Учебник Естествознание 11 класс Базовый уровень Мансуров Мансуров

Учебник входит в УМК по естествознанию для старшей школы (10-11 классы). Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего (полного) общего образования (2012 г.). Включён в Федеральный перечень учебников, рекомендованных Министерством образования и науки Российской Федерации. ISBN 978-5-9963-1188-0 785996 311880 ТЛ97918 2^0500 • ■ . д У-42-3-4-4 1 HIT 1265 X > > X А. Н. Мансуров, Н. А. Мансуров ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ БАЗОВЫЙ УРОВЕНЬ Учебник для 11 класса Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации к использованию в образовательном процессе в имеющих государственную аккредитацию и реализующих образовательные программы общего образования образовательных учреждениях Москва БИНОМ, Лаборатория знаний 2013 УДК И7.Ч.1()7.1:50 ББК 2()я7И М23 Мансуров А. Н. М23 Естествознание, Базовый уровень ; учебник для 11 класса / А. Н. Мансуров, Н. А. Мансуров.— М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. — 232 с. : ил., [16] с. цв. вкл. ISBN 978-5-9963-1188-0 В учебнике продолжается изучение современной естественнонаучной картины мира с помощью научного метода. Рассматриваются природные процессы, включая жизнь, и современные естественнонаучные представления об окружающем мире. Большое внимание уделяется обсуждению гипотез о происхождении жизни и человека на Земле, охране окружающей среды и укреплению здоровья человека. Каждый параграф сопровождается аннотацией, вопросами и заданиями, способствующими более глубокому усвоению учебного материала и проверке уровня его освоения в процессе обучения. Параграфы, обозначенные звездочкой, предназначены для учащихся, проявивших повышенный интерес к изучаемой теме. Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего (полного) общего образования (2012 г.). УДК 373.167.1:50 ББК 20я73 Учебное издание Мансуров Андрей Николаевич Мансуров Николай Андреевич ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ. БАЗОВЫЙ УРОВЕНЬ Учебник для 11 класса Редакторы Т. Г. Хохлова, Л. А. Осипова. Методист А. Ю./JewmwH Художественное оформление: И. Е. Марев. Художник Н. А. Новак Технический редактор Е. В. Денюкова. Корректор Е, Н. Клитина Компьютерная верстка: В. А. Носенко Подписано в печать 18.12.12. Формат 70x100/16, Уел. печ. л. 18,85. Тираж 2000 экз. Заказ 1743. Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний» 125167, Москва, проезд Аэропорта, д. 3. Телефон: (499)157-5272 e-mail: [email protected], https://www.Lbz.ru, https://metodist.Lbz.ru Отпечатано в ОАО «Можайский полиграфический комбинат» 143200, г. Можайск, ул. Мира. 93 www.oaompk.ru, www.0A0мпк.pф тел.: (495) 745-84-28, (49638) 20-685 ISBN 978-5-9963-1188-0 © БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013 Оглавление Предисловие.............................................7 Глава 1. Природные процессы.............................9 § 1. Происхождение Вселенной........................i) § 2. Эволюция Вселенной.............................12 § 3. Эволюция звезд.................................16 § 4. Эволюция Земли.................................20 § 5. Случайные процессы и вероятностные закономерности.................................2Г> § 6. Необратимый характер тепловых процессов в природе.......................................28 § 7. Порядок, беспорядок, энтропия, информация*.....32 § 8. Второе начало термодинамики....................38 § 9, Тепловые двигатели.............................12 §10. Процессы самоорганизации.....................-'16 § 11. Информационные процессы в открытых системах* .... 5 I § 12. Основные выводы по первой главе...............55 Глава 2. Жизнь как природное явление..................5(> § 13. Биосистемная организация жизни................56 § 14. Клеточное строение живых организмов. Дифференциация клеток в организме...............60 § 15. Обмен веществ в клетке. Превращение энергии в клетке........................................61 § 16. Деление клетки. Митоз. Мейоз. Оплодотворение.(И) § 17. Структура молекулы ДНК........................71 Оглавление § 18. Ген. Генетический код..........................79 § 19. Матричное воспроизведение белков*..............85 § 20. Наследственность и изменчивость организмов.....90 § 21. Законы Менделя.................................95 § 22. Естественный отбор.............................99 § 23. Биологическая эволюция........................103 § 24. Гипотезы происхождения жизни..................110 § 25. Основные выводы по второй главе...............114 Глава 3. Человек как природное явление.................118 § 26. Происхождение человека........................118 § 27. Эволюция человека.............................122 § 28. Геном человека................................127 § 29. Генетические заболевания и возможности их лечения......................................131 § 30. Биотехнологии. Генная инженерия. Клонирование....................................135 § 31. Этические проблемы, связанные с развитием биотехнологий...................................139 § 32. Природа вирусных заболеваний..................142 § 33. Проблемы рационального питания................148 § 34. Биохимическая основа никотиновой, алкогольной и наркотической зависимостей........154 § 35. Влияние радиоактивных и электромагнитных излучений на организм человека..................157 §36. Биоразнообразие...............................163 § 37. Биосфера и роль человека в биосфере..........166 § 38. Основные выводы по третьей главе.............170 Глава 4. Естественнонаучная картина мира..............173 § 39. Система наук о природе и естественнонаучная картина мира....................................173 § 40. Наиболее важные естественнонаучные открытия и идеи, определяющие современные знания о мире. . . 178 § 41. Единство состава вещества и законов природы во Вселенной....................................188 Огллвлонио § 42. Преобразонанио п с.охранспио эиоргии и жиной и неживой природе.............................193 § 43. Общность информационных процессов в биологических, технических и социальных системах..........197 § 44. Взаимосвязь между научными открытиями и развитием техники и технологий..............201 § 45. Глобальные экологические проблемы и пути их решения....................................207 § 46. Основные выводы по четвертой главе..........213 Заключение............................................215 Примерные темы проектов...............................219 Электронные образовательные ресурсы на сайте ФЦИОР. . . . 220 Толковый словарь терминов.............................222 Именной указатель.....................................230 Предметный указатель..................................231 ч Уважаемые ученики! В работе с книгой вам помогут навигационные значки: о — важное утверждение или определение; — вопросы и задания к параграфу; о А — обобщение содержания параграфа; — дополнительный материал; практическое задание; — исследование; — к каждой главе учебника рекомендуются электронные образовательные ресурсы (ЭОР) с сайта Федерального центра образовательных ресурсов (ФЦИОР): https://fcior.edu.ru (перечень ресурсов к каждой главе представлен в конце учебника). Доступ к ЭОР из каталога ФЦИОР: https://fcior,edu.ru/ catalog/meta/4/mc/discipline% 2000/4.06/p/page.html, где ресурсы размещены в алфавитном порядке согласно названиям учебных тем. Предисловие В учебнике «Естествознание» для учащихся 11-х классои мы продолжим изучение основных фрагментов современной ост('ст веннонаучной картины мира. Если в 10-м классе основное шшмп ние было уделено возможностям человека в познании окру>!сшо щего мира, методам познания, научному методу исследования, объектам окружающего мира и различным видам их взаимод(ч'*1 ствия, то в 11-м классе изучаются природные процессы, включая жизнь, и современные естественнонаучные представления <»0 окружающем мире. В соответствии с программой изучаются происхождение и а во ЛЮЦИЯ Вселенной, Солнечной системы и Земли. Обсуждаются осо бенности природных процессов и явлений, происходящих на 3('м ле и за ее пределами. Жизнь рассматривается как природное ап ление. Обсуждаются различные гипотезы происхождения жп:ит и человека. В центре внимания находятся процессы эволюции, развития и взаимодействия природных объектов. В заключительной главе учебника подводится итог осиоиимм достижениям науки в исследовании природных явлений и фо1)ми ровании естественнонаучной картины мира. Подчеркивается 1ич>Г) ходимость внимательного, сознательного отношения к себе, дру гим людям и окружающей среде для достижения гармоничного развития и сохранения уникального космического явления жизни на Земле. Каждый параграф учебника сопровождается контрольными вопросами и заданиями, способствующими более глубокому успог нию учебного материала и проверке уровня его освоения в процессе обучения. Параграфы, обозначенные звездочкой, предиазшеп^ ны для учащихся, проявивших повышенный интерес к изучаемо»! теме. Кроме изучения теории предполагается выполнение лабора торных и практических работ, знакомство с демонстрациями Предисловие реальных природных объектов, явлений и процессов, а также рассматривается применение достижений естественных наук в технике, медицине и жизни общества. Последнее особенно важно для гуманитарных наук, которые пополнились за последние годы целым арсеналом современных методов исследования, использующих информационные технологии и другие достижения естественных наук. Глава 1 Природные процессы §1 Происхождение Вселенной О чем пойдет речь О строении галактик, о происхождении и расширении Нес-ленной. Обсудим затронутые проблемы Колыбелью человечества служит Земля — небольшая плат*-та, обращаюпцаяся вокруг Солнца. Астрономические наблюдения позволили установить, что кро ме Земли в Солнечную систему входят еще семь планет: Mepicy-рий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Солнце вм<м*-те с планетами является частью огромной по земным масштабам системы астрономических объектов, образующих галакти ку Млечный Путь (см. § 37 в «Естествознании-10») (см. цветно!'*! блок: рис. Ц1). Центром нашей Галактики служит массивное тело (предположительно черная дыра), в гравитационном поле которого находятся около 100 млрд звезд, обращающихся вокруг центра Галактики по круговым орбитам в плоскости диска Галактики (см. цветной блок: рис. Ц2). Кроме звезд в диске Галактики существуют еще около 100 млрд звезд, которые обращаются по сильно вы тянутым орбитам вокруг центра Галактики в различных плоско<^' тях, образуя сферическую подсистему Галактики. Диаметр этой почти сферической области совпадает с диам(!Т-ром диска и составляет примерно 100 000 световых лет. Световой год — это расстояние, которое свет проходит за год. Один CB(vro вой год равен 9,46 • 10^^ м. Движение звезд в Галактике опрод(' ляется не только взаимодействием с черной дырой, но и с вещееvr-вом, распределенным вокруг диска, и сферической подсистемой Галактики. Эта внешняя область Галактики получила назваппс гало Галактики. Здесь нет звезд. Состав гало неизвестен. Вещеет € природные процессы О ВО в составе гало было названо темным веществом. Строение Галактики поясняется на рис. 1. Рис. 1. Строение нашей Галактики о В 20-х гг. прошлого столетия американский астроном Э. Хаббл открыл другие галактики. Фотографии некоторых из них приведены на рис. ЦЗ (см. цветной блок). Ближайшая к нам галактика — Туманность Андромеды (см. цветной блок: рис. Ц4). Она находится на расстоянии 2 млн световых лет. Впоследствии было установлено, что в пространстве, доступном для наблюдения с Земли, находятся около 100 млрд галактик. Совокупность галактик и межгалактического излучения и вещества получила название Вселенной. Вселенная является самым крупным природным объектом, который исследуется с помощью научного метода. Радиус наблюдаемой Вселенной составляет 10^® м. Наука о Вселенной, ее строении, происхождении и развитии называется космологией. В 1912 г. американский астроном В. Слайфер установил, что спектральные линии излучения от галактик смещены в красную область спектра. Такое явление наблюдается на Земле при удалении источника света от наблюдателя и известно как эффект Доплера. Измерив изменения частоты света, идущего от галактики, можно определить скорость удаления галактики от наблюдателя, В 1929 г. Э. Хаббл обнаружил, что скорость галактик v возрастает пропорционально расстоянию R до галактик. Коэффициентом пропорциональности служит постоянная Хаббла Н, определяемая экспериментально. Таким образом, U = HR. 10 11|><)И(.к(>ж/^<м1и<^ И<;<мимпи>и §1 И настояищо ир(^мя мам('|И'1тос ;птч(М!Пг nocvroaimoii ХпбО.пл райпо 71±7 (км/с)/Мпк. Раимориость iioCToamion Хаббла опргдс .мяотся отношением скорости в километрах в ссмсунду, д(?л<птоГ! на расстояние, выраженное в мегапарсеках. 1 Мик 3,1 • К)'-'’ м. Удаление галактик друг от друга свидетельствует о pa(nimpc ПИИ Вселенной со временем. Полагая, что постоянная Хаббла нс м(41ялась за время суш;ествования Вселенной, можно опрод<-ли ri. тот момент, когда расстояние между галактиками было |)amu) нулю, т. е. время рождения нашей Вселенной = R/u = 1/Н = 13-16 млрд лет. Рождение Вселенной называют Большим взрывом, подч(!рки аая тем самым необычайно резкое изменение со временем сос'гоя и ИЯ материи, которое в дальнейшем привело к процессу эиолю ции Вселенной. Природный процесс, обусловленный внутрешпнуш или внешними причинами, характеризуюш;ийся резким и;ш(ми* и нем состояния объекта, называется катастрофой. Одним из зкс п(‘()иментальных подтверждений Большого взрыва стало открм тие в 1965 г. американскими учеными Р. Вильсоном и А. Пс'пзпа <’(>м так называемого реликтового микроволнового излучеипл <• температурой 2,7 К. Это излучение было предсказано американским физиком рос (31ЙСК0Г0 происхождения Г, А. Гамовым в 1956 г. на основатш представления об охлаждении фотонного газа при расширении Исс л(Ч1ной. Существуют и другие подтверждения гипотезы о взрывном происхождении Вселенной, которые в нашем учебнике мы ис мо >гсем рассматривать из-за недостатка времени на их изучение. Подведем итоги 4» 41 • Совокупность галактик, межгалактического излучения и В(* щества получила название Вселенной. • Вселенная является самым крупным природным объектом, который исследуется с помощью научного метода. Рождеммп^ Вселенной называют Большим взрывом. Радиус наблюдаемо!! Вселенной составляет 10^^ м. Наука о Вселенной, ее стро*» НИИ, происхождении и развитии называется космологией. Что нужно обязательно запомнить • Строение Галактики. • Значение постоянной Хаббла. 11 Природные процессы Что необходимо понять и усвоить • Вселенная — это природный объект. • Галактики — структурные составляющие Вселенной. Что нужно научиться делать в Определять возраст Вселенной по значению постоянной Хаббла. е Контрольные вопросы 1. Какие галактики вам известны? 2. Как устроена галактика? 3. Сколько звезд входит в галактику? 4. Сколько галактик во Вселенной? 5. Как можно оценить возраст Вселенной? Ж Задания 1. Расскажите, как вы представляете себе Вселенную. 2. Оцените возраст Вселенной, используя современное значение постоянной Хаббла. §2 Эволюция Вселенной О чем пойдет речь Об эволюции Вселенной от момента рождения до наших дней. О возможном сценарии развития Вселенной в будущем. Обсудим затронутые проблемы В первые моменты времени своего существования, порядка 10“^^ с от момента взрыва. Вселенная представляла собой очень необычный объект. Это было физическое поле с температурой примерно 10^^ К, плотностью 10^'^ кг/м^ и размером порядка нескольких микромет- 12 Эполюция В<; менту температура Вселенной упала до 10^^ К, при которой рождение пар самых легких лептонов, электронов и позитронов стало невозможным. При дальнейшем снижении температуры во Вселенной наступила радиационная эра, когда энергия излучения существеппо превышала энергию частиц вещества. Однако по мере расширен ния Вселенной и увеличения длины волны фотонов из-за эффск'га Доплера энергия фотонов постепенно уменьшалась по сравнению с энергией частиц вещества. В этот же период происходило объс» динение нуклонов в ядра гелия. Этот процесс получил назваппс дозвездного нуклеосинтеза. При температуре порядка 10^ К образовались ядра дейтерия и других легких нуклидов. Через 40 000 лет при температуре 10* К энергия вещества стала больше энергии излучения, и во Всел(м1" ной наступила эра вещества. При температуре порядка 3 • 10^ К произошло слияние прото нов и электронов в нейтральный атом водорода. Появление тп\ тральных атомов и дальнейшее снижение температуры излучения привело к важному событию в состоянии Вселенной. Излучен lu-перестало интенсивно взаимодействовать с веществом и свободно распространилось в расширяющейся Вселенной. По мере расти рения Вселенной температура излучения падала и к настоящему времени составляет 2,7 К. Это излучение равномерно распределс^- а <1 а и 13 Природныо процессы но в пространстве, что подтверждается экспериментальными исследованиями реликтового излучения. Вместе с тем в распределении вещества существуют неоднородности, связанные с ранними процессами, которые происходили в остывающей Вселенной и усиливались за счет гравитации. Эти явления привели, в конечном счете, к образованию галактик, звезд и планет. Эти процессы наблюдаются и в настоящее время. В дальнейшем по мере расширения Вселенной запасы ядерно-го вещества, из которого образуются звезды, будут исчерпаны. Это приведет к постепенной гибели звезд. Исчезновение звезд приведет к гибели галактик. На месте галактик образуются массивные черные дыры, которые, как пылесосы, будут затягивать в себя ядерное вещество, рассеянное в межгалактическом пространстве. Развитие Вселенной закончится, когда оставшиеся черные дыры испарятся, оставив после себя разреженный газ, состоящий из лептонов и «остывших» фотонов. Все это произойдет не скоро — примерно через 10^^^ лет. Основные этапы развития Вселенной представлены в табл. 1. Таблица 1 Основные этапы развития Вселенной Время жизни Вселенной Температура Вселенной, К События во Вселенной 10-44 с 1032 Объединение всех фундаментальных взаимодействий 10-40 С 1045 Разделение всех фундаментальных взаимодействий 10-6 С 1043 Образование адронов 10-46-10-4с 1045-1042 Адронная эра 10-4-10 С 1042-1046 Лептонная эра 102-103 С 106 Дозвездный синтез гелия 10 с-40 000 лет 103-104 Радиационная эра 40000 лет 104 Начало эры вещества 400000 лет 3 -103 Образование атомов. Вселенная становится прозрачной для излучения 10® лет 102 Образование галактик 14 3iio;iK>UMVi BctwM'iiMOH Окончание таОм. I Время жизни Вселенной Температура Вселенной,К События во Вселенной 2 ■ 10®лет 10 Образование звезд 1 о’ * лет 10-5 Гибель звезд 10'^ лет 10-6 Гибель галактик 1 о'®® лет 10-30 Гибель Вселенной Приведенный сценарий эволюции Вселенной подкупает cno(4'i экспериментальной обоснованностью и согласованностью с Т(‘о рисй фундаментальных взаимодействий и фундаментальных mju* тпц. Вместе с тем его нужно рассматривать как одну из возмож IIых моделей развития Вселенной, имеющую как свои достоп игтна, так и недостатки. К числу недостатков можно отпе("ги проблему антивещества, которое по количеству должно равнять ся количеству вещества. Однако в современной Вселенной аптп ||<мцество в таких количествах не наблюдается. Другая проблема возникает в связи с открытием в 90-х гг. м|)()шлого века ускоренного разбегания галактик, которое может быть связано с наличием в межгалактическом пространство так называемой темной энергии, вызывающей отталкивание галак 'ITIK. Непонятны природа этой энергии и ее происхождение. Дальнейшие экспериментальные исследования позволят дополнить или во многом изменить существующие представлотп! о Вселенной, но это произойдет в будущем. Подведем итоги Г4 • Вселенная образовалась примерно 13-16 млрд лет назад в результате Большого взрыва. Развитие Вселенной характеризу ется отдельными этапами. • По результатам экспериментальных исследований создана мо дель расширяющейся Вселенной. На основе этой модели раз работай сценарий развития Вселенной со временем. Что нужно обязательно запомнить • Основные этапы развития Вселенной. Природные процессы Что необходимо понять и усвоить • Эволюция Вселенной определяется природными явлениями. Что нужно научиться делать • Называть основные этапы развития Вселенной и характеризовать их особенности. е Контрольные вопросы 1. В чем заключается гипотеза Большого взрыва? 2. Как развивалась Вселенная после Большого взрыва? 3. Когда начался дозвездный синтез гелия и других легких нуклидов? 4. Почему Вселенная стала прозрачной для излучения? 5. Когда появились первые атомы? 6. Когда появились первые галактики? 7. В чем недостатки рассмотренной модели эволюции Вселенной? Задание Как вы относитесь к идее итальянского мыслителя Джордано Бруно о множественности Вселенных? §3 Эволюция звезд О чем пойдет речь О рождении и видах звезд и процессе их эволюции со време- нем. Обсудим затронутые проблемы о Звезды образуются из-за гравитационного сжатия вещества в газовом облаке. Эти облака состоят из молекул водорода и гелия (в небольшом количестве), образовавшихся во время дозвездного нуклеосинтеза (см. цветной блок: рис. Ц5). В отдельных частях облака образуются области с повышенной плотностью, которые 16 Эполюциу! §3 посччмюнио увеличпижотгя мод действием изамммого MpuTiOicenmi частиц газа. Размер области первичной неоднородности, так па зываемой компактной зоны, составляет несколько световых меся цев, ее температура достигает 10 К, а плотность — 10'** мол(‘ку.н водорода на 1 м^. Образование звезды начинается со свободного падения моле кул водорода к центру компактной зоны. При этом скорость час тиц возрастает, растет температура и плотность вещества. Па этом этапе образуется так называемая протозвезда. Процесс oGpii зования протозвезды длится около миллиона лет. Когда темп(‘|)а тура в недрах протозвезды повышается до 10^ К, а плотнос'гь до стигает 10'^ кг/м^, начинается ядерная реакция синтеза п^лия на водорода. Протозвезда превращается в звезду. Давление излу^^гения, воэ пикающего в процессе термоядерного синтеза, препятствует даль нейшему сжатию звездного вещества. Звезда переходит в стабиль ный режим горения водорода. Для звезд с массой порядка массы Солнца этот период эволюции звезды длится миллиарды лет. Со временем по мере сгорания водорода в центральной чаегм звезды накапливается гелий, образуя гелиевое ядро. При отсут ствии водорода в гелиевом ядре прекращаются термоядерные реакции, и давление излучения не может скомпенсировать гранита ционное сжатие. Под действием гравитации ядро начинает сясм маться, что приводит к росту температуры и плотности в цен грс звезды. При увеличении температуры до 10^ К начинается роак ция синтеза бериллия и углерода из атомов гелия, которая ра<* пространяется на всю звезду. В результате давление излучемши растет, что приводит к увеличению радиуса внешней оболочки звезды в сотни раз. При этом температура внешних слоев знеэды уменьшается. Спектр излучения звезды смещается в красную оГ> ласть. Звезда становится красным гигантом. Солнце станет краг ным гигантом примерно через 5 млрд лет. При этом его радиус увеличится до размеров орбиты Венеры. В результате горения гелия в ядре звезды образуется углср<>д. Уменьшение гелия приводит к уменьшению давления излучоиши что вызывает гравитационное сжатие ядра и увеличение его т(^м пературы. Как только температура повысится настолько, что ядр*1 гелия смогут преодолеть электрическое поле ядра углерода, иачи нается реакция синтеза ядер кислорода. Если масса звезды досча точна для обеспечения необходимый степени гравитациоип()1’о сжатия ядра звезды, то ядерные реакции будут последовател!»мо 41 41 17 Природные процессы обеспечивать синтез все более тяжелых элементов, вплоть до железа. Синтез элементов тяжелее железа невозможен из-за того, что в этих реакциях происходит поглощение энергии, а не ее выделение. В процессе эволюции объем массивной звезды становится неоднородным по своему составу. В ядре звезды находятся тяжелые элементы, вплоть до железа. По мере удаления от центра звезды масса нуклидов уменьшается. На периферии звезды находятся ядра водорода. Так как реакции синтеза зависят от температуры в ядре звезды, которая в свою очередь зависит от степени его гравитационного сжатия, эволюция звезды определяется ее массой. Каждый раз, когда начинается очередная реакция синтеза более тяжелых нуклидов, звезда сбрасывает часть звездного вещества в окружающее пространство. В результате после завершения всех возможных термоядерных реакций у звезды остается только ее центральное ядро. в зависимости от первоначальной массы звезды состав образовавшегося ядра будет разным. Как показали экспериментальные наблюдения и компьютерные расчеты, звезда с массой, меньшей восьмикратной массы Солнца, превращается в белый карлик, температура поверхности которого составляет порядка 10^ К, а плотность — 10^-10^*^ кг/м^. В этих условиях гравитационное давление уравновешивается давлением электронного газа, в котором находятся нуклиды звездного вещества. Если масса звезды больше 10 масс Солнца, звезда развивается по совершенно другому сценарию. Синтез элементов в ядре такой звезды заканчивается образованием ядер железа. После того как исходное звездное вещество закончится, начинается гравитационное сжатие. Синтез более тяжелых ядер уже невозможен, и происходит падение внешних оболочек на ядро звезды. Это приводит к увеличению температуры звезды и ускорению реакций синтеза во всем объеме звезды. Температура звезды резко возрастает буквально за несколько секунд. В этих условиях протоны превращаются в нейтроны с участием электронов и испусканием нейтрино. После того как образовалось нейтронное ядро, его сжатие резко останавливается за счет противодействия нейтронов гравитационному сжатию. Для падающих сверху оболочек звезды ядро играет роль твердой стенки, от которой происходит отражение звездного вещества. Отраженные слои вместе с потоком нейтрино отбрасываются от ядра. Происходит вспышка звезды с излучени- 18 Эвопюцим :1Ц<‘:1Д §3 **м ()1'1)()мп()й энергии а 1П1Д(^ ;)л(;ктрома1'иит11оги и;*лучопи>1, пото кл нейтрино и других частиц, в том числе и тяжелых ядер, (гимте лироиаииых в процессе взрыва. Для земного наблюдателя сброс оболочки воспринимается как )1|)кая вспышка, получившая название взрыв сверхновой (гм, цветной блок: рис. Ц6). Последний раз вспышка сверхновой наблюдалась в 1987 v, 11 !’алактике Большое Магелланово Облако, отстоящей от напили Галактики на расстоянии 170 000 световых лет. На месте сверхновой остается ядро звезды, состоящее из нейтронов. Такая звезда называется нейтронной звездой. При вращении нейтронной зв<‘з-ды ее излучение воспринимается наблюдателем на Земле в вид*» кратковременных импульсов, периодически повторяющихся со временем. Такая звезда называется пульсаром. Если начальная масса звезды превышает 40 масс Солнца, 'го после взрыва она превращается в черную дыру. Масса и радиуса жирной дыры таковы, что даже свет, не говоря уже о частицах в(? щ(!ства, не может выйти за ее пределы. Наблюдатель с Земли не может ее увидеть. Любой объект, попавший в зону притяжешт черной дыры, остается там навсегда. Отсюда и происходит название — черная дыра. Подведем итоги 41 41 Б • Звезды образуются из-за гравитационного сжатия вещества в газовом облаке. Излучение звезд обеспечивается ядерным синтезом внутри звезд. Так как реакции синтеза зависят от температуры в ядре звезды, которая, в свою очередь, зависит от степени его гравитационного сжатия, эволюция звезды опр(»-деляется ее массой. • В результате после завершения всех возможных термоядерных реакций у звезды остается только ее центральное яд1)о. В зависимости от первоначальной массы звезды состав образовавшегося ядра будет разным. Что нужно обязательно запомнить • Основные этапы эволюции звезд. Природные процессы Что необходимо понять и усвоить • Эволюция звезды зависит от ее массы. • Процессы, происходящие внутри звезд, определяются фундаментальными взаимодействиями. Что нужно научиться делать • Называть основные этапы эволюции звезд. Контрольные вопросы 1. Из чего формируется протозвезда? 2. При каких условиях начинается горение водорода? 3. Чем обеспечивается устойчивость горения звезд? 4. Почему эволюция звезд с разными массами протекает по-разному? 5. Почему ядерный синтез в ядрах массивных звезд ограничивается нуклидами железа? 6. При каких условиях образуются белые карлики? 7. Что такое пульсар? 8. При каких условиях образуются черные дыры? 9. Что такое сверхновая звезда? Задания 1. Назовите основные этапы эволюции звезд. 2. Представьте себе Вселенную без звезд. §4 Эволюция Земли О чем пойдет речь Об условиях формирования планетных систем. Об особенностях отдельных планет Солнечной системы и эволюционных процессах на Земле. 20 Эволюций Земли Обсудим затронутые проблемы Млаиоты Солнечной системы образовались из газо-пьиимюго пГиппса, в центре которого находилось молодое Солнце. Н(‘щегп1о и нротопланетном облаке под действием гравитации ное'пмкчпю (’.пиналось в отдельные тела, которые, в свою очередь, iipirnirmm' .миеь друг к другу, образуя все более крупные объекты. Фо|)ми|и»-иание планет происходило в течение нескольких миллионов лет. И настоящее время кроме планет Солнечной системы об11аруж(‘пм н.панеты около других звезд нашей Галактики. Эти планеты lauiy чили название экзопланет. Всего обнаружено около 400 экзопланет. На рис. 2 показано расположение орбит планет Солн(чтоГ| енстсмы около Солнца. Ближе к Солнцу располагаются планс^’ы так называемой земной группы. Это Меркурий, Венера, Земля и Марс. На более удаленных орбитах находятся планеты-гигамты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Плотность планет земной группы значительно больше плотности планет-гигантов, хотя масса всех 11.манет в основном сосредоточена в планетах-гигантах. а ПЛАНЕТЫ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ Меркурий 57 900000 км Рис. 2. Расположение орбит планет Солнечной системы: на рисунке даны средние расстояния от планеты до Солнца Природные процессы Значительные достижения при изучении планет были получены в результате развития космической техники. Использование космических аппаратов позволило получить изображения поверхности многих планет, обнаружить наличие неизвестных ранее спутников планет, исследовать свойства магнитных полей и состав атмосферы планет. На рис. Ц7 (см. цветной блок) показаны фотографии планет Солнечной системы, полученные из космоса. На фотографиях видно, что Меркурий не имеет атмосферы. Его поверхность испещрена кратерами, подобными лунным кратерам. На Венере, в отличие от Меркурия, имеется мощная атмосфера, плотно закрывающая ее поверхность. Исследования Венеры показали, что температура на ее поверхности превышает 400 °С, а давление — 60 атм. В атмосфере Венеры преобладает углекислый газ COg- Земля из космоса выглядит голубой планетой. Она имеет атмосферу, состоящую в основном из азота и кислорода. Марс имеет атмосферу, давление которой на поверхности планеты составляет 0,006 атм. Красноватый цвет Марса определяется цветом пород на его поверхности. Юпитер — самая большая планета в Солнечной системе. Он не имеет твердой поверхности. Это газовый шар из водорода и гелия. На фотографии отчетливо видны атмосферные вихри и знаменитое «красное пятно», представляющее гигантский циклон, бушующий на планете свыше 300 лет. Сатурн по строению и составу аналогичен Юпитеру. Особенностью Сатурна служат его кольца, которые можно увидеть с Земли с помощью даже небольшого телескопа. Как показали исследования, проведенные космическими аппаратами, кольца Сатурна состоят из частиц и фрагментов вещества, размер которых не превышает нескольких метров. Уран и Нептун — планеты-гиганты на краю Солнечной системы. Как и Сатурн, Уран имеет кольца. Состоящие из газа, эти планеты не имеют твердой поверхности. Все планеты Солнечной системы образовались примерно 5 млрд лет назад. За время своего существования они претерпели большие изменения. Земля вначале состояла из расплавленной породы. Высокая температура на планете поддерживалась за счет перехода кинетической энергии метеоритов во внутреннюю энергию планеты. Постепенно интенсивность метеоритного дождя уменьшилась, и планета начала охлаждаться. За счет разделения различных пород в поле тяжести образовались планетные оболочки Земли (см. цветной блок: рис. Ц8). 22 Эп(^ПН)МИ\1 Лсмпи li цсмггро Земли маходитгя ядро, им(мощ(м* нмутрсмтюю гигр дую часть и жидкую внешнюю часть. Ядро наибожч' 11.мотная масть планеты. Температура в центре ядра состаш1яет iipiiM(*piio :»()()() К. Внешняя оболочка тела планеты — кора. Между icop«»ii и ядром расположена мантия. Мантия делится на две части мгрхток) толщиной около 900 км и нижнюю толщиной oico.mo :*()00 км. (Состояние и эволюция Земли во многом зависят от особепжх’ ivii строения планеты и от внешних факторов, определяю1цих по ступление на Землю вещества и энергии. Внутренние факторы спя .ijmi.i, прежде всего, с массой планеты. Земля среди планет земной группы обладает самой большой массой. От массы зависит энергия граиитационного поля планеты и количество радиоактивных тяж** мых элементов. Естественная радиоактивность приводит к выд(\м<‘ ПИЮ тепла и разогреву ядра Земли. Тепловые потоки, идущи(; из центра Земли, вызывают конвекцию в магме и ее истечение ч<д)(‘з разломы земной коры. Жидкая магма после истечения на пош^рх ПОСТ!» планеты в районах срединно-океанических хребтов заст!»1иа ст» что приводит к постепенному дрейфу материков и литосферных плит. Па рис. Ц9 (см. цветной блок) показано расположение разло моя и литосферных плит на поверхности Земли. Впервые научно обоснованную теорию дрейфа материков раз работал австрийский геофизик и географ А. Вегенер. Соглжчю теории дрейфа, до начала мезозоя на Земле существовал один ма ■терпк Пангея, омываемый единым Мировым океаном. Затем он раосололся на два материка — Лавразию и Гондвану. В далыпч’! тем произошло образование других материков и рождение совр(* меппых океанов, и к концу мезозойской эры, около 65 млн лет назад, континенты приобрели практически современные очерта ПИЯ (см. цветной блок, рис. Ц9,а). К внешним факторам, оказывающим существенное влияши* ма состояние и развитие Земли, относятся: излучение, поступаю-щ(Ч' от Солнца, падение на Землю вещества из космоса, мет(Ч)-рптпая бомбардировка, солнечный ветер, гравитационное взаимо' д(Ч1(П'вие с Луной. Влагодаря взаимодействию внешних и внутренних фактором на Земле существует уникальное явление — жизнь, имеющ(ч* (!