоляції ядерної плазми, яка дозволяє зменшити теплопередачу від плазми до стінок реактора. Згодом була сконструйована установка токамак - тороїдальне камера магнітного утримання ядерної плазми як щабель до вирішення завдання - управлінню термоядерної реакцією. Однак чим далі заглиблювалися в пошук вирішення цього завдання, тим більше з'являлося нових труднощів. І хоча вчені-фізики нашої країни, США, Англії та інших держав просунулися в цьому напрямку досить далеко, кінцева мета, як вони тепер вважають, може бути досягнута не раніше ніж через сто років.
Але існують і інші перешкоди на шляху термоядерної енергії, головним з яких є можливий перегрів поверхні Землі в результаті виділення тепла термоядерними реакторами. Власне, мова йде про розумні екологічних обмеженнях виробництва термоядерної енергії в межах не більш ніж 5% від сонячної енергії, що поглинається Землею, проте навіть і в цих межах виробництво термоядерної енергії піднімає розігрів земної поверхні на 3,7 °. Вважають, що розігрів вище цієї граничної температури може призвести до суттєвої зміни клімату всієї нашої планети, навіть до всесвітнього потопу за рахунок танення льодів Антарктиди і Гренландії. Так що потрібні заходи з пошуку екологічно бездоганних і практично невичерпних джерел енергії.
Найраціональнішої з таких заходів є використання сонячної енергії. Цей захід ніколи не приведе до перегріву Землі і до забруднення її атмосфери, поверхні і океанів. Сонце щомиті посилає на Землю 4 трлн кал тепла. Близько половини його розсіюється і поглинається атмосферою і близько 10% затримується в крапельно-рідких і пилових хмарах. І все ж залишається частка доходить до поверхні сонячної енергії виявляється грандіозної, в десятки разів перевищує гранично допустимий виробництво термоядерної енергії.
Відомі в даний час способи перетворення сонячної енергії в ті види, які можна використовувати в енергетиці, умовно ділять на чотири типи: теплотехнічні, фізичні, хімічні та біологічні. Сьогодні найпоширенішими є теплотехнічні способи. Але вони знаходяться в залежності від кліматичних умов, а їх ККД при перетворенні теплової енергії в електричну і механічну не перевищує 5%. Фізичні перетворювачі сонячної енергії, в основі яких знаходяться напівпровідникові фотоелементи, поки не знайшли широкого застосування. Вони використовуються в космічних кораблях. А побудовані на базі крем'яних фотоелементів як дослідні наземні електростанції видають енергію, яка приблизно в 100 разів дорожче електроенергії, одержуваної на атомних станціях.
Біологічне перетворення сонячної енергії відбувається в результаті фотосинтезу, що відбувається в рослинах. Завдяки цьому на Землі утворилися копалини палива. Хоча на фотосинтез витрачається менше одного відсотка всієї сонячної енергії, падаючої на Землю, урожай зеленої маси рослин за рік по своїй калорійності приблизно дорівнює видобувається за рік з надр Землі пальним копалиною.
В даний час стала актуальною задача хімічного перетворення сонячної енергії, тобто акумулювання та запасання сонячної енергії методом фотосинтезу. У цьому відношенні представляє інтерес отримання на основі перетворення сонячної енергії водню з води. Розробляються нині штучні молекулярні фотокаталітичні системи все більше наближаються до природних фотосинтезуючим об'єктів не тільки за принципом їх дії, а й по самій організації систем. Тому, можна, в недалекому майбутньому вдасться відтворити в штучних умовах здатність фотосинтезуюча апарату рослин запасати сонячну енергію у вигляді енергії хімічного палива з одночасним виділенням кисню і ККД, близьким до 40-50%. У всякому разі, широкомасштабне перетворення сонячної енергії в енергію хімічного палива поставлено на чергу дня. Водень є висококалорійним та екологічно чистим паливом. Він зручний і для стаціонарної, і для транспортної енергетики. Безперечно, це - універсальне паливо енергетики майбутнього.

III. Основні етапи розвитку життя на Землі.
Одним з найбільш важких і в той же час актуальних та цікавих у сучасному природознавстві є про походження життя.
Життя - одне з найскладніших, якщо не саме складне явище природи. Для неї особливо характерні обмін речовин і самовідтворення, а особливо більш високих рівнів її організації обумовлені будовою більш низьких рівнів. Живі істоти - це природні інформаційні системи, тобто системи, що існують самі по собі, а не в результаті побудови або складеної ким-то програми.
Відмінність живого від неживого полягає у кількох фундаментальних напрямах: матеріальному, структурному і функціональному планах його вивчення. У матеріальному плані до складу живого обов'язково входять високоупорядоченние макромолекулярні органічні сполуки, звані биополимерами, - білки, нуклеїнові кислоти (ДНК і РНК). У структурному плані живе відрізняється від нього клітинною будовою. У функціональному плані для деяких тіл характерно відтворення самих себе, вірніше, самовідтворення.
Живі тіла відрізняються від неживих також наявністю обміну речовин, здатністю до росту і розвитку, активної регуляції свого складу та функцій, здатністю до руху, подразливістю, пристосованістю до середовища і т. д. Однак, є перехідні форми від нежиття до життя. Наприклад, віруси поза клітинами іншого організму не володіють ні одним з атрибутів живого, хоча у них є спадковий апарат. Вони можуть рости і розмножуватися лише поза організму-господаря, використовуючи його ферментні системи. У сучасному природознавстві існує п'ять основ концепцій виникнення життя:
1) креаціонізм - божественне створення живого;
2) концепція багаторазового самовільного зародження життя з неживої речовини;
3) концепція стаціонарного стану, відповідно до якої життя існувала завжди;
4) концепція панспермії - позаземного походження життя;
5) концепція походження життя на Землі в історичному минулому в результаті процесів, що підкоряються природно-науковими законами.
Перша концепція є релігійною і до науки прямого стосунку не має. Хоча до нього близька концепція, за якою життя створена вищим розумом, що знаходяться поза Всесвітом. Грунтується вона на запереченні можливості пояснити генезис життя природними причинами і спрямована проти концепції хімічної, передбіологічній еволюції. В якості основоположного тези в концепціях розглядається положення про те, що життя як на Землі, так і взагалі де-небудь у Всесвіті не може виникнути випадково. Життя представляє собою акт навмисного творіння, що призводить до ототожнення сучасних космологічних уявлень з релігійними істинами і для вічного, безмежного Всесвіту характерно незмінне сталість картин життя. Викладена в ній тимчасова і ієрархічна послідовність подій містить вихідне уявлення про еволюцію: перший день - поява світла, другий день - зірок, третій день - створення Землі, четвертий день - Сонця і Місяця, п'ятий день риб у море і птахів у небі, шостий день - створення людини і, нарешті, сьомий день - день відпочинку. На користь цієї концепції автори наводять такі аргументи.
1) білки, нуклеїнові кислоти та інші біологічні сполуки з їх вельми складною структурою можуть бути створені тільки живою істотою, оскільки системи такої складності не можуть виникнути в результаті взаємодії простих речовин в первинному океані;
2) у природному поясненні походження життя необхідно виходити з положення, що життя вже була закодована в структурі атомів.
В кінці минулого століття були поширені «теорії», згідно з якими життя виникає в болотах, гниючої масі і тому подібних місцях. Саме там з неживої матерії і виникають живі організми - личинки мухи і навіть миші. Другу концепцію спростував вивчав діяльність бактерій французький мікробіолог XIX ст. - Луї Пастер. Третя концепція через свою оригінальність завжди мала небагато прихильників.
До початку XX ст. в науці панували дві останні концепції. Концепція панспермії, згідно з якою життя була занесена на Землю ззовні, спиралася на виявлення при вивченні метеоритів і комет "попередників живого" - органічних сполук, які, можливо зіграли роль "насіння". У другій половині минулого століття шведський вчений Сванте Арреніус висунув оригінальну гіпотезу. На його думку, життя виникло не на Землі, а занесена на неї з космосу. Наша планета була «заражена» мікроорганізмами, які прибули з глибин Всесвіту. Цей процес Арреніус назвав панспермії. Гіпотеза шведського вченого не отримала підтримки його колег. Ніхто не бачив можливості для мікроорганізмів тривало подорожувати в космічному просторі, не гинучи від згубних випромінювань. Свого часу цю гіпотезу обговорювали дуже бурхливо. Його прихильниками були видатні уми свого часу. Але були противники. Так, А. І. Опарін показав, що ця теорія, строго кажучи, нічого не дає. У всякому разі, вона не має ніякого відношення до походження життя, бо навіть якщо вдається довести, що життя було занесене на нашу планету ззовні, то це не звільняє нас від необхідності пояснити, як же вона виникла спочатку. Теорія панспермії дозволяє вирішити лише проблему походження земного життя, одночасно збільшуючи складність основної проблеми у багато разів.
В даний час відроджується стара ідея панспермії. На міжнародному симпозіумі "Пошуки неземного життя", що відбувся в Бостоні (США) в 1984 р., голландський вчений Грінберг повідомив, що в його експериментах було показано, умовах вакууму і надзвичайно низької температури, характерної для міжзоряного середовища, бактеріальні спори можуть протистояти радіації в протягом декількох тисяч років. Цього, звичайно, недостатньо, щоб перенестися від зірки до зірки, але якщо "материнська" зірка проходить через пилові хмари, деякі суперечки отримують від його частинок додатковий захист і можуть подорожувати мільйони років. У концепції появи життя на Землі в історичному минулому два варіанти. Згідно з одним, походження життя - результат випадкового утворення одиничною "живий молекули", в будові якої був закладений весь план подальшого розвитку живого. Відповідно до іншої точки зору, походження життя - результат закономірної еволюції матерії.
Це остання концепція є найбільш наукової; розглянемо її детально. Широко поширеною і експериментально обгрунтованою є модель, що отримала за кордоном назву гіпотези Опаріна-Холдейна - по імені вчених, що висунули подібні гіпотези, швидше за все, незалежно один від одного. Спільність розвиваються вченими поглядів полягає у прийнятті за вихідні тези твердження про те, що всі необхідні для виникнення життя біологічно значущі органічні сполуки можуть утворитися в абіогенних умовах, тобто без участі живого, лише на основі фізико-хімічних закономірностей перетворення речовин. Більшість сучасних спеціалістів також переконане, що виникнення життя в умовах первинної Землі є результат природної еволюції матерії. Для вивчення наукової проблеми походження життя необхідні, перш за все, відомості про фізико-хімічних умовах на ранній Землі. Такі дані пов'язані як з геологічної еволюцією планети, так і з еволюцією хімічних елементів Сонячної системи і сонячною активністю. З великого числа хімічних елементів для життя необхідні тільки 16, а водень, вуглець, кисень і азот становлять майже 99% живої матерії. У матеріальному плані для становлення життя потрібен насамперед вуглець. Життя на Землі заснована на цьому елементі, хоча в принципі можна припустити існування життя і на кремнієвій основі. Унікальними властивостями володіє вуглець, і наше життя називається вуглецевої, або органічної. Чотирьохвалентного вуглецю призводить до величезного числа його сполук, якими займається органічна хімія. Вуглець утворює складні молекули, які становлять кільця та ланцюги, що забезпечують різноманітність органічних сполук. Амінокислоти - важливий для життя клас органічних сполук. У живих організмах вони використовуються для синтезу білків, рослини можуть синтезувати їх із простих речовин, а у тваринні організми частина їх повинна надходити з їжею, тому їх називають незамінними. З чотирьох нуклеотидів побудовані й інші великі молекули - нуклеїнові кислоти, теж входять до складу живої клітини. Кисень, водень і азот поряд з вуглецем можна віднести до основ живого. Клітка складається на 70%-з кисню, 17% вуглецю, 10% водню, 3% азоту. Всі вони належать до найбільш стійким і поширеним у Всесвіті хімічних елементів. Вони легко з'єднуються між собою, вступають в реакції і володіють малою атомною вагою. Їх з'єднання легко розчиняються у воді. Органічні речовини були присутні на Землі при її утворенні. Вони могли синтезуватися і на поверхні пилинок. Сучасна теорія походження життя заснована на ідеї про те, що біологічні молекули могли виникнути в далекому геологічному минулому неорганічним шляхом. Для виникнення життя потрібні певні температури, вологість, тиск, рівень радіації, певна спрямованість розвитку Всесвіту і час. Земля підходить для зародження життя. Її вік близько 5 млрд. років.
Температура поверхні в початковий період була 4000-8000 ° С і в міру охолодження Землі вуглець і більш тугоплавкі метали конденсувалися і утворили земну кору. Первинна атмосфера Землі протягом 2 млрд. років складалася, імовірно, головним чином з водяної пари, N2, CO2, з невеликою домішкою інших газів (NH3, СН4, H2S) при майже повній відсутності О2 (практично весь кисень, що міститься в атмосфері в даний час, є продуктом фотосинтезу). Відсутність у первісній атмосфері кисню було необхідною умовою виникнення життя так як органічні речовини легше створюються в відновному середовищі. При відсутності кисню, який міг би їх зруйнувати, а також живих організмів, які використовували їх у їжу, абиогенно утворилися органічні речовини накопичувалися в Світовому океані, яка виникла у міру охолодження поверхні Землі внаслідок конденсації водяної пари і випадання опадів. У 1953 р. Меллер експериментально встановив, що при підведенні енергії (наприклад, у формі електричних зарядів, ультрафіолетового випромінювання, радіоактивного випромінювання та тепла) до газової суміші, що містить вуглець, водень, кисень і азот у відновлювальному середовищі утворюються всі важливі деталі, для побудови біоречовин: амінокислот, гидроокисей, Цукор, пуринових і піримідинових основ. З ініціацією хімічних процесів на планеті Земля почалася фаза хімічної еволюції близько 4-4,5 млрд. років. Основним результатом першої стадії хімічної еволюції стала інтеграція простих атомів Н, С, N, Р, ... у відносно складні органічні молекули. Результатом хімічної еволюції інтеграція атомів хімічних в багато складні органічні, молекули, а молекул - в багато ще більш складні цінні молекули. Важливу роль в цих перетвореннях грали такі хімічні елементарні процеси: гомогенний і гетерогенний каталіз, Автокаталіз, бистабильность і коливання.
Наступним кроком було утворення більших полімерів з малих органічних мономерів, знову ж таки без участі живих організмів. Мабуть, на первинній Землі освіта полімерів з випадковою послідовністю амінокислот або нуклеотидів могло відбуватися при випаровуванні води у водоймах, що залишилися після відпливу. Якщо полімер утворився, він здатний впливати на утворення інших і полімерів.
Складну хімічну еволюцію зазвичай висловлюють наступною узагальненою схемою: атоми -> прості з'єднанні-> прості біоорганічні з'єднання -> макромолекули організовані системи. Наступним етапом після хімічної еволюції елементів є біохімічна еволюція. Життя як особлива форма існування матерії характеризується двома відмінними властивостями - самовоспроведеніем і обміном речовин з навколишнім середовищем. На властивостях саморепродукції та обміну речовин будуються всі сучасні гіпотези виникнення життя. Найбільш широко визнані гіпотези - коацерватная і генетична.
Коацерватная гіпотеза (біохімічна еволюція). У 1924 р. А. І. Опарін вперше сформулював основні положення концепції передбіологічній еволюції і потім, спираючись на експерименти Бунгенберга де Йонга, розвинув ці положення в коацерватной гіпотезі походження життя. Основу гіпотези складає твердження, що початкові етапи біогенезу були пов'язані з формуванням білкових структур. Перші білкові структури (протобіонти, за термінологією Опаріна) з'явилися в період, коли молекули білків отграничивались від навколишнього середовища мембраною. Ці структури могли виникнути з первинного "бульйону" завдяки коацерваціі - мимовільного поділу водного розчину полімерів на фази з різною їх концентрацією. Процес коацерваціі приводив до утворення мікроскопічних крапельок з високою концентрацією полімерів. Частина цих крапельок поглинали з середовища низькомолекулярні з'єднання: амінокислоти, глюкозу, примітивні каталізатори. Взаємодія молекулярного субстрату і каталізаторів вже означало виникнення найпростішого метаболізму всередині протобионтов. Схема освіти коацерватной краплі наступна: молекула білка в розчині -> зближення молекул білка з втратою води -> освіта коацерватной краплі. Володіли метаболізмом крапельки включали в себе з навколишнього середовища нові з'єднання і збільшувалися в об'ємі. Коли коацервати досягали розміру, максимально допустимого в даних фізичних умовах, вони розпадалися на більш дрібні крапельки, наприклад, під дією хвиль, як це відбувається при струшуванні судини з емульсією олії у воді. Дрібні крапельки знову починали рости і потім утворювали нові покоління коацерватів. Поступове ускладнення протобионтов здійснювалося відбором таких коацерватних крапель, які володіли перевагою в кращому використанні речовини і енергії середовища. Відбір як основна причина вдосконалення коацерватів до первинних живих істот - центральне положення в гіпотезі Опаріна.
Генетична гіпотеза. Відповідно до цієї гіпотези, спочатку виникли нуклеїнові кислоти як матрична основа синтезу білків. Вперше її висунув у 1929 р. Г. Меллер. Здатність нуклеїнових кислот служити матрицями при утворенні комплементарних ланцюгів (наприклад, синтез іРНК на ДНК) - найбільш переконливий аргумент на користь уявлень про провідне значення в процесі біогенезу спадкового апарату і, отже, на користь генетичної гіпотези походження життя. Гени спадковості розташовуються в ДНК, і передача інформації йде в напрямку ДНК-РНК-білок. Зміна шляху передачі та інформації РНК-білок-ДНК відбулося в результаті еволюції РНК.
УД. Холдейна «живими або напівживими об'єктами» називалися великі молекули, здатні до створення своїх копій. Живі тіла, що існують на Землі, являють собою відкриті, саморегульовані і самовідтворюються системи, побудовані з біополімерів - білків і нуклеїнових кислот. Речовина знайшло тим самим найважливіша властивість самовідтворення і вступило в нову фазу еволюції - фазу самоорганізації через самовідтворення. Тут велике значення мало утворення молекулярного мови біополімерів. Елементарний мова біологічної системи - це хімічний мову. Він має алфавіт, що складається з різних сортів нуклеотидів і амінокислот. Він дозволяє вибудовувати послідовності символів різної довжини - одиниці мутації, кодування та рекомбінації. Виникали все більш складні реплікативні системи, конкурували один з одним.
Виникнення протоклеток поклало початок біологічної еволюції речовини. Після того, як вуглецеві з'єднання утворили "первинний бульйон", могли вже організуватися біополімери - білки і нуклеїнові кислоти, що володіють властивістю самопроізводства собі подібних. Механізм природного відбору діяв на самих ранніх стадіях зародження органічних речовин - з безлічі виникають речовин зберігалися стійкі до подальшого ускладнення. Як показує синергетика, енергія мала для виникнення життя не менше значення, ніж речовина. Деякі з перших стадій еволюції до життя були пов'язані з виникненням механізмів, здатних поглинати і трансформувати хімічну енергію, як би виштовхуючи систему в сильно нерівноважні умови.
Початок життя на Землі поклало поява нуклеїнових кислот, здатних до відтворення білків. Проте до цих пір залишаються неясними деталі переходу від складних органічних речовин до простих живих організмів. Теорія біохімічної еволюції пропонує лише загальну схему. Відповідно до неї на кордоні між коарцерватамі - згустками органічних речовин - могли вибудовуватися молекули складних вуглеводнів, що призводило до утворення примітивної клітинної мембрани, що забезпечує коацерватам стабільність. В результаті включення в коацерват молекули, здатної до самовідтворення, могла виникнути примітивна клітина, здатна до зростання. Наступним кроком в організації живого повинно було стати утворення мембран, які відмежовують суміші органічних речовин від навколишнього середовища. З їх появою і утворюється клітина - "одиниця життя", головна структурна відмінність живого від неживого.
Основні етапи біогенезу. Процес біогенезу включав три основних етапи: виникнення органічних речовин, появи складних полімерів (нуклеїнових кислот, білків, полісахаридів), освіта первинних живих організмів. Клітина - основна елементарна одиниця життя, здатна до розмноження, в ній протікають всі головні обмінні процеси (біосинтез, енергетичний обмін та ін.) Тому виникнення клітинної організації означало появу справжнього життя і початок біологічної еволюції.
Всі основні процеси, що визначають поведінку живого організму, протікають у клітинах. Тисячі хімічних реакцій відбуваються одночасно для того, щоб клітина могла отримати необхідні поживні речовини, синтезувати спеціальні біомолекули і видалити відходи. Величезне значення для біологічних процесів у клітині мають ферменти. Синтез білка здійснюється в клітині. Величина клітин - від мікрометра до більше одного метра. Клітини можуть бути диференційованими (нервові, м'язові і т. д.). Більшість з них мають здатність відновлюватися, але деякі, наприклад, нервові - немає або майже немає.
На малюнку 1 зображено "дерево" еволюції життя на нашій планеті.
Розглянемо докладніше особливості еволюції на клітинному рівні організації життя. Найбільша відмінність існує між рослинами, грибами і тваринами, а між організмами, що володіють ядром (еукаріоти) і немають його (прокаріоти). Останні представлені нижчими організмами - бактеріями і синьо-зеленими водоростями (ціанобактерії, або цианеи), всі інші організми - еукаріоти, які подібні між собою по внутрішньоклітинної організації, генетиці, біохімії і метаболізму.
Різниця між прокаріотів і еукаріотів полягає ще й у тому, що перші можуть жити як у безкисневому (облігатні анаероби), так і в середовищі з різним вмістом кисню (факультативні анаероби та аероби), в той час як для еукаріотів, за деяким винятком, обов'язковий кисень. Всі ці відмінності мали істотне значення для розуміння ранніх стадій біологічної еволюції. Порівняння прокаріотів і еукаріотів за потребою в кисні приводять до висновку, що прокаріоти виникли в період, коли вміст кисню в середовищі змінювалося. На час же появи еукаріот концентрація кисню була високою і відносно постійною. Перші фотосинтезуючі оргазми з'явилися близько 3 млрд років тому, а значна кількість даних про копалин еукаріотів дозволяє сказати, що їх вік складає близько 1,5 млрд років. Можна припустити, що перша мікрофлора і перша мікрофауна з'явилися 3,3-4 млрд років тому. Першими мікроорганізмами могли бути бактерії або примітивні водорості. Надалі важливу роль почали відігравати трофічні зв'язки. Підставою виникла трофічного ланцюга служили автотрофні рослини, які виробляли молекулярні структурні одиниці з води і молекул газу під дією сонячного світла. Вони повільно змінювали склад атмосфери. З неассімілірующіх організмів шанс на виживання мали лише паразити на протофлоре. Так з'явився принцип гетеротрофи, під яким розуміють будь-який організм (травоїдний, м'ясоїдний або всеїдний), який харчується іншими організмами.
Виникнення містить кисень атмосфери, що почалося 2 млрд років тому, глибоко змінило умови існування життя. Для живих істот тієї далекої епохи кисень був високотоксичним газом, який в результаті процесу окислення міг призвести до руйнування органічних молекул. Мутація і відбір допомогли подолати і цю смертельну загрозу: виникли живі організми, забезпечені спочатку примітивними органами, а згодом зябрами і легенями, які розвинули високоефективні механізми обміну речовин для атмосфери, що містить кисень.
Власне біологічна еволюція починається з виникнення клітинної організації і надалі йде по шляху вдосконалення будови і функцій клітини, освіти багатоклітинній організації, поділу живого на царства рослин, тварин, грибів з подальшою їх диференціацією на види.
Основні положення природничо-наукової теорії походження життя наступні:
1.органіческіе речовини сформувалися з неорганічних під дією фізичних факторів середовища;
2. органічні речовини взаємодіяли, утворюючи все більш складні речовини, в результаті чого виникли ферменти і самовідтворюються системи - вільні гени;
3. вільні гени з'єднувалися з іншими високомолекулярними органічними речовинами;
4. навколо них стали утворюватися білково-ліпідні мембрани;
5. виникли клітини;
6. з гетеротрофних організмів розвинулися автотрофні. Основні етапи розвитку життя на Землі представлені в таблиці 1.
Питання про закономірний або випадковий характер виникнення живих істот є найважчим для прийняття різних концепцій походження життя. У гіпотезі Опаріна життя розглядається як закономірний результат еволюції матерії у Всесвіті. Альтернативні гіпотези походження, які заперечують це положення, постулюють або зумовлений (американський біофізик Кеньон), або випадковий характер виникнення первинних організмів.
Таблиця 1
Основні етапи розвитку життя на Землі