о.мы1!ое значение для эволюции Земли. Достаточно отметить из-м(чпч1ие состава атмосферы, появление осадочных пород биог(М! П01Ч) происхождения и изменение природных ландшафтов человечком. А Природные процессы / Подведем итоги • Планеты Солнечной системы образовались из газо-пылевого облака, в центре которого находилось молодое Солнце. Формирование планет происходило в течение нескольких миллионов лет. • Ближе к Солнцу располагаются планеты так называемой земной группы. Это Меркурий, Венера, Земля и Марс. На более удаленных орбитах находятся планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Плотность планет земной группы значительно больше плотности планет-гигантов, хотя масса всех планет в основном сосредоточена в планетах-гигантах. • Состояние и эволюция планеты во многом зависит от особенностей ее строения и от внешних факторов, определяющих поступление на планету вещества и энергии. Что нужно обязательно запомнить • Основные этапы эволюции Земли. • Названия планет Солнечной системы. Что необходимо понять и усвоить • Состояние и эволюция Земли зависят от внешних и внутренних факторов. Что нужно научиться делать • Перечислять внешние и внутренние факторы, определяющие эволюцию Земли. Контрольные вопросы 1. Из чего сформировались планеты? 2. Какие планеты входят в Солнечную систему? 3. Как расположены планеты относительно Солнца? 4. Чем отличается Земля от других планет Солнечной системы? 5. Какие факторы влияют на эволюцию Земли? 6. Откуда на Землю поступает энергия? 7. Сколько времени будет существовать Земля? Задания 1. Проведите сравнительное описание планет Солнечной системы. 2. Подготовьте презентацию о последних исследованиях планет Солнечной системы, используя интернет-ресурсы. 24 Случайные процессы и впроитностные зокономерности §5 Случайные процессы и вероятностные закономерности О чем пойдет речь Об особенностях случайных процессов в природе и их иороя !-постных закономерностях, О различиях между вероятностными и дштмическими закономерностями. Обсудим затронутые проблемы Изучение процессов эволюции и развития мегаобъектов нозио тнуг установить их существенные отличия от других природных процессов и явлений. Эти отличия связаны как с внутренним строением самих объектов, так и с особенностями внешних си>1 ;ici'i, влияющих на состояние объектов. li зависимости от строения все объекты можно разделить ня диа класса: простые и сложные. С простыми объектами мы уже истречались при изучении естествознания в 10-м классе. Т(мю, размерами и формой которого можно пренебречь, химическое ii(‘ щ<'ство из одного или небольшого числа химических элементом, нуклиды с небольшими атомными весами — примеры простых объектов. К сложным объектам относятся: галактики, звезды, 1С.м(‘тки, организмы и другие объекты. Внешние связи также можно классифицировать по степени их (•ложности. Если внешние связи объекта ограничиваются неболь тим числом взаимодействий, то они относятся к простым связям. 1*1(^1и же число внешних связей велико и они влияют друг на друга, то внешние связи называются сложными. Примерами сло^!с-пых связей являются взаимодействие Земли с внешними объектами, взаимодействие организма с внешней средой. Изменение состояния простого объекта со временем происходит достаточно просто, если его внешние связи простые. Нанрн-м('р, при рассмотрении процесса движения материальной точки п|)остые внешние связи удается связать с состоянием материал!, noil точки с помощью силы, модуль и направление которой онре* д(^1яются состоянием материальной точки в текущий момент врс*-м(Ч1И. Закон движения в этом случае называется динамическим о о 25 Природные процессы О О О законом. Переменные, определяющие состояние объекта и силу, действующую на объект, называются динамическими переменными. Природный процесс, который можно описать динамическим законом, называется динамическим процессом. Его особенность состоит в том, что по начальным значениям динамических переменных и закону зависимости силы от этих переменных можно найти состояние объекта в любой момент времени. Интересно, что движение планет вокруг Солнца можно рассматривать как динамический процесс. В этом процессе планеты рассматриваются как простые тела, на которые действуют простые связи со стороны Солнца. Ситуация меняется, когда мы интересуемся процессами эволюции, изменением состояния планет как сложных объектов, на которые действуют сложные связи. Похожие процессы наблюдаются при воздействии сложных связей на простой объект. Предсказать, в каком состоянии окажется объект под действием сложных связей, становится невозможным. Здесь вступают в силу другие закономерности. Часто они носят статистический или вероятностный характер. В этом случае состояние объекта со временем изменяется неоднозначно. Из некоторого начального состояния объект может оказаться в одном, или другом, или третьем состоянии. Переход в эти состояния происходит при этом случайным образом. Это означает, что если наблюдать сразу за несколькими одинаковыми объектами с одинаковыми связями, то их последующие состояния будут разными. Но отношение числа объектов в каждом из доступных последующих состояний к общему числу объектов будет вполне определенной величиной, которая называется вероятностью возможного состояния. Часто вероятность того или иного состояния обозначается латинской буквой Р. с нижним индексом, обозначающим соответ-ствующее состояние. Величины, характеризующие случайные состояния, называются случайными величинами. Значение случайной величины обозначается соответствующей буквой с нижним индексом, обозначающим состояние объекта. Например, случайная скорость обозначается v.. Случайные величины характеризуются средним значением, равным отношению суммы значений случайной величины в различных состояниях к общему числу этих состояний. Это отношение равно сумме произведений значений случайной 26 ('лучаимыо процгссм и lU^pO^I HOCIHbU' а<1К<)НОМГ*рИОС1И ИГ.ППЧИ11Ы на вороя'гиог'гь (•(хгтояиия, в котором слумаття lu'./m •imm имеет это значение. Зная вероятность состояния, можно imiiTM среднее значение, которое будет иметь случайная (|)наи ч1ччсая величина. Среднее значение можно измерить и оксмк'ри м»ч1тах, поэтому вычисление среднего значения случайной lic.nii чины играет большую роль. Природные процессы, имеюш;ие вероятностный или (uiyaaii ный характер, называются случайными процессами. Случа11пыГ| процесс, для которого вероятность состояния не зависит от ир('мс ИИ, называется стационарным случайным процессом. Если в<*ро ятность состояния зависит от времени, то случайный процесс на аымается нестационарным случайным процессом. Определение значения вероятности того или иного состояния и средних значений случайных величин — задача естествентлх наук. Подведем итоги <1 Б • Природный процесс, который можно описать динамическим законом, называется динамическим процессом. Его особен ность состоит в том, что по начальным значениям динамич(*с ких переменных и закону зависимости силы от этих перем(Ч1 ных можно найти состояние объекта в любой момент времени. • Природные процессы, имеюш;ие вероятностный или случайныI'l характер, называются случайными процессами. Случайиьп! процесс, для которого вероятность состояния не зависит от нре мени, называется стационарным случайным процессом. Ес.мн вероятность состояния зависит от времени, то случайный про цесс называется нестационарным случайным процессом. • Определение значения вероятности того или иного состояния и средних значений случайных величин — задача естеств('и пых наук. Что нужно обязательно запомнить • Какими величинами характеризуется случайный процесс? Что необходимо понять и усвоить • В чем отличие случайного процесса от динамического процесса? 27 Природные процессы Что нужно научиться делать • Давать определение вероятности состояния и среднего значения случайной величины. Контрольные вопросы 1. Какие объекты относятся к простым, а какие — к сложным? 2. Как классифицируются связи между объектами? 3. Как классифицируются природные процессы? 4. Какие процессы называются случайными процессами? 5. В чем отличие случайного процесса от динамического процесса? 6. Какими величинами характеризуется случайный процесс? ^ Задания 1. Приведите примеры случайных процессов. 2. Определите средний рост учащихся в вашем классе. §6 Необратимый характер тепловых процессов в природе О чем пойдет речь О необратимых и обратимых процессах в природе, процессе теплового взаимодействия между телами и его необратимом характере. Обсудим затронутые проблемы При взаимодействии природных объектов между ними происходит обмен частицами вещества или квантами физических полей. В результате взаимодействия объекты передают друг другу энергию, импульс, момент импульса, массу и другие свойства. Если при взаимодействии объект получает и отдает одинаковое количество того или иного свойства, то его состояние со временем не изменяется. В этом случае говорят о динамическом равновесии объекта с окружением. Если это условие не выполняется, то 28 Необратимый харлктор топловых процессов в природе §6 ()бъ(?кта Пуд<‘'г иам(*пятьс51 со и|)('М('т^м иа-ал iiamirvioarii < гния с другими объектами. Хорошо известным примером взаимодействия м<окду 'г<*лами, ироис.ходяпдего с обменом энергией между ними, служит tciuioboc aaimM(W^CTBHe. При тепловом взаимодействии тела обм(яптаи>т г)| ;ик‘ргией без совершения механической работы. Если т(М1Ловос иааимодсйствие осуществляется при непосредственном контакте аааимодействующих тел, то энергия передается за счет вааимо д<ч'к!тви51 молекул или атомов. Если контакта нет, то энергия ш* ргдж'тся излучением. И в том, и в другом случае тело с большей температурой буд(‘г ■ггрять внутреннюю энергию, остывать, а тело с меньшей темш^ра ту|юй — нагреваться, увеличивать внутреннюю энергию. Так бу дет и|)оисходить до тех пор, пока температуры тел не сравняются. И атом случае наступает тепловое равновесие, которое представ '1я<*т частный случай динамического равновесия. При этом aia^p ГИЯ, отдаваемая каждым телом, равна энергии, получаемой этим ■1'ГЛОМ. Процесс достижения теплового равновесия называется релак-1чиц1ей. Характерной особенностью процесса теплового взаимод<чг г’гвия 51вляется его необратимость. Процесс релаксации развивается во времени всегда таким об разом, что температуры взаимодействующих тел выравниваются. Однако обратный процесс теплового взаимодействия, при кото|)ом температура взаимодействующих тел самопроизвольно начала бы изм(41яться от равновесного состояния к неравновесному, никогда иг Егаблюдается. Нарушить тепловое равновесие можно, воздействуя на тела, находящиеся в равновесии, другими телами. Если одно из взаимодействующих тел нагревать, а другое охлаждать, то можно споил перевести эти тела в состояние с исходной разностью темиера-ту|). Процессы, которые могут происходить в обратном направл(»-IIпи только под действием других тел, называются необратимыми процессами. Процессы, которые могут происходить как в прямом, так и и обратном направлении без изменения состояния окружаюпц1х *|'ел, называются обратимыми процессами. Примером обратимого процесса служат периодические кол('-Оания маятника в отсутствие трения. Конечно, полностью исключить трение невозможно, но его можно существенно умень- о о о 29 i, -. * I • < Л О ШИТЬ, поместив маятник под стеклянный колокол вакуумного насоса, как показано на рис. 3. Рис. 3. Маятник под колоколом вакуумного насоса После откачки воздуха из-под колокола колебания маятника происходят с малым затуханием, и движение маятника носит обратимый характер. Маятник движется слева направо, затем справа налево, последовательно проходя через одни и те же состояния в обратном порядке. Но и в этом случае маятник, в конце концов, остановится из-за потерь механической энергии за счет трения в точке подвеса маятника и взаимодействия с оставшимися молекулами воздуха. Опыт показывает, что все реальные природные процессы необратимы. Для количественного описания необратимых процессов немецкий физик Р. Клаузиус ввел понятие энтропии, смысл которого с молекулярной точки зрения был раскрыт австрийским физиком Л. Больцманом. Со временем понятие энтропии приобрело обш;еназ^ное значение при описании не только тепловых, но и других природных процессов, в том числе процессов в живых системах. Более подробно энтропия рассматривается в § 7. Подведем итоги • Процессы, которые могут происходить в обратном направлении только под действием других тел, называются необратимыми. • Процессы, которые могут происходить как в прямом, так и в обратном направлении без изменения состояния окружающих тел, называются обратимыми. 30 Необратимый хпр<1кто|) тепловых процессов в природе §Ь • Одним из видом ммапмодойствия между объектами ям.ля(*т(*н тепловое взаимодействие. При тепловом взаимодействии обч. екты передают энергию друг другу без совершения мехамиме ской работы за счет взаимодействия молекул или излучения. • Передача энергии при тепловом взаимодействии происходит случайным образом. Со временем при тепловом взаимодсч'г ствии тела приходят в состояние теплового равновесия, кото рое характеризуется одинаковой температурой взаимодейстму" ющих тел. Процесс достижения теплового равновесия называется релаксацией. Релаксация — это необратимый пршщсс. Он не может идти сам по себе. Практически все природшлг процессы имеют необратимый характер. • Для количественного описания необратимых тепловых процессов вводится понятие энтропии. Что нужно обязательно запомнить • Процесс теплового взаимодействия является случайным про-цессом. • Процесс установления теплового равновесия называется р('-лаксацией. Что необходимо понять и усвоить • Процесс релаксации является необратимым процессом. • Все природные процессы необратимы. Что нужно научиться делать • Приводить примеры обратимых и необратимых процессов. Контрольные вопросы 1. Что такое тепловое взаимодействие? 2. В чем разница между тепловым и механическим взаимодействиями? 3. Что такое динамическое равновесие? 4. Чем динамическое равновесие отличается от механического равиопи сия? 5. Что называется тепловым равновесием? в. Что называется обратимым процессом? 7. Что называется необратимым процессом? 31 природные процессы Задание Приведите примеры обратимых и необратимых процессов, о §7 Порядок, беспорядок, энтропия, информация* О чем пойдет речь? Об особенностях описания случайных процессов в природных системах и содержании понятий: порядок, беспорядок, энтропия и информация. Обсудим затронутые проблемы Понятие энтропии первоначально было введено в физике для описания необратимых процессов в макросистемах, состоящих из огромного числа частиц. В качестве примера такой системы рассмотрим газ в комнате. Известно, что при постоянных внешних условиях воздух в комнате имеет практически одинаковые значения плотности, давления и температуры в разных частях комнаты. Если включить нагреватель, то воздух, находящийся в непосредственной близости от нагревателя, нагреется- Но стоит выключить прибор, как через некоторое время температура вновь выровняется за счет необратимого процесса релаксации. Почему это происходит, что за таинственная причина выравнивает значения физических величин, характеризующих состояние газа в отдельных частях его объема? Беспорядочное движение молекул — вот главный механизм усреднения значений физических величин в объеме газа. Правда, остается непонятно, почему в результате движения молекул никогда не наблюдается такая ситуация, при которой температура газа увеличивается только в одной половине комнаты, или почему газ не собирается в одном из углов комнаты. 32 Порядик, беспорядок, энтропия, информация §7 Згжоны, которые oimci.iitmoT днижопмо 'ijuvniii, тшсп<‘ ям- л(М1ия не запрещают. Однако они никогда не иаблюдаиггся. li чгм здесь дело? Постараемся ответить на этот вопрос, учитывая, чч'о (чюйства газа определяются свойствами молекул или атомов, на которых он состоит. Предположим, что в объеме комнаты находится N молечеул идеального газа. В идеальном газе молекулы движутся иракти' ч(чнси независимо друг от друга. Это означает, что каждая молекула за некоторое время может побывать в любой точке внутри комнаты за счет кратковременных столкновений между coOoii н со стенами комнаты. Если мысленно разделить комнату перегородкой на две рав-m.ie половины, правую и левую, то в силу независимости движ(^-мня молекул можно считать, что каждая молекула одинаково часто, или с равной вероятностью, может находиться как справа, так и слева от перегородки. Вероятность обнаружить ее в одной из половин комнаты равна 0,5. Ситуация здесь напоминает известпую игру с отгадыванием выпадения «орла» или «решки» при подбра-(члвании монеты. Теперь рассмотрим возможные расположения двух молеку.м в комнате относительно перегородки. Так как молекулы движут- г.я независимо друг от друга, положение одной из них никак м<' влияет на положение другой молекулы. Тогда каждому возможному расположению одной молекулы следует сопоставить вс<‘ возможные расположения другой молекулы. Число возможных расположений двух молекул относительно ш^регородки Wg будет равно произведению возможных расположений каждой молекулы относительно перегородки (рис. 4), т. (\ = 2 • 2 = 4. Рис. 4. Возможные расположения двух молекул относительно перегородки 33 природные процессы Для трех молекул число ио;шожиых [)асш>ложоиий относительно перегородки будет равно произведению W,^ на два возможных расположения третьей молекулы (рис. 5): ^3 = W^-2 ^1^ О 0 о • о о Рис. 5. Возможные расположения трех молекул относительно перегородки Из рисунков видно, что ситуация, при которой все молекулы находятся по одну сторону от перегородки, например справа от нее, реализуется только в одном случае как для двух, так и для трех молекул. Рассуждая аналогичным образом, можно показать, что для N молекул идеального газа общее число возможных расположений относительно перегородки равно ... • 2 = 2^. 2 • 2 При этом опять только одно расположение соответствует случаю, когда все молекулы соберутся справа от перегородки. Считая, что каждое возможное расположение молекул ничем не хуже другого, можно сделать вывод о том, что при N выборочных наблюдениях за расположением молекул в комнате только один раз можно обнаружить их все справа от перегородки. Следовательно, частота такого расположения молекул, или вероятность такого события, равна 1/2^. 34 Ммрмдок, iM>pviyU)K, (MipoiiHM, тн]м1|>м.|ци\7 §7 Ь]сли для величины N принять значение нос'гоянной Лногадро /Уд, равное числу молекул и одном моле вещества 6,02 • К)'’**, то вероятность появления интересующего нас события будет рай на 1/(6,02 • 10^^), т. е. практически равна нулю. Каждое из возможных расположений молекул, соответсугвую щее определенному состоянию макроскопической системы, назы ваотся микросостоянием. Из проведенных рассуждений видно, что одним состояниям макросистемы соответствует сразу несколько микросостояний, на пример для случая равномерного распределения молекул относи тельно перегородки, а другим — только одно или небольшое чи<-ло микросостояний. Для характеристики числа возможных состояний макросист<^мы ввели особое понятие, соответствующее бытовым представлениям. Состояние макросистемы, которое реализуется малым числом микросостояний, называется упорядоченным состоянием мак1)о-системы или порядком. Состояние макросистемы, которое реализуется большим чис лом микросостояний, называется беспорядочным, случайным состоянием , или хаосом. Равновесное состояние как раз соответствует состоянию xao(^■^ в макросистеме. Количественную меру беспорядка в макросисчч^-мах впервые ввел немецкий физик Р. Клаузиус в 1865 г. Величину, характеризующую беспорядок в системе, он назвал энтропией. Энтропия обозначается латинской буквой S. Австрийский физик Л. Больцман предложил выражать энтрс)-нию как меру беспорядка через число микросостояний W, Однако макросистема состоит из большого числа микрочастиц и число (м^ возможных состояний огромно. Это очень затрудняет использование величин, связанных с такими числами. Поэтому Больцман предложил считать энтропию пропорциональной натуральному логарифму W, поскольку натуральный логарифм большого числа намного меньше самого числа. Коэффициентом пропорционал!.-ности служит постоянная Больцмана k = 1,38 * 10”^^ Дж/К в системе СИ. Таким образом, энтропия ' /. •:Х и S = fe InW. Эта формула выбита на могильной плите Больцмана в Вене. Природные процеооы О О Из этой формулы видно, что энтропия зависит только от числа микросостояний, которые формируют определенное состояние макросистемы. Поэтому если в результате различных взаимодействий макрообъект возвращается в исходное состояние, то его энтропия не меняется. Энтропия замкнутой системы, предоставленной самой себе, может только увеличиваться. Это важное свойство энтропии делает понятной причину преимущественного направления протекания многих процессов в макросистемах, например процесс релаксации замкнутых систем к равновесному состоянию. Энтропия — аддитивная величина. Это означает, что энтропия макросистемы равна сумме энтропий ее отдельных частей. Аддитивность энтропии есть следствие того, что число возможных микросостояний системы равно произведению числа возможных микросостояний ее отдельных частей. Если макросистема взаимодействует с другой макросистемой, то ее энтропия может измениться. Разность энтропий в конечном и начальном состояниях макросистемы будет характеризовать изменение ее состояния. Если взаимодействие связано с измерением определенной величины, характеризующей состояние системы, то изменение энтропии можно принять за меру информации, полученной о системе в результате измерения. Подведем итоги В состоянии теплового равновесия макросистема характеризуется однородностью ее параметров в пространстве и их постоянством во времени. Это свойство связано с тем, что при тепловом равновесии состояние макросистемы характеризуется максимальным числом доступных микросостояний. Говорят, что в этом случае макросистема находится в состоянии максимального беспорядка. Для количественной характеристики степени беспорядка в макросистеме вводится понятие энтропии. Энтропия — это функция состояния системы. Ее величина определяется формулой Больцмана S = k InW. 36 Порядок, беспорядок, энтропия, информоция • Энтропия — аддитивная величина. Применяется для оцсмиси информации, полученной при измерении параметров макросистемы. Что нужно обязательно запомнить • Определение порядка и беспорядка в макросистеме . Что необходимо понять и усвоить • Цель введения понятия энтропии. • Как с помощью энтропии можно оценить степень порядка и беспорядка в системе. Что нужно научиться делать • Записывать формулу Больцмана и давать ее словесную формулировку. Контрольные вопросы 1. Какое состояние макросистемы называется упорядоченным? 2. Какое состояние макросистемы называется случайным, беспорядочным? 3. Как энтропия связана с числом доступных микросостояний в мак1>о-системе? 4. В чем сходство энтропии с внутренней энергией системы? 5. Почему энтропия макросистемы максимальна в состоянии теплового равновесия? 6. В каких случаях энтропия может убывать в макросистемах? Задание Приведите примеры природных процессов, происходящих с увеличен-нием и уменьшением энтропии. А 37 природные процессы §8 Второе начало термодинамики О чем пойдет речь О содержании второго начала термодинамики и примерах его применения для описания природных процессов. о Обсудим затронутые проблемы Понятие энтропии широко применяется для описания состояния макрообъектов (макросистем), состояпдих из множества отдельных частиц. Независимо от природы макросистем все они, предоставленные самим себе, проявляют аналогичное поведение. Под действием внутренних механизмов макросистемы стремятся занять состояние с максимальным значением энтропии, т. е. состояние с максимальной степенью беспорядка (хаоса). Переход изолированных макросистем из упорядоченного состояния в состояние беспорядка — это необратимый процесс. При переходе в состояние беспорядка энтропия изолированной системы растет. Следовательно, рост энтропии со временем можно принять за меру необратимости макропроцесса. Действительно, если макросистема находится в состоянии теплового равновесия, то энтропия этой системы максимальна. Любые обратимые изменения состояния системы в этом случае не приведут к изменению ее величины, т. е. AS = 0. Если же процесс необратим, то AS >0. Обобщая эти два случая, можно сделать вывод о том, что при любых процессах в замкнутых системах для изменения энтропии справедливо соотношение AS > 0. Это утверждение составляет содержание второго начала термодинамики. Если система не замкнута, т. е. взаимодействует с другими телами или физическими полями, то изменение ее энтропии AS определяется суммой двух слагаемых. Одно слагаемое — AS^^^^^ зависит от изменения энтропии за счет внутренних процессов в системе. Другое слагаемое — AS — зависит от изменения энтропии при взаимодействии с внешней средой. 38 m;i4;ijio и)|)мп;^им.1мики §8 'Гаким образом, mo^iciio затюать AS AS„„y^p -h ASgjjgjjj. Первое слагаемое всегда больше или равно нулю, вторсм» ела гаемое может быть как больше, так и меньше нуля в зависимости от характера взаимодействия. Было установлено, что при тепловом взаимодействии П1)и т<^м 1К'ратуре Т изменение энтропии AS равно отношению количс BH0IU __ стиа теплоты AQ, переданного системе, к температуре Т: ^•^внеш “ AQ/T. Ясно, что при этом AS увеличивает энтропию системы. 1']сли В процессе теплового взаимодействия система передает окру жаюпдей среде некоторое количество теплоты, то AS „ умсиыиа ('т энтропию системы. С учетом последнего соотношения рассмотрим изменение он тропии в замкнутой системе из двух тел А и Б с начальными tv.m исратурами и соответственно в процессе установления t 0, 'ГПК как > Tq. Постепенно температура тел в процессе релаксации будет bi»i-равниваться, и, пока температуры тел не сравняются, последнее* неравенство будет выполняться. Таким образом, при устаноилс'-нии теплового равновесия в замкнутой системе из двух тел энтропия системы возрастает. Учитывая, что увеличение энтропии есть признак необратн мости процесса в замкнутой системе, можно утверждать, что про п,есс установления теплового равновесия между телами в замкнутой системе есть необратимый процесс. Нельзя, таким образом. о 39 Природные процессы о ожидать самопроизвольной количосп'ва ч'снлоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой без того, чтобы во внешней среде не произошло каких-то изменений. Другими словами, чайник, стоящий на газовой или электрической плите, никогда не закипит за счет энергии молекул воздуха в комнате. Чтобы вода в чайнике закипела, нужно включить газовую горелку или электрический нагреватель. Второе начало термодинамики проявляется во многих природных процессах. Так, например, молекулы полимеров, которые состоят из множества звеньев, имеющих за счет ковалентных связей относительную подвижность, самопроизвольно сворачиваются в клубок. Такая пространственная структура обладает максимальной энтропией. Аналогичное поведение характерно и для биологических полимеров — белков, ДНК, РНК, играющих важную роль в протекании биологических процессов. Причины загрязнения окружающей среды, глобального потепления также можно понять, применив для описания процессов на Земле второе начало термодинамики. Рассмотрим Землю как замкнутую систему, включающую биологические объекты и неживую природу. Со временем в процессе биологической эволюции энтропия биологических объектов уменьшается. Поэтому энтропия неживой части Земли должна увеличиваться из-за роста энтропии для замкнутой системы с необратимыми процессами. Следствием увеличения энтропии является глобальное потепление, угрожающий рост отходов производства и бытового мусора, распространение радиоактивных отходов, химических веществ, наносящих непоправимый вред здоровью людей. Второе начало термодинамики обладает большой общностью. Его можно применять к макрообъектам любой природы, что позволяет рассматривать его как естественнонаучный принцип, имеющий широкую область применения. Учет ограничений, вытекающих из второго начала термодинамики, играет большую роль в органичном взаимодействии человека и природы, гармоничном развитии цивилизации. Подведем итоги ® Энтропия — понятие, применяемое для описания процессов в любых макросистемах. Замкнутые макросистемы любой природы, предоставленные самим себе, переходят в состояние 40 Второе нач.шо тпрмо;^ии.1Мики С максимальной :)ит|к>1пи‘й. Измеиеши? апч^юпип характсрпау от необратимость природных процессов. Для замкиут!.1х мак росистем изменение энтропии со временем Л8 > 0. • Это утверждение составляет содержание общего сстости(мто научного принципа — второго начала термодинамики, имею щего большое значение для понимания развития природных процессов. Что нужно обязательно запомнить • Формулировку второго начала термодинамики. Что необходимо понять и усвоить • Причины увеличения энтропии в замкнутых макросистемах. Что нужно научиться делать • Оценивать возможный ход процессов в макросистемах с уч(‘ том второго начала термодинамики. Контрольные вопросы 1. Как изменение энтропии связано с необратимостью процессов и мак‘ росистемах? 2. Почему процесс установления теплового равновесия в замкнутом системе является необратимым процессом? 3. Можно ли считать, что Вселенная со временем перейдет в состоямт* теплового равновесия, т.е. в состояние «тепловой смерти»? 4. Является ли Земля замкнутой системой? 5. Как изменяется энтропия Земли за счет солнечного излучения? Задание л Приведите примеры, характеризующие рост энтропии на Земле, 41 Природные процессы §9 Тепловые двигатели О чем пойдет речь О принципе действия тепловых двигателей как устройств, преобразующих тепло в работу. Об экологических проблемах, связанных с применением тепловых двигателей. Обсудим затронутые проблемы о Преобразование теплоты в работу имеет большое практическое значение. Было бы очень заманчиво создать такой периодически работающий двигатель, в котором вся энергия в виде теплоты, подводимой к рабочему телу, превращалась в полезную работу. Второе начало термодинамики запрещает создание такого двигателя, Почему? Рассмотрим тепловой двигатель как макросистему, которая может совершать работу за счет внутренних процессов. Предположим, что в состав теплового двигателя входит нагреватель с температурой и рабочее тело, которому в процессе работы двигателя передается от нагревателя количество теплоты AQ^. Это количество теплоты полностью преобразуется в работу, после чего рабочее тело переводится в исходное состояние. Не будем уточнять, как это можно осуществить; предположим, что каким-то образом это можно сделать. В результате одного такого воображаемого цикла состояние рабочего тела не изменится, и количество тепла AQ полностью преобразуется в работу. С точки зрения второго начала термодинамики такой процесс невозможен, так как энтропия рабочего тела не должна меняться, если его первоначальное состояние восстановлено, а в рассмотренном цикле она повышается на величину AQ /Т . Н Н Для того чтобы тепловой двигатель удовлетворял требованиям второго начала термодинамики, необходимо, чтобы изменение энтропии рабочего тела после совершения рабочего цикла равнялось нулю. Этому условию можно удовлетворить, если предусмотреть в составе теплового двигателя холодильник с температурой которому рабочее тело передаст такое количество теплоты AQ, чтобы изменение энтропии за один цикл было нулевым. хол 42 IfMIIIUIlMC .IMMU1 §9 Ксли AQJT^ AQ /Т у то измеиепио зптропии буд(*т райпо пулю при условии, что других причин для изменения 3HTi)()iimi а даигателе нет. Такой двигатель называется идеальным тепловым днигат<'-лом. Впервые теорию идеального двигателя разработал француз гкий инженер Сади Карно в 1824 г. Применяя для анализа раПо ты такого двигателя первое и второе начала термодинамики. Кар МО вычислил коэффициент его полезного действия (КПД). Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигатс ля I] называется величина, численно равная отношению полезно!! работы, совершаемой двигателем за рабочий цикл, к энергии, за т|>аченной за цикл. Полезная работа, как следует из первого начала термодинами ки, АА = AQ - AQ , так как количество теплоты AQ„, получ(мг мое от нагревателя, идет на полезную работу АА и количество t(mi лоты, переданное холодильнику. Следовательно, КПД идеальной тепловой машины равен л = AA/AQ„ = = 1 - AQ,„,/AQ„. С учетом второго начала термодинамики 4» 4» AQ /AQ =Т /Т . ^хол' хол' н Следовательно, Л 1 ^хол/^н* Из этой формулы Карно видно, что КПД идеальной тепловоГ! машины при конечных значениях температуры нагревателя и холодильника всегда меньше единицы. КПД реальных двигателей сщ<* меньше и составляет 60-80% от КПД идеальной тепловой машины. Наибольшее распространение получили тепловые двигатели, а которых используется энергия нагретого водяного пара или знергия топлива. К таким тепловым двигателям относятся najx)-иые двигатели и двигатели внутреннего сгорания. Паровые двигатели, в свою очередь, делятся на двигатели возвратного типа и паровые турбины. В двигателях возвратного типа (см. цветной блок: рис. ЦК)) возвратно-поступательное движение поршня преобразуется но вращательное движение с помощью кривошипно-шатунного механизма. 4> 44 природные процессы в паровых турбинах (см. цветной блок: рис. ЦП) пар под вы-о соким давлением поступает на лопатки турбины, заставляя ее вращаться, и после совершения работы уходит в конденсатор. О Двигатель внутреннего сгорания работает по четырехтактной схеме. Во время первого такта смесь из воздуха и бензина через впускной клапан поступает в цилиндр при движении поршня вниз. Во втором такте поршень движется вверх и сжимает горючую смесь. В момент максимального сжатия смесь поджигается с помощью электрической искры. При этом температура и давление продуктов сгорания резко возрастают. В третьем такте происходит рабочий ход поршня. Под действием силы давления поршень идет вниз. Сила давления совершает положительную работу. В заключительном, четвертом, такте поршень идет вверх, открывается выпускной клапан, и отработанные газы удаляются в атмосферу. Как видно из описания принципа действия конкретных тепловых двигателей, они оказывают существенное влияние на окружающую среду. Прежде всего, все тепловые двигатели увеличивают температуру окружающей среды и ее энтропию. Особенно вредными являются двигатели внутреннего сгорания, которые засоряют атмосферу, почву, воду не только тепловыми отходами, но и продуктами сгорания топлива, содержащими тяжелые металлы, канцерогенные вещества, углекислый и угарный газы. Подведем итоги Преобразование теплоты в работу в циклически действующей тепловой машине может быть осуществлено лишь частично. Коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины можно определить, используя первое и второе начала термодинамики. Французский инженер С. Карно определил зависимость между КПД идеальной тепловой машины и температурами нагревателя и холодильника этой машины: Л = 1 - Г /Г . ' хол' н 44 ТсПЛОИЬМ* Д1‘И1 ,1 МЧ1И ш • кпд реальных топлотих машин составляет (И) 80‘М» от 1С11Д идеальной машршы. • Наибольшее распространение получили паровые тоилов1»м» ма шины и двигатели внутреннего сгорания. • Работа тепловых машин приводит к загрязнению окружай» щей среды. Особенно опасными являются двигатели впутрсм! него сгорания, так как продукты сгорания автомобильного топлива содержат вредные для здоровья человека вещества. Что нужно обязательно запомнить • Формулу Карно для КПД идеальной тепловой машины. Что необходимо понять и усвоить • Причину невозможности полного преобразования в дикли'к* ской тепловой машине количества теплоты, полученного ра бочим телом от нагревателя, в работу. Что нужно научиться делать • Выводить формулу Карно для КПД идеальной тепловой ма шины, используя первое и второе начала термодинамики. Контрольные вопросы 1. Почему нельзя получить для тепловой машины КПД =1? 2. Можно ли полностью преобразовать количество теплоты в работу в незамкнутом процессе? 3. Почему КПД реальных тепловых машин меньше КПД идеал1.пой тепловой машины? 4. Можно ли уменьшить вред, наносимый тепловыми машинами? Задание /\ к I Сделайте презентацию о видах тепловых машин, используя интг|> нет-ресурсы. Природные процессы §10 Процессы самоорганизации О чем пойдет речь О процессах в макросистемах, которые приводят к образова нию упорядоченных структур, и примерах самоорганизации среди природных объектов. о о Обсудим затронутые проблемы Многочисленные эксперименты с макроскопическими системами позволили установить характерные особенности изменения их состояния во времени. Если система замкнутая, т. е. ее энергией взаимодействия можно пренебречь по сравнению с внутренней энергией системы, то она переходит в состояние теплового равновесия с максимальным значением энтропии. Состояние с максимальным значением энтропии называется хаосом или состоянием максимального беспорядка. Наблюдения над системами в состоянии теплового равновесия показали, что энтропия таких систем может самопроизвольно изменяться на небольшую величину, а затем снова релаксировать к своему максимальному значению. Это происходит в том случае, когда плотность частиц самопроизвольно увеличивается или уменьшается в некоторой части объема, занимаемого системой. В частности, такое явление впервые наблюдал шотландский ботаник Роберт Броун (1773-1858) в 1827 г., когда под микроскопом увидел беспорядочное движение цветочной пыльцы в воде. Сначала Броун подумал, что обнаружил микроскопический организм. Но затем он выяснил, что это не так. Беспорядочное движение совершали и другие мелкие частицы независимо от своего природного происхождения. Такие частицы теперь называются броуновскими частицами, а их хаотическое движение — броуновским движением. Это движение, как оказалось, было вызвано хаотическим движением молекул воды. Случайные движения молекул вызывали отклонение концентрации молекул воды от их равновесного значения. Такие случай- 46 11|)оц(м:<:ы c.iMOopi .ти 1.|ции ну; 4^ m.K' отклонения случайных ш^личии от (!Нопх (*р('дчнх aimarmiu называются флуктуациями. Из-за флуктуаций плотности моды число соударении молекул с пыльцой с разных ее сторон м<‘(» мрс мя менялось, что приводило к беспорядочным смещениям ча<’'т цы. Количественное описание броуновского движения дал Л./н. Ги»рт Эйнштейн в 1905 г. В замкнутой макросистеме флуктуации возникают и исчезаи»т за счет процессов взаимодействия отдельных составляющих мак росистемы. Можно сказать, что все попытки изолированной макросистемы выйти из состояния хаоса пресекаются теми процсчгса ми, которые происходят внутри системы. Особенность такого взаимодействия заключается в том, чч'о любое кратковременное внешнее воздействие на систему со ир('М(* и(?м равномерно распределяется между всеми частицами системы, ||(» изменяя, по существу, ее состояния, В природе большинство макросистем взаимодействуют с дру гими макросистемами, поэтому их нельзя рассматривать как изо лированные системы. Примером таких систем являются жииые организмы. Возникает проблема описания изменения состояния зтих систем со временем. Что будет с макросистемой, если она обменивается с друг(И1 системой энергией, веществом и информацией? Такие системы, и отличие от изолированных систем, называются открытыми системами. Не может ли случиться в открытых диссипативных мак-, росистемах такая ситуация, при которой возникшая флуктуация МО затухает, а увеличивается до некоторого уровня, что приводп г к уменьшению беспорядка в макросистеме? Процесс уменьшения беспорядка в открытой диссипатиино11 макросистеме называется процессом самоорганизации. Рассмоч* РИМ несколько примеров процессов самоорганизации в открытых макросистемах. В 1903 г. голландский физик X. Бенар наблюдал самопроиз мольный процесс образования шестиугольных ячеек в слое жид 1СОГО масла. Если масло налить на плоскую сковороду слоем тол щииой около 1 см и подогревать его снизу, то при некоторой разности температур между нижней и верхней поверхностями мае.л а м иом возникнут характерные конвективные потоки. Эти потоки образуют на поверхности масла регулярно расположенные ячейки пкчугиугольной формы, похожие на пчелиные соты. Ячейки получили название ячеек Бенара (рис. 6). 4» Поиоодньге процессы Рис. 6. Ячейки Бенара о Образование ячеек Бенара — это следствие процесса самоорганизации, в котором участвует огромное число молекул масла. Масло в этом случае является открытой диссипативной системой, состоящей из множества отдельных частиц, молекул, между которыми действуют силы межмолекулярного взаимодействия. Эффект самоорганизации проявляется только при определенной разности температур между нижней и верхней поверхностями слоя масла. Если разность температур имеет значение, выходящее за пределы некоторого интервала для этой разности, то эффект не наблюдается. Говорят, что разность температур является управляющим параметром, от величины которого зависит развитие процесса самоорганизации. В явлениях самоорганизации другой природы управляющий параметр может быть совершенно иным. Вторым примером самоорганизующейся системы служит совокупность фотонов лазерного излучения. При взаимодействии излучения со средой с инверсной населенностью, помещенной в резонатор, возникает когерентное лазерное излучение. Управляющим параметром здесь является мощность источника энергии, обеспечивающего необходимый уровень инверсной населенности в среде. Третий пример процессов самоорганизации относится к химическим явлениям. Советский ученый Б. П. Белоусов в 1957 г. открыл необычную химическую реакцию. Впоследствии было обна- 48 Процессы coMoopi ;и1и:к1ции § 10 ружемю много подобных |)г*1кций, но сначала никто \w. xorомни организации живых систем: I ) молекулярно-генетический; 2) клеточный; 3) организменный; 4) популяционно-видовый; 5) биогеоценотический; 6) биосферный. Как и в случае неживых объектов, каждый уровень организа-II,ИИ характеризуется своим элементарным составом, структуро!*!, изаимодействием между отдельными составляющими системы. К молекулярно-генетическому уровню относятся биополимер ры РНК, ДНК, белки и простейшие биологические объекты, ко- ‘ горые не могут самостоятельно жить, но содержат необходимую своего размножения генетическую информацию. Это вирусы, иирионы, плазмиды, в состав которых входят РНК, ДНК и белки. Колее подробно об особенностях элементов каждого уровня мы узиаем позже, по мере изучения учебного материала. Клеточный уровень включает в себя различные виды клеток, одноклеточные организмы, клеточные образования в виде отдельных тканей и органов. Организменный уровень характеризует живые организмы но иг(рм их разнообразии. Следует отметить, дчто у одноклеточных организмов клеточный и организменный уровни совпадают. Популяционно-видовой уровень соответствует отдельным видам и популяциям живых организмов, в которых со временем проявляются генетические изменения. Биогеоценотический уровень характеризует различные эко-ciKvreMbi. о о о о Жизнь как П|>иродно« явление О О Биосферный уровень соответствует планетарным проявлениям жизни на Земле. Этот уровень содержит уникальный природный объект — биосферу, представляющую собой результат сложного взаимодействия всего живого на Земле (биоты) с неживыми оболочками Земли: литосферой, гидросферой и атмосферой. При изучении свойств живых систем, как и при изучении неживых объектов, исследователи попытались найти элементарный носитель типичных особенностей живых объектов. Затем, учитывая особенности взаимодействия элементов на каждом структурном уровне организации живых объектов, «построили» все разнообразие живого мира. Подобный прием был успешно использован при изучении свойств объектов неживой природы. Материальное единство живых и неживых объектов дает основание предполагать, что такой подход эффективен и при изучении живых систем. Действительно, оказалось, что элементарным носителем всех характерных свойств и функций живых объектов является клетка. С изучения клетки мы начинаем познание удивительного мира живой природы, разнообразной по своим проявлениям и свойствам. Подведем итоги Среди планет Солнечной системы только на Земле существует уникальное природное явление под названием жизнь. Жизнь — это способ существования сложных открытых систем, которые обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Эти системы способны размножаться, приспосабливаться к изменениям в окружающей среде, наследовать от предков полезные свойства, поддерживать свое состояние на оптимальном уровне для обеспечения собственного существования. Живые объекты, подобно неживым объектам, можно классифицировать по уровням их системной организации. В порядке возрастания сложности различают следующие уровни организации живых систем: 1) молекулярно-генетический; 2) клеточный; 58 Биосистемная организация жизни 3) организмениый; 4) популяционно-видоный; 5) биогеоценотический; 6) биосферный. • Элементарным носителем всех характерных свойств и фупк ций живых объектов оказалась клетка. Что нужно обязательно запомнить 1. Особенности живых систем. 2. Структурные уровни организации живых систем. Что необходимо понять и усвоить • Сходства и различия живых и неживых систем. Что нужно научиться делать • Называть представителей живой природы для каждого уровня организации живой природы. Контрольные вопросы 1. Что такое жизнь? 2. Какие объекты природы можно называть живыми? 3. В чем сходство и различие между живыми и неживыми природными объектами? 4. Какие уровни организации живых объектов существуют в природе? Задание А Приведите примеры представителей живой природы для каждого уровня организации живой природы. 59 Жизнь как природное явление О О § 14 Клеточное строение живых организмов. Дифференциация клеток в организме О чем пойдет речь Об экспериментальных доказательствах клеточного строения живых организмов, классификации клеток, их строении и разнообразных функциях. Обсудим затронутые проблемы Клеточное строение живых объектов было экспериментально установлено методом наблюдения английским физиком Робертом Гуком в 1665 г. с помощью оптического микроскопа. В своей книге «Микрография» Гук привел зарисовки ячеистой структуры тонкого среза пробки, которую он наблюдал с помощью микроскопа. Эти элементарные ячейки, из которых состояла пробка, Гук назвал клетками. В 1831 г. английский ботаник Роберт Броун установил, что клетка имеет ядро. После изобретения электронного микроскопа в 1931 г. появилась возможность изучать внутреннее строение клетки во всех деталях. В результате многолетних исследований было установлено следующее: • все организмы состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности; • клетки всех организмов имеют одинаковую структуру; ® любая клетка образуется только из другой клетки в результате деления. Эти положения составляют основу клеточной теории. В каждой клетке имеется наружная оболочка — плазматическая мембрана. Внутри клетки находятся цитоплазма, содержащая отдельные составляющие, — органеллы, или органоиды, и ядро или ядерную область. В зависимости от строения цитоплазмы и ядра все клетки делятся на прокариоты и эукариоты. Установлено, что в процессе развития жизни на Земле прокариоты возникли раньше эукариот. В эукариотных клетках ядро представляет собой внутреннюю область клетки, окруженную мембраной. В прокариотных клет- 60 к iKM о'и и и ' f; I ро(мт< ‘ жиммх (>| )г , ти 1М< »м ГЖЦ к'пх нмосто ядра (‘гт1. гаи пиамиасшая пуклсчитрмая оПласть иуклеоид, не содержащт! ()ТД(мм»иой оболочки. Эти к.м(*тки paa.Mii чаю'гся и строением ци'гои.маамы. Внутреннее строение прокариотной и эукариотной клс'ток im аааапо на рис. Ц12 (см. цветной блок). Плазматическая мембрана животной клетки при маблюдстш а электронный микроскоп выглядит как пленка толщиной 7,Г> 8 им. Эгу пленку образуют молекулы липидов, расположенные в два ряда. И пленку вкраплены отдельные молекулы белков, кото])Ы(' могут м(*мять свое расположение относительно молекул липидов. К липидному слою снаружи клетки прилегает надмсмбран- III.IH слой, образованный молекулами углеводов. С внутрсчпкч'! гмороны мембраны располагается подмембранный слой, сос'гоя щпй из белковых структур. Поверхностный слой животных к.мг ГОК называется гликокаликс. Это тонкий, меньше 1 мкм, элас гичный слой, состоящий из разнообразных белков и полисахарп дов. Основная функция гликокаликса — обеспечение связи /Кпвотных клеток с внешней средой. Совокупность перечисленных поверхностных структур об(х*и(‘ •швает стабильность химического состава клетки, ее обмен с окру лсающей средой химическими веществами, защиту клетки от и(' о,ма1’оприятных внешних воздействий. Строение поверхностного слоя животной клетки показано на рис. Ц13 (см. цветной блок). Органоиды, входящие в состав цитоплазмы, обеспечивают иольшинство жизненно важных функций клетки. К числу органо ‘ адов, общих для всех клеток, относятся: эндоплазматическая гс'гь, рибосомы, комплекс Гольджи, мезосомы, митохондрии. В специализированных клетках имеются органоиды специаль ного назначения. Примерами таких органоидов служат пластиды. 1М‘нтриоли, органоиды движения, вакуоли. Пластиды имеются в растительных клетках, центриоли и клетках животных и грибов, некоторых низших pacTOHiiii. Пр|'аноиды движения, реснички и жгутики, характерны для ш* которых одноклеточных организмов. Вакуоли имеются в однокл(* 1ч>чных и низших многоклеточных организмах. Ядро эукариотной клетки окружено мембраной с порамР!, ко-■го|)ыми оно связано с каналами эндоплазматической сети клетки. Ч(*|)оз поры происходит непрерывный обмен химическими в<^ |ц(Ч!твами между ядром и цитоплазмой. Клетка имеет одно или несколько ядер. Размер ядра в разн1»1х кл(П'ках может быть от 0,5 до 500 мкм. Внутри ядра находится о II Жизнь как природнив явланиа О О О кариоплазма, содержащая хроматин и ядрышки. Ядрышки представляют собой плотные участки, содержащие молекулы РНК, Хроматин содержит хромосомы, состоящие из молекул ДНК и белков. Хромосома имеет перетяжку — центромеру, которая делит хромосому на две, чаще всего неравные части. Хромосома внутри ядра находится в своеобразной упаковке из специфических белков — гистонов. Хромосомы воспроизводят и передают наследственную информацию в процессе жизнедеятельности клетки и организма в целом. Через ядерную оболочку внутрь ядра поступают белки, необходимые для упаковки хромосом и осуществления процессов воспроизведения и передачи наследственной информации при делении клетки и синтеза белков в цитоплазме. Из ядра в цитоплазму переходят молекулы РНК, содержащие информацию, необходимую для синтеза белков. Белки синтезируются в рибосомах цитоплазмы из аминокислот, поставляемых к месту сборки молекулами транспортных РНК. Сборка белков выполняется в соответствии с информацией, заложенной в информационных РНК. В комплексах Гольджи синтезированные белки сортируются и распределяются по функциональному назначению (см. цветной блок: рис. Ц14). Таким образом, в клетке существует своеобразная обратная связь, характерная для систем, в которых осуществляются процессы самоорганизации. Эукариотные клетки представителей отдельных царств (см. § 4 в «Естествознании-10»), несмотря на сходство основных составляющих, имеют различия. В растительных клетках плазматическая мембрана окружена снаружи клеточной стенкой из целлюлозы. Резервным питательным углеводом в клетках служит крахмал. В цитоплазме клетки имеются различные пластиды и центральная вакуоль, часто отодвигающая ядро на периферию клетки. В клетках грибов клеточная стенка состоит из хитина — строительного материала внешнего скелета насекомых. Присутствует центральная вакуоль, но отсутствуют пластиды. Запасным углеводом является гликоген. В клетках животных отсутствуют плотная клеточная стенка, пластиды и центральная вакуоль. Имеется центриоль. Резервным углеводом служит гликоген. 62 ............ слрионио жиных opi ;|||и;1М()11 § 14 В цитоплазм(‘ клггпк мгсх организмов около ядра рагполагагг гя клеточный центр. И состав клеточного центра животтлх и миа тих растений входит центриоль. Она состоит из микрот|)уГ)очск, образующих две удлиненные гранулы, расположенные 11ершч1дм кулярно друг другу. Размер клеток в среднем составляет примерно несколько дс*-сятков микрометров. Бывают клетки меньших и больших раз мсров. Живая клетка способна выполнять следующие функции: об мен веществ, рост, развитие, адаптацию, размножение. Благодаря перечисленным функциям отдельные клетки могут существова'гь как самостоятельные организмы животного или растительного мира. В многоклеточных организмах клетки дифференцированы по (функциям. Взаимодействие специализированных клеток приводит к образованию тканей, органов и систем органов. Так, например, из специализированных клеток образуются мышечные, нервные, соединительные и другие ткани. Подведем итоги Элементарной единицей живых систем является клетка. Клетка обладает всеми признаками живого объекта. В зависимости от происхождения и особенностей своего строения клетки делятся на прокариоты и эукариоты. В структуре клетки различают оболочку, цитоплазму и ядро (в эукариотах) или нуклеонарную область (в прокариотах). Химический состав всех клеток примерно одинаковый. Основные химические вещества, входящие в состав клетки, — это вода, белки, ДНК, РНК, липиды, углеводы, аминокислоты. В зависимости от принадлежности к царству животного миря различают животные, растительные и грибные клетки. В зависимости от тканевой специализации различают нервные, соединительные, эпителиальные, костные, мышечные и другие клетки. Клетки выполняют различные жизненные функции: обмен нс-ществ, развитие, рост, размножение, адаптацию и др. Клетка способна выполнять функции самостоятельного организма и входить в состав многоклеточного организма. 63 Жизнь как природное явление Что нужно обязательно запомнить 1. Строение клеток. 2. Способы классификации клеток. Что необходимо понять и усвоить 1. Назначение структурных составляющих клеток, 2. Функции клетки. Что нужно научиться делать • Называть структурные элементы клеток. Контрольные вопросы 1. Кто и когда первым обнаружил клеточное строение растений? 2. Из чего состоит клетка? 3. Чем прокариоты отличаются от эукариотов? 4. В чем отличие животных клеток от растительных? 5. Какие функции может выполнять клетка? Задания 1. Перечислите отличия животных и растительных клеток. 2. Приведите примеры одноклеточных организмов. Используя интер* нет-ресурсы, найдите изображения отдельных одноклеточных организмов. § 15 Обмен веществ в клетке. Превращение энергии в клетке О чем пойдет речь О процессах обмена веществ и энергии в клетке, о роли биомолекул в функционировании клеток. Обсудим затронутые проблемы Клетка непрерывно обменивается с окружением веществом и энергией. В стационарном состоянии клетка должна поглощать и терять равное количество химических веществ и энергии в единицу времени. 64 ()(>М4мI m ‘I *(: I м M к ii< ч кi m Перенос вещестии чгргм оболочку клетки иазммжч'ся Гмюлом1-ческим транспортом. Ниологмческий транспорт можсч* бм’п. ти* гикиьга, если осуществляется за счет диффузии и осмоса. \\ от<»м <*.аучае перенос вещества не связан с затратами энергии 1слетю1 . Возможен и активный транспорт, при котором перенос ис |ц(чугва осуществляется против перепада концентрации и иоо'гому смязан с затратами энергии. Активный перенос молекул осущ(‘ стиляется транспортными белками, которые вступают в химич<‘ ские реакции с молекулами переносимого вещества. Более крупные фрагменты вещества переносятся методом м('мбранной упаковки, что также требует затрат энергии. Таким <ч1особом может происходить как захват клеткой отдельных час 'пщ вещества, так и удаление частиц из клетки. Захват плазмати ч(ч;кой мембраной клетки твердых частиц и втягивание их внутри 1СЛСТКИ называется фагоцитозом (от греч. «фагос» — пожирач'ь и <-цнтос» — клетка). Фагоцитоз был открыт русским биологом II. И. Мечниковым во второй половине XIX в. Плазматическая мембрана может образовывать тонкие ка пальца, в которые попадает жидкость с растворенными химич(‘с к ими веществами. От канальца отпочковываются пузырьки, ко'го рые потом попадают в цитоплазму. Такой способ переноса хими чсских веществ внутрь клетки называется пиноцитозом (от гр<‘ч. Ч1ИНО» — пью и «цитос» — клетка) (см. цветной блок: рис. Ц1Г>). Пиноцитоз, приводящий к выведению вещества из клетки, иазы чается экзоцитозом; пиноцитоз, приводящий к поглощению ж* |Ц(ютва клеткой, называется эндоцитозом. Не меньшее значение в обеспечении необходимого уровня об-M(4ia веществ в клетке имеет перенос вещества через мембраны ядра, митохондрий, лизосом, эндоплазматической сети и друг'их пломентов цитоплазмы клетки. Помимо создания внутри клетки пространственных неоднородностей концентрации веществ, об(ч: ||(Ч1ивающих перенос вещества за счет диффузии, не менее важно и наличие особых белков — ферментов, осуществляющих актин иый перенос вещества во внутриклеточном пространстве. Энергия, необходимая для протекания процессов в клетке, поступает извне за счет энергии излучения, химической энергии Диффузия — это явление переноса вещества из области с болышм! концентрацией молекул в область с меньшей концентрацией за счет их беспорядочного движения. Осмос — явление переноса вещества через мембрану, полупрозрачную для молекул некоторого размера. к' ^ I 4» 1 • ^ Жизнь как природноа явление О О О сложных молекул, поступающих и клетку, или образуется за счет химических реакций внутри клетки. Процесс преобразования энергии излучения в химическую энергию органических соединений внутри клетки называется фотосинтезом. За фотосинтез в растительных клетках отвечает особое химическое вещество — хлорофилл. При поглощении квантов света молекулы хлорофилла переходят в возбужденное состояние, в котором электроны могут переместиться в другие молекулы белка на внутренней стороне мембраны хлоропластов. Часть энергии электронов идет на синтез молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), химическая энергия которой впоследствии может быть использована на поддержание внутриклеточных процессов. Под действием света (световая фаза) в хлоропластах происходит расщепление воды — фотолиз, при котором из двух молекул воды получается четыре иона водорода (протона), четыре электрона и молекула кислорода О2. Образовавшиеся электроны компенсируют электроны, потерянные хлорофиллом в световой фазе фотосинтеза, проходящей с участием излучения. Во второй фазе, без света, которая называется темновой фазой, вещества синтезируются с участием углекислого газа COg. Во время световой фазы они используются вновь для синтеза АТФ и других органических веществ. Клетки, которые получают энергию за счет энергии излучения, называются автотрофными. Это растительные клетки. Клетки, которые получают энергию за счет энергии химических связей молекул, синтезированных фотосинтезом, называются гетеротрофными. Энергия при фотосинтезе запасается в молекулах АТФ, которые содержат по три фосфатные группы, рибозу и остаток азотистого основания (аденина) (рис. 7). Молекула АТФ при отщеплении одной фосфатной группы превращается в молекулу аденозиндифосфата (АДФ) и фосфорную кислоту. При этом выделяется энергия АЕ, равная 40 кДж/моль: АТФ ^ АДФ -ЬНдРО^ -Ь АЕ. Энергия, запасенная в молекулах АТФ, используется в процессе органического синтеза внутри клетки для активного переноса вещества, для работы внутриклеточных молекулярных моторов и других целей. 66 ООМ<-‘Н • 1« и кж* I к< N ЫНг С, Макроэргические связи |_|q N С II С N СН N / НО НО 1 НО —Р-- 0-Р-- 0-Р II II II ООО СН2 о он он Рис. 7. Структурная формула АТФ Фотосинтез с участием хлоропластов является основным про цгссом производства АТФ в автотрофных клетках. В гетеротро(|» IIмх клетках образование АТФ идет за счет процессов гликоли:п1 и клеточного дыхания. В результате гликолиза, который протока |*т и цитоплазме клетки при отсутствии кислорода, из одной мож* кулы глюкозы образуется две молекулы пировиноградной кисло ■гы и четыре протона. Дальнейшие химические превращения при отсутствии кисло рода связаны с различными видами процесса брожения. При im ■HIMИИ кислорода пировиноградная кислота может окисляться до УГ.МОКИСЛОГО газа и воды в процессе клеточного дыхания. Сло5(С мыс процессы клеточного дыхания происходят в митохонд])пях к'Л('тки. Конечным результатом реакции глюкозы с кислородом )|иляется углекислый газ, вода и АТФ: ^6^12^6 В митохондриях клетки энергия аккумулируется в АТ^1> иг го.нько за счет окисления глюкозы, но также за счет жиров и 6(vi кон. Митохондрии являются, образно говоря, клеточными :)л<мс-гростанциями и аккумуляторами энергии, необходимой для осу-щ('ствления и поддержания жизненных функций клетки. Подведем итоги • Клетка — открытая биологическая система, которая обмопп нается с окружением веществом и энергией. • Перенос вещества через оболочку клетки называется биологи ческим транспортом. о а 67 Жизнь как природное явление • Активный транспорт веществ в клетке и синтез органических веществ, необходимых для поддержания жизненных функций клетки, требуют затрат энергии. • Энергия, необходимая для протекания процессов в клетке, поступает извне за счет энергии излучения или за счет химической энергии сложных молекул, переносимых в клетку. Энергия также может вырабатываться за счет химических реакций внутри клетки, которые приводят, в частности, к образованию АТФ — своеобразных аккумуляторов химической энергии. • В результате превращения АТФ в АДФ освобождается энергия, обеспечивающая протекание процессов в клетке. Что нужно обязательно запомнить • Способы обмена веществом и энергией между клеткой и окружающей средой. Что необходимо понять и усвоить • Химические и энергетические процессы в клетке полностью соответствуют фундаментальным законам природы. Что нужно научиться делать • Называть основные процессы, которые приводят к накоплению и преобразованию энергии в клетке. е Контрольные вопросы 1. Как клетка обменивается веществом с окружающей средой? 2. Для чего нужно подводить энергию к клетке? 3. Что такое фотосинтез? 4. Каков механизм запасания энергрги в клетке при фотосинтезе? 5. Откуда получают энергию гетеротрофные клетки? Задание Продемонстрируйте явление осмоса. 68 Допсние кл€1ки. Митоз. Мейоз. Оплодотворение § И» §16 Деление клетки. Митоз. Мейоз. Оплодотворение О чем пойдет речь О процессе деления клеток и его значении для функциоппро-шшия организма. Обсудим затронутые проблемы Клетка является сложной биологической системой, кото|)ая развивается во времени и в пространстве. Развитие клетки но ир<‘-мсии между последовательными делениями называется клеточным циклом. Клеточный цикл для различных клеток может продолжаться от нескольких минут до нескольких десятков лет. В к.мс-гочном цикле выделяют две фазы: период активного развитш! и ■лспзнедеятельности клетки — интерфазу, и фазу миотического дг- .11(’НИЯ. В фазе миотического деления образуются новые дочортк* юкугки, являющиеся точной копией материнской клетки, с порс*-дачей дочерней клетке необходимого генетического материала. Таким образом, при делении клетки осуществляется процесс, (31-моиоспроизводства клетки — наиболее характерный признак жп-' пых систем. В интерфазе различают три стадии развития клетки: проспи-тсч'ическую, синтетическую и постсинтетическую. На стадии пресинтетического развития клетки происходя'!' рост клетки и синтез белков, ферментов, аминокислот, РНК, ДИК II других органических веществ. Пресинтетическая стадия про-до.