Реальна шкала часу	Відносна шкала часу	Етапи розвитку життя
3,5-4 млрд років н.	1 січня	Процеси призвели до утворення органічних молекул
	1 лютого	Свідоцтва існування перших бактерій
	1 березня	Бактеріальні колонії
3 млрд років н.	1 квітня	Нитчасті фотосинтезуючі водорості
	1 травня	Зростання різноманітності бактерій
2,5 млрд років н.	1 червня	Висока різноманітність бактерій
2 млрд років н.	1 липня	Розвиток складноорганізованих клітин
1,5 млрд років н.	1 вересня	Перші клітини, характерні для живих і вищих рослин
1 млрд років н.	1 жовтня	Зростання різноманітності життєвих форм в морях, поява всіх типів безхребетних
500 млн років н.	1 листопада	Початок освоєння суші, перші щелепно-ротие риби, розвиток хребетних
300 млн років н.	1 грудня	Розвиток ссавців, динозаври, амфібії
100 млн років н.		Панування ссавців
11 млн років н.	31 грудня 8:00	Початок еволюції людини
5 млн років н.	16 годин	Викопні рештки людей
	23 год 59 м 58 с	Початок промислової революції

Якщо група атомів у присутності джерела енергії утворює якусь стабільну структуру, то вона має тенденцію до збереження структури. Сама рання форма конкуренції полягала у відборі стабільних форм і відкиданні нестабільних. У цьому немає нічого таємничого.
Одна з головних причин кризи в рішенні проблеми походження життя - відсутність чіткої межі між трьома поняттями: життя, живе і частина живого. Причому дуже важко одночасно вивчати структуру і функцію: коли вивчається структура (фізико-хімічними методами), то зникає функція і навпаки.
Вік найстародавніших організмів - клітин без ядер - становить близько 3 млрд. років. Близько 2 млрд. років тому в клітині з'являється ядро. Одноклітинні організми з ядром називаються найпростішими. Їх 25-30 тис. видів. Найпростіші з них - амеби, інфузорії з віями. Приблизно 1 млрд. років тому з'явилися перші багатоклітинні організми, і стався вибір рослинного і тваринного способу життя.
Таким чином, емпіричні факти та теоретичні концепції науки досить переконливо вказують, що сучасному рівню наукового знання відповідає абіогенний характер виникнення і розвитку життя. У рамках цієї концепції передбіологічній еволюція має три фази: перша - фаза елементарних полімерів, коли відбувається абіогенний синтез простих органічних сполук, друга фаза - полімеризація, яка призводить до утворення попередників нинішніх живих клітин, а третина - біохімічна фаза, в якій здійснюється виникнення генетичного коду, біосинтез закодованих білків і перехід до біологічної еволюції.

2. Класифікація рівнів біологічних структур та організації живих систем
Клітина - природна Крупника життя, як атом - природна крупинка неорганізованої матерії.
Тейяр де Шарден
Розгляд явищ живої природи за рівнями біологічних структур дасть можливість вивчення виникнення й еволюції живих систем на Землі від простих і менш організованих систем до більш складних і високоорганізованим. Перші класифікації рослин, найбільш відомої з якої була система Карла Ліннея, а також класифікація тварин Жоржа Бюффона носили значною мірою штучний характер, оскільки не враховували походження і розвитку живих організмів. Тим не менш, вони сприяли об'єднанню всього відомого біологічного знання, його аналізу і дослідженню причин та факторів утворення та еволюції живих систем. Без такого дослідження неможливо було б, по-перше, перейти на новий рівень пізнання, коли об'єктами вивчення біологів стали живі структури спочатку на клітинному, а потім на молекулярному рівні. По-друге, узагальнення та систематизація знань про окремі види і роди рослин і тварин вимагали переходу від штучних класифікацій до природних, де основою має стати принцип генезису, походження нових видів, а отже, розроблена теорія еволюції. По-третє, саме описова, емпірична біологія послужила тим фундаментом, на основі якого сформувався цілісний погляд на різноманітний, але в той же час єдиний світ живих систем.
Рівні організації живого - об'єкти вивчення біології, екології та фізичної географії - показані на малюнку 2.

Екологія
Біологія аутекологія Сінекологія Фізична географія

Рід та інші таксони

SHAPE \ * MERGEFORMAT

Організм

Органи

Клітини

Гени

Абіотичні фактори (речовина + енергія)

Популяція

Біогеоценози

Середа

Екосистеми

Вид

Ландшавтов

Рис.2. Рівні організації живого
Уявлення про структурні рівнях організації живих систем сформувалося під впливом відкриття клітинної теорії будови живих тіл. У середині минулого століття клітина розглядалася як елементарна одиниця живої матерії, на зразок атома неорганічних тел. Проблема будови живого, що вивчається молекулярною біологією, coвершіла наукову революцію з середини нашого століття. У другій половині XX ст. були з'ясовані речовинний склад, структура клітини і процеси, що відбуваються в ній.
Кожна клітина містить в середині щільне утворення, назване ядром, яке плаває в "напіврідкої" цитоплазмі. Всі вони разом укладені в клітинну мембрану. Клітка потрібна для апарату відтворення, який знаходиться в її ядрі. Без клітини генетичний апарат не міг би існувати. Основна речовина клітини - білки, молекули яких зазвичай містять декілька сотень амінокислот і схожі на намиста або браслети з брелочки, що складаються з головної та бічної ланцюгів. У всіх живих видів є особливі білки, зумовлені генетичним апаратом.
Потрапляють в організм білки розщеплюються на амінокислоти, які потім використовуються ним для побудови власних білків. Нуклеїнові кислоти створюють ферменти, керуючі реакціями. Хоча до складу білків людського організму входять 20 амінокислот, але зовсім обов'язкові для нього лише 9 з них. Решта, мабуть, виробляються самим організмом. Характерна особливість амінокислот, що містяться не тільки в людському організмі, але і в інших живих системах (тварин, рослини і навіть віруси), полягає в тому, що всі вони є левовращающімі площину поляризації ізомерами, хоча в принципі існують амінокислоти і правого обертання.
Подальші дослідження були спрямовані на вивчення механізмів відтворення та спадковості в надії виявити в них те специфічне, що відрізняє живе від неживого. Найбільш важливим відкриттям на цьому шляху було виділення зі складу ядра клітини багатого фосфором речовини, що володіє властивостями кислоти і названого згодом нуклеїнової кислотою. У подальшому вдалося виявити вуглеводний компонент цих кислот, в одному з яких виявилася Д-дезоксирибоза, а в іншому Р-рибоза. Відповідно до цього перший тип кислот стали називати дезоксірі-бонуклеіновимі кислотами, або скорочено, ДНК, а другий тип - рибонуклеїнова, або коротко РНК кислотами.
Роль ДНК в зберіганні і передачі спадковості була з'ясована після того, як в 1944 р. американським мікробіологам вдалося довести, що виділена з пневмококів вільна ДНК має властивість передавати генетичну інформацію. У 1953 р. Джеймсом Уотсоном і Френсісом Криком була запропонована та експериментально підтверджена гіпотеза про будову молекули ДНК як матеріального носія інформації. У 1960-і рр.. французькими вченими Франсуа Жакобом і Жаком Моно була вирішена одна з найважливіших проблем генної активності, яка розкриває фундаментальну особливість функціонування живої природи на молекулярному рівні. Вони довели, що за своєю функціональної активності всі гени поділяються на "регуляторні", які кодують структуру регуляторного білка, і "структурні гени", які кодують синтез ферментів.
Відтворення собі подібних і успадкування ознак здійснюється за допомогою спадкової інформації, матеріальним носієм якої є молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). ДНК складається з двох ланцюгів, що йдуть в протилежних напрямках і закручених одна навколо інший зразок електричних проводів. Нагадує гвинтові сходи. Ділянка молекули ДНК, службовець матрицею для синтезу одного білка, називають геном. Гени розташовані в хромосомах (частини ядер клітин). Було доведено, що основна функція генів складається в кодуванні синтезу білків. Механізм передачі інформації від ДНК до морфологічних структурам дав відомий фізик-теоретик Г. Гамов, вказавши, що для кодування однієї амінокислоти потрібне поєднання з трьох нуклеотидів ДНК. Молекулярний рівень дослідження дозволив показати, що основним механізмом мінливості і подальшого відбору є мутації, що виникають на молекулярно-генетичному рівні. Мутація - це часткова зміна структури гена. Кінцевий ефект її - зміна властивостей білків, що кодуються мутантними генами. З'явився в результаті мутації ознака не зникає, а накопичується. Мутації викликаються радіацією, хімічними сполуками, зміною температури, нарешті, можуть бути просто випадковим. Дія природного відбору проявляється на рівні живого, цілісного організму.
Оскільки мінімальної самостійної живою системою можна вважати клітку, остільки вивчення онтогенетичного рівня варто почати саме з клітини. В даний час розрізняють три типи онтогенетичного рівня організації живих систем, яку представляють собою три лінії розвитку живого світу:
1) прокаріоти - клітини, позбавлені ядер;
2) еукаріоти, що з'явилися пізніше, клітини, які містять ядра;
3) архебактерии - клітини яких подібні з одного боку з прокаріотами, з іншого - еукаріотами. Мабуть, всі ці три лінії розвитку виходять з єдиної первинної мінімальної живої системи, яку можна назвати протоклетки. Структурний підхід до аналізу первинних живих систем на онтогенетичному рівні потребує додаткового висвітлення функціональних особливостей їх життєдіяльності та обміну речовин.
Онтогенетический рівень організації відноситься до окремих живим організмам - одноклітинні і багатоклітинних. У різних організмах число клітин істотно відрізняється. У відповідності з числом клітин всі живі організми поділяють на п'ять царств.
Перші живі організми мали поодинокі клітини, потім еволюція життя ускладнила структуру і число клітин. Одноклітинні організми, що мають просту будову, називаються мономерами (від грец. Meros - частина), або бактеріями. Одноклітинні організми з більш складною структурою відносять до царства водоростей, або простітов. Серед водоростей є і найпростіші багатоклітинні організми. До багатоклітинних відносять рослини, гриби і тварин. Живі організми класифікують у зв'язку з їх еволюційним спорідненістю, тому вважається, що багатоклітинні мали своїми предками простіти, а ті походять від монери. Але три багатоклітинних царства походять від різних простітов. Кожна група багатоклітинних організмів - рослин, тварин і грибів має свій план будови, пристосований до свого способу життя, а в кожного виду в процесі еволюції склалася певна різновид цього достатньо гнучкого плану. Майже кожен вид складається з розрізняються за будовою, але в теж час кровно споріднених груп індивідів. Вид являє собою не просте збори індивідуумів, а складну систему угруповань, супідрядних і тісно пов'язаних один з одним.

Рис.3. Біогеоценоз
Відомий німецький біолог Е. Геккель відкрив біогенетичний закон, згідно з яким онтогенез в короткій формі повторює філогенез, тобто окремий організм у своєму індивідуальному розвитку у скороченій формі повторює історію роду.
Популяційний рівень починається з вивчення взаємозв'язку і взаємодії між сукупностями особин одного виду, які мають єдиний генофонд і займають єдину територію. Такі сукупності, або, скоріше, системи живих організмів, становлять певну популяцію. Очевидно, що популяційний рівень виходить за рамки окремого організму, і тому його називають надорганізмові рівні організації.
Популяція представляє собою перший надорганізменних рівень організації живих істот, який хоч і тісно пов'язаний з їх онтогенетическим і молекулярними рівнями, але якісно відрізняється від них за характером взаємодії складових елементів, бо в цій взаємодії вони виступають як цілісні спільності організмів. За сучасними уявленнями, саме популяції служать елементарними одиницями еволюції.
Другий надорганізменних рівень організації живого складає різні системи популяцій, які називют біоценозами або спільнотами. Вони є більш великими об'єднаннями живих істот і в значно більшій мірі залежать від небіологічних, або абіотичних, факторів розвитку.
Третій надорганізменних рівень організації містить в якості елементів різні біоценози і в ще більшому ступені характеризується залежністю від численних земних і абіотичних умов свого існування (географічних, кліматичних, гідрологічних, атмосферних і т. п.). Для його позначення застосовується термін біогеоценоз, чи екологічна система - екосистема (рис.3.)
Четвертий надорганізменних рівень організації виникає з об'єднання найрізноманітніших біогеоценозів і тепер називається біосферою.
Для характеристики трофічного (харчового) взаємодії популяції і біоценозів істотне значення має загальне правило, згідно з яким, чим довше і складніше харчові зв'язки між організмами та популяціями, тим більш життєздатною і сталою є жива система будь-якого (надорганізменного) рівня. Звідси стає зрозумілим, що з біологічної точки зору на такому рівні вирішальне значення набуває трофічний характер взаємодії між складовими живу систему елементами.

3. Генна інженерія та біотехнологія
Багато речей нам незрозумілі не тому, що наші поняття слабкі, але тому, що ці речі не входять в коло наших понять.
Козьма Прутков
Результати досліджень молекулярної генетики та молекулярної біології є ілюстрацією лідируючого стану біології в сучасному природознавстві. На їх базі виникли нові наукові напрями, такі як генна інженерія та біотехнологія.
Генетична інженерія - це система експериментальних прийомів, що дозволяють конструювати штучні геческіе структури у вигляді гібридних молекул ДНК. Суть генетичної інженерії зводиться до перенесення в організм чужорідних генів, які можуть повідомляти їм корисні властивості. Геном є певна ділянка молекули ДНК, що зберігає і передає спадкову інформацію. Молекули ДНК являють собою довгі полімерні молекули - полінуклеотіди, що складаються з мономерних ланок. Елементарними частинками генетичного матеріалу є мономерні ланки полімерної молекули ДНК. Гени містять у собі таку інформацію, код або свого роду програму, за вказівкою якої відбувається синтез білків в клітинах даного організму. На лінійній молекулі ДНК окремі гени розділені регуляторними ділянками, і вони не можуть перекриватися. Молекулу ДНК можна розбити на безперервні ділянки (гени), на кожному з яких записана інформація про послідовність амінокислот одного білка. Якщо знайти методи, що дозволяють різати ДНК на точно необхідні шматки, відокремлювати різні шматки один від одного і потім їх зшивати на розсуд експериментатора і переносити їх у клітку іншого організму, то можна змусити цю клітку синтезувати не властивий йому (тобто чужий) білок .
Отже, процедури генетичної інженерії зводяться до того, що з набору фрагментів ДНК, які містять потрібний ген, збирають гібридну структуру, яку потім вводять в клітину. Введена генетична інформація експресується, що призводить до синтезу нового продукту. Таким чином, вводячи в клітку нову генетичну інформацію у вигляді, гібридних молекул ДНК, можна отримати змінений організм. Синтезування потрібних білків, гормонів, вакцин та інших необхідних для медицини і сільського господарства сполук методами молекулярної біології і є основне завдання генної інженерії. Складним завданням тут є пошук методів різання молекули ДНК з точністю до мільярдних доль метра з тим, щоб отримати всі однакові молекули в заданому зразку строго в одних і тих же місцях. Після довгих досліджень вчені встановили, що в ролі такого високоточної скальпеля можуть бути застосовані ферменти рестріктази. Вони дізнаються самі різні послідовності нуклеотидів і розрізають їх у потрібному місці. Отримані шматки потім зшивають за допомогою іншого ферменту, званого ДНК-лігази, здатного заліковувати розриви в ланцюзі ДНК. Таким шляхом штучно можна отримати які завгодно комбінації генів, які в природних умовах не можна реалізувати через існуючі бар'єрів на міжвидові схрещування.
Отримана шляхом перетасування генів гібридна молекула ДНК повинна розмножуватися в складі живої клітини і міняти її генетичні властивості. У цьому особлива роль належить плазміда. Виявляється, в клітинах бактерій, дріжджів і вищих організмів крім основних молекул ДНК, що не переходять з однієї клітини в іншу, присутні ще й маленькі молекули ДНК-плазміди, якими клітини легко обмінюються. Якщо з бактерій витягти плазміди і вбудувати в них фрагменти чужої молекули ДНК, а потім залікувати рани і змішати отримані гібридні плазміди з бактеріальними клітинами, то такі гібридні плазміди виявляться біологічно активними і будуть розмножуватися. Далі в результаті розмноження гібридних плазмід з бактерією-господаркою вдається багаторазово помножити (тиражувати) вбудований чужорідний фрагмент молекули ДНК. Цей прийом генної інженерії отримав назву клонування. Метод клонування з допомогою плазмід дає молекулярної біології унікальну можливість перетасування генів бактерій, вірусів, дріжджів та вищих організмів - людини і тварин.
Ще кілька років тому вчені ставили питання, чи можна створити сорти, збалансовані за складом амінокислот, стійкі до холоду, посухи, не вражаються шкідниками. Сьогодні можна з упевненістю стверджувати, що такі трансгенні рослини вже вийшли в поле. Областей застосування трансгенних рослин досить багато. На рівні лабораторних експериментів ведуться роботи по отриманню рослин, стійких до холоду, важких металів, підвищеному вмісту солей і ін Трансгенні рослини, стійкі до гербіцидів (хімічних сполук, які використовують для боротьби з бур'янами), до вірусів, рослини з підвищеним вмістом масел і незамінних амінокислот вже вирощують на мільйонах гектарів. Не менш цікавий і той аспект робіт - отримані трансгенні рослини зі зміненими декоративними властивостями. Оскільки основні трансгенні форми кукурудзи, сої, бавовнику зі стійкістю до гербіцидів і комах добре себе зарекомендували, є всі підстави очікувати, що площа під генно-інженерними рослинами в майбутньому збільшиться.
Серед останніх досягнень інженерної, або конструктивною, біології слід згадати успішне клонування ссавців (вівці, свині, корови), створення перших штучних хромосом людини, створення трансгенних мишей.
Якщо в плазму вбудувати ген (фрагмент ДНК) людини, то така плазміда всередині бактерії або дріжджів починає виробляти білок, що відповідає людському гену. Розробка технології, що змушує бактеріальні або дріжджові клітини синтезувати у великих кількостях необхідні людині для різних цілей білки, поклало початок нової біотехнологічної ери.
Послугами генної інженерії особливо успішно користуються фармацевти, для яких цей метод дає порівняно дешеві, життєво необхідні гормони, такі як інсулін, інтерферон, гормони росту і інші, що мають білкову природу. На замовлення фармацевтів генними інженерами налагоджено виробництво людського гормону інсуліну (замість раніше вживаного тваринного інсуліну), що грає важливу роль в боротьбі з цукровим діабетом. Методом генної інженерії отримують також досить дешевий і чистий людський інтерферон - білок, що володіє універсальним антивірусну дію, антиген вірусу гепатиту В.
Іншими найважливішими областями, в яких успішно застосовуються досягнення генної інженерії, є медицина та сільське господарство. На наших очах сучасна біологія перетворилася на науку, яка дала початок технологіям, перетворили виробництво. Біотехнологія стала реальною продуктивною силою. Харчування та медичне обслуговування зростаючого швидкими темпами населення Землі являють собою найбільш важливі проблеми, що стоять перед людством, і вирішувати їх, швидше за все, доведеться методами біотехнології.
Виробництво та застосування вакцин проти вірусних захворювань дозволили медикам ліквідувати повністю епідемії чуми та віспи, від яких раніше вмирали мільйони людей. Метод генної інженерії, на відміну від інших методів, дозволяє одержати абсолютно нешкідливу (не містить інфекційного початку) вакцину. Ведуться також роботи з виробництва вакцин від грипу, гепатиту та інших вірусних захворювань людини.
В даний час для виробництва інтерферону та гормону росту в якості джерела плазмідов замість бактерій широко застосовуються також дріжджі, які на еволюційних сходах стоять десь між бактеріями та вищими організмами. Ще одним завданням, успішно вирішується в даний час біотехнологією, є виробництво білка, що містить незамінну амінокислоту лізин та використовується як повноцінних кормових добавок для тварин.
У біотехнології застосовуються не тільки методи генної інженерії, а й методи клітинної інженерії. Суть методу клітинної інженерії зводиться до наступного. З організму штучно виділяють клітини, які потім розмножують у спеціально підібраних поживних середовищах. Отримані таким шляхом клітинні культури використовуються для виробництва цінних лікарських речовин і для гібридизації клітин, які неможливо відтворити звичайним статевим шляхом. Методом гібридизації соматичних клітин отримані нові форми культурних рослин (томати, картопля). Гібридизація же тварин клітин (наприклад, ракових клітин і клітин крові - лімфоцитів) застосовується для вироблення цінних медичних препаратів.