пжается до тех пор, пока в клетке не будут созданы в необходимом ассортименте и количестве органические вещества, требуемые для синтеза ДНК и удвоения хромосом. Процесс удвоения хромосом осуществляется на следующем*!» синтетической стадии развития интерфазы. На постсинтетической стадии интерфазы происходит подготовка к процессу деления клетки. Деление клетки осуществляется в виде митоза или мейозз я зяинсимости от вида клетки. Митоз — это деление соматической юи‘тки, мейоз — это деление половой клетки (гаметы). о о о 69 Жизнь как природное явление О О О о Митоз можно разделить иа четыре о'гдельные (1)азы деления клетки: профазу, метафазу, анафазу и телофазу. В профазе происходит деление центриолей, которые после деления в конце профазы расходятся друг от друга в противоположные стороны. Одновременно в ядре идет процесс спирализации хромосом. Ядрышко исчезает, ядерная оболочка растворяется, и хромосомы оказываются в цитоплазме. Между центриолями формируется веретено деления из микротрубочек центриолей. Затем в метафазе хромосомы выстраиваются в плоскости деления, микротрубочки веретена прикрепляются к центромерам хромосом. В анафазе происходит деление центромер, затем нити веретена деления сокращаются, и отдельные хроматиды хромосом расходятся к противоположным полюсам деления. В телофазе разошедшиеся хромосомы окружаются мембранами ядерных оболочек и деспирализуются. Формируются ядра дочерних клеток. Образуется перетяжка. Разделяется цитоплазма. Отдельные этапы митоза показаны на рис. 8. Клетки, образованные в результате деления, вступают в стадию интерфазы. По продолжительности интерфаза значительно превышает митоз клетки. Для большинства клеток митоз длится 1-2 ч, а интерфаза — 6-8 ч. В результате митоза каждая дочерняя клетка приобретает тот же набор хромосом, что и материнская клетка. Это гарантирует нормальное развитие и функционирование дочерних клеток, так как вся генетическая программа содержится в хромосомах. Если в результате деления клеток число хромосом будет отличаться от числа хромосом в материнской клетке или нарушится их внутреннее строение, то клетка будет неправильно развиваться и даже может погибнуть. М е й о 3. Кроме митоза клетки могут делиться в процессе мейоза (рис. 9), когда в результате деления клетки с двойным, или диплоидным, набором хромосом получаются дочерние клетки с одинарным, гаплоидным, набором хромосом. Мейоз осуществляется в две стадии, очень похожие на процесс митоза. Каждая стадия состоит из профазы, метафазы, анафазы и телофазы. В профазе — первой стадии деления при мейозе происходит спирализация хромосом. В конце профазы спирализация заканчивается и хромосомы приобретают характерные для них форму и размеры. Хромосомы каждой пары, т. е. гомологичные хромосомы, соединяются друг с другом и скручиваются. Этот процесс 70 Д<'п<*ип<‘ кжмки Мии) М<‘И(>*. Or тодо I m 1| м *нп(' ход М ИТОЗА ФАЗЫ ПРОЦЕССЫ Профаза (Ш \Л у Хромосомы спирализуются, в результате чего становятся видимыми. Каждая хромосома состоит из двух хроматид. Ядерная оболочка и ядрышко разрушаются. Центриоль удваивается в клетках животных Метафаза Хромосомы располагаются по экватору клетки, образуется двухполюсное веретено деления Анаф^а уЙу Центромеры делятся, и хроматиды (дочерние хромосомы) расходятся с помощью нитей веретена деления к полюсам клетки Телофаза Исчезает веретено деления. Вокруг разошедшихся хромосом образуется новая ядерная оболочка. Возникают две дочерние клетки Рис. 8. Основные этапы митоза Iшзывается конъюгацией хромосом. Во время конъюгации оч'-дельные гомологичные хромосомы обмениваются участками 1'снами (обмен называется кроссинговером). Кроссинговер играет иажную роль в изменчивости организмов. После конъюгации гомологичные хромосомы отделяются друг от друга. После разделения хромосом наступает метафаза, образуется иеретено деления, и хромосомы располагаются в плоскости экватора. Затем наступает анафаза мейоза, и к полюсам клетки отхо- / ? n.lR П ) . i t * Mf I Ilf ход МЕЙОЗА ФАЗЫ ПРОЦЕССЫ Г Профаза 1 lepBoe деление мейоза Спаривание гомологичных хромосом (одна из них материнская, другая отцовская). Образование веретена деления м Метафаза 1 Ь W Расположение гомологичных хромосом по экватору Анафаза II 1 Разделение пар хромосом (состоящих из двух хроматид) и перемещение их к полюсам Телофаза 1 > < Образование дочерних клеток Профаза II / /Л Метафаза III Анафаза II \^о. в \р торое деление мейоза Возникшие в телофазе 1 дочерние клетки проходят митотическое деление. Центромеры делятся, хроматиды хромосом обеих дочерних клеток расходятся к их полюсам Телофаза И гттг^ \^с L ^ Щ. р Образование четырех гаплоидных ядер или клеток (образование спор у мхов и папоротников) Рис. 9. Основные этапы мейоза 72 г Дьмюии1! КЛ1МКИ. Mhiu:i. Меиоз. Оплодотворение § \ь дят гомологичньи' хрпмосомы, каждая иа которых ii|)(VP”niiUM*im диумя сестринскими хроматпдами. После первого деления, телофазы, в дочерние клетки момадаот только одна материнская хромосома из каждой пары гомологичных хромосом. Вторая стадия деления при мейозе представляет обычныii митоз. В результате второго деления получаются четыре^ клетки е гаплоидным набором хромосом, из которых образуются полоные ■слетки. При слиянии двух половых клеток происходит ошюдотаоре иие. Оплодотворенная клетка называется зиготой. Зигота дтин) идиа, так как она образовалась в результате слияния двух гамло идпых клеток. Подведем итоги о а о Развитие клетки во времени между последовательными д(\ме ниями называется клеточным циклом. . В клеточном цикле различают две фазы: интерфазу и (1)азу де ления. ^ Завершением фазы деления является создание дочерних клг ток с генетическим материалом от материнской клетки. ^ В интерфазе различают три стадии развития клетки: пр<мч1н тетическую, синтетическую и постсинтетическую. Во я|я*мя интерфазы удваиваются хромосомы, происходит подготошеа к делению клетки. Клетка делится путем митоза или мейоза. ^ Митоз имеет четыре фазы деления: профазу, метафазу, ai!a(|)a зу и телофазу. ^ Мейоз осуществляется за две стадии, каждая из которых пм<* ет, подобно митозу, четыре фазы деления. Оплодотворение происходит путем объединения двух nojiom.ix клеток, имеющих гаплоидный набор хромосом. Что нужно обязательно запомнить Чем обеспечивается передача генетического аппарата от матг ринских клеток к дочерним. Жизнь как ириро^ни^в йвлонир Что необходимо понять и усвоить 9 Как клетка готовится к процессу деления в интерфазе. • Какие фазы характерны для митоза и мейоза. Что нужно научиться делать ® Характеризовать процессы в каждой фазе митоза клетки, Контрольные вопросы 1. Что такое клеточный цикл? 2. Каковы составляющие клеточного цикла? 3. В чем отличие митоза от мейоза? 4. Каковы особенности каждой фазы митоза? 5. Что происходит во время интерфазы клеточного цикла? Задание Разработайте презентацию о делении клеток с использованием интернет-ресурсов. §17 Структура молекулы ДНК О чем пойдет речь О составе и структуре ДНК. О роли ДНК в хранении и передаче наследственной информации. Обсудим затронутые проблемы После деления каждая дочерняя клетка получает набор хромосом, идентичный набору хромосом материнской клетки. При исследовании строения и функций хромосом было установлено, что получение полного набора хромосом в процессе деления клетки является необходимым условием нормального развития и функционирования дочерних клеток. Это связано с тем, что хро- 74 11 >ук ! V! м< )п< м< упы ДИК §17 мосомы содержат нею программу развития клетки и симчч'на хп мических веществ, необходимых для ее функционирования. Естественнонаучные методы изучения строения хромосомм позволили установить, что она состоит из молекул ДНК и Гх^лкоп. Часть белков (гистоны), как уже говорилось выше, идет на упа ковку ДНК. Другие белки служат ферментами в реакциях г отдельными участками ДНК. Комплекс белков, связапт.гх с ДНК, образует хроматин. Хромосому можно наблюдать с помощью оптического микро (чсопа во время метафазы митоза. В это время хромосома п|и'д г.тавляет собой образование из двух палочкообразных составляю щих, так называемых сестринских хроматид, которые удержмиа ются центромерой в области перетяжки. Строение метафаано11 хромосомы показано на рис. Ц16 (см. цветной блок). Каждая хро матида содержит молекулу ДНК, гистоновые и негистоновые белки. Молекула ДНК является биополимером, который состоим' па мономеров, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид ДМ К содержит пятиуглеродный сахар, дезоксирибозу — одно из чеггы |)сх азотистых оснований, и остаток фосфорной кислоты. К аао м’истым основаниям, входящим в состав ДНК, относятся адении, гуанин, цитозин, тимин. Обычно азотистые основания в составе ДНК обозначаются первыми буквами своих названий: аденин — А, гуанин — Г, цп м’озин — Ц, тимин — Т. Структура азотистых оснований показана на рис. Ц17 (см. цветной блок). В составе нуклеотида ДНК к молекуле дезоксирибозы с одном стороны присоединено азотистое основание, с другой — остам'ок (1)осфорной кислоты. Нуклеотиды образуют длинные цепи молекулы ДНК (см. цветной блок: рис. Ц18). Своеобразным каркасом молекулы являются два параллельных друг другу и периодически повторяющихся соединеии>1 остатков сахара и фосфорной кислоты. С внутренней стороны к ним прикреплены азотистые основания. Изучение внутреннего строения ДНК различными методами показало, что молекулы ДНК объединяются в устойчивую струк туру только в том случае, когда азотистые основания образуюм* вполне определенные сочетания. Молекулы ДНК устойчивы, если напротив азотистого основа ПИЯ А расположено азотистое основание Т, напротив азотистого it 5 Жизнь как природное явление О О О основания Г расположено аао'гистоо основание Ц. Пары азотистых оснований, которые обеспечивают устойчивость молекулы ДНК за счет водородных связей между ними, называются комплементарными парами. Таким образом, сочетания А-Т, Т-А, Г-Ц, Ц-Г являются комплементарными парами азотистых оснований. Две нити ДНК, в которых азотистые основания расположены комплементарно друг другу, называются комплементарными нитями. Благодаря водородным связям между комплементарными азотистыми основаниями молекула ДНК имеет устойчивую структуру, в которой отдельные нити ДНК образуют двойную пространственную спираль из неразветвленных полинуклеотидных цепей. Диаметр молекулы ДНК составляет около 2 нм, шаг спирали 3,4 нм. Если молекулу ядерной ДНК животной клетки вытянуть в линию, то ее длина составит более одного сантиметра, В клеточном ядре ДНК находится в связанном состоянии с белками — гистонами. Ее цепь намотана на многочисленные гистоновые «шпульки», как нитка на катушках, а получившаяся в результате структура обеспечивает плотную упаковку ДНК в ядре. Такая совместная структура ДНК и белков называется хроматином. Результат плотной упаковки ДНК в ядре называется компактиза-цией ДНК. Число нуклеотидов в ДНК отдельной хромосомы огромно. Оно может превышать десятки миллионов единиц. Строение ДНК установили английские физики Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1953 г. с помощью рентгеноструктурного анализа. ДНК играет важную роль в жизни клетки. Оказалось, что последовательность азотистых оснований в ДНК содержит информацию о первичной структуре белков, имеющих большое значение для всех жизненных процессов клетки, в том числе процесса воспроизведения ДНК при делении клетки. Именно это и определяет необходимость передачи всего набора хромосом в процессе деления. Комплементарный характер строения ДНК как нельзя лучше приспособлен для передачи необходимой информации в процессе деления клетки. Действительно, если представить себе, что каждая из ветвей ДНК служит матрицей, по которой собираются комплементарные нити двух новых ДНК, то можно понять, как происходит образование дочерних ДНК, подобных материнским. Процесс самовоспроизведения ДНК называется репликацией ДНК. в 1957 г. у бактерии кишечной палочки был обнаружен i. JI >ук I '/(>•> fvK >n< ■ к V ж Л / (И к т гиоцифический фо|)М(‘пг, которым каталиамрус'Т происсс по.пммг рмаации ДНК из нукл(м>тмд<ж. Отот фермент был назаам Д111С-но лимеразой. Впоследствии подобные ферменты были обмаруло'иы и в других клетках. Обычно в клетках одновременно «работают» несколысо бел ков-ферментов, осуществляющих наращивание цепей Д!ПС от од ного конца ДНК (он обозначается цифрой 5'), к другому концу ДИК (обозначается цифрой 3’). Репликация ДНК с помощью нескольких одновремеппо ;p*ii гтвующих ферментов происходит достаточно быстро: у бакт(мип1 ;»то 500 нуклеотидов в секунду, в клетках млекопитающих гко рость полимеризации — 50 нуклеотидов в секунду. Репликация ДНК не может начаться, пока не образусугся «за травка» около участка ветви ДНК (3*) с помощью особого (|и*р м(Ч1та — ДНК-праймазы. После образования затравки начи1т<*т<я репликация с помощью группы белков ДНК-полимеразы, которые \н) только наращивают комплементарную цепь ДНК, но и и1)ове ряют правильность присоединения новых нуклеотидов. ДНК-полимераза дважды проверяет соответствие каждого нуклеотида матрице. Первый раз — перед включением его в ком илементарную цепь. Второй раз — перед тем как включить следу ющий нуклеотид. Так как наращивание цепи ДНК с помощью ДНК-полимеразы идет вдоль одной ветви ДНК, нетрудно понять, что в место шкми меризации спираль ДНК должна быть временно расщеплена. 1)тп область ДНК, расщепленная на две ветви, из-за своей формы но чучила название репликационной вилки. Расщепление спирали ДНК осуществляется специальными (|)орментами — ДНК-хеликазами, которые быстро двилсуччн! но одиночной цепи ДНК, используя энергию АТФ. Встречая на (‘во ем пути участок двойной спирали, они разрывают водородные связи между азотистыми основаниями, разделяют цепи и продви гают репликационную вилку. Затем с одиночными цепями ДИ1С связываются дестабилизирующие белки, не позволяющие цепям ДНК снова сомкнуться. При этом они оставляют азотистые (хмю ваиия открытыми для образования комплементарных пар. Все белки, которые участвуют в репликации ДНК, действуют согласованно друг с другом. Они представляют собой единый мо лекулярный белковый комплекс, который движется вдоль ДИК и осуществляет процесс репликации с высокой точностью (см. i\\wr ной блок: рис. Ц19). I м }> Жизнь как природное явление О В районе репликациоипой вилки одновременно «работают» около 20 специализированных белков, производя процесс репликации ДНК. Перед началом митоза все ДНК клетки должны быть реплицированы. Наиболее просто процесс репликации происходит у прокариот, содержащих всего одну хромосому, которую можно рассматривать как единицу репликации, называемую репли-коном. в клетках эукариот число хромосом значительно больше. Репликация ДНК эукариотной хромосомы происходит сразу в нескольких участках ДНК, каждый из которых является самостоятельным репликоном. ДНК в этом случае реплицируется сразу на нескольких участках независимо друг от друга, что существенно ускоряет процесс репликации. После сборки на молекулах ДНК хромосомных белков каждая пара хромосом в процессе митоза упорядоченно разделяется по дочерним клеткам. Наличие полного набора хромосом в клетке является условием ее правильного развития и функционирования, так как ДНК хромосомы содержит всю необходимую для этого информацию. Подведем итоги • В каждой клетке содержится определенное число хромосом, которые в процессе деления клетки воспроизводятся с большой точностью. Установлено, что хромосомы состоят из молекулы ДНК и белков, образующих две хроматиды, которые удерживаются вместе центромерой в области перетяжки. • Молекула ДНК является биополимером, который состоит из мономеров, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит дезоксирибозу, азотистое основание и остаток фосфорной кислоты. В ДНК имеется четыре вида азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин и тимин. • Нуклеотиды соединяются в молекулу ДНК, имеющую форму двойной спирали. Нити спирали состоят из чередующихся остатков сахара и фосфорной кислоты, соединенных перемычками из комплементарных пар азотистых оснований. • Процесс самовоспроизведения ДНК называется репликацией. 9 Репликация ДНК осуществляется перед делением клетки с помощью системы белков. 78 ген. Генетический код § • После сборки хромосомных белков на реплицироиаииои моле куле ДНК пары хромосом в процессе митоза разделяются по дочерним клеткам. Что нужно обязательно запомнить 1. Состав нуклеотидов. 2. Строение ДНК. 3. Комплементарные пары азотистых оснований. Что необходимо понять и усвоить 1. Для чего осуществляется процесс репликации хромосом. 2. Как происходит репликация хромосом. Что нужно научиться делать 1. Называть виды азотистых оснований, входящих в состап хромосом. 2. Называть основные этапы репликации хромосом. Контрольные вопросы 1. Что входит в хромосому? 2. Что такое хроматида? 3. Каково строение ДНК? 4. Что такое нуклеотид? 5. Какие виды азотистых оснований входят в ДНК? 6. Что называется процессом репликации хромосом? 7. Что получается в результате репликации хромосом? Задание Составьте словарь терминов, характеризующих процесс репликации ДНК. А §18 Ген. Генетический код О чем пойдет речь О роли ДНК в хранении и передаче наследственной информации. О молекулярной природе генетического кода и механизме его передачи в процессе деления клеток. 70 Жизнь как природное явление Обсудим затронутые проблемы О При изучении строения ДНК, входящей в хромосомы, возникает естественный вопрос о порядке чередования нуклеотидов в этой молекуле. От чего зависит та или иная последовательность нуклеотидов и на что она влияет? Ответ на эти вопросы ученые нашли не сразу. После того как были изучены процесс деления клетки и строение хромосом, стало понятно, что в хромосомах содержится что-то очень важное для обеспечения жизнедеятельности клетки. Было высказано предположение, что хромосомы содержат информацию о строении белков, играющих в жизни клетки огромную роль. Достаточно вспомнить, что белки служат ферментами для тысяч реакций, которые протекают в клетке. Да и сама хромосома не может существовать без белков. Так возникла проблема установления связи между строением ДНК и строением белка. Другая проблема, не менее важная, — исследование механизма использования информации, содержащейся в ДНК, для синтеза белков внутри клетки. Сначала рассмотрим, какая информация о белках содержится в ДНК. Как уже говорилось выше, белки представляют собой органические вещества, молекулы которых состоят из определенной последовательности аминокислот. В составе белков насчитывается 20 аминокислот. В табл. 2 перечислены полные и сокращенные названия аминокислот, входящих в состав природных белков. Вид белковой молекулы и ее функции зависят от того, какие аминокислоты и в какой последовательности входят в ее состав. Американский физик русского происхождения Г. А. Гамов в 1956 г. выдвинул гипотезу о наличии генетического кода, с помощью которого в ДНК зашифрована информация о строении белков. Для разгадки кода необходимо было найти способ, с помощью которого можно записать сведения о строении белка из 20 аминокислот с помощью последовательности из чередующихся четырех видов нуклеотидов ДНК. В результате многолетних исследований было установлено, что такой код действительно существует. Ученые обнаружили, что информация об аминокислотах, входящих в состав белков, записана в молекуле ДНК с помощью своеобразного алфавита, буквами в котором служат комбинации из трех нуклеотидов. Каждое такое сочетание получило название кодон. 80 Ген.Генетический код V TaOjiim(t 2 Аминокислоты, входящие в состав природных белков № п/п Аминокислота Сокращенное название аминокислоты 1 Аланин Ала 2 Аргинин Apr 3 Аспарагин Асн 4 Аспарагиновая кислота Асп 5 Валин Вал 6 Гистидин Гис 7 Глицин Гли 8 Глутамин Глн 9 Глутаминовая кислота Глу 10 Изолейцин Иле 11 Лейцин Лей 12 Лизин Лиз 13 Метеонин Мет 14 Пролин Про 15 Серин Сер 16 Тирозин Тир 17 Треонин Тре 18 Триптофан Три 19 Фенилаланин Фен 20 Цистеин Цис Каждый кодон записывают в виде последовательности из трех букв, соответствующих первым буквам азотистых оснований, входящих в состав нуклеотида. Комбинируя 4 нуклеотида, можно со-(!тавить 64 различных кодона. 81 Жизнь кок природное явление О О Как оказалось, 61 кодом содержит им(1)ормацию об аминокислотах, а три кодона не содержат. Они были названы нонсенс-кодонами ■— бессмысленными кодонами. Однако оказалось, что нон-сенсы играют большую роль в процессе считывания информации с ДНК. Они служат своеобразными знаками препинания, обозначая границы последовательности кодонов, соответствуюш;их отдельным аминокислотам. Участок ДНК, на котором записана вся информация о строении того или иного белка в виде последовательности кодонов, называется геном. В 1964 г, было экспериментально установлено соответствие между генами в ДНК и аминокислотами белков. Обобпдая сведения о генетическом коде, полученные учеными в середине XX в., можно отметить следующие его свойства: 1) существует генетический код, с помощью которого в молекуле ДНК записана информация о строении белков; 2) информационными составляющими генетического кода служат кодоны; 3) кодоны триплетны, т. е. состоят из трех нуклеотидов; 4) каждый триплет кодирует только одну аминокислоту. Это свойство называется однозначностью генетического кода; 5) последовательность кодонов, кодирующая белок, называется геном; 6) между кодонами в составе гена нет знаков препинания; 7) гены, кодирующие белок, имеют фиксированное начало, ориентированное направление и фиксированный конец; 8) генетический код вырожден, т. е. одной аминокислоте может соответствовать несколько кодонов; 9) генетический код универсален, т. е. все живые организмы на Земле используют один и тот же код. Генетическая информация, записанная в молекуле ДНК, при делении клетки передается в полном объеме дочерним клеткам. Как же используется эта информация для синтеза белков? Экспериментальные исследования показали, что генетическая информация, зафиксированная в ДНК, переносится на молекулы РНК. Процесс переноса информации с молекулы ДНК на молекулу РНК называется транскрипцией. Молекулы РНК, участвующие в процессе транскрипции, называются информационными или матричными РНК. Сокращенно эти молекулы обозначаются иРНК и мРНК. 82 I он. Г«‘т‘тич<ткии код «18 IMIK, как и Д1ИС, ии.пигто! молекулой 11олим(^ра. Эти мол<*ку 'II.I различаются тем, что KiOKAbii'i нуклеотид РПК содержит риОо ау, остаток фосфорной кислоты и одно из четырех азотистых пспований. Молекулы РНК по строению похожи на мол(мсул1.1 ДНК с той лишь разницей, что молекулы РНК, в отличж* от ДНК, как правило, одноцепочечные, и каждый нуклеотид !М!К содержит рибозу, остаток фосфорной кислоты и одно из четырех азотистых оснований с заменой тимина на урацил (У). В процессе считывания информации о строении белка ироис ходит перекодировка кодонов. Каждому кодону ДНК соответстау-с г кодон РНК. В табл. 3 приведен генетический код всех аминокислот, коч-о р|лй позволяет определить состав кодонов как для молекулы Д.11К, так и для РНК. Таблица Л Генетический код аминокислот Первое хзювание Второе основание Третье основание у (А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц) 1 • Фен Сер Тир Цис У(Л) у (А) Фен Сер Тир Цис Ц(Г) Лей Сер — — Л (Т) Лей Сер — Три г(Ц) Лей Про Гис Apr у (Л) Ц(Г) Лей Про Гис Apr Ц(Г) : Лей Про Глн Apr л (Т) Лей Про Глн Apr Г(Ц) Иле Тре Асн Сер у (Л) . .. 1 А(Т) Иле Тре Асн Сер Ц(П Иле Тре Лиз Apr А (Т) Мет Тре Лиз Apr Г(Ц) Вал Ала Асп Гли У (Л) Г(Ц) Вал Ала Асп Гли Ц(П Вал Ала Глу Гли А (Т) Вал Ала Глу Гли Г(Ц) Жизнь как природное явление Чтобы определить состав кодона РНК для любой аминокислоты, название которой приведено в таблице, нужно для первого нуклеотида в кодоне выбрать название из левого столбца. Второй нуклеотид определяется из названия столбца, в котором находится название аминокислоты. Для третьего нуклеотида нужно выбрать название из правого столбца таблицы. Первые буквы в обозначении оснований относятся к РНК, а вторые буквы в скобках обозначают нуклеотиды ДНК. Из табл. 3 видно, что многие аминокислоты кодируются несколькими кодонами, что свидетельствует об избыточности генетического кода. Подведем итоги • В ДНК хромосом содержится генетическая информация о строении белков и других органических веществ клетки. • Единицей генетической информации является кодон, состоящий из трех нуклеотидов. • Каждый кодон кодирует определенную аминокислоту из 20 воз-можных, входящих в структуру белка. Одной аминокислоте может соответствовать несколько кодонов. Участок ДНК с информацией о строении определенного белка называется геном. • Все живые организмы имеют одинаковый генетический код. • Информация с молекул ДНК считывается в процессе транскрипции с образованием молекул РНК, которые называются матричными или информационными РНК. • Молекулы РНК по строению похожи на молекулы ДНК с той лишь разницей, что они содержат вместо дезоксирибозы рибо-зу, а вместо тимина урацил, который комплементарен аденину. Что нужно обязательно запомнить • Свойства генетического кода. Что необходимо понять и усвоить 1. Молекула ДНК — носитель генетического кода. 2. Составляющие белков — аминокислоты кодируются последовательностью нуклеотидов ДНК. 3. Считывание информации с ДНК осуществляет иРНК. 84 Мхиричное воспроизведение белков Что нужно научиться долать • Называть азотистые основания, входящие в состпи ДИК, РНК, и их комплементарные составляющие. Контрольные вопросы 1. Что такое кодон? 2. Сколько кодонов можно получить, имея в распоряжении чотыр<* шю тистых основания? 3. Какую роль в генетическом коде играют нонсенсы? 4. Что такое транскрипция? 5. Что кодирует генетический код? (). Какими свойствами обладает генетический код? Задание Покажите, как с помощью четырех азотистых оснований можно :in кодировать 20 аминокислот. & А §19 Матричное воспроизведение белков* О чем пойдет речь О синтезе белков в клетке и роли молекул ДНК, иРПК (мРНК), тРНК в процессе воспроизводства белков. Обсудим затронутые проблемы Как уже говорилось в § 18, считывание информации о строо-иии белков осуществляется с ДНК на РНК в процессе транскрипции. В эукариотах транскрипция происходит в ядре клетки. Под транскрипцией в данном случае понимается переписывание информации, содержащейся в последовательности нуклеотидом ДНК, в последовательность нуклеотидных звеньев в образуомо11 молекуле РНК. Часть молекулы ДНК, которая копируется при транскрипции, называется транскриптором. о 85 Жизнь как природное явление О О О Биосинтез РНК осуществляется с помощью фермента РНК-полимеразы, механизм действия которого подобен ферменту ДНК-полимеразы. В процессе транскрипции РНК-полимераза расплетает спираль ДНК на участке копирования информации. РНК-полимераза перемещается под действием нуклеотида, присоединяемого к РНК в процессе транскрипции. Синтезированные таким образом РНК являются РНК-предшественниками для тех экземпляров РНК, которые впоследствии будут участвовать в синтезе белков. Процесс видоизменения РНК-предшественника в информационную РНК называется процессингом. Процессинг необходим потому, что при синтезе РНК на ДНК переписывается не только информация, которая определяет строение белка, но и информация, которая носит служебный характер, связанный с функционированием ДНК. Эти участки называются нитронами. Информативные участки называются экзонами. В процессе созревания РНК интроны вырезаются, а экзоны сшиваются друг с другом, образуя непрерывную последовательность. Молекулы РНК, как и молекулы ДНК, полярны. Соответствующие концы молекулы РНК, как уже отмечалось, обозначают цифрами 5* и 3*. При созревании эти концы РНК выделяются химическими метками, что обеспечивает стабильность РНК и способность к участию в синтезе белков. После созревания инфор^чационная РНК покидает ядро и переходит в цитоплазму клетки, где с ее помощью синтезируется белок. Процесс синтеза белка в клетке называется трансляцией. Процесс трансляции осуществляется при взаимодействии трех основных участников: информационной РНК (иРНК), транспортной РНК (тРНК) и рибосомы. Каждый из участников синтеза белка выполняет определенные функции. Информационная РНК содержит генетическую программу построения белка из определенного набора аминокислот. Транспортная РНК обеспечивает доставку к месту сборки необходимой аминокислоты и присоединение этой аминокислоты к растущей молекуле белка. Рибосома представляет собой молекулярную машину по сборке белка (см. цветной блок: рис. Ц20). Молекула транспортной РНК состоит из 70-90 нуклеотидов. Вторичная структура тРНК по форме напоминает лист клевера (рис. 10). Каждая молекула тРНК имеет область, получившую название антикодона, с помощью которой тРНК может связываться комплементарно с соответствующим участком иРНК. Антикодон, как и кодон, это триплет нуклеотидов. 86 Мп1|>ичм()о иоспроиз11('/^(.м1И(.‘ (и';1кои § 19 Рис. 10. Структура молекулы транспортной РНК (тРНК) На другом конце тРНК у основания «стебля клеверного ли(‘-гп» имеется область, к которой с помощью химической связи п|>п крспляется аминокислота, соответствующая комплементарному 1СОДУ антикодона. Этот процесс осуществляется особым фермсмг том — тРНК-синтетазой. Молекулы тРНК-синтетазы обладают удивительной способностью: среди множества молекул в цито1г лазме клетки они выбирают только ту аминокислоту, котора>1 соответствует генетическому коду тРНК. Это свойство тРНК получило название сверхспецифичности. Ясно, что число различных видов молекул тРНК должно 6i>rn», МО крайней мере, не меньше 20, поскольку каждый вид аминокислоты переносится к месту сборки белка отдельной тРНК. Синтез белка осуществляется с помощью рибосом клетки. Процесс трансляции происходит в несколько этапов. На первом этапе инициации трансляции иРНК поступает на иход рибосомы. Рибосома перекрывает область иРНК, соотис^'Г' ("гвующую двум кодонам. Одновременно к рибосоме подходит тРНК, антикодон которой комплементарен кодону иРНК. После этого начинается второй этап синтеза белка, назыиа(» мый элонгацией. Первая тРНК, с которой начинается синтсм Ги'лка, прикрепляется в определенном месте иРНК, отмеченном соответствующими нуклеотидами. После этого к рибосоме при- 4» 4> 87 Жи ИИ. к,IK 11|>и|)|)дм(м* vmnriUK '' . •* крепляется вторая тРИК с антикодоном, комнломонтарным следующему кодону иРНК. После присоединения второй тРНК аминокислота с первой тРНК переносится на аминокислоту второй тРНК. В результате получается фрагмент белка из двух аминокислот. После этого рибосома сдвигается на один кодон вперед вдоль иРНК по направлению считывания генетической информации. При этом вторая тРНК по отношению к рибосоме занимает место первой тРНК, а первая тРНК покидает рибосому и переходит в цитоплазму. Затем в рибосому входит третья тРНК, и процесс повторяется снова. Наращивание белковой молекулы происходит до тех пор, пока рибосома не встретит кодон-нонсенс, являющийся терминатором (границей) процесса трансляции белка. Третья стадия называется терминацией трансляции. На этой стадии происходит окончательная достройка молекулы белка уже вне рибосомы. Этот процесс заключается в организации внутренней молекулярной структуры молекул белка. Время синтеза белковой молекулы в клетке продолжается в среднем 1-3 с. Синтез белка осуществляется в результате передачи генетической информации по цепочке ДНК — РНК — белок. В 1957 г. Ф. Крик отразил этот экспериментальный факт в виде центральной догмы молекулярной биологии, выражающей универсальность природного процесса передачи генетической информации во всех клеточных организмах. Процесс трансляции наряду с процессами репликации и транскрипции относится к числу основных процессов, характерных для живых систем. Каждый из них отличается своеобразием протекания во времени и особенностями взаимодействия между участниками процессов. Вместе с тем этим процессам свойственна одна общая черта, которая связана с механизмом образования биополимеров в каждом из этих процессов. При изучении механизмов синтеза ДНК, РНК и белков был открыт новый вид биохимических реакций, основанных на принципе комплементарности матричного строения нуклеотидов. Сложные биополимеры имеют структуру, основой которой служит матричный принцип, находящий свое выражение в комплементарном взаимодействии нуклеотидов. Матричный принцип построения и синтеза биологических веществ является отличительной особенностью живых систем. Митричное воспроизведение 6en*to> Подведем итоги • Синтез белков осуществляется в процессе трансляции и кл<'-точных рибосомах. Информация о строении белков шцнмпич.!-вается с ДНК на информационную РНК в процессе траискрии' ции. После процессинга иРНК переходит из ядра в цитоплазму. В рибосомах происходит синтез белков с использоватк^м аминокислот, которые доставляются к месту сборки с помощью транспортных РНК. Сборка белков имеет три стадии: инициацию, элонгацию и терминацию. Синтез белков происходит матричным спог-о-бом с использованием комплементарности нуклеотидов, вхо* дящих в состав ДНК, иРНК, тРНК. ' Матричный принцип построения и синтеза биополимеров является одним из фундаментальных принципов, выражающих особенности живых систем. Что нужно обязательно запомнить • Основные этапы трансляции белков. • Содержание матричного принципа. Что необходимо понять и усвоить • Роль иРНК в процессе синтеза белков. • Роль тРНК в процессе синтеза белков. ^ Роль рибосом в процессе трансляции. Что нужно научиться делать • Различать между собой процессы репликации, транскрипции, трансляции. Контрольные вопросы 1. Что называется транскрипцией? 2. Что называется трансляцией? 3. Какую роль играет фермент РНК-полимераза? Л. Каковы основные этапы процесса трансляции? 5. Что происходит в процессе созревания иРНК? 89 Жизнь как природное явление 6. Как происходит синтез белков? 7. Каково строение тРНК? 8. На каком принципе основан синтез биополимеров? А Задания 1, Составьте презентации для процессов репликации, транскрипции и трансляции. 2. Опишите содержание матричного принципа синтеза биополимеров. §20 Наследственность и изменчивость организмов О чем пойдет речь О механизме наследования признаков у живых организмов. О причинах изменения гена и влиянии этих изменений на свойства организма. Обсудим затронутые проблемы Изучение строения, развития и функционирования клеток показало, что клетка обладает всеми признаками живого объекта. Процессы, протекающие в клетке, способны обеспечить существование клетки как отдельного организма, т. е. биологического объекта, обладающего всеми признаками жизни. Действительно, в природе распространены одноклеточные организмы в виде бактерий, одноклеточных животных, растений и грибов. За время существования жизни на Земле основное направление развития организмов оказалось связанным с многоклеточной формой их существования. Многоклеточные формы организации жизни обеспечиваются различными видами взаимодействия клеток и их способностью к изменению своих функций в зависимости от изменяющихся условий существования. Каждая клетка в многоклеточном организме является элементом сложной многофункциональной системы. Взаимодействие клетки с ее окружением в организме определяется следующими факторами. 90 Н.И М(‘ДСТИОИ1ИИ: I I. и ИЛМв'МЧИИОС I ь 0|)1 .1НИ 1МОИ §20 1. Взаимодействием с другими клетками. Кл<угки и оргаииимс оП разуют отдельные ткани, из которых формируются органы. 2. Взаимодействием с тканевой жидкостью, лимфой и кровью. 3. Взаимодействием с внеклеточными поверхностями. Поведение клетки во многом зависит от сигналов, поступаю щих из внешней среды. Такими сигналами являются хими'кч’киг вещества, приходящие из других клеток организма, на11|)имер гормоны или вещества, регулирующие скорость размиожеппл 1Слеток, так называемые факторы роста. Кроме того, на кл<‘тку в организме действуют молекулы, вызывающие ее программируемую гибель, или апоптоз (в переводе с греческого «опадание лиг тьев»). Непрограммируемая гибель клетки может быть вызвана м(*ха пнческими повреждениями, разрывом клетки, изменением (l>n:ui моских условий. Это может быть повышение или понижение тгм псфатуры, радиоактивное излучение, химические факторы и другие причины. При апоптозе внешнее воздействие изменяет программу (|)упк ционирования клетки, что приводит к ее гибели. Апоптоз запускается сигнальными молекулами, которые свободно плавают в межклеточной жидкости либо находятся на поверхности других клеток или межклеточных волокон. Они во:г действуют на сигнальные белки — рецепторы, пронизывающие мембрану клетки. Возможна также ситуация, когда в среде, ок|>у ясающей клетку, отсутствуют молекулы, стабилизирующие состо-ипие клетки. И в том, и в другом случае рецепторные белки вызываюг структурные изменения внутри клетки, что, в конечном сче'п», приводит к изменению ее генетического аппарата. Это выражж'т гя нарушением синтеза белков, обеспечивающих транскрипцию. Нарушение транскрипции приводит к невозможности трансляции Ги'лков и нарушению нормального хода биологических процо(Ч‘ов в клетке. В конечном итоге клетка разрушается, дробится на отдсл1.