4. Проблеми походження життя у Всесвіті
Річка часів у своєму прагненні забирає всі справи людей. І топить у прірві забуття Народи, царства та царів.
Г. Державін
На певному етапі еволюції матерії при появі відповідних умов у Всесвіті виникло життя. Її виникнення, існування та розвиток, як зазначалося вище, зумовлені низкою фундаментальних властивостей Всесвіту, що виражаються, наприклад, в константах, що характеризують гравітаційне, електромагнітне, слабку і сильну взаємодії. Вчені вважають, що при значеннях цих констант, наприклад, гравітаційної постійної, що відрізняються від спостережуваних, життя у Всесвіті існувати просто б не могла. Ясно, що життя не могла виникнути і на ранніх стадіях розширення Метагалактики. Але саме в перші хвилини розширення при температурах понад 109 К речовина вже мало "стандартний хімічний склад" (близько 75% ядер атомів водню і 25% ядер гелію). Якби склад речовини був іншим, то важко сказати, якою стала б подальша хімічна еволюція речовини Метагалактики. Утворилися в пізніх стадіях розширення Метагалактики зірки виявилися не тільки джерелами енергії, а й тими об'єктами Всесвіту, в надрах яких синтезувалися необхідні для виникнення життя хімічні елементи. Для існування життя небайдуже і те, що Метагалактика розширюється. Якби з яких-небудь причин кілька мільярдів років тому почалося стискання Метагалактики, то поступове підвищення температури перевищила б значення, при якому можливе існування життя.
Уявлення про наявність життя у Всесвіті історично змінювалося і завжди цікавило людство. Погляди про незліченності населених світів отримали широке розповсюдження у XVIII-XIX ст. Особливу популярність і популярність завоювали праці Б. Фонтенеля, К. Фламмаріона та ін У цю епоху населеними вважалися практично всі небесні тіла - від Місяця і планет до комет і Сонця. Про мешканців Місяця, наприклад, писали І. Кеплер, І. Ньютон, а пізніше, вже на порозі XIX ст., У. Гершель допускав можливість існування життя на Сонці. Проблема походження життя як предмет наукових дослідженні виникла у другій половині XIX ст. Як зазначав Кельвін, ще Ч. Дарвін зовсім чітко ставив питання про природне походження життя на Землі у віддаленому минулому і говорив про відсутність умов для цього тепер, за наявності розвитий життя.
На початку XX ст., Однак, переважила думка, що життя - привілей лише планет Земля. А що стала загальноприйнятою космологічна теорія Джинса, згідно з якою планети виникають в результаті тісного зближення двох зірок - події дуже рідкісного, призвела до укладення про крайню рідкості планетних систем і тим більше життя в зоряному світі.
У 20-х рр.. XX ст. істотно змінилася астрономічна картина світу, і в тому ж десятилітті в працях А. І. Опаріна в СРСР і Дж. Холдейна в Англії стала формуватися перша наукова концепція походження життя.
Отже, як зазначалося вище, в зірках першого покоління практично не було більш важких, ніж Н і Не, хімічних елементів. Але без цих більш важких елементів неможливе існування жодної земноподобних планет, ні живої матерії. Однак еволюція деяких типів масивних зірок космологічно швидко, через які-небудь десятки чи сотні мільйонів років завершується колапсом центральної частини такої зірки в надщільного стан (білий карлик, нейтронна зірка, чорна діра) і скиданням оболонки, перетворюється на газову туманність - вибухом наднової зірки. При цьому і утворюються в невеликій кількості (близько 1% за масою) більш важкі, ніж Н і Не, елементи. Саме ця стадія розвитку Всесвіту і знаменує початок її хімічної еволюції. Можливо, помітну роль у збагаченні речовин галактик важкими елементами грають і гігантські вибухи в ядрах цих зоряних систем.
Сонце відповідно до розрахунків, заснованими на сучасній теорії еволюції зірок, утворилося близько 5 млрд років тому (через 8-10 млрд років після зірок першого покоління) з газопилової середовища, вже збагаченої важкими елементами. П. Дебай, а також В. Г. Фесенков підкреслили, що у зірок першого покоління, що становлять 90% всіх зірок Галактики, не може бути земноподобних планет, а отже, і життя. Однак решта 10%, складові населення наступних поколінь зірок Галактики (це ~ 1010 об'єктів) можуть мати планетами типу Землі. Планети народжуються в ході самого процесу зореутворення, і планетні системи можуть бути у значної частки зірок - до 2 / 3 загальної кількості зірок другого і наступних поколінь можуть володіти земноподобнимі планетами. Це означає, що необхідні для виникнення і розвитку життя умови виконуються в галактиках, подібних до нашої, не при унікальному поєднанні рідкісних подій, а як типове явище. На користь справедливості цього висновку свідчить повільне (зазвичай всього кілька км / с на екваторі) обертання більшості сонце-подібних зірок, тому що воно може бути витлумачено як свідчення наявності у них, як і у Сонця, планет, що несуть основну (у них 98%) частку обертального моменту кількості руху всієї системи. Отже, утворення земноподобних планет - природний результат общегалактіческого космогонічного процесу.
Коль скоро є всі підстави припускати, що планетних систем, схожих з Сонячної, в Галактиці налічується декілька мільярдів, цілком природно прийняти, що процес життя і її еволюції там у загальних рисах за своїм характером схожий з тим, що було на Землі. Зрозуміло, не на кожній планеті можливе зародження і розвиток життя. Для цього необхідно врахувати:
1. Планети, на яких можливе зародження і розвиток життя, не можуть обертатися навколо зірки занадто близько або занадто далеко. Необхідно, щоб температури їх поверхонь були сприятливі для розвитку життя. Враховуючи, проте, що одночасно із зіркою повинно утворитися порівняно велика кількість планет (скажімо ~ 10), з великою ймовірністю можна чекати, що хоча б одна або дві планети будуть звертатися на відстані, при якому температура лежить в потрібних межах.
2. Маси утворилися планет не повинні бути ні занадто великими, ні занадто малими. Ця обставина у свій час підкреслював В. Г. Фесенков. У першому випадку гігантські атмосфери цих планет, багаті воднем і його сполуками, виключають можливість розвитку життя. У другому випадку за час еволюції атмосфери будуть розсіюватися (подібно Меркурію). Однак з огляду на порівняно велику кількість утворюються планет, можна очікувати, що некотоpoe, нехай мала кількість їх, буде мати потрібної масою. При цьому необхідно, щоб такі планети одночасно задовольняли першій умові. Зауважимо, що перше і друге умови не є незалежними.
3. Високоорганізована життя може бути тільки на планетах, що звертаються навколо досить старих зірок, вік яких налічує кілька мільярдів років.
4. Зірка протягом кількох мільярдів років не повинна істотно міняти своєї світності. І цьому умові задовольняють більшість цікавлять нас зірок.
5. Зірка не повинна бути подвійною або кратної, бо в противному випадку орбітальний рух планет було б істотно відмінно від кругового, і різкі, якщо не катастрофічні, зміни температури поверхні планети виключили б можливість розвитку на ній життя. Інший, хоч і непрямий, але важливий (і мабуть, типовий для будь-якої зіркової системи) шлях впливу Галактики на походження і розвиток життя на Землі, - обурює вплив тяжіння зірок, що проходять в сусідстві з Сонцем, на комети з "почту Сонця". На периферії Сонячної системи, можливо, рухається до 1011 комет. Наша планета за свою історію зазнала, за підрахунками вчених, близько сотні зіткнень з кометами; їх сумарна маса могла скласти досить помітну величину, рівну приблизно 1% маси земної атмосфери. Комети багаті складними хімічними сполуками, включаючи органічні, мабуть, ще міжзоряного походження, а також утворилися в період формування сонячної системи. Їхній внесок у скарбничку первісної земної органіки - основи передбіологічній еволюції - міг бути суттєвим.
Сукупність властивостей, що спостерігаються у нашого Всесвіту (фізичний стан, хімічний склад, структура, розширення і пов'язане з ним червоне зміщення у спектрах далеких об'єктів), необхідне для забезпечення можливості виникнення та існування в ній життя. Отже, у Всесвіті природно виникають загальні передумови для появи і розвитку життя. Мова може і повинна йти про життя в тих її рамках, в яких вона відома нам. Саме тому спеціально зверталася увага на необхідність для виникнення життя попереднього утворення у Всесвіті С, О, N, Р та ін, а також важких елементів, без яких життя, в усякому разі відомого нам типу, абсолютно немислима. Може бути, ми ще не помітили pоли і навіть існування деяких фундаментальних для життя космічних факторів, відкриття яких у майбутньому істотно змінить наші уявлення про поширеність у Всесвіті умов, в яких може з'явитися життя.
Земля разом з Сонцем кожні 200-250 млн років наближалася до центру Галактики, де, мабуть, і тоді відбувалися потужні вибухи не дуже зрозумілого походження, сліди яких спостерігаються і зараз. Вони впливали на всю систему вибуховими хвилями, потоками жорстких космічних променів. Важко сказати, які могли бути їх впливу на Землю, але, наприклад, довжина галактичного року підозріло близька до періодичності великих зледенінь історії Землі.
Молоду Землю заливали космічні промені сонячного і галактичного (а можливо, і метагалактіческого) походження; вона занурювалася в газові туманності, скинуті при вибухах наднових зірок, які спалахували в 100 разів частіше, ніж нині, так як кількість дозвездного речовини в Галактиці було багато більше, тобто і процес зореутворення тел інтенсивніше. Дуже близький вибух наднової міг надати і шоковий вплив на біосферу Землі, особливо якщо б він припав на період зникнення геомагнітного поля, при зміні його полярності. Говорячи про космічні фактори розвитку біосфери, не слід забувати, що з точки зору астрофізики Земля, власне, знаходиться в атмосфері Сонця. Вплив астрономічних факторів могло мати для життя навіть глобальний характер (наприклад, вихід температури за допустимі межі; надмірне посилення радіаційного потоку, ультрафіолетового випромінювання). Це дозволило поставити навіть питання - одноразово чи виникала життя на Землі?

Висновки
1. Серед відомих гіпотез походження життя найбільш поширені: креаціонізм, мимовільне виникнення, вічне існування, панспермия, біохімічний шлях.
2. Для наукового вивчення походження життя необхідні, перш за все, дані про фізико-хімічних умовах на ранній Землі. Такі дані пов'язані як з геологічної еволюцією планети, так і з еволюцією хімічних елементів Сонячної системи і сонячною активністю.
3. З великого числа хімічних елементів для життя необхідні тільки 16, а водень, вуглець, кисень і азот становлять майже 99% живої матерії. Унікальними властивостями володіє вуглець, і наше життя називається вуглецевої, або органічної. Чотирьохвалентного вуглецю призводить до величезного числа його сполук, якими займається органічна хімія. Вуглець утворює складні молекули, які становлять кільця та ланцюги, що забезпечують різноманітність органічних сполук.
4. Амінокислоти - важливий для життя клас органічних сполук. У живих організмах вони використовуються для синтезу білків: рослини можуть синтезувати їх із простих речовин, а у тваринні організми вони повинні надходити з їжею, тому їх називають незамінними. З чотирьох нуклеотидів побудовані й інші великі молекули - нуклеїнові кислоти, теж входять до складу живої клітини. Нуклеїнові кислоти являють собою двохланцюжкової молекули.
5. Сучасні наукові гіпотези походження життя пов'язані з освітою в певних умовах більш складноорганізованих молекул-коагулянтів, гелів коацерватів. У цих колоїдних утворень, як вважали Опарін і Холдейн, на поверхні можуть відбуватися процеси, що нагадують метаболізм живих організмів. Коацервати здатні ділитися на частини, збільшуватися в розмірах, поглинати більш прості молекули. Гіпотеза Опаріна-Холдейна перевірялася на установці Меллера, де іскровий розряд пропускався через суміш метану, аміаку, водню і води, що імітувало умови первинної Землі. Були синтезовані найпростіші амінокислоти. Живі тіла, що існують на Землі, являють собою відкриті, саморегульовані і самопроізводящіе системи, побудовані з біополімерів - білків і нуклеїнових кислот.

IV. Людина: здоров'я, емоції, творчість, працездатність, біоетика.
Людина є міра всіх речей - існування - існуючих і неіснування - неіснуючих.
Протагор (V ст. П. до н.е.)
1. Фізіологія людини
Фізіологія людини як наука про життєдіяльність здорового організму людини і функції її складових частин: клітин, тканин, органів і систем - зародилася у XVIII столітті. Основоположником фізіології як самостійної галузі знань є англійський учений Вільям Гарвей, який описав великий і малий круги кровообігу і 1628 Фізіологія людини базується на функціонуванні основних систем організму людей, таких як кровоносна, лімфатична, травна, нервова, дихальна і ін Фізіологи Д. Еклс , А. Хакслі, А. Ходжкін ycтановілі, що іонні механізми найважливіших фізіологічних процесів - збудження і гальмування, за що були відзначені Нобелівською премією (1963 р). Як відомо, нерви та м'язи відносяться до збудливим утворенням. Це значить, у відповідь на роздратування в них виникають різні електричні потенціали. Згідно іонно-мембранної теорії біоелектричних потенціалів, створеного в середині XX ст. А. Ходжкіна, Е. Хакслі, Б. Катцу, вони обумовлені неоднаковою концентрацією іонів К +, Na +, Сl-всередині і поза клітиною і різною проникністю для них поверхневої мембрани. Пізніше були відкриті медіатори (нейротрансмітери), що лягло в основу вчення про хімічний механізм передачі нервового імпульсу.
Розробка І. П. Павловим вчення про умовні рефлекси дозволило йому не лише отримати підтвердження сформованої І.М. Сеченовим концепції про залежність усіх функцій організму від навколишнього середовища, але і створити нове вчення - фізіологію вищої нервової діяльності людини і тварин.
Організм та навколишнє середовище - це єдина система, так між ними відбувається безперервний обмін речовиною та енергією (рис.1). Енергія необхідна організму для підтримки всіх його життєво важливих функцій. Вона виділяється за рахунок окислення складних органічних сполук, тобто білків, жирів і вуглеводів. Резервування енергії відбувається в основному у вигляді макроергічних зв'язків АТФ (адезонінтріфосфорной кислоти).

ПАРАФІЯ РЕЧОВИН Білки, жири і вуглеводи їжі-білки, жири і вуглеводи калових мас

ПАРАФІЯ ЕНЕРГІЇ З харчовими продуктами

Асиміляція ОБМІН РЕЧОВИН І ЕНЕРГІЇ дисиміляція

ВИТРАТА РЕЧОВИН Розщеплення білків до H2O і CO2 і азотовмісних речовин; жирів до H2O і CO2; вуглеводів до H2O і CO2

ВИТРАТА ЕНЕРГІЇ діяльність внутрішніх органів і рухова активність

Рис. 1. Поняття про обмін речовин і енергії
АТФ - це універсальне джерело енергії в організмі людини. Вивільнення енергії відбувається за рахунок гідролізу АТФ, пов'язаного з розривом хімічного зв'язку кінцевий фосфатної групи. Частина цієї енергії виділяється у вигляді теплоти, необхідної для теплорегуляції. Так, при скороченні м'язів близько 80% енергії втрачається у вигляді тепла і тільки 20% перетворюється в механічну роботу.
SHAPE \ * MERGEFORMAT

білки

амінокислоти

сечовина

глікоген

Глюкоза-6-фосфат

тріозофосфат

Піровиноградна кислота

Жир (депо)

Нейтральний жир

Жирні кислоти

Кетонові тіла

С2О + Н2О

Перетворення АТФ

Механічна Хімічна Осмотична Електрична робота робота робота робота ↓ ↓ ↓ ↓ тепло тепло тепло тепло Діяльність ОСНОВНИЙ ОБМІН організму

Рис. 2. Принципова схема перетворення енергії в організмі
На малюнку 2 показана принципова схема перетворення енергії в організмі.
Процеси обміну речовин, що відбуваються на клітинному та тканинному рівнях в організмі людини, називають метаболізмом. Він складається з двох протилежних процесів: анаболізму і катаболізму. Анаболізм - це процес біосинтезу органічних речовин, які забезпечують зростання, розвиток організму, оновлення його структур та накопичення структурної енергії. Катаболізм - це процес розщеплення або окислення складних молекул до простих речовин з виділенням енергії і резервуванням її у вигляді АТФ. Ці процеси забезпечують в організмі білковий, вуглеводний і жировий обміни.
Білки - це біополімери, до складу яких входять близько 20 амінокислот, що містять азот. Функції білків різноманітні: пластична (будівельна), енергетична, транспортна, ферментативна та ін При згоранні 1 г білка в організмі вивільняється 4,1 ккал енергії. Добова потреба людини в білках не менше 85-90 г.
Жири - це ефіри вищих жирних кислот і гліцерину. Найважливіші їхні функції - енергетична і структурна. Так, при згорянні в організмі 1 г жиру вивільняється 9,3 ккал енергії. У добу потреба людини в жирах становить від 80 до 100 г. Жири депонуються в організмі в підшкірній жировій клітковині й у оболонках навколо внутрішніх органів.
Вуглеводи - це речовини солодкі на смак, добре розчинні у воді. Їх можна умовно розділити на 3 класу сполук: моносахариди (глюкоза); дисахариди (мальтоза); полісахариди (крохмаль). Вони виконують енергетичну і пластичну функції, а також входять до складу нуклеїнових кислот (ДНК, РНК) і АТФ. Потреба у вуглеводах становить на добу 350-450 м. Запаси вуглеводів в організмі людини у вигляді тварини крохмалю - глікогену - є в печінці і в скелетних м'язах.
Таким чином, співвідношення в харчовому раціоні основних поживних речовин становить 1:1:4 (білків: жирів: вуглеводів).
До складу їжі входять також вода, мінеральні (неорганічні) речовини і вітаміни. Вітаміни - це особлива група речовин, не синтезованих зовсім або синтезованих в малих кількостях в організмі людини. Вони необхідний для нормального обміну речовин, росту, розвитку людини, підтримання його здоров'я. Усі вітаміни поділяють на водо-та жиророзчинні. До першої групи належать вітамін С, вітаміни групи В. Вони містяться, в основному продуктах рослинного походження (овочах, фруктах). Джерелом жиророзчинних вітамінів (A, D, Е і К) є їжа тваринного походження (молоко, яйця, м'ясо, печінка). Деякі вітаміни (К і В12) синтезуються мікрофлорою кишечника. Недостатні надходження вітамінів в організм супроводжується різними захворюваннями (авітаміноз).
До складу внутрішнього середовища організму входять кров, лімфа і тканинна рідина. Вона володіє динамічним постійністю констант - гомеостазом, що є умовою незалежного існування організму людини.
Функціями кровоносної системи є наступні:
1) підтримання гомеостазу;
2) транспортна (перенесення газів, поживних речовин, продуктів їх метаболізму);
3) Терморегуляторная;
4) захисна (участь в імунних реакціях);
5) екскреторна (видільна) та інші.
Об'єм крові в організмі людини становить 4-6 л (або 6-8% від маси тіла). Всього 40-45% крові рухається по судинах (в нормі); при навантаженні на організм кров виходить з депо (селезінки, печінки, легенів) і її обмін збільшується. Система кровообігу людини - це серце і замкнута система кровоносних судин, що включає артерії, вени, капіляри. Завдяки скорочень серця кров надходить в артерії, вени, капіляри. Скорочуючи, серце викидає порцію крові (70 мл) в артерії, при розслабленні в нього вливається кров з вен. Капіляри утворюють густу мережу довжиною 200 000 км. Маса серця коливається в межах 200-400 г, за обсягом воно зіставно з кулаком. Серце скорочується ритмічно із середньою частотою 75 разів на хвилину. Об'єм крові, що перекачується серцем за 1 хвилину, становить 6 л, але може досягати і 30 л / хв, якщо людина перебуває у стані збудження або виконує велике фізичне навантаження. У нормальних умовах у дорослої людини максимальна (сістологіческое) тиск крові у плечовій артерії становить 110-125 мм рт. ст., а мінімальна (дієтологічної) - 70-85 мм рт. ст.
Система лімфообігу здійснює постійний залишок міжтканинної рідини у напрямку до серця. Лімфа служить для підтримки обсягу і складу тканинної рідини, всмоктування і перенесення поживних речовин з травного каналу у венозну систему, а також для участі в імунних реакціях організму за допомогою доставки лімфоцитів, антитіл та ін Лімфа підтримує білкове сталість крові. Її руху сприяють ритмічні скорочення стінок лімфатичних судин і негативне (присмоктуються) внутрішньогрудний тиск.
Основна функція органів дихання - забезпечення тканин організму людини киснем та звільнення їх від вуглекислого газу. Внутрішньоклітинне дихання забезпечує звільнення енергії, необхідної для підтримки процесів життєдіяльності. Утворений при цьому вуглекислий газ (СО2) переноситься кров'ю до легких і видаляється з повітрям, що видихається. Дихання відбувається безперервно і автоматично завдяки нервовим імпульсів, що надходять з дихального центру, розташованого в довгастому мозку. Незважаючи на автоматизм дихального циклу, його робота контролюється корою великих півкуль. Доросла людина в нормальному стані за один дихальний цикл вдихає і видихає в середньому близько 500 см3 повітря, а при додатковому (після нормального вдиху) максимальному вдиху можна вдихнути ще 1500-3000 см3 повітря. Життєва ємність легень дорівнює сумарній величині дихального і додаткового обсягів вдиху і видиху (3-5 л) (рис.3).
Травна система людини здійснює механічну та хімічну переробку їжі для всмоктування живильних речовин через стінки травного тракту і надходження їх у кров і лімфу. У травному апараті відбуваються складні фізико-хімічні перетворення їжі: від формування харчової грудки в ротовій порожнині до всмоктування і видалення неперетравлених її залишків. Ці процеси здійснюються в результаті рухової, всмоктуючої і секреторної функцій системи органів травлення. Всі травні функції регулюються нервовим і гуморальним шляхом. Нервові центри, регулюючі функції травлення, знаходяться в різних відділах головного мозку (довгастий мозок, гіпоталамус і кора головного мозку), а гормони здебільшого утворюються в самому шлунково - кишкового тракту.
До видільним органів належать нирки, шкіра, потові, сальні залози, легені. Функції нирок різноманітні:
1) участь у регуляції водного балансу організму;
2) участь у сталості іонного балансу;
3) регуляція осмотичного тиску у внутрішньому середовищі організму;
4) підтримання кислотно-лужної рівноваги та ін
Основна функція нирок - видалення з організму шкідливих і чужорідних для нього речовин шляхом утворення і виведення сечі. Нирки кожну хвилину пропускають більше 1 л крові, а всього ними за добу фільтрується та очищується 1700 л крові. Сеча виділяється в кількості 1-1,5 л на добу. У нормі у здорової людини сеча містить тільки шкідливі продукти метаболізму і не повинна містити глюкозу і білок.
Поряд з нервовою регуляцією функцій в організмі людини існує гуморальна (гормональна) регулювання за допомогою біологічно активних речовин - гормонів. Нервова і гуморальна регуляції функцій в організмі взаємопов'язані. Гормони в організмі людини впливають на наступні процеси:
1. обмін речовин і енергії;
2. ріст і розвиток;
3. розмноження;
4. адаптація.
Гормони - це біологічно активні речовини, що виробляються спеціальними залозами внутрішньої секреції, що не мають спеціальних проток. Вони надходять прямо в кров і регулюють функції органів - мішеней. Всі залози внутрішньої секреції діляться на центральні і периферичні. До центральних залоз належать гіпофіз і епіфіз. Гіпоталамус як структура проміжного мозку виділяє речовини, що володіють гормональної активності. Периферичними залозами є щитовидна, статеві, підшлункова, надниркові залози і тимус.
Нервова система забезпечує взаємодію організму із зовнішнім середовищем і регулює роботу всіх органів і систем організму. Вона підрозділяється на соматичну і вегетативну, а вони, у свою чергу, на центральну і периферичну. Центральна нервова система складається зі спинного та головного мозку. Структурно-функціональною одиницею нервової системи є нервова клітина - нейрон. Соматична нервова система забезпечує чутливу і рухову функції, а вегетативна - іннервує всі внутрішні органи і залози, забезпечуючи регуляцію харчування, дихання, виділення, розмноження.
Особливий розділ фізіології займається вивченням матеріальних основ психічної діяльності людини. Він з'явився завдяки роботам І. М. Сєченова та І. П. Павлова, створили вчення про безумовних і умовних рефлексах як двох різних формах поведінки людини. Безумовні рефлекси - видові, генетично закріплені, стереотипні форми поведінки людини. Вони виникають відразу, не потребують вироблення (наприклад, вроджені ти ші і оборонні рефлекси). Умовні рефлекси-індивідуально придбані в процесі життя і навчання пристосувальні реакції, що виникають на основі утворення тимчасової зв'язку між умовним подразником і безумовно-рефлекторним актом. Даний розділ науки вивчає такі складні прояви психіки людини, як свідомість, увагу, пам'ять, емоції, мислення та інші. Це вищі психічні функції.
Свідомість - це вища форма відображення мозком людини навколишнього світу, що передається іншим людям у формі слів і символів. Особливістю психічних функцій людини є наявність мови, або 2-ї сигнальної системи. Це особливі умовні рефлекси, що виробляються на слово (1-я сигнальна система - це конкретні зразки навколишнього світу). Слово - це узагальнюючий сигнал, який замінює конкретний предмет, явища. Тому І. П. Павлов слово позначив як «сигнал сигналів», або другий сигнальна система. У людини завдяки 2-ї сигнальної системи формується абстрактно-логічне мислення. Мова - це історично сформована форма спілкування людей за допомогою символів і знаків.
Завдяки вищої нервової діяльності (ВНД) у людини функціонують увагу, пам'ять, мислення. Увага-це зосереджена, виборча, пізнавальна спрямованість процесів, націлена на певний об'єкт, значимий у даний момент. Пам'ять - це здатність мозку запам'ятовувати, зберігати і відтворювати отриману інформацію. Мислення - це дуже складний вид мозкової діяльності людини в процесі пристосування до нових умов вирішення нових життєвих завдань.