пы(* (|)|)агменты, и ее остатки уничтожаются специальными кло'гка ми — макрофагами. Апоптоз клеток может играть в организме как положитсмм. пую, так и отрицательную роль. К положительным прояилсмшим апоптоза можно отнести исчезновение хвоста у головастика иа-аа усиления выработки гормона щитовидной железы в проц(ч‘сг о 4» 91 Жизнь как природное явление О О О о о метаморфоза у лягушки. Пример отрицательного вли^шия апоптоза — гибель лимфоцитов при заболевании СПИДом. Изменение скорости деления клеток также может иметь для организма как положительные, так и отрицательные последствия. Примером бесконтрольного деления клеток является раковая опухоль. Она развивается из одной клетки, в которой нарушен контроль ее деления. Однако ускоренное деление клеток может иметь и положительный эффект для развития и функционирования организма. Например, было установлено, что при разрушении тромбоцитов крови выделяется белок, стимулирующий рост фибробластов соединительной ткани. Этот эффект играет важную роль при заживлении ран. В нормально функционирующем организме процессы роста и гибели клеток уравновешиваются и регулируются с помощью дyб-л ирующих друг друга молекулярных систем обратной связи. Информация о белковых молекулах, обеспечивающих необходимый уровень процессов гибели и рождения клеток, содержится в генах организма. Совокупность генов организма называется генотипом. У разных организмов число генов, образующих генотип, различно. Например, у человека их около 40 тысяч. Генотип определяет жизненные процессы, которые протекают на различных структурных уровнях организации живых объектов: на клеточном уровне, в тканях, органах и организме в целом. Однако развитие организма зависит не только от его генотипа, но и от других факторов, которые определяют рождение и гибель клеток, а также ход процессов, от которых зависит обмен веществ в клетках. Взаимодействие генотипа с внешними факторами, влияющими на развитие организма, определяет его фенотип, особенности строения, развития и функционирования конкретного организма. Свойство организма передавать свои признаки и особенности развития следующим поколениям называется наследственностью. Свойство организма приобретать новые признаки в процессе индивидуального развития называется изменчивостью. При исследовании организмов было установлено, что их наследственность определяется набором хромосом, имеющих определенное строение и форму. Полный набор хромосом, характерный для организма, называется кариотипом этого организма. 92 Н. и *д<; I III 'in и и г I. и и 1м« ‘мчти X 11, о( )г . ти »м< m ОЩ Кариотип челокгк!» гпдгржит ^1(), или 23 пары, хромосом: дас чромосомы — X и Y, содержащие гены, опредолнющпг под, тсилваются половыми хромосомами; остальные 22 иа[)ы гомодо 1ПЧИЫХ хромосом называют аутосомами. В кариотипе чедо1им<а особи женского пола имеют две одинаковые (XX), а особи муж (■кого пола — неодинаковые (XY) половые хромосомы. В хромосомах содержится генетический материал кдетюк I сны располагаются в хромосомах в определенных местах. Каж дая хромосома содержит некоторое число генов. Развитие opi a ||п:ша определяется полной совокупностью генов, содержащихся ио всех хромосомах. Усилия генетиков были направлены на изучение расподож(‘ ПИЯ генов в хромосомах и установление связи генов со свойствами (»р|’анизма. Особый интерес представляли исследования влияния изменения генов — мутации генов на развитие организма и <м'о наследственность. Были разработаны специальные методы для изучения состава хромосом. С помощью этих методов удалось определить число w MOB и место их расположения в каждой хромосоме. Были naii дгиы генный состав всех хромосом некоторых организмов, а так-зс<* связь между свойствами организма и его генами. Особое место в этих исследованиях занимает расшифровка vo нома человека. Эта программа была успешно завершена в 2002 г, о масшабе работы по расшифровке генома человека можно судить МО объему ее финансирования и времени выполнения. За 10 д(*т пгпрерывной работы нескольких тысяч ученых было истрачемт гюдее 6 млрд долларов США. В результате генетических исследований были установлены при-чипы наследственной и ненаследственной изменчивости организмов. Модификационная (ненаследственная) изменчивость изм(» 1м*мие признаков отдельного организма под действием внешних иди внутренних факторов в процессе филогенеза — исторического рпзвития организмов. Эти изменения не затрагивают строения 1Ч‘-пов или хромосом, не изменяют их число и структуру. Поэтому ПИИ не передаются по наследству. Генетическая (наследственная) изменчивость — изменен иг генетического аппарата организма, поэтому она может переда-ипться потомству. Н 1920 г. выдающийся русский генетик Н. И. Вавилов сформулировал закон гомологических рядов наследственной изменяй-ии<*ти: «Генетически близкие виды и роды обладают сходными и IS» Жизнь как природное явление О О рядами наследственной изменчивости. Это сходство тем полнее, чем ближе их эволюционное (филогенетическое) родство». В зависимости от того, какой структурный уровень наследственного материала затронут мутацией, различают генные (обусловленные молекулярными изменениями на уровне ДНК), хромосомные (обусловленные изменением структуры хромосом) и геномные (связанные с изменением числа хромосом) мутации. Мутационная изменчивость вызывается мутациями — изменениями в генетическом аппарате организма под действием внутренних и внешних факторов, так называемых мутагенов. В зависимости от особенностей проявления мутаций различают генные, хромосомные и геномные мутации. Комбинативная изменчивость возникает из-за случайной перекомбинации генов в генотипах потомков. При этом сами гены не изменяются, но генотипы потомков отличаются от генотипов родителей. Комбинативная изменчивость является главным источником генетического разнообразия организмов. Подведем итоги • Взаимодействие клеток, их дифференциация и специализация обеспечивают существование многоклеточных организмов, обладающих устойчивыми индивидуальными свойствами. • Характер этих свойств определяется наследственностью и изменчивостью организмов. • Наследственность зависит от генотипа организма. ® Изменчивость определяется внешними и внутренними факторами, действующими на организм. Изменения организма могут передаваться потомству, если они затрагивают генетический аппарат организма. Что нужно обязательно запомнить в Как связаны между собой генотип и фенотип организма. Что необходимо понять и усвоить ® Почему изменчивость бывает наследственной и ненаследственной. • Какие бывают виды наследственной изменчивости. 94 Законы Менделя Что нужно научиться долать • Называть виды наследственной изменчивости. • Называть виды взаимодействия клеток. Контрольные вопросы 1. Чем определяется взаимодействие клетки с окружающей средой? 2. Что называется апоптозом клетки? 3. Что такое фенотип? 4. Что такое генотип? 5. От чего зависит наследственность организма? 6. Чем определяется изменчивость организма? Задание Приведите примеры наследственности и изменчивости организмов, е А §21 Законы Менделя О чем пойдет речь Об основных этапах развития генетики и законах Менделя. Обсудим затронутые проблемы Раздел биологии, изучающий наследственность и изменчивость организмов, называется генетикой. В развитии генетики прослеживаются несколько этапов. На первом этапе, начиная с публикации работ Г. Мендол>1 в 1865 г., генетика развивается как феноменологическая, т. о. опытная наука: идет накопление эмпирических фактов, формулируются опытные закономерности, происходит разработка понятийного аппарата. В начале XX в. стало окончательно ясно, что наследствоппьк* признаки передаются потомству через половые клетки в виде дис-(сротных устойчивых единиц, которые получили название гопов. 95 Жизнь как природное явление О О О Идея дискретности в генетике начинает развиваться с 1900 г. Этот год знаменателен не только в истории развития биологии, но и в истории развития физики и всего естествознания. В этом году М. Планк открыл дискретные порции энергии электромагнитного поля — кванты света. Открытие Планка послужило началом новых естественнонаучных представлений о природе законов микромира и о роли этих законов в развитии биологических объектов. Второй этап в развитии генетики характеризуется развитием хромосомной теории наследственности (1910-1930 гг.). Третий этап (1930-1960 гг.) связан с открытием строения молекулы ДНК и исследованием ее роли в механизме наследственности и изменчивости организмов. Четвертый этап (1960 — настоящее время) — расшифровка генетического кода, изучение матричного механизма синтеза белков, изучение геномов различных организмов, развитие прикладных направлений генетики. Законы наследственности и изменчивости организмов открыл чешский монах Грегор Мендель (1822-1884). Мендель исследовал закономерности наследования определенных признаков у гороха. В своих опытах он скрещивал сорта гороха, обладающие взаимоисключающими признаками. В качестве таких признаков Мендель использовал красную и белую окраску цветков, зеленую и желтую окраску семян, гладкую и морщинистую поверхность семян, высокие и низкие побеги гороха. Потомки, получаемые в результате скрещивания, были названы гибридами. Скрещивая родительские пары, обладающие взаимоисключающими признаками, Мендель обнаружил, что все растения первого поколения имеют одинаковый признак одного из родителей. Например, при скрещивании растений с красными и белыми цветками получались потомки только с красными цветками. Явление преобладания у гибридов признака одного из родителей называется доминированием. Преобладающие признаки получили название доминантных признаков, а подавляемые признаки — рецессивных признаков. Первый закон Менделя утверждает, что все потомки первого поколения будут иметь доминантный признак. При скрещивании гибридных растений первого поколения в потомстве второго поколения появляются растения с рецессивными признаками. В среднем отношение между числом растений с доминантными и рецессивными признаками оказалось равным 3:1. Это явление получило название расщепления признаков. Особи, не дающие расщепления в следующих поколениях, были 96 f Злком1.| §21 мазнаны гомозиготммми. ()(*оГ)и, давшие в потомстве' расщс'п.'М' НПО — гетерозиготными (от г|)('ч. «гетеро» — разный). Статистическая закономерность расщепления доминантных н 1>(Ч1.ессивных признаков в отношении 3:1 называется вторым за-к'оном Менделя. В своих опытах с горохом Мендель установил, что различные' виды взаимоисключающих признаков наследуются независимо друг от друга. Например, окраска цветков и форма семян гороха наследуются обособленно друг от друга. Эта закономерность составляет содержание третьего закона Менделя. Третий закон Менделя утверждает, что альтернативные признаки наследуются независимо друг от друга. Найденные Менделем феноменологические закономернос/ги позволили ему сделать следующие выводы: 1) наследственные признаки передаются от поколения к покол('-нию дискретными единицами наследственности; 2) каждая зигота получает единицы наследственности от отца и о'г матери; 3) каждая гамета содержит единицу наследственности; ■1) наследственные единицы у каждого организма парные — от отца и от матери. Поясним действие законов Менделя, предположив, что родн-■1Ч'льская пара Р содержит диплоидный набор хромосом с домн-наитными и рецессивными аллелями. Гаметы будут содержать гаплоидный набор, содержащий доминантный и рецессивный г(Ч1 каждого из родителей. Гены, определяющие разновидность одного признака, называются аллельными генами. В первом поколении появятся особи, обладающие толысо одним доминантным признаком. Таким образом, в соответствии г 1К'рвым законом Менделя расщепления признаков в первом поко-'н'нии не будет. Во втором поколении появятся особи с доминантными и рсцес!-гтшыми признаками. Причем отношение числа особей с доминантными признаками к числу особей с рецессивными признаками 1'оставит 3:1 в полном соответствии со вторым законом Менделя. Третий закон Менделя хорошо согласуется с предположением 1» наличии в хромосоме двух пар аллелей, определяющих два не-занисимых признака организма. Дальнейшие исследования показали, что законы, сформулированные Менделем, могут нарушаться. Так, например, при скрс- и о о Жизнь как природное явление О О щивании двух гомозиготных но разным аллелям форм гибриды могут проявлять признаки обоих родителей, что противоречит первому закону Менделя. Наруп1ение третьего закона Менделя было установлено американским генетиком Томасом Морганом после открытия им такого вида наследования, при котором некоторые признаки наследуются зависимым друг от друга образом. Такой вид наследования получил название сцепленного наследо-;' вания. Исследование особенностей сцепленного наследования у мухи дрозофилы позволило Моргану сделать вывод о том, что' гены, определяюпцие свойство особи, находятся в хромосомах.! Благодаря изучению механизма сцепленного наследования было' установлено, что в процессе мейоза происходит обмен участками хромосом родительских пар (кроссинговер). Подведем итоги • Генетика как наука о наследственности и изменчивости организмов начала развиваться с 1900 г. Первым открыл законы наследственности и изменчивости чешский монах Грегор Мен-] дель. • Первый закон Менделя утверждает, что все потомки первого поколения будут иметь доминантный признак. • Второй закон Менделя говорит о том, что во втором поколении происходит расш;епление доминантных и рецессивных признаков в отношении 3:1. • Третий закон Менделя утверждает, что альтернативные признаки наследуются независимо друг от друга. • Изучение механизма сцепленного наследования позволило установить, что в процессе мейоза происходит обмен участками хромосом родительских пар. Это явление получило название кроссинговера. Что нужно обязательно запомнить • Что изучает генетика. Что необходимо понять и усвоить • Как законы Менделя объясняются с позиций современной ге нетики. 98 Есгвстнсииып отбор Что нужно научиться долать • Формулировать законы М(*нделя. Контрольные вопросы k~i 1. Что такое доминантные и рецессивные гены? 2. В чем заключается значение законов Менделя для изучения пжмн»д ственности и изменчивости организмов? Задание Обоснуйте законы Менделя с генетической точки зрения. §22 Естественный отбор о чем пойдет речь Об основных положениях эволюционной теории Ч. Дп|> нина — о происхождении видов и роли естественного о'гборн н формировании новых видов. Обсудим затронутые проблемы Между организмами, так же как и между отдельными клепси ми, существуют определенные взаимодействия. Характер взаммо-/^(^йствия на организменном уровне зависит от многих факторов. К их числу относятся как особенности самих организмов, 'гшс п свойства среды их обитания. В частности, взаимодействия между организмами зависят qt того, принадлежат ли они к одному виду. Видом в биологии называется совокупность особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических, генетических, биохимических особенностей, свободно скрс'-щивающихся и дающих плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям жизни и занимающих в природе опр('-деленную область — ареал. Длительное время считалось, что виды не изменяются в процессе развития жизни на Земле. Однако многочисленные исследования в области палеонтологии, археологии, палеоботаники, а также изучение происхождения культурных растений и домаш них животных показали, что это не так. За время геологическоГ! о 99 Жизнь как природное явление О истории развития Земли чи(!ло видов живых организмов непрерывно изменялось. Английский естествоиспытатель Чарльз Дарвин, обобщая свои наблюдения за время кругосветного плавания на корабле «Бигль», пришел к выводу, что существует непрерывный процесс изменчивости видов. Причину такого изменения Дарвин связал с естественным отбором. Основой естественного отбора служит, по мысли Дарвина, борьба за существование, которая происходит между отдельными организмами в процессе их жизнедеятельности. В результате естественного отбора выживают только те организмы, которые лучше приспособлены к внешним условиям жизни и у которых эти приспособительные признаки передаются по наследству внутри вида. Свою теорию Дарвин опубликовал в 1859 г. в книге «Происхождение видов путем естественного отбора». Основные положения теории Дарвина сводятся к следующим утверждениям. 1. Каждый вид способен к неограниченному увеличению своей численности. 2. В борьбе за существование часть особей вида погибает. 3. Преимущественно выживают те особи, которые имеют признаки, обеспечивающие им лучшую адаптацию к условиям существования. Избирательное выживание и размножение наиболее приспособленных особей называется естественным отбором. 4. Под действием естественного отбора особи одного вида приобретают устойчивые признаки, которые приводят к возникновению новых видов. Это положение получило название принципа расхождения признаков. Теория происхождения видов Дарвина сыграла исключительно важную роль не только в биологии, но и в естествознании. Впервые с помощью научного метода было показано, что отдельные виды не являются застывшими, неизменными образованиями. Наоборот, для них характерно динамичное развитие, в основе которого лежит естественный отбор. Теория Дарвина была сформулирована до открытия молекулярных основ генетики. В это время механизм приобретения и наследования новых признаков не был достаточно ясен. После успехов молекулярной биологии понимание причин видообразования во многом прояснилось. В результате оформилась 100 I с нм: I |ими«ыи о I ii>o|) гтп’отическая теория :nt<).Mioii,mt. доиолиикптя '['(‘ормю Длритт иыводами современной rcMUM'iiKii и молекулярной йпологии. ('им ■|(‘тическая теория эволюции признает влияние 1)ядл (|)пкто|)ом (мутации, рекомбинации, изоляции) на процесс видообразотшия. При этом сохраняется ведущая роль борьбы за существоваии(\ Согласно обновленной теории, образованию вида предикмп’яу (*т микроэволюция. Она приводит к устойчивому изменению vviin ■пшического состава популяции под влиянием эволюционных (|>акторов. Элементарной единицей эволюции в этом процессе слу жит популяция. Ареной эволюционного развития является био" |'(Юценоз. Популяция каждого вида в биогеоценозе взаимодейст-иует с популяциями других видов и с абиотическими факторами. И процессе этого взаимодействия идет борьба за существованш* и естественный отбор. Основной путь образования новых видов — изменение насл<'-дуемых признаков в процессе микроэволюции, которая приводит к постепенному расхождению — дивергенции популяций внут])м инда вплоть до полного разобщения дочерних видов. Кроме постепенного видообразования возможна мгновенная (|юрма видообразования, связанная с мутациями или гибридизацией. Таким образом, в качестве основных эволюционных факторов выступают мутации и естественный отбор. Если процессы эволюции охватывают сразу несколько видов ма больших территориях и на протяжении большого времени, то говорят о макроэволюции. Основой макроэволюции служит мик-роэволюция, происходящая внутри видов. Дивергенция — основной путь макроэволюции. При дивергенции сходство объясняется родством, т.е. общностью происхождс^-IIИЯ, а различия — адаптацией к различным средам обитания. Ф Подведем итоги • Между организмами существуют взаимодействия, которые зависят от многих факторов, например от принадлежности организмов к одному или к разным видам, или от внешней среды. • Видом в биологии называется совокупность особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических, генетических, биохимических особенностей, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям жизни и занимающих в природе определенную область — ареал. Жизнь как природное явление • Ч, Дарвин на основании оксиерршентальиых фактов разработал теорию происхождения видов, основанную на естественном отборе в процессе борьбы за существование. • Современная синтетическая теория происхождения видов признает влияние ряда факторов при ведущей роли борьбы за существование и естественного отбора на процессы микро-и макроэволюции. » Что нужно обязательно запомнить г • Основные положения теории Дарвина о происхождении ви-J дов. Что необходимо понять и усвоить • Образование нового вида — это многофакторный процесс.'] Образование нового вида происходит путем накопления изменений в генетическом аппарате отдельных особей в популяции и расхождения признаков в процессе естественного отбора. * Что нужно научиться делать • Перечислять основные положения теории Дарвина. Контрольные вопросы 1. Что называется видом в биологии? 2. Что называется популяцией в биологии? 3. В чем суть теории Дарвина о происхождении видов? 4. Что такое микроэволюция? 5. Что такое макроэволюция? 6. Что называется дивергенцией? Задание Приведите примеры биологических видов, характерных для места вашего проживания. 102 Bnoiior ическая аиилюция §2;t §23 Биологическая эволюция О чем пойдет речь О результатах исследований последних лет, подтверждающих иыводы эволюционной теории. Обсудим затронутые проблемы Значительным естественнонаучным достижением Дарви i m стало открытие им нового типа природного процесса — биологической эволюции. Особенность биологиадской эволюции заключи-<'тся в постоянном росте упорядоченности биологических структур со временем, что резко отличает ее от процессов, происходи!-щих в большинстве неживых структур. Увеличение порядка в живых системах приводит к уменьии^-иию их энтропии. В конце XIX в. такая ситуация казалась сово|>-игенно невозможной. Основные постулаты равновесной термодинамики приводили к совершенно иному сценарию развития жи-иых объектов. i Осознание значения открытия?Дарвина пришло только в конце XX в. В это время получила ^)азвитие синергетика, изучию-^ щая процессы в открытых диссипативных системах, к которым п'1'носятся и живые структуры. Стало ясно, что биологическая эволюция — это такой же природный процесс, как, например, нарастание амплитуды колебаний оптического излучения в лазере или смена состояний откр|»1-тых химических систем в реакциях Белоусова-Жаботинского. Однако такое понимание пришло не сразу. Понадобились десятилетия, чтобы убедиться в существовании биологической эволюции и понять ее причины. В настоящее время имеется множество 4|>актов, подтверждающих существование глобального процесса биологической эволюции на Земле. Рассмотрим некоторые из них. Изучение элементного химического состава клеток всех известных организмов выявило практически их полное совпадс^-ние, что свидетельствует о единстве происхождения живых си(;-т(^м на Земле. В пользу этого утверждения свидетельствует и (VU^iHCTBO процессов, приводящих к самовоспроизведению клетки и организмов. Для всех живых объектов единым является про- о о 103 цесс нуклеотидной комплемоитариости и приицип обратной связи между ДНК, РНК и белками в биологических процессах. Другим аргументом в пользу единства происхождения организмов различных видов служит сходство начальных стадий эмбрионального развития животных (рис. 11). I стадия Рыба Саламандра Черепаха Крыса Человек Рис. 11. Сходство эмбрионального развития животных В 1864-1866 гг. немецкими физиологами Ф. Мюллером и Э. Геккелем был сформулирован биогенетический закон: «Индивидуальное развитие (онтогенез) особи является кратким повторением основных этапов эволюционного развития (филогенеза) данной группы организмов». 104 Ьи()Л0Гич(ч;к;1У1 .жолюнил 23 Удивительное сходство обнаруживают отдельные органы жи нотных, хотя они выполняют разные функции. На рис. 12 изображены передние конечности позвоночных. Очевидное совпадение основных составляюпдих этих органов гово рит о единстве происхождения соответствующих организмов н их изменении в процессе эволюции. Крокодил Лягушка Крот \ Человек Летучая мышь Рис. 12. Строение передних конечностей позвоночных Сильное впечатление оставляют палеонтологические доказательства эволюции. Ископаемые останки животных и растений свидетельствуют о видовой изменчивости животного и растительного мира на Земле за время ее существования. Е Жи:1пь h.;iк m >и?>о/п t< и * vncnt l( ) ' i< : ! f« Ч } ) *,* : r.'. n К r . US Рис. 17. Млекопитающие четвертичного периода Подведем итоги • Заслуга Ч. Дарвина — открытие нового типа природного н|ю цесса — биологической эволюции. • Существование биологической эволюции подтверждаю'!’ mi к» гие естественнонаучные явления: единство биологич<ч;кого кода, действие принципа нуклеотидной кoмплeмeнтapIIO(vп^ существование обратной связи между биополимерами ДИ1^'* РНК и белками в биологических процессах, сходство иача.'п. ных стадий эмбрионального развития животных, палоо1гго.мо гические свидетельства эволюции. Что нужно обязательно запомнить • Биологическая эволюция — это глобальный процесс 1)а:пп!тия жизни на Земле. Что необходимо понять и усвоить • Биологическая эволюция — природный процесс развития от крытых диссипативных структур в условиях взаимодойгтпия с внешней средой. Жизнь как природное явление Что нужно научиться делать • Приводить доказательства существования биологической эволюции. Контрольные вопросы 1. Что такое биологическая эволюция? 2. Какие явления свидетельствуют о существовании на Земле биологической эволюции? 3. В чем особенность биологической эволюции по сравнению с другими природными процессами? Задание Расскажите о причинах биологической эволюции. §24 Гипотезы происхождения жизни о чем пойдет речь О трех гипотезах происхождения жизни на Земле, Обсудим затронутые проблемы Открытие процесса биологической эволюции на Земле с еще большей остротой ставит вопрос о происхождении жизни, который волновал людей с незапамятных времен. Если раньше вопрос о происхождении жизни носил умозрительный характер, то после успехов молекулярной биологии он приобрел научное содержание. Исследования биологических систем и процессов в живой природе выявили фундаментальное значение биополимеров типа ДНК, РНК и белков в существовании и развитии жизни на Земле. Отличительной особенностью молекул ДНК и РНК является их способность к самовоспроизведению в определенных условиях и возможность кодировать синтез других биополимеров, необходимых для репликации ДНК и транскрипции РНК. 110 I tM X (I u ]M M< и nui Системная организация ДНК, IMIK и б(*.лкои па к,м(''гоч1тм уровне является основой жизни на Земле. Опираясь на эти научные факты, вопрос о происхожд(мти жизни можно свести к проблеме происхождения самовоспромапо дящихся биополимеров типа РНК или ДНК, белков, аминокмг лот и клетки. В настоящее время наибольшее распространение получил11 три гипотезы о происхождении жизни: 1) эволюционная гипотс^аа естественного происхождения жизни, 2) гипотеза панспермии и 3) креационистская гипотеза. 1. Согласно эволюционной гипотезе, «молекулы жизни» обра аовались в результате длительной химической эволюции на ран нем этапе развития Земли. Образование сложных органических молекул происходп.по а условиях вулканической активности, бескислородной атмос(1кч)|*| и формирования Мирового океана. Вода, покрывавшая большую часть поверхности Земли, служила хорошим растворителем. Оксан представлял среду, в которой могли взаимодействовать друг с другом многочисленные химические элементы и соединения. В результате такого взаимодействия в условиях интенсинш>1'<) поступления энергии от Солнца и геологических процессов moivih образоваться простейшие самовоспроизводящиеся структуры, сгруппированные в своеобразные капли — коацерваты. Гипотеза о возможности существования таких образований была выдвинута советским биологом А, И. Опариным в 1925 г. Самопроизвольное образование сложных органических соедм нений было подтверждено лабораторными экспериментами, вое производящими условия ранней истории Земли. Радиоастрономические наблюдения показали присутетшк' органических соединений и в межзвездной среде. Было устанои-лено, что в космосе существуют многие виды органических мол('-кул, включая простейшие аминокислоты. Несмотря на многолетние усилия, множество проведенных экспериментов, к настоящему времени не удалось найти научно обоснованную версию для подтверждения эволюционной гипотезы происхождения жизни на Земле. Делаются попытки найти более простые, чем органические биополимеры, химические соединения, способные к самовоспроизведению. Если такие соединения удалось бы обнаружить, то современные молекулы жизни можно было рассматривать как результат г * . Ч f ж Жизнь как природное явление О биохимической эволюции. По и на этом пути обнадеживающих результатов пока не получено. Может быть, разгадку тайны жизни следует искать вне Земли? Действительно, с точки зрения современных представлений. Земля — это одна из планет Солнечной системы, имеющая общую историю образования и развития с другими планетами. Возможно, на других планетах, например на Марсе, могли возникнуть самовоспроизводящиеся структуры, подобные тем, которые привели к современной жизни на Земле. Однако за долгие годы исследования Марса, Венеры, Луны и спутников планет-гигантов ничего похожего на проявление жизни обнаружено не было. В настоящее время предпринимаются попытки найти жизнь на планетах вне Солнечной системы. Но и здесь пока нас ждут разочарования. Несмотря на открытие в настоящее время примерно 400 экзопланет, обнаружить какие-либо проявления жизни на них не удалось. Не принесла успеха и программа нахождения внеземных цивилизаций с помощью радиотелескопов. 2. Другая гипотеза, происхождения жизни — панспермии — связана с предположением, что молекулы жизни — это неотъемлемая часть Вселенной. Согласно этой гипотезе, жизнь во Вселенной существует всегда. Она переносится через космические просторы специфическими образованиями — панспермиями, которые, попадая на планеты с подходящими условиями, приводят к развитию жизни. Теория панспермии переносит процесс происхождения жизни с Земли в космическое пространство, никак не оговаривая ни времени, ни места появления панспермии. Однако утверждение приверженцев этой теории о существовании панспермии во все времена существования Вселенной не согласуется с теорией Большого взрыва, согласно которому молекулярные образования могли появиться только на соответствующем этапе развития Вселенной. 3. Третья гипотеза о возникновении жизни на Земле связана с религиозными представлениями о сотворении мира. С научной точки зрения, креационистская гипотеза относится к умозрительным утверждениям, не имеющим под собой реальной основы. Догматический и мифологический характер креационистской теории не может быть ни подтвержден, ни опровергнут какой-либо аргументацией, выходящей за рамки религиозного мировоззрения. 112 Гипоюзы ИрОИСХОЖД(М1ИЯ жизни mi Подведем итоги • Проблема происхождения жизни на Земле благодаря yciKixnrvi молекулярной биологии из умозрительной провратилпсь в научную. • В настоящее время наибольшее распространение получ п./т три гипотезы о происхождении жизни: эволюционная гипотс» за естественного происхождения жизни, гипотеза панспо1)мии и креационистская гипотеза. • Ни одна из этих гипотез не нашла экспериментального под тверждения. • В настоящее время ведутся активные поиски возможных сцг нариев происхождения жизни на Земле. Что нужно обязательно запомнить • Системная организация ДНК, РНК и белков на клеточном уровне является основой жизни на Земле. Что необходимо понять и усвоить • Отличительной особенностью молекул ДНК и РНК явлжугся их способность к самовоспроизведению в определенных уело ВИЯХ и возможность кодировать синтез других биополимеро!*, необходимых для репликации ДНК и транскрипции РНК. Что нужно научиться делать • Перечислять гипотезы о происхождении жизни на Земле. • Обосновывать гипотезы о происхождении жизни на Земл(' научной аргументацией. Контрольные вопросы 1. Какие гипотезы происхождения жизни на Земле получили наибол!. шее распространение в настоящее время? 2. Какие аргументы выдвигаются для обоснования выдвинутых гипоти i гмм< tLU Из ядра в цитоплазму т^р(чч()Д5гг молекул1>1 1^11 К, (и)Д(*|икащт* информацию, необходимую для синтеза белков. Белки стггеаи руются в рибосомах цитоплазмы, где по информации, (;од<‘р>1Са щейся в информационных РНК, происходит сборка бегл кои иа аминокислот, доставляемых к месту сборки молекулами трапе портных РНК. Энергия, необходимая для протекания процессов в клетк(\ по ступает извне за счет энергии излучения, химической эж^ргим сложных молекул, поступающих в клетку, или химических рс^ис ций внутри клетки. Клетка является сложной биологической системой, которая развивается во времени и в пространстве. Развитие клетки во времени между последовательными д('ло и ИЯМИ называется клеточным циклом. Деление клетки осуществляется в виде митоза или мойоаа и зависимости от вида клетки. Митоз — деление соматической 1СЛ6ТКИ, мейоз — деление половой клетки. В каждой клетке содержится определенное число хромо(;ом, которые в процессе деления клетки воспроизводятся с большой 'гочностью. Установлено, что хромосомы состоят из молекул ы ДНК и белков, образующих две хроматиды, которые удерживаип* ся вместе центромерой в области перетяжки. Молекула ДНК является биополимером, состоящим из мономеров, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит дезоксирибозу, азотистое основание и остаток фосфорной кис.по-ты. Азотистые основания бывают четырех видов: аденин, гуаиии, цитозин и тимин. Нуклеотиды соединяются в молекулу ДНК, имеющую (1)орму двойной спирали. Нити состоят из чередующихся остатков сахара и фосфорной кислоты, соединенных перемычками из комплем<м1 тарных пар азотистых оснований. Процесс самовоспроизведения ДНК называется репликацией. Репликация ДНК осуществляется перед делением клсп’ки (• помощью системы белков. После сборки на реплицированной молекуле ДНК хромосом пых белков каждая пара хромосом в процессе митоза разделяот(01 по дочерним клеткам. Единицей генетической информации служит кодон, состоя !