2. Емоції і творчість
Ніщо - ні слова, ні думки, ні навіть вчинки наші не виражають так ясно і вірно нас самих, як наші почування, у них мають складний характер не окремої думки, не окремого рішення, а всього змісту душі нашої.
К. Д. Ушинський.
Діяльність людини по задоволенню його різноманітних потреб супроводжується проявами активності людини у вигляді емоційних переживань. Емоції - особливий клас суб'єктивних психологічних станів людини, що відбивають у формі безпосередніх переживань процес і результат практичної діяльності, спрямованої на задоволення його актуальних потреб. Емоції, стверджував Ч. Дарвін, виникли в процесі еволюції як засіб, за допомогою якого живі істоти встановлюють значимість тих чи інших умов для задоволення актуальних для них потреб. Емоції відіграють у діяльності людей мобілізаційну, інтегративно - захисну, комунікативну роль. Основні емоційні стани, що відчуває людина, діляться на власне емоції, почуття й афекти. Формою емоційних переживань є задоволення, одержуване від задоволення потреб, і невдоволення, пов'язане з неможливістю це зробити при загостренні відповідної потреби. Почуття - вищий продукт культурно-емоційного розвитку людини, вони звичайно виникають у відповідь на вплив окремих властивостей навколишнього середовища. Вони співвідносяться зі сприйняттям і оцінкою складних предметів, подій, людей, ситуацій. Прояв сильного і стійкого позитивного почуття до чого-небудь або до кого-небудь називається пристрастю. Стійкі почуття помірної або слабкої сили, що діють протягом тривалого часу, іменуються настроями. Афекти - це виражені емоційні стани, супроводжувані видимими змінами в поведінці людини, що їх відчуває. Афект не передує поведінці, а як би зрушений на його кінець. Афекти, як правило, перешкоджають нормальній організації поведінки, його розумності. Одним з найбільш поширених в наші дні видів афектів є стрес. Він являє собою стан надмірно сильного і довгого психологічної напруги, що виникає у людини, коли її нервова система одержує емоційне перевантаження. Стрес дезорганізує діяльність людини, порушує нормальний хід його поведінки.
Емоція - це реакція всієї особистості (включаючи організм) на ті ситуації, до яких вона не може адаптуватися, вона має переважно функціональне значення. Так, емоція викликає порушення пам'яті, навичок і взагалі заміну важких дій легшими. Емоція відповідає такому зниженню рівня адаптації, яке настає, коли мотивація є занадто сильною в порівнянні з реальними можливостями суб'єкта. Емоція - це страх, гнів, горе, інколи радість, особливо надмірна радість. Існує оптимум мотивації, за межами якої виникає емоційну поведінку. З посиленням мотивації підвищується якість виконання, але до певної межі: якщо вона надто велика, виконання погіршується. Емоція виникає часто тому, що суб'єкт не може або не вміє дати адекватну відповідь на стимуляцію. Конфлікти є главою причиною емоцій тоді, коли суб'єкт не може легко знайти рішення. Емоції здатні мобілізувати людини, компенсувати недостатність інформації, недостатність можливостей людини за рішенням проблеми.
Творчість як процес створення чогось нового часто припускає, що людина може відчувати недостатність інформації, знань, умінь для досягнення мети і вирішення тієї чи іншої проблеми, тому йому необхідно робити ривок у незвідане, створити нові знання, вміння, нові об'єкти і твори. Емоції, натхнення, уяву допомагають зробити цей "ривок в творчість". Творчість має місце там, де уява вільно від кайданів логіки за рахунок емоцій. Виділяють 4 стадії творчого процесу: підготовка, дозрівання, натхнення, перевірка знайденого рішення. Наукова творчість і особливо творчість у мистецтві спирається на уяву, яке, в чергу, нерозривно пов'язане з емоціями та почуттями людини. Уява є психічним процесом, що полягає у створенні нових зразків, уявлень, отриманих у попередньому досвіді. Видом творчої уяви, пов'язаного з усвідомленням бажаного майбутнього, є мрія. Творче мислення не тотожне інтелекту і має такі відмінні риси:
1) воно оригінально, тобто воно породжує несподівані, небанальні, незвичні рішення;
2) воно рухливе, тобто для творчого мислення не складає труднощів перейти від одного аспекту проблеми до іншого, не обмежуючись однією єдиною точкою зору;
3) воно пластично, тобто творчі люди пропонують безліч рішень у тих випадках, коли звичайна людина може знайти лише одне або два.

3. Здоров'я і працездатність
Чи достойно упокорюватися під ударами долі иль треба чинити опір і в смертної сутичці з цілим морем бід покінчити з ними?
В. Шекспір.
Здоров'я людини багато в чому пов'язане з еволюційно-екологічними засадами його психофізичної діяльності. Ритми життя, урбанізація, міграція, сучасні біосферному-ноосферні екологічні зміни в цілому пред'являють до людей нові вимоги.
Французький біолог і медик К. Бернар висунув ідею єдності здоров'я та хвороби і, по суті, обгрунтував вчення про гомеостазі. Вчення про гомеостазі засновано на переконанні єдності здоров'я і хвороби. Здоров'я і хвороба - це два якісно різних феномену, які можуть співіснувати в індивідуумі. Сам організм, його центральна нервова система може бути організатором патологічних процесів. Самоорганізація патологічного процесу є організація адаптивної програми в екстремальних, аварійних умовах середовища, а патологія є організований варіант виживання на основі видовий програми пристосування виду. В екстремальних умовах (у випадку перевантаження, травми, інфекції, інтоксикації і ін) видова аварійна програма реалізується в тому, що істотно скорочується зовнішня робота і всі резерви спрямовуються на розвиток нових внутрішніх функціональних морфологічних механізмів збереження життєздатності, виживання, одужання. Така перебудова організму щодо звичайної здорової життєздатності оцінюється як щось зовнішнє, як хвороба. Значить, реакція організму на шкідливо-діючі на нього впливу зовнішнього середовища і складає сутність хворий життя.
Необхідно чітко розмежовувати здоров'я окремої людини і здоров'я популяції. Здоров'я індивіда є динамічний процес збереження і розвитку його соціально-природних, біологічних, фізіологічних і психічних функцій, соціально-трудової, соціокультурної і творчої активності при максимальній тривалості життєвого циклу. Здоров'я популяції являє собою процес довгострокового соціально-природного, соціально-історичного та соціокультурного розвитку життєздатності та працездатності людського колективу в ряду поколінь. Здоров'я популяції і індивіда є необхідною передумовою інтелектуального здоров'я людини, повноцінної реалізації його творчих можливостей.
Можна виділити три найважливіші функції популяційного здоров'я:
1. конкретна жива праця в ході виробничої діяльності, яка відбувається працюють індивідами всередині даної популяції;
2. соціально-біологічне відтворення наступних поколінь;
3. виховання і навчання наступних поколінь. Коротко поняття "здоров'я" можна сформулювати як стояння повного фізичного, розумового і соціального добробуту. Запас життєвої енергії у людей різний. Коли організм переживає стан стресу, все його життєво важливі системи піддаються перенапруження, будь то серце, нирки, шлунок або інші органи. Вони виходять з ладу в залежності від того, який з них найбільш вразливий у кожної конкретної людини. Неправильним є припущення про те, що після того, як вони зазнали дії надзвичайних подразників, відпочинок може їм повернути колишній стан і сили. Спроба уникнути всі форми стресу також не вихід з положення. Дослідження показали, що скорочення активності також веде до скорочення життя.
Коли людина не справляється з критичними стресовими станами, його мозок або організм обов'язково виходить з ладу. Захворювання вдарить по самих уразливих місцях нашого організму, за тим органам, які виявилися підвищено чутливими в результаті перенесених дитячих захворювань, спадкової схильності або стану нервової системи. Щоб протистояти хворобам і зберегти стан здоров'я організму, необхідно намагатися уникнути станів, які ведуть до емоційного перенапруження, наприклад, уникнути шуму. Подібно до того, як похмурі думки можуть вивести організм із ладу, так добрі допоможуть зберегти найкраще здоров'я. Свіже повітря, сонячне світло, помірність, відпочинок, фізичні вправи, вода і правильне харчування - необхідні фактори здоров'я і довголіття. Діяльність - закон всього нашого існування, бездіяльність - причина хвороб. Щоб уникнути хвороби, необхідно тримати себе в хорошій фізичній формі. Серед фізично пасивних людей інфаркт міокарда зустрічається в два рази частіше, ніж серед людей фізично активних.
Мало хто реально уявляє собі, яку роль відіграє вода в нашому житті. На 50-65% людський організм складається з води. У середньому людина повинна випивати мінімум 6 склянок води щодня. Розплануйте пиття води таким чином: дві склянки відразу після підйому вранці, два - в середині дня, між сніданком і обідом, і дві склянки в другій половині дня.
Для нормального функціонування наш організм має потребу в правильному харчуванні. Надмірне вживання солі може призвести до серйозних проблем, зокрема, до підвищення кров'яного тиску. Підвищене споживання цукру згубно впливає на стан зубів, збільшує рівень холестерину в крові, що може призвести до захворювань серця, приводить до порушення роботи клітин мозку і знижує стійкість до інфекційних захворювань. Доведена не тільки те, що вегетаріанська дієта стоїть нарівні з м'ясною, а й те, що в багатьох відношеннях вона значно краще. Здоров'я - це кількість резервів в організмі, це максимальна продуктивність органів при збереженні якісних меж їх функцій. Секрет довголіття криється в наступних умовах життя: загартоване тіло, здорові нерви і хороший характер, правильне харчування, клімат, щоденна праця. З точки зору сучасної науки є вісім найважливіших умов правильного способу життя:
1) праця є найважливішою умовою фізіологічного благополуччя;
2) нормальний сон є засобом відновлення сил мозку;
3) гарний настрій і позитивні емоції забезпечують доброзичливе ставлення до інших людей, оптимізм;
4) дуже істотною умовою є раціональноe харчування як за якістю та кількістю, так і за режимом споживання;
5) важлива умова - уникнення споживання алкоголю і нікотину;
6) дотримання режиму, тобто виконання певної діяльності організму в певний час, що призводить до утворення умовних рефлексів на час;
7) загартовування організму розуміється як процес пристосування організму до несприятливих зовнішніх впливів;
8) фізичні вправи, достатній обсяг рухової активності є найважливішим елементом правильного способу життя.
Працездатність визначає можливості організму при виконанні роботи до підтримання структури та енергозапаси на заданому рівні. У відповідності з двома основними типами робіт - фізичної і розумової - розрізняють фізичну і розумову працездатність. Працездатність залежить від поточного рівня здоров'я, самопочуття людини, типологічних властивостей нервової системи, індивідуальних особливостей функціонування психічних процесів (пам'яті, мислення, уваги, сприйняття), від оцінки людиною значущості та доцільності мобілізації певних ресурсів для виконання певної діяльності. У процесі виконання роботи людина проходить через різні фази працездатності. Фаза мобілізації характеризується передстартовому стані. При фазі врабативаемості можуть бути збої, помилки в роботі, поступово відбувається пристосування організму до найбільш економного, оптимальному режиму виконання даної конкретної роботи. Фаза оптимальної працездатності (або фаза компенсації) характеризується оптимальним, економним режимом роботи організму і хорошими, стабільними результатами, максимальною продуктивністю та ефективністю праці. Потім, під час фази нестійкості компенсації, відбувається своєрідна перебудова організму: необхідний рівень роботи підтримується за рахунок ослаблення менш важливих функцій, додаткових фізіологічних процесів, менш вигідних енергетично і функціонально. При виході за межі працездатності, після фази нестійкої компенсації настає фаза декомпенсації, супроводжувана прогресуючим зниженням продуктивності праці, появою помилок, вираженими вегетативними порушеннями: почастішанням дихання, пум порушенням точності координації.
Перший етап - врабативаніе - доводиться, як правило, на першу годину від початку роботи. Другий етап - стійкої працездатності - триває наступні 2-3 год, після чого працездатність знову знижується. Протягом тижня також відзначаються ті ж три етапи. У понеділок людина проходить стадію впрацьовування, у вівторок, середу і четвер має стійку працездатність, а в п'ятницю і суботу у нього розвивається стомлення. Втома не руйнує організм, а підтримує його. При цьому відбуваються відновні процеси, "поточний ремонт" органів і тканин.
Починаючи з фази нестійкої компенсації виникає специфічний стан втоми. Розрізняють фізіологічний та психічний стомлення. Перше з них виражає вплив на нервову систему продуктів розкладання, що звільняються в результаті рухово-м'язової діяльності, а друге-стан перевантаженості самої центральної нервової системи. Психічне стомлення, тобто відчуття втоми, як правило, передує стомленню фізіологічного. Після припинення роботи настає фаза відновлення фізіологічних і психічних ресурсів організму. У разі неповного відновного періоду зберігаються залишкові явища втоми, які можуть накопичуватися, приводити до хронічного перевтоми різного ступеня вираженості. У стані перевтоми тривалість фази оптимальної працездатності різко скорочується, знижується розумова працездатність.

4. Питання біомедичної етики
Щоб мудро життя прожити, знати треба чимало,
Два важливих правила запам'ятай для початку:
Ти краще будь голодним, аніж що-небудь є
І краще будь один, ніж разом з ким попало.
Омар Хайям.
Біоетику, або складні поведінкові програми, притаманні тваринному світу, слід розглядати як природне обгрунтування людської моралі. Багато ознак, властивих людині, обумовлено генетично. І тільки частина людських рис обумовлена ​​вихованням, освітою та іншими факторами зовнішнього середовища проживання. Тому суть еволюції становить процес передачі генів від покоління до покоління. Всі людські дії - це його поведінка.
За допомогою біоетики можна відповісти на питання про походження таких найважливіших проявів людського розуму, як мораль і етика. Етології - фахівці з поведінки тварин - відкрили у них великий набір інтенсивних заборон, необхідних і корисних у спілкуванні з родичами. Всі ці вроджені заборони виникають під жорстким тиском відбору заради виконання завдання збереження виду. До найважливіших з таких заборон належать такі:
1) «не убий свого» - перший основний заборона дуже багатьох видів;
2) не можна нападати зненацька і ззаду, без попередження і без перевірки;
3) заборонено застосовувати смертельну зброю або вбивчий прийом в бійці зі своїми;
4) недозволено бити того, хто прийняв позу покірності;
5) перемога переважно буває на боці того, хто правий.
Таким чином, одним з найважливіших висновків біоетики є те, що в нашій поведінці крім дій, породжених розумом, є дії, мотивовані древніми вродженими програмами, що дісталися нам від тваринних предків. Біоетика включає в себе етичні норми ставлення до тварин, екологічну етику, етику відносин людини з біогеоценозами і з усією біосферою. Вона є формою захисту прав людини, в тому числі її права на життя, на здоров'я, на відповідальне і вільне самовизначення свого життя. Якщо біоетику трактувати не як узкомедіцінскую і біологічну, а як широку і філософськи глибоку дисципліну, то її центральне ядро ​​- ставлення до життя і смерті. Життя розуміється як самоцінність, як вища цінність. Тому виникають проблеми, які виходять за рамки відносин лікаря і пацієнта, а саме ставлення до життя, тварин, до біогеоценозах, до біосфери і т. д. Біоетика як галузь науки виникла і стала інтенсивно розвиватися в США і Західній Європі. В останні кілька десятиліть (починаючи з 70-х рр..) У зв'язку з успіхом молекулярної біології, генної інженерії, клітинної інженерії, впровадженням в медичну практику трансплантації (пересадки) людських органів, появою нових технологій дітонародження, впровадженням широкого спектру прийомів продовження життя в реаніматології та іншими радикальними змінами в медицині мимоволі виникала необхідність оцінки моральної (етичної) сторони (аспекту) і навіть наслідків подібних наукових експериментів і досліджень. Справа в тому, що наукові експерименти часто виходять за рамки суто професійної підготовки лікаря, генного інженера, біолога і набувають Характер етичних проблем, потребують моральної оцінки з боку людського суспільства.
Розглянемо природно-науковий і моральний аспекти кожного з цих досягнень науково-технічного прогресу. У зв'язку з досягнутими успіхами генної інженерії останнім часом вченими робляться серйозні спроби застосування клонування за допомогою плазмід якого завгодно ділянки ДНК багатьох тварин, у тому числі і людини. Вченим вдалося перетасувати гени, комбінація яких у природних умовах була неможлива через існуючі бар'єрів (заборон біологічного характеру) на міжвидові схрещування. По суті в галузі молекулярної біології зняли природний заборону, дозволили собі порушити результати еволюційного розвитку тваринного світу. Адже відомо, що гілки на дереві життя в ході еволюційного розвитку живої матерії розійшлися так сильно і далеко, що сама природа наклала вето на схрещування різних видів гілок (видів). Ми знаємо, що в природних умовах неможливо схрещування, наприклад, між собакою та кішкою, як представниками різних видів. Подібні гібриди, якщо навіть іноді утворюються в самій природі, виявляються, хоча і життєздатними, але безплідні (наприклад, мул - гібрид осла і коня). А вчені, створюючи в пробірці які завгодно комбінації генів, пішли проти природи, яка поставила заборону на це.
Після вдалих дослідів, підтвердили, що рекомбінантні молекули ДНК виявляються цілком біологічно активними в середовищі клітини-господаря, в умах самих учених виникли серйозні сумніви. Вчені замислюються: а що, якщо гібридні молекули ДНК виявляться з жахливими якостями, почнуть розмножуватися з величезною швидкістю і наслідки таких експериментів будуть непередбачуваними і згубними для людства? Перед генними інженерами встала проблема моральної відповідальності перед людським суспільством за подібні експерименти. Тривогу забила і громадськість, яку лякають можливі негативні наслідки такої роботи вчених. Після кожного чергового повідомлення вчених про результати своїх досліджень в області генної інженерії (як, наприклад, це сталося з клонуванням овець в Англії) у суспільстві виникають бурхливі пристрасті. На якийсь час вчені під натиском громадської думки припиняють свою роботу, проте тяга наукової творчості виявляється сильнішим за страх і вони знову беруться за експерименти. Подібні ситуації виникали в науці не один раз: згадаймо, які почуття, наприклад, відчували американські вчені фізики-ядерники перед першим випробуванням атомної бомби. Хоча у випадку з генною інженерією ступінь ризику не так велика, як з атомною бомбою, тим не менше, побоювання в суспільстві час від часу виникають.
Успіхи клітинної інженерії дозволяють вченим в даний час зберегти на тривалий термін у відповідній живильному середовищі соматичні і статеві (навіть запліднені) клітини померлих тварин, у тому числі людини. Якщо перенести таку запліднену яйцеклітину в пробірці або ж відповідний їй плід у матку сурогатної матері (цей прийом отримав назву клонування), то можна здійснити повноцінне виношування плоду без особливих фізіологічних проблем. Але в подібних випадках виникають моральні проблеми: як повинен відчувати з етичної точки зору людина, що з'явилася на світ не зовсім звичайним способом, як поставляться до нього його ж однолітки, які в них будуть взаємини, які будуть їх наслідки. Нелегко відповідати на всі ці питання. В аналогічних випадках питань виникає набагато большe, ніж є на них відповідей. Багато що тут, мабуть, буде залежати від рівня розвитку даного суспільства, від пануючої в суспільстві моралі та прийнятих норм поведінки людей, їх наукових або ж релігійних поглядів.
При поширенні нових технологій дітонародження, зокрема, при штучному заплідненні або ж "материнство по найму", природно, можуть виникнути суперечки між біологічною та юридичної матерями дитини. Хто в цій ситуації може вирішити питання, кому ж більше належить така дитина; де ж той критерій, грунтуючись на якому може бути винесено остаточне рішення; хто наділений правом розсудити їх: суддя, лікар або ж громадська думка? Вирішення цих питань більше лежить в області етики, ніж в медичній сфері.
При розвитку і розмноженні соматичних клітин у спеціально підібраних поживних середовищах з'являється можливість отримання цілого організму з декількох клітин, тому що в них зберігається набір всіх генів дорослого організму. А проблема в тому, чи буде отриманий таким чином організм повним подобою вихідного, чи це буде щось інше. Клітинні культури застосовуються для виробництва лікарських речовин рослин, а які будуть наслідки застосування їх у тваринному світі - важко передбачити. Тут, по суті, мова може йти про відродження, наприклад, померлої людини з його залишилися соматичних (не статевих) клітин. Якщо продовжити цю думку, то можна прийти до висновку про те, що недалеко той час, коли методом культури клітин (або тканин) або ж клонуванням можна штучно "вирощувати" з метою прискореного розвитку людського суспільства таких геніальних людей, як А. Ейнштейн, У . А. Моцарт, В. Ленін і ін Важко передбачити, який громадську думку виникне на цей рахунок, як до цього поставляться віруючі люди і релігія, чи не будуть вважати це гріховним справою.
А пересадка людських органів, узятих в однієї людини, іншій людині - пацієнту, який потребує цієї операції - це благо чи ж зло, а може бути, навіть вбивство? Ми знаємо, що лікарі вважаються представниками найгуманнішої на Землі професії. Вони за родом своєї діяльності наділені правом, навіть можна сказати, обов'язком втручатися у святая святих - людське життя. Пересадка людського органа виробляється лікарем з гуманних міркувань, в ім'я блага пацієнта. Але трансплантуються орган (якщо він окремо не вирощується методом клітинної культури) витягується з організму іншої людини. Ось тут якраз виникає багато питань, сумнівів та етичних проблем. Якщо для пересадки органу організовується "полювання" на людей із застосуванням кримінальних методів або ж використовується професійна непорядність лікаря, а може бути, і спрага наживи, то, безсумнівно, це зло і може бути кваліфіковано як вбивство. Не кажучи вже про глибоку аморальності цього явища, його слід кваліфікувати як найтяжчий злочин, покарання за який повинен визначити суд. У даному випадку для пацієнта обертається злом для іншої людини, що став жертвою пацієнта.
Якщо навіть вилучення органу у безнадійно хворої людини на перший погляд не здасться настільки злочинним, то і в цьому випадку етичний аспект проблеми залишається відкритим. Справа в тому, що в даний час, як це було їм продемонстровано, кордон між життям і смертю проводять вже на молекулярному рівні. Тому старі підходи, коли кінець людського життя визначали за припинення дихання і серцебиття, давно втратили свою значимість. Зараз завдяки успіхам реаніматології на тривалий час можливе продовження існування людини (навіть при ураженні деяких життєво важливих органів) шляхом застосування апаратів штучного дихання, штучної нирки, кардіостимуляторів і т. д. Перш ніж витягти з людського організму той чи інший орган для пересадки іншому пацієнтові, необхідно встановити факт смерті першого. Зараз "кордон" між життям і смертю визначається не діяльністю серця і легенів, а життєздатністю мозку. Поки мозок живий, слід вважати, що людина жива навіть при зупиненому серці і припинився диханні, і навпаки, людина мертва, якщо мозок необоротно загинув, навіть якщо його серце продовжує битися, а легкі "дихають". Навіть смерть самого мозку відбувається в кілька стадій: спочатку гине кора мозку, а потім його стовбурова частина. За мозкової смертю слід вже смерть внутрішніх органів, і людина перестає існувати як єдиний функціонуючий організм. Сучасна медицина в цьому випадку змушена фіксувати кінець людського життя, а молекулярна біологія залишає і в цій ситуації шанс і надію на збереження деяких клітин померлого як можливість продовження, а точніше, відродження його життя методами генної та клітинної інженерії. Тому визначення межі між життям і смертю в сучасних умовах стає дуже важким завданням, оскільки ця межа проходить вже на клітинному рівні.
До кола біомедичної етики можуть бути зараховані і такі злободенні питання, як аборт, проведення ризикованих дослідів над людьми, випробування на хворих нових апаратів, які піддають їх життя небезпеці, і ряд інших. На закінчення слід зазначити, що біомедична етика-це порівняльна молода галузь науки, покликана зв'язувати між собою природничо-наукову і гуманітарні культурні традиції. Термін "біоетика" був введений в 1971 р. американським вченим В. Р. Поттером, і коло розглянутих цієї молодою наукою проблем у майбутньому, можливо, ще розшириться.