ций из трех нуклеотидов. Каждый кодон кодирует определенную аминокислоту из 20 возможных, входящих в структуру белка. Одной аминокислоте' .. U V Жизнь как природное явление может соответствовать несколько кодонов. Участок ДНК с информацией о строении определенного белка называется геном. Все живые организмы имеют одинаковый генетический код. Информация с молекул ДНК считывается молекулами РНК, которые называются матричными или информационными РНК, Процесс переноса информации с молекулы ДНК на молекулу РНК называется транскрипцией. Процесс синтеза белка в клетке носит название трансляции. Процесс трансляции осупдествляется при взаимодействии трех основных участников: информационной РНК (иРНК), транспортной РНК (тРНК) и рибосомы. Информационная РНК содержит генетическую программу построения белка из определенного набора аминокислот. Транспортная РНК доставляет к месту сборки необходимую аминокислоту и присоединяет ее к растущей молекуле белка. Рибосома представляет собой молекулярную машину по сборке белка. Белки синтезируются матричным способом с использованием комплементарности нуклеотидов, входящих в состав ДНК, иРНК, тРНК. Матричный принцип построения и синтеза биополимеров является одним из фундаментальных признаков, выражающих особенности живых систем. Наследственность организмов определяется набором хромосом, имеющих определенное строение и форму. Полный набор хромосом, характерный для организма, называется кариотипом этого организма. В хромосомах содержится генетический материал клетки. Гены располагаются в хромосомах в определенных местах. Каждая хромосома содержит некоторое количество генов. Развитие организма определяется полной совокупностью генов, содержащихся во всех хромосомах. Кариотип человека содержит 46, или 23 пары, хромосом. Две хромосомы — X и Y, — содержащие гены, определяющие пол, называются половыми хромосомами. Название половых хромосом связано с их формой. Между организмами существуют взаимодействия, которые зависят от многих факторов, например от принадлежности организмов к одному или к разным видам, или от внешней среды. Видом в биологии называется совокупность особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических, генетических, биохимических особенностей, свободно скре- Осиопньк.' выводы по иторой I ri.iitf §25 щивающихся и дающих плодовитое потомство, iipiiciiocoGjuMmi.ix к определенным условиям жизни и занимающих в природе опре деленную область — ареал. Чарльз Дарвин на основании экспериментальных фактов разработал теорию происхождения видов, основанную на естественном отборе в процессе борьбы за существование. Значительным естественнонаучным достижением Дарвина стало открытие им нового типа природного процесса — биологической эволюции. Открытие процесса биологической эволюции на Земле с cii\v большей остротой поставило вопрос о происхождении жизни, который волновал людей с незапамятных времен. Глава 3 Человек как природное явление §26 Происхождение человека О чем пойдет речь О результатах научных исследований, подтверждающих эволюционную теорию происхождения человека Обсудим затронутые проблемы Происхождение человека является не менее важной проблемой, чем происхождение жизни на Земле. Издавна люди пытались найти сходства или различия между собой и другими представителями животного мира, часто одухотворяя их, приписывая им человеческие свойства. После выхода в свет работы Дарвина «Происхождение видов о путем естественного отбора» в 1859 г. проблема происхождения человека приобрела естественнонаучное содержание. Происхождение человека стали рассматривать как результат естественного отбора в процессе межвидовой борьбы за существование. Такая постановка вопроса о происхождении человека встретила яростное сопротивление со стороны церкви. Согласно религиозным догмам, человек создан Богом по его образу и подобию и не может, следовательно, вести свою родословную от животных, например от обезьяны. Но изучение анатомии человека, его индивидуального развития, филогенеза, сравнение генотипов человека и древних ископаемых останков подтвердили гипотезу о естественном происхождении человека. Еще до работ Дарвина шведский натуралист К. Линней, проводя классификацию живых организмов, поместил человека в одну группу с обезьянами. Такой же позиции придерживался и французский естествоиспытатель Ж. Б. Ламарк, который первым отметил естественное происхождение человека от человекообразных обезьян. 118 г 111)ОИ<:ХОЖД< ‘ИИ< ' Ч* WK )1Н к . i Дарвин в 1871 г. в сшхм! работе «Происхождение чсчипичса-» привел ряд аргументов, доказывающих естественное происхожд<‘ иие человека. Половое размножение, внутриутробное развитие, молочное искармливание детенышей, наличие четырех пятипалых комеч ностей, строение внутренних органов и другие признаки ст1)о(чтя тола говорят о сходстве человека с другими представителями 1сласса млекопитающих. У человека есть органы или остатки органов, которые ха])ак-терны скорее для обезьян, чем для современных людей. В нае'го ящее время они утратили свои первоначальные функции. 1)ти органы называются рудиментами. К числу наиболее i)aeпро ("граненных рудиментов относятся копчик и аппендикс. У некоторых людей имеются атавизмы — признаки, KO'ropi.ie отсутствуют у большинства современных людей, но были ха1)акт<‘р мы для предков человека. К атавизмам можно отнести густой ио.по сяной покров всего тела, включая лицо; многососковость, как у нс которых млекопитающих; небольшой хвост и другие признаки. Изучение эмбриона человека на разных стадиях его разиитми иыявило большое сходство с эмбриональным развитием продс'га кителей других видов животных, являющихся далекими пр(гд ками человека. Во времена Дарвина не было известно о генной природе на еледственности живых организмов на Земле. Открытие геном предоставило естествоиспытателям мощный инструмент для онр(* деления степени родства между представителями отдельных им дов в процессе их исторического развития. Более того, набор генов — генотип организма позволяет оп|)(‘ делить момент расхождения генного состава хромосом, после ico торого произошло изменение вида. Исследование состава геном человека и человекообразных обезьян выявило большое сходство их генотипов. Так, например, генотип человека отличается от гс-потипа шимпанзе меньше, чем на 2%. Большое сходство наблюдается и в поведенческих реакциях человека и человекообразных обезьян. Обезьяны, как и человек, обладают развитой высшей нервной системой, они проявля и >т чувства радости, гнева, печали, заботятся о подрастающем поко лении, обладают системой речевой коммуникации. Однако человек отличается от своих предков на эволюцион пой лестнице своего развития. Объем мозга человека больпк* объема мозга обезьян и составляет в среднем 1400 см*^ У человокм I I г V, •»*« Человек как природное явление гораздо сильнее развита кора больших полушарий мозга, что обеспечивает высокий уровень его мыслительной деятельности. Сравнительные размеры мозга обезьяны и человека приведены на рис. 18. СКЕЛЕТЫ Орангутана человека шимпанзе орангутана Рис. 18. Сравнительные размеры мозга человека и обезьяны Анатомическое строение голосового аппарата человека отличается от голосового аппарата обезьян и позволяет человеку общаться с другими людьми с помощью членораздельной речи. Рука человека в процессе эволюции приобрела такое строение, что с ее помощью можно осуществлять разнообразную деятельность, в том числе связанную с выполнением высокоточных операций. За время эволюции изменился скелет человека, форма его черепа (см. рис. 18). Большое значение в формировании человека сыграли социальные контакты и взаимодействия в процессе совместной деятельности, охоты, труда, войн. Перечисленные аргументы и другие факты убедительно подтверждают гипотезу о естественном происхождении человека в результате длительного эволюционного процесса. 120 11рои(:кож;и>нио чолот^кп Подведем итоги о Естествознание рассматривает проблему происхождсмтя чсл<» века как процесс образования нового вида в условиях ос'г<»ст венного отбора и борьбы за существование. Такой подход предусматривает исследование анатомичосчсого строения человека, его развития, генетического аппарата, :>м брионального развития и других особенностей человека. ' Проведенные исследования показали, что современный ноли-век является представителем определенного биологического вида, имеющего тесные связи с человекообразными обо:я.>» нами и другими представителями животного мира на Зoмл(^ Что нужно обязательно запомнить • Происхождение человека является примером образования одного из биологических видов животного мира на Земле. D Что необходимо понять и усвоить • Причины изменения свойств человека в процессе эволюции. Что нужно научиться делать • Перечислять общие и отличительные черты человека и человекообразных обезьян. Контрольные вопросы 1. Чем отличаются научный и религиозный подходы к проблеме iiix>" исхождения человека? 2. Какие признаки являются общими для человека и человекообразной обезьяны? 2. Какие признаки отличают человека от человекообразной обезьяны? 4. Почему современные обезьяны не превращаются в людей, а человек в обезьяну? Задание А Приведите аргументы в пользу эволюционного происхождения человека. 121 Человек как природное явление §27 Эволюция человека О чем пойдет речь Об основных этапах эволюционного развития человека на Земле. Обсудим затронутые проблемы о В настоящее время население Земли насчитывает свыше 7 млрд человек. Люди, живущие в различных районах планеты, на различных континентах и в разных странах внешне могут сильно отличаться друг от друга. Можно встретить людей с разным цветом кожи, разрезом глаз, овалом лица, формой головы, формой носа. По характерным внешним признакам всех людей планеты делят на четыре расы: европеоидную, монголоидную, негроидную и австралоидную. К европеоидной расе относится коренное население Европы, Южной Азии, Северной Африки; к монголоидной расе — коренное население Центральной и Восточной Азии, Индонезии, Северной и Южной Америки; к негроидной расе — коренное население Центральной и Южной Африки; к австралоидной расе — коренное население (аборигены) Австралии, Полинезии, островов Тихого океана. Об особенностях внешнего облика представителей разных народов можно судить по фотографии, приведенной на рис. 19. Рис. 19. Представители разных народов Земли 122 М4‘;юигк.1 \JJi Разнообразие внешшмч) облика люд(я"1, их образа жмзпп, обы чаев и традиций вызывает естественное лселание узнать о иричм мах такого разнообразия. Интересно выяснить, откуда произошли :>ти люди, как они заселили Землю, имеют ли они общем* мропг хождение, что их объединяет между собой? Чтобы ответить на эти вопросы, разные науки изучают зво.пю цию человека как биологического вида, особенности развития отдельных популяций человека. Многолетние исследования человеческого развития позволили установить, что современный вид Homo sapiens появился uv ера зу. История развития человека насчитывает около 8 млн лет. За зто время на Земле произошло много событий. Менялся облик 1^емли, континенты дрейфовали по поверхности планеты, возни кали горы и моря, периоды потеплений сменялись оледенениями. Изменялась и жизнь на Земле. После глобальной катастрофы, вызванной падением на 3(*м.мю огромного метеорита примерно 70 млн лет назад, произошло вы мирание большей части существовавших в то время видов живоч' ных, включая динозавров. Сохранившиеся виды положили нача ло новой эволюционной эпохи, во время которой высокого уровня развития достигли млекопитающие, в том числе человека. Исследования генома человека и человекообразных обозi.я и показали, что они имеют общего предка. Отдельные фрагменты (^го скелета были обнаружены на Африканском континенте, в Ко НИИ. Эту древнюю обезьяну назвали проконсулом. Свое имя наш общий предок получил по имени шимпанзе, который выстуиа.п в одном из лондонских варьете, носил шляпу, ездил на велосин(*;М‘ п курил трубку. Все называли его консул. Емкость черепа проконсула составляла около 170 см^, что при ого весе выделяло его среди других обезьян того времени относи тельно большим размером мозга. Датировка костей проконсула установила, что он жил примерно 20 млн лет назад. Судя по всему, этот вид человекообразных обезьян был общим предком человека и человекообразных обезьян: орангутана, гориллы и шимпанзе. Расхождение — дивергенция — генов, ко'го-рая привела к происхождению орангутана, случилась примерно 15 млн лет назад. Расхождение между генетическими ветвями ч(* ловека, гориллы и шимпанзе произошло примерно 8 млн лет па зад (рис. 20). о и 23 Чолооок к.'1К природное пнлоние ШИРОКОНОСЫЕ (ОБЕЗЬЯНЫ НОВОГО СВЕТА) УЗКОНОСЫЕ (ОБЕЗЬЯНЫ СТАРОГО СВЕТА) . Г НИЗШИЕ УЗКОНОСЫЕ ' /^Гиббоновые гоминоиды л Понгиды Рис. 20. Расхождение между генетическими ветвями гоминоидов о о о Раскопки в А(|)рике, Европе, России, Индонезии, Китае и других районах Земли позволили сделать вывод о том, что примерно 5-6 млн лет назад на Земле жило существо, походившее на обезьяну, но имевшее сходство и с современным человеком по определенным признакам. Это существо назвали австралопитеком (от лат. «австралис» — южный, «питек» — обезьяна). Оно было небольшого роста (130-150 см), весило 36-55 кг, ходило на двух ногах. На поздних стоянках австралопитеков были обнаружены примитивные орудия труда. Это обстоятельство послужило основанием назвать представителя поздних австралопитеков «человеком умелым» (Homo habilis). Следующая стадия развития человека относится к более позднему времени, примерно 600—500 тыс. лет назад. В это время на Земле жили так называемые питекантропы. Их останки были впервые обнаружены на острове Ява в Индонезии. Объем мозга питекантропов составлял примерно 900 см^. Питекантроп, как и человек, ходил на двух ногах и изготовлял примитивные орудия. Останки существа, похожего на питекантропа, были обнаружены в Китае около Пекина. Синантроп, так был назван этот предок человека, также умел пользоваться огнем и изготавливал орудия труда и охоты. Жил синантроп примерно 450 тыс. лет 124 Г)| to MIOI (ИМ Ч<' м< ни *К. ) 027 назад. К з'гой же группе гомштдов относят гсндельбор|'ск<>го. 1сасабланкского и олдувайского человека — атлаитропа. Иг<* :п и названия связаны с местами, где были обнаруж(мп>1 оодм^><‘ Геномом человека или любого другого организма называется генетический состав гаплоидной клетки этого организма. В предыдущих параграфах было показано, что материальным носителем наследственных признаков человека являются гены, представляющие собой определенную последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Молекулы ДНК размещаются в хромосомах клетки и при ее делении обеспечивают перенос информации от материнской клетки к дочерним. С помощью информационных или матричных РНК генетическая информация после транскрипции переносится к рибосомам, где с помощью транспортных РНК осуществляется сборка белков из аминокислот. Гены содержат информацию о всех биологических процессах в клетках и организме в целом. Изменения в генах — мутации определяют изменчивость организма, его адаптацию к изменяющимся внешним условиям. Мутации могут привести и к негативным последствиям, в частности к нарушениям нормального развития организма или к наследственным заболеваниям. Большой научный и практический интерес представляет установление связи между генами организма и белками, которые синтезируются в клетках, между генами и признаками организма. Имея такую информацию, можно разрабатывать эффективные методы лечения многих болезней человека, создавать новые лекарства. Можно также улучшать свойства растений и животных. Открываются возможности получения сельскохозяйственных культур, устойчивых к неблагоприятным погодным условиям, к сорнякам и вредителям. Для расшифровки генома человека был успешно реализован международный проект «Геном человека». В рамках этого проекта удалось определить структуру генома, установить соответствие между генами и многими болезнями человека, которые вызываются генными мутациями, создать новые высокоэффективные лекарства для борьбы с тяжелыми заболеваниями. Чтобы представить себе объем работы, выполненный исследователями при расшифровке генома человека, достаточно сказать, что в состав генома входят 3,2 млрд пар нуклеотидов. Чтобы установить местонахождение всех генов, необходимо определить расположение каждого нуклеотида во всех молекулах ДНК, входящих в состав всех хромосом человека. Такая процедура называется картированием генов. Ядро Местоположение Солнечной системы Скопление пылевых облаков 3) Ядро 100 000 световых лет I б) Рис. Ц1. Наша Галактика — Млечный Путь: а — вид сверху; б — вид сбоку 1*|1с. Ц2. Звезды в центре нашей Галактики Рис. ЦЗ. Фотографии разных галактик Рис. Ц4. Фотография галактики Андромеды Рис. Ц5. Газовые облака во Вселенной Рис. Ц6. Остаток вспышки сверхновой в ЮОб г. т а) Меркурий в) Земля б) Венера г) Марс д) Юпитер е) Сатурн ж) Нептун з) Уран Рис. Ц7. Планеты Солнечной системы s л • С о и ■о го ф тз ?г о а (Л S ь Z ь ф н X &) со О) Уз h3 S о а 00 td » V- >d ф S » Ф Ф ф н *с о ф » S ф W ф г ?=< S ОСНОВНЫЕ ЛИТОСФЕРНЫЕ ПЛИТЫ Евроазиатская Анатолийская плита \ плита Индо- Австралийская плита Филиппинская плита Эллинская плита Северо-Американская плита Аравийская плита Африканская плита-; Антарктическая плита Тихоокеанская плита Карибская плита Плита Кокос Плита Маска Южно-Американская плита Границы плит Направление движения плит Рис. Ц9, б. Современное положение материков на поверхности Земли |1ык;ю11 и кондоисагор входной канал паро- сборник каналы клапана главный цилиндр пар и:1 К01/Ш .м)мо1иикитии клапан шюк лологпики макоиик шарнир колончан^и 1мга V эксцентрика !*■ нал нбпИма аксцптрика поршень штокпорня ^о^зун з,^(;центрик ^ О выход пара в конденсатор Рис. Ц10. Схема парового двигателя с кривошипно-шатунным механизмом: нагретый пар поступает через впускной клапан в цилиндр (а) и действует на поршень, заставляя его двигаться и совершать работу (б); после того как поршень возвращается в исходное состояние, пар вытесняется из цилиндра через выпускной клапан (в) Перегреватель Предварительный нагреватель Турбина высокого давления Турбина низкого давления Паровой котел Экономайзер Конденсатор Рис. ЦП. Схема паровой турбины Kmiio'iMmi (.юмкп a) Пиноцитозный пузырек Лизосома Ядро Комплекс Гольджи б) Ядрышко Центриоль Плазматическая мембрана ЗПС Волокна Митохондрия цитоскелета ЭПС Митохондрия Структура Плазматическая цитоскелета мембрана Вакуоль в) Клеточная стенка Лизосома Хлоропласт Ядрышко Комплекс Гольджи Ядро Рис. Ц12. Внутреннее строение прокариотической бактериальной (а), эукариотической животной (б) и эукариотической растительной (в) клеток 1>омки Vi лпподы Двойной слой фосфолипидов Белки цитоскелета Рис. Ц13. Строение поверхностного слоя животной клетки Мембраны Полости Пузырьки Рис. Ц14. Строение комплекса Гольджи б) Рис. Ц15. Пиноцитоз (а) и фагоцитоз (б) в клетках I lnmp()MO|Ki Молекула ДНК Две хроматиды Рис. Ц16. Строение метафазной хромосомы а) Атом кислорода Одинарная связь Двойная связь Атом азота Атом углерода Атом водорода б) Атом водорода Атом азота Атом кислорода Аминогруппа Двойпау) связь Одинарная Атом связь углерода в) Атом углерода Атом азота Атом водорода Двойная связь Одинарная связь 2) Атом азота Атом углерода Атом кислорода Атом водорода Аминогруппа Двойная связь Одинарная связь Рис. Ц17. Азотистые основания в составе ДНК: а - гуанин; б - тимин; в - аденин; г - цитозин Остаток фосфо|)иой кислоты ДолоксириПома Рис. Ц18. Схема соединения нуклеотидов в ДНК Материнская молекула ДНК Дочерняя цепь Дочерняя' цепь Старая цепь Рис. Ц19. Схема репликации ДНК Рибосома мРНК / Старт Стоп Растущий белок б) Освободившийся белок Рис. Ц20. Схема синтеза белка в рибосоме клетки: а - биосинтез белка; б — схема строения полисомы Л' . • .Л '• :’v' '' Рис. Ц21. Международная космическая станция в полете Рис. Ц22. Общий вид космического телескопа «Хаббл» I Рис. Ц23. Расположение подземного туннеля Большого адронного коллайдера Рис. Ц24. Стволовые клетки под электронным микроскопом Г(МЮМ Ч1М101И*К,1 ttiti Для [нмпопия этой HeiipocToii аадачи были раарнГютаиы :)(|)(|им< тивные методы, использующие окрашивание отдельных учаелчеоп хромосом, внедрение в молекулы ДНК радиоактивных атомом, технологию получения рекомбинантных ДНК. Исследование расположения генов в молекулах ДНК показа ло, что гены, отвечающие за репликацию белков и РНК, аами мают в структуре ДНК всего 3% от общего числа нуклеотидом м ДНК. Назначение нуклеотидов, не связанных с генами, в настоя щее время активно изучается. В результате проведенных исследований было устаномл(чк> следующее распределение генов по их функциям в клетках и организме человека: примерно 20% генов отвечают за проиа1}од ство клеточных материалов, свыше 15% — за энергетические р<' сурсы клетки, свыше 10% — за защиту клеток от инфекций, око ло 10% — за воспроизводство клеток. Самое большое число генов в человеческом организме отме чает за развитие и функционирование мозга человека (свынм^ 3000 генов), за легкие — около 2000 генов, за сердце — свыни* 1000 генов, за развитие эмбриона — свыше 2000 генов, за бельм* кровяные клетки, связанные с иммунитетом человека, — свымм* 2000 генов. Всего в геноме человека обнаружено более 30 000 го нов. Расшифровка и исследование генома человека вызвали р>1д проблем коммерческого и этического характера, В процесс<* работы над расшифровкой генома некоторые частные фирмы пытались запатентовать результаты своих исследова мп ii с целью получения коммерческой выгоды. Научная общестш'М' ность выступила против коммерциализации генетических ис следований. В настоящее время научными достижениями в этой области может воспользоваться любой человек. Другая проблема возникает в связи с возможностью ознакомления с результами исследований генома конкретных людсм"! различных заинтересованных фирм и организаций. Генетическую информацию такого рода уже пытаются использовать при решении вопросов трудоустройства человека, выдачи ему кредитов, оформления страховых договоров. Все эти проблемы этического и юридического содержания, возникшие в результате развития современного естествознания, требуют своего разрешения. и 2ел< >век как пг^иаидн« >е ^вле ^ие Подведем итоги Геномом человека или любого другого организма называется генетический состав гаплоидной клетки этого организма. о Материальным носителем наследственных признаков человека являются гены, представляющие собой определенную последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. • Гены содержат информацию обо всех биологических процес-^ сах в клетках и организме в целом. В настоящее время найдена последовательность всех нуклео-! тидов в ДНК хромосом человека и устанавливается соответ-^ ствие между генами и свойствами организма. Что нужно обязательно запомнить • Определение генома человека или любого другого организма. J Что необходимо понять и усвоить » в Любое свойство или признак организма контролируется сразу^ несколькими генами, которые могут находиться в разных хромосомах. в Определение соответствия между генами и свойствами орга-, низма позволит преодолеть наследственные болезни человека и создать новые лекарства. Что нужно научиться делать о Называть число хромосом в клетках человека. • Называть число пар нуклеотидов, входящих в молекулы ДНК хромосом человека. ® Называть число генов, отвечающих за развитие отдельных органов человека. о Контрольные вопросы 1. Что называется геномом человека? 2. Какие цели стояли перед международным проектом «Геном человека»? 3. Какое число нуклеотидов содержит геном человека? 130 Г енетические лаболемния и возможновти их лечения 4. Како I кЛ Человек как природное явление О О проявляются в условиях действия на человека мейлагонриятмых факторов внешней среды. 4. Генетические болезни, вызванные мутациями в соматических клетках. 5. Болезни генетической несовместимости матери и плода. Они развиваются в результате иммунологической реакции организма матери на антитела плода. Остановимся кратко на особенностях некоторых наследственных заболеваний. 1. Генные болезни возникают из-за мутаций отдельных генов. Такими мутациями могут быть нарушения в последовательности нуклеотидов, входящих в состав генов, изменение рамки считывания генетической информации при транскрипции и другие виды нарушений. Например, в отдельных генах обнаружено свы: ше 1000 мутаций, из которых только несколько сотен могут вызывать клинические проявления. Это говорит о том, что не всё мутации обязательно приводят к болезням. Многие мутации не проявляются в виде генных наследственных болезней. Некоторые наследственные заболевания дают о себе знать только при наличии определенных внешних факторов. Генные заболевания очень разнообразны. В организме каждого человека насчитывается около 100 000 белков. Каждый белок связан с определенным геном или группой генов, мутации которых могут вызвать наследственную болезнь. При нарушении процесса синтеза белка возможны нарушения на организменном уровне. Например, при нарушении генов, контролирующих синтез каллогена — белка в составе соединительной ткани, возникает поражение соединительной ткани всего организма. Мутации гена НФ-1 в 17-й хромосоме человека приводят к образованию на коже пигментных пятен со светло-коричневой окраской, число которых с возрастом постепенно увеличивается. 2. Хромосомные заболевания вызываются изменением числа и структуры хромосом, а также их мутациями. К числу последних относятся: нерасхождение хромосом, утрата отдельной хромосомы, увеличение числа хромосом. Хромосомные аномалии приводят к различным врожденным порокам развития, случаям мертворождения, бесплодию. Нарушения в 21-й хромосоме человека приводят к болезни Дауна (отставанию в развитии, порокам сердечно-сосудистой и пищеварительной систем, умственной отсталости). 132 Генетимтжие забо/юниния и козможнсхпи их л(.‘чсм1ин §29 3. Болезни с наследстиепиой ирсдраспололсеипоетыо могут иметь различную генетическую основу. В одних случаях они определяются изменениями в одном гене, в других — измошчт-ями в нескольких генах. И в том, и в другом случае для проявления болезни требус'тси действие специфического внешнего фактора, например локар ственного препарата. Выявление причин наследственного заГ)ол<'-вания способствует созданию эффективных методов для его профилактики, ранней диагностики и лечения. Большинство извсч-г-ных заболеваний человека являются болезнями с наследствемпоГ! предрасположеностью (гипертоническая, язвенная болезни, ипк*-мическая болезнь сердца). 4. Для лечения наследственных заболеваний, связанных <• мутациями генов, за последнее время были разработаны методы генотерапии — методы лечения, основанные на достижениях пп-женерной генетики. Если болезнь носит моногенный характер, т. е. обуслошичт мутациями одного гена, то для ее лечения необходимо замепп'п. поврежденный участок ДНК мутированного гена на нормальный фрагмент. Но как это сделать? В организме содержится примерно 5 • 10^^ клеток. Ген с нарушенной ДНК есть в каждой клетке. Конечно, не все клетки вли>пот на течение конкретной генетической болезни из-за своей специ(1)ич-ности. Тем не менее речь идет о миллионах или миллиардах кл<-' ток, для которых требуется замена мутированных генов. Для ропи*-ния этой непростой задачи было предложено несколько методов. Наибольшее распространение получил метод генной терапии, по которому из организма извлекают определенное число клеток и исправляют в них структуру гена путем замены нарушенного участка ДНК нормальным фрагментом. Затем исправленные кжп’-ки размножают и вводят в организм. Другой метод предусматривает исправление генов непосредственно в организме больного с помош;ью введения «правильных» участков ДНК в специфические ткани организма. Эти методы позволили за последние годы добиться положительных результатов при лечении некоторых генных заболеваний. Генная терапия осуществляется путем воздействия на гены в соматических клетках. Подобные исправления можно вносить и в половые клетки. В этом случае изменения в генах передавались бы по наследству потомкам. В настоящее время такое вмеша- о о о 133 Человек как природное явление тельство В генетический аппарат человека аап|)(мц(М1о, так как возможные последствия подобного вмепхательства пока непредсказуемы. Подведем итоги • Наследственные заболевания обусловлены нарушениями наследственного аппарата клетки на различных уровнях его организации. В настояш;ее время известно более 5000 наследственных болезней человека. Среди них многие вызываются мутациями генов. • Для исправления мутации генов разработаны методы, позволяющие заменить нарушенный участок ДНК и обеспечить правильное функционирование клетки. о Один из методов предусматривает извлечение из организма определенного числа клеток, исправление в них структуры гена путем замены нарушенного участка ДНК нормальным фрагментом, размножение исправленных клеток и введение их обратно в организм. • Другой метод предусматривает исправление генов непосредственно в организме больного с помощью введения «правильных» участков ДНК в специфические ткани организма. Что нужно обязательно запомнить Методы лечения генных заболеваний, Что необходимо понять и усвоить о Причины наследственных болезней. Что нужно научиться делать с Перечислять виды наследственных заболеваний и отдельные методы их лечения. е Контрольные вопросы 1. Какие болезни называются наследственными? 2. Каковы причины наследственных болезней? 134 Биотихн(^логии. Генная инженерия. К/юниронанис» §30 3. Какие иаслодственпые болс^апи iuM)(v;aK)'i4'.a но im<\JKvu*‘i‘4y? 4. Какие существуют методы лечения генных заболснтнтТ/ 5. Чем вызывается болезнь Дауна? Задание Перечислите возможные пути устранения наследственных 6ojie;mei'i. л §30 Биотехнологии. Генная инженерия. Клонирование О чем пойдет речь Об основных направлениях развития современных биотехпо’ логий. Обсудим затронутые проблемы После раскрытия природы генов стало понятно, что можно ii<‘ только исправлять вредные мутации в них, приводящие к нacл(v^-ственным болезням, но и вносить изменения в строение Д11К с целью получения каких-либо полезных свойств или признаком. Любая живая клетка представляет собой природную фаб1)нку по производству огромного числа сложных органических веществ. Многие из них обладают биологической активностью и имекп* ценность для человека. Успехи современной молекулярной биологии позвол>пот использовать свойства природных организмов или организмом г измененными свойствами для производства белков, лекарсггм, сельскохозяйственных культур, продуктов животноводства в промышленных масштабах. Это направление в биологии получило название биотехнологии. Изменение генетического аппарата клетки с целью получении! новых признаков и свойств организма было названо генной инженерией. Генная инженерия основана на частичной или полной замене ДНК организма на клеточном уровне. В результате такой замены 135 Человек как природное явление О О получается генномодифицированный организм (Г1У1(>). Время получения новых свойств у ГМО гораздо короче того, которое требуется для выведения новых сортов традиционными методами селекции. Второе важное отличие методов генной инженерии от других методов селекции заключается в их высокой избирательности при получении запланированного результата. Это свойство связано с расшифровкой генома многих организмов и установлением функциональной роли генов этого организма. Планируя получение того или иного свойства организма, необходимо определить строение гена, соответствуюш;его данному свойству. Затем внедрить этот ген в наследственный аппарат клетки модифицируемого организма. Не вдаваясь в технологические подробности осупдествления т1 этой процедуры, рассмотрим некоторые результаты применения генной инженерии в сельском хозяйстве и медицине. Большое значение в повышении урожайности сельскохозяйственных куль-1] тур имеет создание таких сортов, которые обладают устойчивое-тью к гербицидам и вредителям. Во второй половине XX в. были созданы химические соединения, которые могли эффективно угнетать развитие сорняков, не причиняя большого вреда культурным растениям. Эти вещества получили название гербицидов. Хотя действие гербицидов на культурные растения было небольшим, все-таки они также испытывали их отрицательное воздействие. С помощью генной модификации растений удалось создать такие сорта сои, кукурузы j и других растений, которые оказались нечувствительными к гер-' бицидам, угнетающим сорняки. Однако со временем в связи с ростом народонаселения и глобальными климатическими изменениями применение таких веществ оказалось недостаточным для получения необходимых высоких урожаев. Впечатляющие результаты были получены при использовании методов генной инженерии для борьбы с вредными насекомыми. Оказалось, что существуют бактерии, которые вырабатывают белки, являющиеся ядом для определенных видов насекомых. Если изменить генный аппарат растений, внедрив в него ген, синтезирующий белок, губительный для определенного вида насекомых, то можно избавиться от данного вредителя. Например, таким способом был выведен сорт картофеля, устойчивый к колорадскому жуку. 136 f > 11 < ) м г,V I I' м н. r.f •- m к < •; I' ‘ j u г < I'x чо;п и м > г . м и. u • ш Третье направление remioii т1жеио])ии иамс'мсти* ггниогп аппарата бактерий, растений, животных с целью полуимтя мгди цинских препаратов. В настоящее время получены штаммы бактг рий, дрожжей и вирусов, способные производить |)аанооГ)р11зт.н' биологически активные вещества. Многие из них с успехом 11|)пмг няются в медицине, например гормоны (инсулин и гормоны рое та); вакцины против гепатита В; иммуномодуляторы (инт(М)фер*»*'» интерлейкины, фактор некроза опухолей); ферменты, дмагиое тические препараты (на вирусы гепатита, на ВИЧ-инфекции). Одно из направлений генной инженерии получило тьшаниг клонирования. Под клонированием в общем случае понимают по лучение точной копии живого организма. В биологии клопы |)ае тений можно получать путем вегетативного размнолсепия. Иоа можно получение клонов и у животных посредством их бесполого размножения, без предварительного оплодотворения. Успехи генной инженерии позволили осуществить кло1П1|)01т ние путем замены ядерного аппарата одной клетки на яд(М>иы|1 аппарат другой клетки от организма, выбранного для полушмтя клона. Для этого из клетки, где должен был развиваться клон, удалили ядро со своим набором хромосом и внедрили яд|>о от клетки другого организма. Замена ядер осуществлялась по специальной методике с при менением микропипетки. В результате из видоизмененной клетки сформировался орт низм, подобный тому, из которого было изъято клеточное >1дро. Таким способом получили знаменитую овечку Долли, клонирот! ли мышей, кроликов, коров и другие организмы. Сразу заговорили о клонировании человека, об улучшении че ловеческого рода с помощью клонирования. Однако оказалось, что клонирование не дает точной копии оригинала. Эффек'гии ность этого метода для получения здорового потомства та юк(‘ невелика. Несмотря на успехи, которые за последние годы прод(‘мом стрировала генная инженерия, многое предстоит исследова'гь и уточнить. Например, до конца неясно влияние имплантиронаи ных генов на индивидуальное развитие ГМО и его потомство. Не понятны причины особенностей в развитии клонированных орга низмов, в частности наступление преждевременной смерти. Требуется разработать более эффективные способы очистки белка и других веществ, синтезированных методами генной ииж(' нерии. Интенсивное развитие молекулярной биологии в послед ш еловек как природное явление ние годы позволяет надеяться, что прикладные задими генной ин женерии будут в ближайшее время успешно решены. Подведем итоги 0 Биотехнология — совокупность методов, используюш;их свойства природных организмов или организмов с измененными свойствами на молекулярном уровне, для промышленного производства белков, биологически активных веществ, растений и животных. с Применение в биотехнологических процессах изменения генетического аппарата клетки с целью получения новых признаков и свойств организма называется генной инженерией. 1 Клонирование — одна из разновидностей генной инженерии. При клонировании ядерный аппарат клетки заменяется на новый, соответствующий клонируемому организму. о С помощью методов генной инженерии удалось создать организмы с заданными свойствами, позволяющими бороться с болезнями, вредителями, получать устойчивые урожаи культурных растений. Что нужно обязательно запомнить • Генная инженерия применяет метод изменения генетического аппарата клетки организма. Что необходимо понять и усвоить в Генный аппарат можно изменить путем изменения генов или .. полной замены ядра клетки на новое ядро. Jj Что нужно научиться делать о Приводить примеры использования методов генной инженерии. е Контрольные вопросы 1. Что называется биотехнологией? 2. Что такое генная инженерия? 3. Какие методы используются в генной инженерии? 138 Этические проблемы, связанные с биотехнологиями §3 1 4. Что даот применение методой гсмтой ипжсми^рии? 5. Что такое клонирование организма? 6. Почему не нужно создавать клоны человека? Задание Сформулируйте ваше отношение к клонированию человека, §31 Этические проблемы, связанные с развитием биотехнологий о чем пойдет речь Об этических проблемах, связанных с применением в меди’ цинской практике и в общественных отношениях методов roimoii инженерии. Обсудим затронутые проблемы Методы генной инженерии для создания новых сортов скохозяйственных культур, более продуктивных пород жиио'к-ных, новых лекарственных препаратов позволили получить настоящий прорыв на этих направлениях. Однако вторжение биологической науки в ту область человеческого существоваип>1, которая традиционно была запретной для рационально бездушной науки, вызвало множество возражений и сомнений в целесообраа ности подобного вмешательства. Люди обеспокоены тем, что им приходится употреблять г(Ч1-номодифицированные продукты, действие которых на организм человека до конца не исследовано. Вызывает беспокойство, что данные о геноме могут быть использованы в корыстных целях другими людьми. Неприятно, что окружающий мир заполняется клонированными животными и растениями. Возникает подозрение, что может наступить время, когда клоны, модифицированные по замыслу отдельных деятелей, заменят настоящих люде!’!, которых будут считать неполноценными. Подобные проблемы отражают взаимодействия между Hayicoii и культурой, наукой и религией, наукой и обществом. Они выходят за рамки науки, определяются нравственными, этическими 139 Человек как природное явление О О нормами в обществе, историческими, национальными традициями и не могут быть решены только в рамках науки. Одной из самых важных этических проблем, связанных с последними достижениями современной биологии, является возможность вмешательства в структуру генома человека. Человек как природный объект, обладающий сознанием, неповторимой индивидуальностью, социальным статусом, характерными личными качествами, рассматривается в настоящее время как высшая ценность. Получив доступ к биологическим структурам, влияющим на функциональные возможности человека, можем ли мы вмешиваться в человеческую природу, изменять ее? Это вопрос не праздный. Он имеет практический характер. В конце XIX - начале XX вв. получила распространение евгеника — теория, согласно которой человеческую породу можно улучшать, используя методы искусственного отбора, как это делается при выведении продуктивных пород животных. Приверженцы улучшения человеческой породы биологическими методами утверждали, что среди людей действует принцип естественного отбора. Идет борьба за существование. Выживают сильнейшие, наиболее приспособленные. Слабые, отсталые народы вымирают, уступая место сильнейшим. Эти взгляды были использованы немецкими фашистами для оправдания своих расистских взглядов и агрессивной политики в 30-40 гг. XX в. Успехи генетики и достижения биотехнологий вновь возродили идеи евгеники по улучшению человека. В ответ на эти тенденции резко усилились позиции противников использования генной инженерии в биологии, медицине и сельском хозяйстве. Усилились протесты против использования ГМО, биологически активных веществ, лекарственных препаратов, полученных методами генной инженерии. В этих условиях появилась необходимость выработать принципы, которые позволили бы использовать большой положительный потенциал новых методов и не допустить их применения в антигуманных целях. К таким принципам относятся следующие этические положения, которые используются в медицинской практике достаточно давно. Коротко их можно выразить следующим образом: • окажи помощь больному; • не навреди; • соблюдай интересы личности; • соблюдай интересы общества. 140 /1 ич< ч h м< i'р( - ММ , < им мтII.M ‘ с ^И() i < *хн( >noi имгли ЦЦЦ Ilcpm»iii принцип помоиц! больному чолошмсу открытие* доро гу для использования методов генной инженерии, если они о*сп зываются эффективными при лечении заболеваний. При этом не обходимо руководствоваться и вторым принципом — «не нав|и‘ ди». Может оказаться, что исправление генетических нарушен mi в геноме человека, которое приведет к его выздоровлению, uvvu тивно скажется на здоровье его потомков. Поэтому применшпи* методов генной инженерии должно быть таким, чтобы здоро1*ь(‘ больного пациента было восстановлено без отрицательных носин» дствий для его будущих потомков. Принцип «соблюдения интересов личности» предусматривае'г недопустимость использования генетической информации про'гин интересов того или иного члена общества. Здесь этическая про блема перерастает в правовую проблему. Любой человек должен быть огражден от ограничения (»г<> прав на основе информации о его индивидуальных особенностях. Например, при оформлении страховых договоров, получении крс» дитов, продолжении образования. Принципы соблюдения интересов общества и личности могуч' противоречить друг другу. На разных исторических этапах развития общества приорп тет может отдаваться либо тому, либо другому принципу. Подведем итоги • Успехи современной молекулярной биологии поставили перед обществом ряд этических проблем, связанных с использованием и употреблением генномодифицированных растениГ!, животных и продуктов питания. • Большие сомнения вызывает возможность изменения генома человека. Обсуждение этих проблем выявило ряд принципиальных разногласий, затрудняющих выработку единого подхода у представителей различных групп общества. В качестш» основы для преодоления возникших трудностей были выбраны принципы, имеющие гуманистическую направленность, частью которых давно руководствуются врачи в своей практической работе: - окажи помощь больному; - не навреди; - соблюдай интересы личности; - соблюдай интересы общества. Человек K0K )Ч)И1)ОАН<>в явление Что нужно обязательно запомнить о Между наукой и обществом существуют противоречия, которые должны решаться на основе общих принципов, имеющих гуманистическую направленность. , .V Что необходимо понять и усвоить t- Наука имеет ярко выраженную гуманистическую направлен-J ность. Вместе с тем результаты научных исследований из-за их открытости могут быть использованы против человека отдельными людьми или государственными структурами, i Что нужно научиться делать > Оценивать возможность применения научных достижений на практике, руководствуясь этическими нормами с гумани-^^ стической направленностью. Контрольные вопросы 1. Какие проблемы возникли в связи с развитием молекулярной генетики? 2. Какие принципы можно использовать для разрешения противоречий, возникших после фундаментальных открытий в биологии? 3. Можно ли использовать достижения современной биологии на благо человека? Задание Перечислите новые возможности улучшения жизни человека, открывшиеся благодаря достижениям биологии. §32 Природа вирусных заболеваний О чем пойдет речь О причинах вирусных заболеваний человека и методах их профилактики. 142 |||)И|)(»д.| киру<'И1.(х 1.Цм)тчми1П1 Обсудим затронутые проблемы При исследовании генома человека было рааработтю множество оригинальных методов, позволяющих установит!. |)п<‘ положение отдельных нуклеотидов в структуре ДНК и научптьги исправлять нежелательные изменения в генах. Среди них особое место занимает метод обратной транскрипции, когда по матричной РНК синтезируется участок ДНК, в том ности повторяющий исследуемый участок исходной ДНК, па ко торой транскрибируется мРНК, но не содержащий инт1)ош>1*. Создание подобных клонов участка ДНК в неограниченном ко.пи честве позволило резко ускорить расшифровку строения ДНК при выполнении проекта «Геном человека». Такой прием используют некоторые виды вирусов (так иавм ваемые ретровирусы) для своего размножения в клетках оргамма ма хозяина. Вирусами в биологии называют микроскопические образова ния размером от 20 до 300 нм, содержащие молекулу РНК п.мп ДНК и белки. Вирусы не являются живыми объектами, так icaic они не содержат аппарат размножения и обмена веществ. Ви1)угы являются паразитами клеток. Все вирусы существуют в двух различных формах. Внск;к*т<)ч ная форма носит название вириона. Внутриклеточная форма па зывается вирусом. Любой вирус содержит нуклеотид, продп'ав ленный только одним видом нуклеиновой кислоты — ДНК lum РНК, защищенной белковой оболочкой (капсидом) (рис. 21 и 22). Вирусы, проникая внутрь клетки, размножаются и нарушаю'г функционирование клетки, вплоть до ее гибели. Нарупкмпп* жизни клетки вызывает различные болезни организма, в том чпс ле у человека. Вирусы, поражающие бактерии, называются бактериофагами. Взаимодействие вируса с клеткой происходит в нескол!.1со этапов. На первом этапе вирион проникает в клетку через ее плазмл тическую мембрану. При этом вирион взаимодействует с опрод*' ленными мембранными белками клетки. После внедрения в uir топлазму клетки вирусный геном освобождается от оболочки. Ва тем идет процесс биосинтеза составляющих частей вируса, сбо1>ка вирусов и выход вирионов из клетки. Процесс размножения вирусов протекает по-разному в зависимости от вида вирусов. Д-. ( Ченоиок кок ирирод110(* янление .•......•. ••«••и* 4# а) gi@js б) Рис. 21. Строение различных вирусов е; Рис. 22. Фотографии вирусов, полученные с помощью электронного микроскопа Некоторые вирусы, содержащие молекулы ДНК, используют клеточные рибосомы для трансляции вирусных белков. Так как структура вирусной РНК аналогична мРНК клетки, она может непосредственно распознаваться рибосомами клетки для трансляции. Синтез вирусной РНК осуществляется в цитоплазме клетки. Из образованных копий РНК и синтезированных белков в клетке происходит сборка вириона, после чего он покидает клетку. Примером вируса, размножение которого происходит по описанной схеме, является вирус полиомиелита. к t I 144 Природа иирусиык :иИ>ож'Н.1пии т В ретровирусах размиожсмшо происходит но другой (гх(*м<‘. После внедрения в клетку и сбрасывания оболочки но iinpycHioii РНК синтезируется ДНК, которая встраивается в ДНК kjk^tich. Затем происходит репликация ДНК, и клетка начинает нроизмо-дить мРНК, несущую информацию о вирусных белках. Поел** сборки вириона он покидает клетку, в которой продолжается рал множение вирусов. Нарушение жизненного цикла клетки, как правило, приводит к ее гибели, хотя возможны и другие сценарии развития взаммо действия клетки с вирусом. Некоторые вирусы после внедрения в клетку могут находиться в ней достаточно долго, обеспечивая, таким образом, свое рил множение за счет клеточных ресурсов. Примером такого виру(‘п служит вирус герпеса, которым заражена большая часть людсч'!. Этот вирус сохраняется в организме человека на протяж(мм1и всей его жизни и проявляется в периоды ослабления организма в виде пузырьковых высыпаний на губах, коже, внутренних органах. Изучение вирусов внесло существенный вклад не только в создание противовирусных лекарств, но и позволило устаноипть механизм обратной транскрипции ДНК на вирусной РНК. Это о'г крытие изменило взгляды на возможный сценарий происхожд(^ ния жизни на Земле, согласно которому самовоспроизведение мо лекул начинается с РНК, а не с ДНК. К сожалению, эта гипоччма о происхождении жизни на Земле не нашла к настоящему врем(* ни достаточных подтверждений. Вирусы вызывают у человека различные заболевания, mhoi'iic из которых протекают в тяжелой форме, с осложнениями, а некоторые и с летальным исходом. Поскольку действие вирусов связано с перестройкой генетичешского аппарата клетки, некоторые вирусы могут вызвать неконтролируемое деление клетки, которое приводит к развитию доброкачественной или злокачественной опухоли. Борьба с вирусами ведется как самим организмом, так и с помощью лекарств типа интерферона — белка, разрушающего процесс формирования вириона внутри клетки. Борьба с вирусами внутри клетки осуществляется в основном путем апоптоза зараженной клетки или ее уничтожения с помощью специальных клс?-ток — киллеров. Бирус может длительное время находиться в организме и в том случае, когда его ДНК воспроизводится без трансляции его белков. Человек как природное явление О Такая ситуация характерна для вируса иммунодo-являя свою активность только под влиянием определенных факторов. Что нужно научиться делать о Называть основные этапы взаимодействия вируса с клеткой. - Приводить примеры вирусных заболеваний человека. г, Чвлсвек как приоодное явление WWW е Контрольные вопросы 1. Что такое вирусы и вирионы? 2. Как происходит взаимодействие вируса с клеткой? 3. Что такое ретровирусы? 4. Каковы особенности размножения ретровирусов? 5. Как организм борется с вирусами? 6. Как бактериофаги борются с бактериями? 7. Можно ли с помощью вирусов лечить болезни? А Задание Используя интернет-ресурсы, сделайте презентацию о свойствах вирусов. §33 проблемы рационального питания о чем пойдет речь О проблемах рационального питания человека. Обсудим затронутые проблемы О Нормальное функционирование живого организма, в том числе человека, возможно только в том случае, если он получает из окружающей среды необходимые вещества, энергию и информацию. Поступление веществ в организм человека обеспечивается дыханием, потреблением воды и пищи, содержащих необходимый набор химических веществ. В состав пищевых продуктов входят вода, минеральные вещества, углеводы, жиры, белки, витамины, ферменты, органические кислоты, дубильные, ароматические и другие вещества. По химическому составу все пищевые вещества делятся на неорганические (минеральные) и органические. Минеральные вещества. В организме человека минеральные вещества относятся к числу незаменимых веществ, так как они не могут синтезироваться в организме. Поэтому эти вещества играют большую роль в питании человека. 148 Про(>;м>мы р;1ЦИГ)и;п1Ы101 о ми i .тим ш Суточная потребность из|)ослого чолонека и мшк^рал ьпых веществах, функциональная роль минеральных веществ и орга низме человека и пищевые источники минеральных вещ(ч;'гв приведены в табл. 4. Таблица •/ Минеральные вещества, необходимые взрослому человеку Вещество Сим- вол Функциональная роль Пищевой источник Суточпа норма. Кальций Са Деятельность нервной системы, сердца. Построение костей, зубов Молоко, творог, яйца, хлеб, овощи 0,8 Фосфор Р Деятельность центральной нервной системы. Обмен жиров и белков. Входит в состав нуклеотидов Мясо, рыба, икра, хлеб, молоко, овощи 1.2 Магний Mg Деятельность сердца. Нервно-мышечная возбудимость. Расширение сосудов Овощи, молоко, мясо ои Железо Fe Участник окислительных процессов. Входит в состав гемоглобина Ржаной хлеб, печень, почки, яйца, яблоки 0,018 Калий К Регулирует водный обмен. Улучшает работу сердца Картофель, сухофрукты, мясо, рыба, молоко 5,0 Натрий Na Регулирует водный обмен. Задерживает воду в организме Поваренная соль 6,0 Хлор Cl Регулирует осмотическое давление в тканях. Входит в состав желудочного сока Поваренная соль 7,0 Сера S Входит в состав аминокислот, витамина В Мясо, рыба, овощи, сыр, овсянка 1,0 йод I Обеспечивает работу щитовидной железы Морская капуста, рыба 0,15 Человек как природное явление О О О о в клеточных процессах определенную роль играют и другие минеральные вещества, например медь, кобальт, фтор и д)). Общая суточная потребность человека в минеральных веществах составляет 20-30 г. Органические вещества. С пищей человек потребляет также органические вещества, обеспечивающие функционирование организма на всех уровнях его организации. Эти вещества служат источником строительного материала клеток, тканей и органов. Они обеспечивают поступление в организм аминокислот, из которых синтезируются белки. По пищевой ценности белки можно разделить на полноценньк^ и неполноценные. К полноценным относятся белки, которые содержат весь набор незаменимых аминокислот (не синтезирующихся внутри организма из других веществ, содержащихся в пище). Полноценные белки содержатся в молоке, куриных яйцах, мясе, рыбе, сое, рисе. Незаменимых аминокислот для человека всего восемь. К ним относятся: валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин. Из них наиболее дефицитными аминокислотами являются лизин, метионин и триптофан. Белки, в составе которых отсутствует хотя бы одна незаменимая аминокислота, называются неполноценными. Неполноценные белки содержатся в растительной пище, за исключением сои и риса. Как уже говорилось в предыдущих параграфах, многие белки являются ферментами (энзимами). Они служат катализаторами биохимических реакций внутри клетки. В настоящее время известно более 1000 ферментов. Название фермента складывается из названия вещества или процесса, на которые он действует, и окончания «аза». Например, фермент, расщепляющий один из видов сахара — сахарозу, называется «сахаразой». Отметим четыре основных свойства ферментов. 1. Чрезвычайно высокая эффективность. Скорость биохимических реакций с участием ферментов возрастает в сотни тысяч раз. Например, фермент каталаза увеличивает скорость разложения перекиси водорода в миллион раз. 2. Фермент увеличивает скорость протекания только одной реакции, не изменяя скорость протекания других реакций. 3. Высокая избирательность к тем веществам, с которыми ферменты работают. 150 ПроЬ/юмы р;1ЦИ0и;||1Ы101 о iihi.uihm ТВ 4. Высокая чувствительность к температуре протекания реакции. Наибольшую активность ферменты проявляют при темпе1)атуре 40-50 °С. Для уменьшения активности ферментов пищевые продукты подвергают термической обработке или охлаждению. В табл, 5 приведены основные характеристики органических веществ, необходимых человеку, источником которых служат пищевые продукты. Таблица Л Основные характеристики органических веществ, необходимых человеку Название вещества Функциональная роль Суточная потребность, г Пищевой источник Углеводы Источники энергии для жизненных процессов 250-590 Ягоды, плоды, овощи, мед, фрукты, свекла, сахарный тростник, пророщенное зерно, молоко, картофель Жиры Источники энергии и жирорастворимых витаминов 60-154 Жировая ткань животных продуктов, семена растений Белки Источники аминокислот 60-120 Молоко, курии Ы(» яйца, мясо, рыба, соя, рис, семена растений Витамины Способствуют обмену веществ. Нормализуют белковый, углеводный и холестериновый обмен 0,1-0,5 Овощи, фрукты, зелень, хлеб, дрожжи, горох, печень, свинина, говядина Ферменты Активизируют биохимические реакции в организме 0,5-1 Сыр, кисломолочные продукты, овощи, фрукты, хлеб, молоко Органические вещества, содержащиеся в пищевых продуктах, являются источником энергии, обеспечивающей протекание всех процессов в организме. Пищевые продукты, таким образом, явля ются не только источником веществ для организма, но и источником энергии, которая выделяется при полном окислении белкой, жиров и углеводов, содержащихся в этих продуктах. Питание должно быть таким, чтобы оно восстанавливало энергетические затраты организма. Энергетическую ценность потребляемой пищи можно определить, зная энергетическую ценность основных веществ, входящих в пищевые продукты. Обычно энергетическая ценность измеряется в джоулях или во внесистемных единицах энергии — калориях. Одна калория эквивалентна 4,175 Дж. Энергетическая ценность отдельных веществ приведена в табл. 6. Таблица в Энергетическая ценность отдельных веществ Вещество Масса вещества, г Энергетическая ценность, кДж Энергетическая ценность, ккал Белки 1 16,7 4 Жиры 1 37,7 9 Углеводы 1 16,7 4 Хлеб 100 990,7 237,3 Чтобы подсчитать энергетическую ценность того или иного продукта, необходимо знать химический состав продукта и энергетическую ценность 1 г содержащихся в нем веществ. Например, в 100 г хлеба содержится 7,6 г белка, 0,9 г жира, 49,7 г углеводов. Используя табл. 6, нетрудно рассчитать энергетическую ценность хлеба. Таким же способом можно рассчитать энергетическую ценность любого пищевого продукта. Состав продукта обычно указывается на его упаковке. Для чего это нужно? Чтобы знать, какое количество энергии мы потребляем с пищей. Если эта энергия равна энергии, которую организм расходует за сутки, то энергетический баланс будет соблюден. Если потребляемая энергия больше расходуемой. I ^ || )4 и >Ht мм |>. 1П.И011. ini.HOI < > I 111 I .1ИИМ mi TO соответствующие вещества будут запасаться в opi’ainiaivK». I)ro может привести к ожирению. Если же энергия, 11оступающа>1 в организм, меньше растраченной энергии, то организм будет (;ла беть, а его способность к сопротивлению болезням уменьшится. Подведем итоги ^ С пищей в организм человека поступают вещества, которьк» идут на восстановление клеток и восполнение затрамоппо!! энергии в процессе функционирования организма. • Питание должно быть рациональным. Это означает, bo-\w\) вых, что принимаемая пища должна восполнять потребности организма в белках, жирах, углеводах, витаминах, ферментах и неорганических веществах в таких количествах, чтобы обе(* печить полноценное протекание всех процессов в организме. - Во-вторых, энергетические затраты организма должны соо'г-ветствовать энергетической ценности продуктов питания. Что нужно обязательно запомнить • Без пищи человек может прожить 40-50 дней, без воды ' 5-7 дней. Что необходимо понять и усвоить о Пища обеспечивает человека необходимыми неорганическими и органическими веществами, а также энергией. э Существует средняя суточная норма, определяющая колиж»-ство различных веществ, необходимых для поддержания жизнедеятельности организма. Что нужно научиться делать • Рассчитывать энергетическую ценность пищевых продуктов. • Оценивать свой рацион с точки зрения его рациональности. Человек как ппи])идное явление Контрольные вопросы 1. Какие неорганические вещества необходимы организму в большеГ! степени и почему? 2. Для чего в пище должны присутствовать органические вещества? 3. Какие вещества являются источником энергии для организма? 4. Что нужно сделать, чтобы рационально питаться? * ^ Задание Рассчитайте энергетическую ценность мяса, молока, рыбы и других продуктов питания по вашему выбору. §34 Биохимическая основа никотиновой, алкогольной и наркотической зависимостей О чем пойдет речь О причинах никотиновой, алкогольной, наркотической зависимостей и возможных путях их преодоления. Обсудим затронутые проблемы В организм человека могут поступать вещества, которые оказывают на его организм отрицательное воздействие, наносящее вред его здоровью. Это особенно опасно, если подобное воздействие происходит при участии самого человека и со временем приобретает характер болезненной зависимости. Человек при этом начинает испытывать потребность в постоянном употреблении веществ, которые наносят ему непоправимый вред. Наиболее распространенными являются никотиновая, алкогольная и наркотическая зависимости. Никотиновая зависимость возникает при курении табака. При курении в организм курильщика поступают вещества, которые начинают участвовать в обмене веществ. Со временем форми- 154 1>иохимичосжля ocHOfi:i записимосгои §34 руется ааииспмость организма от ii|)M(;yT(;'ntiui этих тацсч’ти. Мри уменьшении концентрации никотина в крови курильщик начинает чувствовать дискомфорт. Возникает раздражительность, Grv-покойство, вялость, ослабление внимания. Приходят навязчивые мысли о необходимости закурить очередную сигарету. Снижас^'гси работоспособность, портится настроение. Эти неприятные ош;уш;ения проходят, если в организм начинает поступать вместе с сигаретным дымом очередная iiopuiui никотина. Постепенно отрицательные ош;уш;ения перерастают в болезненные симптомы. У курильш;ика возникает утрсчш и й кашель, спазмы желудка, начинает болеть голова, болит сордщ* до тех пор, пока никотин не начнет поступать в организм вм<ч"п* с табачным дымом. Кроме никотина сигаретный дым содержит до 5 тыс. раз.пич-ных химических веществ, из которых 142 вещества относячч-я к сильным канцерогенам, т. е. вызывающим раковые заболевания. В России от заболеваний, связанных с курением, в год умираигг свыше 500 тыс. человек, а во всем мире — свыше 5,5 млн человек. Курение уменьшает продолжительность жизни челов<ч<а в среднем на 10-15 лет. Алкогольная зависимость наступает при употреблении спиртосодержащих напитков. Причины алкогольной зависимости могут быть связаны с наследственностью или с приобретенным и свойствами в результате неумеренного употребления крепких напитков, вина или пива. Алкоголизм часто является следстнш'м отрицательных социальных явлений в обществе. Его paenpoevrpa-пение характеризует неудовлетворенность людей своим социа.пь-ным положением, условиями жизни, работой, семейными отношениями. Алкогольная зависимость, подобно никотиновой, приводит к постепенному увеличению дозы принимаемого спирта для п|И'-одоления отрицательных симптомов. Этот процесс может привести к органическим изменениям в организме, деградации личности человека. Алкоголь является канцерогенным веществом, причиной раковых и других тяжелых заболеваний. За год от чрезмерного употребления алкоголя на Земле умирают около 2 млн человек. Примерно по такому же сценарию формируется и наркотическая зависимость, которая по своим проявлениям превосходит отрицательное действие курения или алкоголизма. о о 155 Человек как природное явление Наркотики разрушают личность человека, исклк>чают его ил полноценной жизни общества. Наркоманы относятся к категории людей, подверженных опасным заболеваниям типа СПИДа. Часто их жизни обрываются в результате превышения допустимой дозы наркотиков (передозировки). В настоящее время курение табака, употребление алкоголя и наркотиков — это мощные негативные факторы, отрицательно влияющие на геном человека. Они вызывают мутации генов, нарушение жизненных функций организма, снижение иммунитета. Все эти изменения могут передаваться по наследству, приводя к деградации человеческого вида и его отдельных популяций. Подведем итоги • В организм человека могут поступать вещества, которые оказывают отрицательное воздействие, наносящее вред его здоровью. • При курении табака, употреблении алкоголя и наркотиков развивается зависимость от этих веществ. • При курении в организм курильщика поступают вещества, которые начинают участвовать в обмене веществ. Со временем формируется зависимость организма от присутствия этих веществ. • Причины алкогольной зависимости могут быть связаны с наследственностью или с приобретенными свойствами в результате неумеренного употребления крепких напитков, вина или пива. • Наркотическая зависимость по своим проявлениям обладает гораздо более сильным отрицательным действием на организм человека, чем курение или алкоголизм, • Курение табака, употребление алкоголя и наркотиков вызывают мутации генов, нарушение жизненных функций организма, снижение иммунитета. Все эти качества могут передаваться по наследству, приводя к деградации человеческого вида и его отдельных популяций. Что нужно обязательно запомнить • Курение уменьшает продолжительность жизни человека в среднем на 10-15 лет. 156 Влияние излучений на о|>ганиэм челомке « Алкоголь лилж'тгя К1ищ(*|)()гонным веществом, iipiiMmioi'i рл-ковых и других тяжелых заболеваний. Прием наркотиков разрушает личность человека. Что необходимо понять и усвоить Курение табака, употребление алкоголя и наркотиков в настоящее время представляют мощные негативные факторы, отрицательно влияющие на геном человека. Что нужно научиться делать • Вести здоровый образ жизни. Заниматься спортом. Не курит»», не употреблять алкоголь и наркотики. Контрольные вопросы 1. В чем проявляется никотиновая зависимость? 2. Каковы причины алкогольной зависимости? 3. Какую опасность представляет наркотическая зависимость? 4. Как можно преодолеть опасные для человека зависимости от вредных веществ? Задание Проведите социологический опрос ваших одноклассников для выя<’ж*-ния их отношения к курению, употреблению алкоголя и наркотиков. 6 А §35 Влияние радиоактивных и электромагнитных излучений на организм человека О чем пойдет речь О влиянии на организм человека электромагнитных и радиоактивных излучений и способах уменьшения вредных последствий этого влияния на здоровье человека. 15/ Человек как природное явление СЯ Обсудим затронутые проблемы О Человек за годы своей жизни подвергается постоянному воач действию электромагнитных полей и радиоактивного излучения.] В естественных условиях источником электромагнитного излуче^ ния является Солнце. Радиоактивное излучение поступает от рас^ пада радиоактивных химических элементов, содержащихся в зем ной коре, и от космического излучения. За последние 100 лет интенсивность излучений, воздействующих на человека, резко возросла в связи с развитием науки и техники. За последние годы человеком освоен огромный частотный ди' апазон электромагнитных волн. Создание и бурное развитие радиоЯ телевидения, телефонии, радиолокации, космической связи, систем навигации привело к увеличению напряженности электромагнитных полей, воздействующих на человека, в сотни и тысячи раз. После Второй мировой войны в результате создания оружия массового уничтожения, развития атомного флота и ракетной техники, аварий на атомных электростанциях и в атомных центрах радиоактивное заражение окружающей среды значительно увел>Н1 чилось. Например, авария на Чернобыльской АЭС в 1986 г. нл Украине привела к выбросу в биосферу 15 т радиоактивных вс-] ществ, что превысило выбросы за все годы испытаний атомного! оружия в атмосфере. Аналогичная авария произошла в марте 2011 г. в Японии на атомной электростанции «Фукусима». Влияние излучений на живые организмы, в частности нл человека, может иметь как положительные, так и отрицательны!*^ последствия. При взаимодействии с электромагнитным излучением многое зависит от частоты, мощности или интенсивности излучения, or 1 степени его упорядоченности (когерентности). При взаимодействии с радиоактивным излучением большое значение имеют] энергия излучения и количество частиц, воздействующих нл организм. Наибольшую опасность для организма представляют те излу?^ чения, в составе которых имеются отдельные частицы с большой] энергией. Такие частицы способны вызвать мутацию в генах орга; низма и разрушить связи между отдельными молекулами. Они способны перевести молекулы в возбужденное состояние, изменить их реакционную способность, что также может привести к нежелательным последствиям для организма. Например, нормальная клетка может превратиться в раковую клетку. 158 Мпичииг И.1ПУ'ИМ1ИИ мл <)|)1 ЛМИ.1М ЧОП(М1ГКЛ Ц£| с Apyi’oil <'To|M)m.i, и;|.