Висновки
1. Фізіологія людини вивчає життєдіяльність здорової людини, функції складових частин його організму: клітин, тканин, органів, систем. Вона заснована на вивченні діяльності кровоносної, лімфатичної, дихальної, травної, видільної, нервової систем, обміну речовин і енергії, залоз внутрішньої секреції та ін
2. Здоров'я - це стан повного фізичного, розумового і соціального добробуту людини. Воно багато в чому пов'язане з еволюційно-екологічними засадами його психофізичної діяльності. Здоров'я і хвороба - це два якісно різних феномену, які можуть співіснувати в індивідуумі. Свіже повітря, сонячне світло, помірність, відпочинок, фізичні вправи, вода і правильне харчування - необхідна фактори здоров'я і довголіття.
3. Працездатність визначає можливості організму при виконанні роботи та підтримці структури та енего-запасів на заданому рівні. З точки зору працездатності, здоров'я - це кількість резервів в організмі, максимальна продуктивність органів при збереженні якісних меж їх функцій.
4. Емоції - особливий клас суб'єктивних психологічних станів, що відбивають у формі безпосередніх переживань результати практичної діяльності, спрямованої на задоволення актуальних потреб. Вони виникають лише тоді, коли здійснення інстинктивних дій, звичних і довільних форм поведінки наштовхується на перешкоди, до яких він не може адаптуватися.
5. Творчість - це процес створення людиною нового, при якому він, хоч і відчуває недостатність інформації, знань, умінь для досягнення мети і вирішення тієї чи іншої проблеми, робить ривок у незвідане, створює нові знання, вміння, нові об'єкти і твори.
V. Творчі портрети видатних вчених.
Олександр Михайлович Бутлеров (1828-1886)
А. М. Бутлеров народився 25 августа1828г. У м. Чистополі Казанської губернії. Незабаром він втратив матір і був узятий на виховання батьками батька в село Підлісна-Шантан Чистопільської повіту. Виховання та освіта А. М. Бутлеров отримав спочатку в одному з приватних пансіонів Казані, потім в першій Казанської гімназії, яку він закінчив у 1844 р. У тому ж році А. М. Бутлеров поступив на природне відділення фізико-математичного факультету Казанського університету. У перші роки свого студентського життя він захоплювався ботанікою і зоологією, а потім під впливом лекцій К. К. Клауса і М. М. Зініна вирішив присвятити себе тільки хімії. У 1849 р. А. М. Бутлеров закінчив університет і за пропозицією К.К. Клауса був залишений тут для підготовки до професорського звання. Після захисту магістерської дисертації (1851) на тему «Про окисленні органічних сполук» він був зарахований викладачем Казанського університету. У 1854 р. А. М. Бутлеров захистив у Московському університеті докторську дисертацію на тему «Про ефірних маслах» і в 1857 р. Отримав річну відрядження за кордон, де відвідав всі кращі хімічні лабораторії Німеччини, Франції, Англії, Швейцарії та Італії. У 1861 р. Він знову відправився за кордон і на з'їзді німецьких лікарів і натуралістів в Шпейері 19 вересня 1861 Зробив свій знаменитий доповідь «Про хімічному будову речовин». У травні 1868 р. За поданням Д. І. Менделєєва А. М. Бутлеров був обраний ординарним професором Петербурзького університету. У 1870 р. Він став екстраординарним, а в 1874 р. ординарним професором.
А. М. Бутлеров - один з видатних теоретиків і блискучих експериментаторів хімії. Він є творцем теорії хімічної будови органічних сполук. Його науковий напрямок в галузі органічної хімії до наших днів служить невичерпним джерелом нескінченної низки відкриттів, що мають в рівній мірі і теоретичне і практичне значення. А. М. Бутлеров створив знамениту, відому всьому світу, казанську (бутлеровскую) школу хіміків, представники якої (А. М. Зайцев, В. В. Марковников, А. Є. Арбузов, А. Є. Фаворський та ін), продовжуючи і розвиваючи роботи А.М. Бутлерова, затвердили російську хімічну науку як передову науку в світі.
Вчені намагалися проникнути у внутрішню взаємозв'язок атомів у молекулах органічних сполук і створити теорію хімічної будови цих сполук і в добутлеровскій період. Цьому питанню були присвячені численні роботи найбільших і найбільш впливових західноєвропейських хіміків-органіків: А. Кекуле, А. Кольбе, Ш. Вюрца та ін Однак, теоретичні погляди цих хіміків виявилися непослідовними. Так, А. Кекуле вважав, що для одного і того ж хімічної сполуки можливо кілька «більш розгорнутих раціональних формул», в залежності від того, які хімічні перетворення цього з'єднання вони виражають. Оцтова кислота, на думку А. Кекуле, має вісім раціональних формул, які і передають усі можливі її перетворення:
Гліколева кислота, за його уявленнями, також має декілька хімічних формул:
При цьому А. Кекуле в формулах хімічних сполук бачив лише спосіб вираження хімічних перетворень (реакцій), вважаючи при цьому, що ці формули не можуть виражати конструкцію, тобто розташування атомів в існуючих з'єднаннях.
Така точка зору у вирішенні практичних завдань органічної хімії обумовлювалася у А. Кекуле його суб'єктивно ідеалістичним ставленням до теорії. Він вважав, що про теорії в хімії не може бути мови. Усі так звані теоретичні повідомлення є міркуваннями, заснованими на ймовірності і доцільності. Аналогічні погляди про непізнаваність істинної взаємозв'язку атомів в молекулі органічних сполук висловлювали А. Кольбе, Ш. Вюрц та ін Так, А. Кольбе, вважаючи принципово неможливим з'ясування хімічної будови молекул, стверджував, що не можна створити жодного уявлення про спосіб взаємного зв'язку елементарних атомів в молекулі і хіміки взагалі ніколи не придбають цього подання. На його думку, просторове розташування атомів в хімічній сполуці залишиться назавжди прихованим від нашого тілесного і духовного погляду.
У той час, коли, здавалося б, теоретичні уявлення в органічній хімії зайшли в глухий кут, А. М. Бутлеров сміливо вирішив цю задачу. Він розробив нову теорію хімічної будови органічних сполук, проклавши тим самим шлях до розвитку теоретичної хімії і промисловості органічного синтезу.
Свої погляди на будову хімічних сполук О. М. Бутлеров вперше виклав у 1861 р. на з'їзді німецьких природознавців в Шпейері. Він вважав, що всі 4 одиниці валентності вуглецю абсолютно рівноцінні і просторово розташовані симетрично; атоми вуглецю можуть з'єднуватися один з одним в будь-якій кількості і, витрачаючи на взаємну связь1, 2 і 3 одиниці валентності, утворювати можуть зв'язуватися з атомами інших елементів і залишками молекул. «Виходячи від думки, що кожен хімічний атом, що входить до складу тіла, бере участь в утворенні цього останнього і діє певною кількістю належної йому хімічної сили (спорідненості), я називаю хімічною будовою розподіл цієї сили, внаслідок якого хімічні атоми, посередньо чи безпосередньо впливаючи один на одного, з'єднуються в хімічну частку ».
А.М. Бутлеров вперше в історії органічної хімії висловив твердження про те, що на підставі вивчення хімічних властивостей речовини можна встановити його хімічну будову і, навпаки, за структурною формулою будови речовини можна судити про хімічну природу цієї речовини і в більшості випадків передбачити його властивості.
«Хімічна натура складної частки визначається натурою елементарних складових частин, кількістю їх і хімічною будовою ... Візьмемо грубий приклад: припустимо, що у четирехатомного паю вуглецю всі 4 одиниці спорідненості різні; представимо його собі у вигляді тетраедра, у якого кожна з 4 площин здатна зв'язати один пай водню. Не маючи можливості позначити кожну площину за способом чиниться нею тяжіння, ми тим не менше можемо стверджувати, що це тяжіння різному для кожної площині, і можемо охарактеризувати це розходження, хоча і не знаємо, якої з площин належить саме той чи інший спосіб дії ». І далі: «Якщо спробуємо тепер визначити хімічну будову речовини, якщо нам вдасться виразити його нашими формулами, то формули ці будуть, хоча ще не цілком, але до певної міри справжніми раціональними формулами. Для кожного можлива буде в цьому сенсі лише одна раціональна формула, і коли стануть відомими загальні закони залежності хімічних властивостей тіл від їх хімічної будови, подібна формула буде вираженням всіх цих властивостей ».
Ці положення, висловлені А.М. Бутлеровим, складають основу всієї сучасної органічної хімії; в них з граничною ясністю вчений вказує не тільки на значення теорії хімічної будови, але й на шляху її розвитку.
На відміну від А. Кекуле, А. Купера і А. Кольбе, що претендували на пріоритет у створенні теорії будови органічних сполук, А. М. Бутлеров вважав, що структурні формули хімічних сполук можуть і повинні відображати реальний будова молекул, а не умовні, надумані уявлення про ці молекулах. А. М. Бутлеров різко критикував цих вчених за заперечення ними реального значення структурних формул органічних сполук. При цьому він підкреслював, що кожна молекула має тільки одне цілком певну будову і не може поєднувати в собі кілька структур. Поряд з цим А. М. Бутлеров вказував, що однозначність будови хімічної частинки не можна змішувати зі способами, якими можна виразити цю споруду на папері.
На думку А. М. Бутлерова, справа не в формі, а по суті, в понятті, в ідеї, що формулами, що позначають ізометрії, логічно необхідно виражати справжні частки, тобто деякі хімічні відносини, в ній існують. Звідси легко прийти до переконання, що всякий спосіб писання може бути хороший, аби тільки він висловлював ці відносини. Природно навіть вживати різні способи, вважаючи за краще той, який є більш виразним для даного випадку. Як приклад А. М. Бутлеров призводить етан C2H6, який може бути зображений так:
Теоретичні погляди О. М. Бутлерова, викладені в 1891 р. у своїй доповіді, створили тверду і впевнену базу для прогнозів і оцінки хімічної ізометрії. Правильність цих поглядів була надалі підтверджена численними спеціальними дослідженнями. Наприклад, можна було передбачити існування чотирьох бутилових спиртів:
А. М. Бутлеров дав назви цим спиртів:
А) Нормальний
Б) Вторинний
В) Первинний
Г) Третинний
Першим з цієї серії став відомий спирт, відкритий в 1852 р. Ш. Вюрцом в сивушному маслі і належить (це було встановлено Р. Ерленмейером і В. В. Марковникова) до первинного ізобутилового спирту (В). Нормальний бутиловий спирт (А) вперше був отриманий в 1871 р. відновленням нормальної масляної кислоти. Обробкою ерітріта іодістий воднем був отриманий іодістий бутил; спирт ж з йодистого бутилу давав при окисленні кетон (етілметілкетон), що вказує на приналежність цього спирту до вторинних, тобто до бутилового спирту. Третинний спирт (тріметілкарбінол) синтезував А. М. Бутлеров взаємодією цінкметіла з хлорангидрідамі оцтової кислоти. Відповідно до правил ізометрії, висловленими в теоретичних положеннях А. М. Бутлерова, стало можливим існування чотирьох валеріанових кислот формули C4H9 COOH:
CH3-CH2-CH2-CH2-COOH-нормальна валеріанової кислота
-Ізопропілуксусная (ізовалентного) кислота
-Метілетілуксусная кислота
-Тріметілуксусная кислота
Дійсно, ці пророкування також блискучі були підтверджені експериментами Р. Ерленмейера, який у 1871р. встановив будову перших трьох відомих у той час кислот; четверта кислота в 1872р. була вперше отримана А. М. Бутлеров синтетично з первинного йодистого бутилу. Теорію хімічної будови А.М. Бутлерова не можна зводити тільки до уявлення про просторове розташування атомів і розподілі зв'язків в молекулі. А.М. Бутлеров неодноразово відзначав, що при вивченні будови і властивостей хімічних сполук необхідно враховувати наявність взаємного впливу між окремими, безпосередньо не пов'язаними один з одним атомами і атомними групами в молекулі. Він з цього приводу писав: «... ми маємо право сказати, що, наприклад, з CH3Cl три атоми водню і атом хлору, будучи з'єднані з вуглецем, не з'єднані безпосередньо між собою; в CH2O так само водень і кисень з'єднані з вуглецем і не з'єднані між собою:
З цього, однак, не слід, щоб атоми і зовсім не виявляли один на одного ніякого впливу; тільки цей вплив буде впливом іншої категорії,-його можна назвати взаємним впливом атомів, безпосередньо між собою не з'єднаних ». Наводячи приклади взаємного впливу атомів у молекулі (зокрема, хлор у хлорангидрідамі кислот під впливом кисню володіє більшою рухливістю, ніж у хлористих алкіл), А. М. Бутлеров вказував, що при більшій розробці такі узагальнення, без сумніву, набудуть більш тверді підстави, більш визначений вид і заслужать назви законів.
Закономірність про взаємний вплив атомів у складі молекул складної речовини, встановлена ​​А. М. Бутлеров, отримала подальший розвиток і експериментальне підтвердження в роботах його учня В. В. Марковникова, який захистив у 1869 р. докторську дисертацію на тему «Матеріали з питання про взаємний вплив атомів у хімічних сполуках ».
Таким чином, основними і фундаментальними положеннями теорії хімічної будови, створеної А.М. Бутлеровим, є послідовне, наукове обгрунтування і визнання глибокої залежності хімічних властивостей речовини від хімічної будови його молекул. Ця теорія вказує, що хімічні властивості речовин дозволяють пізнати будову молекул і, навпаки, на підставі хімічної будови можна передбачити хімічні властивості речовин.
Характеризуючи теорію будови А. М. Бутлерова, Д. І. Менделєєв писав: «Він уперше шляхом вивчення хімічних перетворень прагне проникнути в саму глиб зв'язків, що скріплюють різноманітні елементи в одне ціле, визнає за кожним з них вроджену здатність вступати у відоме число з'єднань і різні властивості приписує різного способу зв'язку. Ніхто не призводить цих думок так послідовно, як він, хоча вони і проглядали раніше ».
Як підручник «Основи хімії" Д. І. Менделєєва став необхідним посібником для хіміків, так і книга «Вступ до повного вивчення органічної хімії» О. М. Бутлерова, в якій викладено нові погляди на будову органічних сполук, стала керівною роботою з органічної хімії . У Західній Європі ця книга справила величезне враження і її вплив надовго зумовило подальший розвиток хімії вуглецевих сполук.
«А. М. Бутлеров, - писав Д. І. Менделєєв у 1864 р., - один з чудових російських вчених. Він росіянин і за навчальним освітою, і за оригінальністю своїх праць. Учень знаменитого нашого академіка Зініна, він став хіміком не в чужих краях, а в Казані, де й продовжує розвивати самостійну хімічну школу. Напрямок вчених праць А.М. Бутлерова не становить продовження або розвитку ідей його попередників, але належить йому самому. У хімії існують бутлеровская школа і бутлеровское напрямок ».
Важко що-небудь додати до цієї блискучої характеристиці.
А.М. Бутлеров прекрасно розумів значення своїх робіт. Повернувшись з поїздки за кордон в 1861 р., він писав, що всі «... погляди, зустрінуті мною в Західній Європі, становили для мене мало нового. Відкинувши недоречну тут помилкову скромність, я мушу зауважити, що погляди та висновки в останні роки більш-менш вже засвоїлися в казанської лабораторії, не розраховувала на оригінальність: вони стали в ній загальним ходячим надбанням і частиною введені були у викладання ».
Цікаво відзначити, що ще в 1886 р. А.М. Бутлеров висловив сміливу для того часу думка про складність будови атома і про можливість існування різних видозмін хімічних елементів, що володіють різною атомною масою. На його думку, неподільність атомів відносна, атоми неподільні тільки тому, що для їх розділення в розпорядженні хіміків немає коштів. Неподільність атомів зберігається в тих хімічних процесах, які відомі тепер, але вони можуть бути розділені в нових процесах, які будуть відкриті згодом. Однак достовірність цієї ідеї була встановлена ​​після відкриття катодних променів (1879) і радіоактивності (1898).
З числа численних експериментальних робіт А.М. Бутлерова по синтезу та вивченню властивостей і будови органічних сполук слід особливо згадати його роботи з полімеризації і конденсації формальдегіду. Вивчаючи властивості і перетворення йодистого метилену (CH2I2), А. М. Бутлеров в 1859 р. відкрив полімер формальдегіду, названий їм тріоксіметіленом. При взаємодії його з аміаком А.М. Бутлеров отримує досить складна речовина-гексаметилентетрамін, яке до цього часу під назвою уротропіну знаходить широке застосування в медицині: 6CH2O +4 NH3 - 6H2O + C6H12N4
Детальні дослідження показали, що уротропін має наступну будову:
Подальше вивчення властивостей формальдегіду наводить А. М. Бутлерова у 1861 р. до його конденсації (під дією вапняного розчину) в цукристу речовина: n (CH2O) 3 - 3 (C6H12O6) n
Він назвав цю речовину метіленітаном. Ця робота відкрила широкі перспективи для подальшого синтезу цукрів з формальдегіду. А. М. Бутлеров писав, що отримання метіленітана слід розглядати як факт, що має велике значення.
«Як би там не було, отримання меніленітана є фактом чудовим: це перший приклад утворення речовини, що володіє властивостями цього цукристого тіла, за рахунок найбільш простих органічних сполук і могутнього, якщо взяти до уваги весь ряд перетворень, вихідною точкою для яких є етільний алкоголь, утворитися навіть з елементів. Таким чином, це перший повний синтез цукристого речовини ».
Тільки радянським вченим вперше вдалося розробити схему механізму цієї складної реакції, що має велике наукове і практичне значення.
А.М. Бутлеров, як і Д.І. Менделєєв, був стороннікомекономіческого перетворення Росії й затятим поборником поширення просвящения серед широких мас населення. Особливо плідна громадська діяльність його у Вільному економічному суспільстві, де протягом багатьох років він був головою.
Як і багатьом культурним вченим XIX ст., А. М. Бутлерову не раз доводилося мати зіткнення з чиновницько-бюрократичним режимом дореволюційної Росії. Він, як академік, висунув у дійсні члени Російської Академії наук Д.І. Менделєєва. після того як німецька реакційна угруповання (не без підтримки уряду) провалила цю кандидатуру, А.М. Бутлеров виступив у пресі з викривальною статтею «Руська або тільки імператорська Академія наук». Сама назва цієї статті говорить про її зміст.
А.М. Бутлеров увійшов в історію хімічної науки як творець теорії будови органічних сполук, яка стала новим етапом в розвитку органічної хімії.
До А.М. Бутлерова органічна хімія не мала теоретичних осеов і не була наукою в повному розумінні цього слова. Початок розвитку органічної хімії як справжньої науки про молекули, їх властивості та перетвореннях пов'язано з ім'ям А. М. Бутлерова, в роботах якого теорія хімічної будови отримала глибоке наукове обгрунтування і ясну формулювання.
На основі цієї теорії став можливим планомірний, спрямований органічний синтез; це послужило, у свою чергу, поштовхом до розвитку промислового органічного синтезу. Теорія хімічної будови, правильно відображаючи об'єктивну дійсність, відкриває невичерпні можливості подальшого розвитку органічної хімії, що знайшло своє вираження у створенні стереохімії, вчення про оборотної ізомеризації і успішному вивченні механізму хімічних реакцій. Нові уявлення, пов'язані з відкриттям елементів, з вченням про будову атома, з ідеями квантової механіки, не закреслили цієї теорії, а, навпаки, поглибили її основні положення: вона, як безсмертний періодичний закон, розвивається в наші дні на основі новітніх досягнень в області фізики та хімії.