муч<*1тя способны ш’рать и ш)Ложит<'Яi. ную роль н рп:ш11'пп1 орглтыма, в его борьбе с различными злбо леваниями. Излучения могут приводить к полезным мутациям, увеличению биоразнообразия, ускорению приобретения благопри ятных признаков. Их используют в борьбе со злокачественными образованиями. Рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих влияние различных излучений на организм человека. В 1895 г. немецкий физик Конрад Рентген открыл Х-луми, названные впоследствии его именем. Рентгеновские лучи пр(*Д‘ ставляют собой электромагнитное излучение с частотой кол(^ба-ний в диапазоне 10^'^ - 10^^ Гц. Определим энергию одного кванта рентгеновского излуч(*ния г|р, имеющего частоту v^, равную 10^^ Гц: = /zVp = 6,63 • 10“^^ Дж • с * 10^^ Гц = 6,63 • 10"^^ Дж - = 4,14 • 1Q4 эВ = 41 кэВ. Такой энергии вполне достаточно, чтобы ионизировать атомы в органических молекулах клетки, вызвать разрыв водородшпх связей в ДНК и РНК клетки, нарушить протекание биологим!*-ских процессов в клетке за счет воздействия на белки. Другими словами, привести к нарушению работы клетки и других структур организма. Все эти процессы были выявлены в экспериментах, связан ных с исследованием взаимодействия рентгеновского излучения с живыми организмами. Было установлено, что негативны!* последствия такого взаимодействия зависят не только от энергии квантов излучения или частиц радиоактивного излучения, но и от их числа. Так как атом или молекула вещества взаимодействуют с квантом или частицей по вероятностному закону, то, чем больше их число, тем больше вероятность их взаимодействия с частицами вещества. Поэтому, если уменьшить мощность рентгеновского излучения до некоторого уровня, отрицательные последствия этог!> облучения можно свести к минимуму. Этот прием используется в медицине при проведении томографических и флюорографических исследований пациентов, а также при лечении с помощью лазерного или радиоактивного излучения. 159 Человек как природное 1ме о о о о Для оценки влияния радиоактивного излучо1П1>1 на организм человека используются понятия активности излучения и дозы из-* лучения. Активностью излучения называется величина, характеризую-; щая число распадов нуклидов в секунду. Для описания особенностей взаимодействия организма с радиоактивным излучением для дозы излучения вводят различные по-i нятия. Н Доза излучения, зависящая от количества энергии, поглощенной единицей массы вещества, называется поглощенной дозой из-, лучения. >3 Доза излучения, определяемая особенностями поглощения ве:| ществом различных видов излучения, называется эквивалентной дозой излучения. Доза излучения, зависящая от ионизирующей способности радиоактивного излучения, называется экспозиционной дозой излу: чения. Различные виды дозы излучения измеряются в разных единиц цах. В табл. 7 приведены соотношения между единицами измере-^ ния активности и дозы радиоактивного излучения в системе СИ и внесистемных единицах, которые часто применяются на практике. Таблица 7 Единицы измерения дозы радиоактивного излучения Характеристика излучения Единица измерения в СИ Внесистемная единица измерения Соотношения между 1 единицами измерени51] Активность Беккерель (Бк) = = 1 распад/с Кюри (Ки) 1 Ки = 3,7 • Ю^ОБк <' Экспозиционная доза излучения Кулон на килограмм (Кл/кг) Рентген (Р) 1 Р = 2,58 • 10-4 Кл/кг № Поглощенная доза излучения Грей(Гр)= = 1 Дж/кг Рад 1 рад = 0,01 Гр Эквивалентная доза излучения Зиверт (Зв) = = 1 Дж/кг Бэр 1бэр = 0,013в ^ • \ 1 160 ш Фоионая aKiimui.Mcimma доаа излучения па ypoиll(^ мор>1 <ч> ставляет для человека примерно 10“4 Зв в неделю. Эта иеличппа практически безопасна для человека. Конечно, отдельная мутация может быть вызвана и единпч ным взаимодействием ДНК с энергичной а-частицей. Но вершп* ность такого события невелика. Очевидно, что человек за миллионы лет эволюции своего вида выработал определенные защитные механизмы против воздсч'г ствия радиоактивного фона излучения. Косвенным доказатель' ством справедливости такого утверждения служат наблюдения за состоянием здоровья людей, проживающих в высокогорных районах Земли. Более того, известно, что число долгожителей в каи казских республиках Российской Федерации значительно прены шает число представителей этой категории людей в равнинш.1х районах страны. Действующие АЭС также не оказывают заметного отрицател1э-ного влияния на здоровье населения, живущего вблизи этих станций. Годовая доза излучения, получаемая людьми в этих условиях, в 500 раз ниже допустимого уровня облучения населения и составляет 1% от естественного радиоактивного фона. К сожалению, в аварийных ситуациях, подобных аварии на Чернобыльской АЭС или японской АЭС «Фукусима», доза излу^ чения может многократно возрасти. Подведем итоги • Человек за годы своей жизни постоянно подвергается воздействию электромагнитных и радиоактивных излучений. • За последние 100 лет интенсивность излучений, воздействующих на человека, резко возросла в связи с развитием науки и техники. е Если раньше источником электромагнитного излучения служило только Солнце, а радиоактивное излучение создавалось радиоактивными элементами Земли и космическим излучением, то теперь за счет развития радио, телевидения, радиолокации, телефонии, атомной и военной промышленности число источников излучений, воздействующих на человека, значительно увеличилось. : Для уменьшения отрицательного влияния излучений на человека необходимо ограничить их воздействие в пределах допустимой нормы. Человек как природное явление • Если следовать научно обоснованным нормам и соблюдать технику безопасности при работе с излучением, то его молено применять с большой пользой. • Примерами могут служить применение рентгеновского и у-из* лучения в медицине, применение лазерного излучения в мо* дицине и промышленности, в системах обработки информации, работа АЭС для производства дешевой электроэнергии и др. Что нужно обязательно запомнить • Любое излучение может нанести урон здоровью человека, если его интенсивность превышает определенные пороговые значения. Что необходимо понять и усвоить • Взаимодействие излучений с организмом человека може'г нанести его здоровью как пользу, так и вред в зависимости о'г его интенсивности и условий облучения. Что нужно научиться делать • Ограничивать воздействие излучений на свой организм. Контрольные вопросы 1. Какие источники электромагнитных излучений оказывают воздей^ ствие на наш организм? 2. Предпринимаете ли вы какие-то действия, направленные на уменьшение вредного воздействия излучений? 3. Как меняется естественный фон излучения при полетах на самолете и поездках в метро? 4. Какие величины характеризуют воздействие излучений на человека? 5. Чему равна эквивалентная доза радиоактивного фона на поверхности Земли? ^ Задание Сформулируйте и обоснуйте ваше отношение к использованию ядер-ной энергии в мирных целях в нашей стране, во всем мире. 162 1 L Биоразнообразие §:и §36 Биоразнообразие О чем пойдет речь О разнообразии биологических видов как необходимом ycijioium устойчивого существования и развития биологических систем. Обсудим затронутые проблемы Каждый из нас встречал в окружающей природе предстатгг<-лей различных видов живых организмов. Это и разнообрази м<» деревья, травы, рыбы, птицы, пресмыкающиеся и млеком ита ■ ющие. Наверное, при наблюдении такого природного многообразия у многих возникал вопрос о причинах этого явления. Н(зм’да ли так было? Всегда ли так будет? Знакомство с историей развития Земли, как одной из плам*‘т Солнечной системы, убеждает нас в том, что так было не всегда. На раннем этапе формирования Земли жизни на нашей плапс'т** не было совсем. Современное естествознание рассматривает обра^ зование жизни на Земле как природный эволюционный пр(>м,(з*г, в результате которого возникло это биоразнообразие. В настой» м^(ч' время на нашей планете насчитывается около 2 млн различных видов живых организмов. В истории Земли были периоды, когда число видов достаточно резко уменьшалось или увеличивалось. Общее число видов за кричмя эволюции росло. Массовые вымирания биологических видов происходили в прошлом неоднократно. Скорее всего, они были связаны с изм('-нениями в окружающей среде, вызванными процессами горообра^ зования, падением метеоритов, периодами глобального потенл('-ния и оледенения. Среди морских животных массовые вымирания произо! н л и в конце пермского периода. В меловом периоде (плиоцене) отмечено вымирание динозавров. На конец третичного и начало четвертичного периодов приходится массовое вымирание млекопитающих. О распространении видов животных в различные периоды фанерозоя можно судить по рис. 24. Толщина вертикальных линий на рисунке пропорциональна численности вида. Как показывают палеонтологические исследования, вымирание отдельных видов происходило на протяжении всей истории о 163 Период Четвертичный (О) Неогеновый (Л/) Палеогеновый (Р) Меловой (К) Юрский (J) Триасовый (Т) Пермский (Р) Каменноугольный (С) Девонский (О) Силурийский(S) Ордовикский (О) Кембрийский (G) Рис. 24. Распространение видов животных в различные периоды фанерозоя развития животного мира, в том числе задолго до появления человека. Появление человека ускорило этот процесс. Исчезновение мамонтов, шерстистых носорогов, пещерных медведей, саблезубых тигров во многом связано с результатами массовой охоты древних людей на этих животных. В настоящее время ускоренное вымирание биологических видов продолжается. Этому способствует загрязнение окружающей среды, интенсивное развитие сельского хозяйства, развитие инфраструктуры современных территориально-промышленных комплексов и другие техногенные и антропогенные факторы. 164 ini' В этих условиях на Земле исчезают, прелюде всего, малочис ленные и редкие виды, которые играют в развитии и стабилиза ции жизни не последнюю роль. С их исчезновением нарухиается взаимодействие между отдельными видами, их популяциями, что приводит к дальнейшему вымиранию организмов. Задача сохранения биоразнообразия в современных условиях приобрела глобальное, обнцечеловеческое значение, в ее репюпии заинтересованы все страны. В 1992 г. на конференции ООН в Рио-де-Жанейро была при нята «Конвенция о биологическом разнообразии», в которой био логическое разнообразие рассматривается как необходимое условие устойчивого развития жизни на Земле. Проблема сохранения биоразнообразия очень важна и для im шей страны. События жаркого лета 2010 г. показали, что то^п.ко ответственные, продуманные действия, направленные на сохраж' ние и охрану природы, могут принести успех. В противном случж* нас ожидают крупные неприятности, следствием которых явлж'т ся исчезновение отдельных биологических видов. Подведем итоги • Биологическое разнообразие видов — необходимое услонж* устойчивого эволюционного развития жизни на Земле. • В настояицее время на Земле насчитывается около 2 млн яп дов различных представителей биоты. • Число видов в процессе эволюции постоянно меняется, что связано как с внутренними, так и с внешними факторами, определяющими существование и развитие видов. • Процесс сокращения разнообразия видов в настоящее врс'мя резко ускорился под влиянием человеческой деятельности. • Уменьшение биологического разнообразия видов имеет отри цательные последствия для развития жизни на Земле. Что нужно обязательно запомнить • Биологическое разнообразие — необходимое условие устоим и вого эволюционного развития жизни на Земле. Что необходимо понять и усвоить • Уменьшение биоразнообразия ведет к отрицательным nocjuvi ствиям для существования человека как биологического вида. Человек как природное явление Что нужно научиться делать I, Ь • Оценивать свои поступки с точки зрения сохранения биологического разнообразия в природе. Щ Контрольные вопросы 1. Почему биоразнообразие важно для сохранения и развития жизни на Земле? 2. Сколько биологических видов в настоящее время существует на Земле? 3. От чего зависит число биологических видов на Земле? 4. Какую роль играет человек в сохранении числа видов на Земле? 5. Какие мероприятия проводятся в нашей стране для сохранения ред- ких животных и растении &9 Задание * f Перечислите биологические виды, которые занесены в Красную книгу в том регионе, где вы живете. §37 Биосфера и роль человека в биосфере О чем пойдет речь О понятии биосферы и влиянии человека на состояние биосферы. Обсудим затронутые проблемы Живые организмы, будучи открытыми системами, обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и информацией. В результате биохимических процессов происходит перенос вещества на Земле, образование осадочных пород. По своим мае- *1 штабам природообразующая функция организмов оказывается соизмеримой с геологическими процессами, перераспределяющими вещество на поверхности и в толще Земли. 166 1 I >1Ю< (|м I >. I и I м > III > 'И ' м< m« *1' .) It тки < | и | и - Liil Э'гм пронгссы pyrricmi ученый Н. И. Иернадект"! imaim.u биогеохнмическими ироцсчх'ами. Наука, изучаюхцая зти iipoipM* сы, получила название биогеохимии. Основателем ее по праиу считается Вернадский. Вернадскому принадлежит и первенство в обосновании моня тия биосферы как наружной оболочки, в которой происходят Гию геохимические процессы. С точки зрения Вернадского, биосфера — это глобальная система, отдельными элементами кого рой являются живые организмы, биологические виды, 11опу.мя ции, биоценозы, экологические системы и вещество. Все эти си ставляющие вовлечены в жизненные процессы, происходящю' я биосфере. Таким образом, понятием биосфера описывается природт.п! объект планетарного масштаба, свойства которого связаны с у ми кальным явлением жизни на Земле. Кроме живой составляющей в состав биосферы входят три оболочки Земли: твердая земная кора, жидкая гидросфера и гаэо образная атмосфера. Все четыре компонента биосферы сняэят.1 между собой. Химический состав земных оболочек определяется деятолыки* тью живых организмов. В свою очередь, элементный состав оргя низмов зависит от химического состава косных оболочек Земли. Состояние живого вещества биосферы во многом завист’ от поступления энергии в биосферу. Основным источником энергии для биосферы является Солнце. Энергия солнечного света пр(*оГ) разуется в энергию химических связей с помощью фотосинтеза, что и определяет, в конечном счете, многие биологические про цессы на Земле. Существуют и другие источники энергии, связанные с ripoiM'fv сами, происходящими в толще Земли. На дне океана обнаружены бактерии — анаэробные термо(|)и лы, которые используют энергию подземных источников. J[j\u поддержания своего существования эти бактерии потребляю'!' серу, а не кислород. Организмы, сохранившиеся на Земле со нр<» мен зарождения жизни, позволяют рассматривать их как возмож ных претендентов на первые жизненные формы. Эта гипотеза \\с нашла достаточно аргументированного подтверждения, но чжгт используется как одна из возможных гипотез при обсуждении проблемы происхождения жизни на Земле. Многочисленные виды бактерий, которые могут существовать в экстремальных условиях, позволяют установить границы био- 4<;л()пс?к k;ik природти^ яппоиис^ сферы далеко за пределами районов обитания б().мыпипства организмов на поверхности Земли. Например, существуют бактерии, которые выживают при температуре 110 ^С. Фотосинтезирующие бактерии могут существовать при температуре не выше 74 Существуют бактерии, которые хорошо себя чувствуют во льдах Антарктиды, где температура падает до -100 °С. Есть бактерии, устойчивые к высоким уровням радиоактивного излучения, смертельного для человека. Изучение разнообразных условий существования жизненных форм на Земле позволяет уточнить границы биосферы и установить особенности ее развития во времени. Границы биосферы определяются температурными, энергетическими и химическими особенностями среды. Можно считать, что биосфера в настоящее время занимает область пространства в оболочках Земли от глубины 5-6 км в литосфере до 30-50 км в ее атмосфере. Гидросфера Земли полностью включена в состав биосферы, так как жизнь обнаружена во всех районах океана. Изучение свойств биосферы позволяет с большой степенью уверенности утверждать, что она представляет открытую сложную самоорганизующуюся систему. Живые организмы изменяют химический состав оболочки Земли, что приводит к изменению количества энергии, поступающей от Солнца к организмам, в результате изменения состава атмосферы Земли. При изучении истории развития биосферы Земли было установлено, что ее развитие происходило циклично с периодичностью 25-30 млн лет. Палеонтологические исследования показали, что этот временной промежуток разделяет настоящие катастрофы в истории развития жизни на Земле, сопровождавшиеся массовым вымиранием биологических видов. Причины такой цикличности до конца не ясны. Они могут быть связаны с внешними факторами. С другой стороны, они могут характеризовать особенности поведения биосферы как синергетической системы, для которой свойственна периодичность изменения ее состояния. Последние столетия характеризуются возрастанием влияния человека на состояние биосферы. Антропогенное воздействие на биосферу происходит за счет загрязнения окружающей среды отходами производства. Особенно велика нагрузка на биосферу в районах, связанных с функционированием крупных мегаполисов. Вырубка лесов, лесные и торфяные пожары, засорение морей, рек и озер, развитие сельскохозяйственного производства, I I и 1ПГ<|м *1 ). I М I М >) и. *И ‘ П( )Г к ' |v , I It V )И( М < jn I и • и сокращсммс алттгдпмх территорий отрицат1*.пыт иоадсмюм’иуют на экологич(ч;кш* сияап и биосфере и приводят к м(ч’атмт1мм последствиям алаистарного масштаба. В качестве примеров можно привести глобальное ш)топл(мте климата, разрушение озонового слоя Земли, увеличение числа катастрофических природных явлений, наносяш;их большой ар(‘д окружающей природе и человеку. К сожалению, предсказать сщ* нарий развития биосферы в ближайшей или дальней перспектит* не представляется возможным. Эволюция биосферы определяется огромным числом (|)aic'm ров, влияющих на ее состояние. Ясно одно: человек, являясь <'о ставной частью биосферы, несет повышенную ответствениость ш» ред будущими поколениями за сохранение биосферы и жизни на Земле. Подведем итоги Биологические, геологические и химические процессы па Зс'м ле тесно связаны между собой. Наличие такой связи впервые установил русский yMomnii В. И. Вернадский — основатель новой науки, биогеохимии. Пространственная оболочка Земли, в которой проявляются биогеохимические взаимодействия, называется биосферой. В состав биосферы кроме живых организмов входят лито сфера, гидросфера и атмосфера Земли, в которых протекают жизненные процессы. В биосфере происходит взаимодействие косных оболочек с биотой Земли. Биосфера представляет открытую, самоорганизующуюся сш*-тему, состояние которой изменяется со временем под дей(!т вием многих факторов. Цикличность изменения состояния биосферы — одно из свойств. Что нужно обязательно запомнить Биосфера представляет собой высший структурный урошчп, организации жизни на Земле. - ’ человек как поиролное явление Что необходимо понять и усвоить с Человек является одной из составляющих частей биосферы. - Деятельность человека в последнее время наносит существен ный вред биосфере. Что нужно научиться делать - Свое поведение в природе, общение с другими людьми оцени вать с точки зрения сохранения жизни на Земле. Контрольные вопросы 1. Что такое биосфера? 2. Чем вызвана цикличность развития биосферы? 3. Какие источники энергии характерны для биосферы? 4. Может ли в будущем наступить катастрофический период в развитии биосферы? о. Может ли существовать биосфера на других планетах? ^ Задание Назовите основные этапы развития биосферы Земли. §38 Основные выводы по третьей главе После выхода в свет работы Ч. Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора» в 1859 г. проблема происхождения человека приобрела естественнонаучное содержание. Происхождение человека стали рассматривать как результат естественного отбора в процессе межвидовой борьбы за существование. В настоящее время население Земли насчитывает более 7 млрд человек. По характерным внешним признакам всех людей планеты делят на четыре расы. 170 Основные выводы по третьей главе Человеческие расы Негроидная Австралоидная История развития человека насчитывает около 8 млн лет. Современный человек Кроманьонец Неандерталец Питекантроп Синантроп Геномом человека или любого другого организма называется генетический состав гаплоидной клетки этого организма. Материальными носителями наследственных признаков человека являются гены, представляющие собой определенную посш'-довательность нуклеотидов в молекуле ДНК. Гены содержат информацию о всех биологических процессах в клетках и организме* в целом. Успехи генетики позволили понять причины многих наследственных болезней человека, которые раньше считались неизле*-чимыми. В настоящее время описано примерно 10 000 болезиеГ! человека, из которых около 5000 — наследственные болезни. Успехи современной молекулярной биологии позволяют использовать свойства природных организмов или организмом г измененными свойствами для производства белков, лекарств, сельскохозяйственных культур и продуктов животноводства в промышленных масштабах. 171 Человек как природное явление Это направление в биологии получило названием бмотохнологии. Успехи современной молекулярной биологии поставили перед обществом ряд этических проблем, связанных с использованием и употреблением генно-модифицированных растений, животных и продуктов питания. Большие опасения вызывает возможность изменения генома человека. При исследовании генома человека было разработано множество оригинальных методов, позволяющих установить расположение отдельных нуклеотидов в структуре ДНК и научиться исправлять нежелательные изменения в генах. Среди них особое место занимает метод обратной транскрипции: по матричной РНК синтезируется участок ДНК, в точности повторяющий исследуемый участок исходной ДНК, на которой транскрибируется мРНК, но не содержащий интронов. Создание подобных клонов участка ДНК в неограниченном количестве позволило значительно ускорить расшифровку строения ДНК при выполнении проекта «Геном человека». Нормальное функционирование живого организма, в том числе человека, возможно только в том случае, если он получает из окружающей среды необходимые вещества, энергию и информацию. В организм человека могут поступать вещества, оказывающие отрицательное воздействие, наносящее вред здоровью. Курение табака, употребление алкоголя и наркотиков вызывают мутацию генов, нарушение жизненных функций организма, снижение иммунитета. Все эти изменения могут передаваться по наследству, приводя к деградации человеческого вида и его отдельных популяций. Человек за годы своей жизни постоянно подвергается воздействию электромагнитных и радиоактивных излучений. Для уменьшения отрицательного влияния излучений на человека необходимо ограничить их воздействие в пределах допустимой нормы. Биологическое разнообразие видов — необходимое условие устойчивого эволюционного развития жизни на Земле. Процесс сокращения разнообразия видов в настоящее время ускорился под влиянием человеческой деятельности. Уменьшение биологического разнообразия видов имеет отрицательные последствия для развития жизни на Земле. Человек, являясь составной частью биосферы, несет повышенную ответственность перед будущими поколениями за сохранение биосферы и жизни на Земле. 172 Глава 4 Естественнонаучная картина мира §39 Система наук о природе и естественнонаучная картина мира О чем пойдет речь О методах систематизации научной информации. О попя'1'ии естественнонаучной картины мира, являющейся резуль'гатом обобщения научных знаний об окружающем мире, полученных с помощью научного метода. Обсудим затронутые проблемы Мы подходим к завершению изучения естествознания в пнеол**. Пора подводить итоги. Изучая естествознание, мы убедились, что окружающий мир можно рассматривать как множество природных объектов с oiipt^ деленными отношениями между ними. Под природными обымс-тами понимаются такие составляющие внешнего мира, которые обладают характерными индивидуальными свойствами, дос'гун-ными для восприятия и изучения человеком. Разнообразие объектов, воспринимаемых человеком, и сопо-купность их отношений зависят как от природы самих объектои. так и от возможностей наблюдателей. Используя свои природные возможности, человек сильно \n\rr ширил границы восприятия окружающего мира, что привело к существенному увеличению как числа объектов, доступных изучению, так и количества сведений о свойствах этих объектов. Расширение возможностей человека в изучении новых rpaiun'i окружающего мира происходило каждый раз, когда появлялис!. оригинальные приборы, устройства, идеи, в корне изменяюпию общепринятые представления о природе. Вырабатывая понятия, отражающие основные признаки природных объектов и явлений, исследуя объективно существующие» о Естественнонаучная картина мира О О отношения между объектами, люди постепенно v. помощью языка и логических правил сформулировали суждения, сделали умозаключения, выявили закономерности, являющиеся обобщением огромного числа наблюдений, исследований и результатов прак^ тической деятельности. Совокупность форм мышления, отражающих свойства окружа-ющего мира и образующих логически непротиворечивую систему связанных между собой элементов, представляет собой знания. Если при описании некоторой области природных объектом и явлений применяется научный метод, то говорят о научном зна’ НИИ. Любое научное знание реализуется в виде понятий или суждений, содержащих научные понятия, термины, величины, слова или символы, выражающие отношения между понятиями. Отдельные понятия или термины сами по себе не представляют знания. Только в сочетании с другими понятиями, характеризующими некоторую часть реальности, данное понятие превращается в элемент знания. Таким образом, научное знание следует рассматривать как системную совокупность связанных между собой понятий, отра* » жающих свойства реально существующих объектов, явлений и отношения между ними. К различным структурным уровням знаний можно отнести: элементы знаний, разделы знаний, области знаний, отдельные' науки, совокупность наук, научную картину мира. Каждый из перечисленных уровней знания реализуется в виде словесных высказываний, описаний или символьных выражений. Составляющими научных знаний служат научные понятия, связанные между собой другими понятиями, выражающими отношения между ними или подходящими служебными словами в соответствии с нормами литературного языка. Для структурирования знаний применяются различные методы, в которых за основу классификации принимаются те или иные' признаки, например отдельные виды взаимодействия объектов, характер природных закономерностей, методы исследования и, возможно, другие признаки. В частности, научные знания можно классифицировать, применяя научный метод познания. В этом случае отдельные элементы знания распределяют по независимым составляющим, содержащим информацию: о методах научных исследований; о природных объектах и явлениях; о понятийном аппарате науки; о научных законах; о различных применениях науки. 174 ! (^и<: h'm;i ii.iyK о м()И|ю,/м‘ f ьн Другом мрммгр 1ч inrrM(|)mcjm,MH знаний iiptvUKUiar'JU'T и<*м(мп.;1о вание ст1)уктурп1.1Х corTaiunnonpix фундаментальной науки. атом случае независимыми ин(1юрмационными составляющими будут служить соответствующие научные области. Например, для (|)ii;ni ки такими областями являются механика, молекулярная (физика, электродинамика, оптика, специальная теория относительности, квантовая механика, термодинамика и другие разделы. Для химии — неорганическая, органическая химия, бпохи мия, квантовая химия и т. д. Для биологии — микробиология, ботаника, зоология, (|)пзмо' логия, экология и т. д. Отмеченные методы структурирования научной информации хорошо известны и широко применяются для систематизации научных знаний. Таким образом, научные знания можно ра<*-сматривать как структурированную систему элементов знания, которая моделирует с помощью научного метода определенную область окружающего мира, доступную для исследования научными методами. Научные знания ученые получают с помощью научных и(ч:л<‘ дований. Источником научных знаний служит окружающий мир, природа. Природа столь разнообразна в своих проявлениях, что (м* изучение не по силам какой-то одной науке. Мы уже говорили, что только естественных наук в настоящее время насчитывас'тся более 10 000. Каждая из этих наук углубленно изучает одну из сторон природы. Так как природа едина, разные науки оказываются связанны ми друг с другом единым источником научной информации. Един ство объекта изучения и применение научного метода для eix) изучения приводят к тесным связям между отдельными науками. Таким образом, отдельные науки можно рассматривать как отдельные элементы одной системы, осуществляющей с помощью деятельности человека научное отражение природы. Когда речь идет о системном подходе при описании того или иного явления, всегда обращают внимание на отличие свойств элементов системы от свойств самой системы. Это отличие проявляется в том, что система элементов, как правило, приобретасгг свойства, которые отсутствовали у отдельных элементов. Образно говоря, система может больше, чем отдельный элемент. Аналогичная ситуация возникает и в системе наук о природ(ь Каждая из естественных наук — физика, химия, биология, геология, география, астрономия и другие — изучают определенную ш Естественнонаучная картина мира О О сторону окружающего мира. Какие же преимущестпа при опи(!п-нии природы имеет системный научный подход, используем1.п1 современным естествознанием? Это, прежде всего, описание и изучение природы во всем (м* многообразии как единого объекта, имеющего свои особенности, свойства и подчиняющегося объективным закономерностям. Зада* чей такого описания является формирование в сознании человека естественнонаучной картины мира, которая не может быть сфо1> ' мирована в рамках какой-либо отдельной естественной науки. Естественнонаучная картина мира — это обобщенный образ природы, осознаваемый человеком в виде совокупности природ* ных объектов, находящихся в определенных отношениях, выяв-ленных человеком в процессе познания природы с помощью науч* кого метода. Формируя естественнонаучную картину мира, естествознание систематизирует научные знания по определенным фрагментам, отличным от тех, которые используются при систематизации знаний отдельными естественными науками. К числу таких фрагментов относятся: • человек и методы познания; • природные объекты; • формы существования природных объектов; • природные системы; • природные процессы; • естественнонаучные концепции; • создание и применение искусственных объектов человеком. В заключительной главе мы остановимся на основных достижениях естествознания в построении современной естественнонаучной картины мира. Подведем итоги Окружающий мир можно рассматривать как множество природных объектов с определенными отношениями между ними. Под природными объектами понимаются такие составляющие внешнего мира, которые обладают характерными индивидуальными свойствами, доступными для восприятия и изучения человеком. 176 Сисп?м.ч наук о м|>ир<>д<‘ □ЕШ Г • CoHOKyiiiKM'Ti. <|юрм мы111Л(‘11ия, отражающих (Я10|'к-тма окру-жающого мп|)а и образующих логически иеиротииорс'чипую систему связанных между собой элементов, предстаилж’т собой знания. • Если при описании некоторой области природных об'1.(МС'гои и явлений применяется научный метод, то говорят о научном знании. • Научное знание следует рассматривать как системную сопо купность связанных между собой понятий, отражающих сшп\ ства реально существующих объектов, явлений и отнонкчтя между ними, • Научные знания ученые получают с помощью научных исг.ло дований. Источником научных знаний служит окружающи!! мир, природа. • Современное естествознание использует системный подход для изучения и описания окружающего мира. Задачей такого описания является формирование в сознании человека ост(ч*т-веннонаучной картины мира, которая не может быть сформп рована в рамках какой-либо отдельной естественной науки. Что нужно обязательно запомнить • Источником научных знаний служит окружающий мир, мри рода. Что необходимо понять и усвоить • Совокупность форм мыпхления, отражающих свойства окружающего мира, образующих логически непротиворечивую систему связанных между собой элементов, представляет собой знания. • Научные знания можно рассматривать как структуриро 11 ную систему элементов знания, которая моделирует с помощью научного метода определенную область окружаюицч’о мира, доступную для исследования научными методами. Что нужно научиться делать • Называть классификационные признаки естественнонаучной картины мира. 177 Нотвсгвв;! донаучная картина мира Контрольные вопросы 1. Что мы называем знаниями? 2. Что мы называем научными знаниями? 3. Почему о естественных науках можно говорить как о системе наук?. 4. Чем современное естествознание отличается от других естественных^ наук? 5. Какие классификационные признаки применяются в естествознании для описания естественнонаучной картины мира? Задание Опишите естественнонаучную картину мира, которой вы придержи ваетесь. §40 Наиболее важные естественнонаучные открытия и идеи, определяющие современные знания о мире О чем пойдет речь Об основных естественнонаучных открытиях и концепциях; определяющих содержание современной естественнонаучной картины мира. Обсудим затронутые проблемы Последние десятилетия XX и начало XXI вв. ознаменовались' бурным развитием новых методов исследования окружающего мира. Современные достижения в области полупроводниковых технологий, лазерной оптики, космической техники (рис. 25-26, рис. Ц21 (см. цветной блок)), приборостроения позволили создать новые поколения микроскопов (рис. 27), телескопов (рис. 28-29), 178 Н.ТИПО/ИМ* И.1ЖН1*И' (>1К|)1>11ИМ и И.ЦСИ §40 радиотол<чмст1пм (|iiic. 30), ускорителей и детокторои оломсмггир ных частиц (i)uc. 31 33), обладающих значительно болыпимн поа можностями для изучения природных объектов, чем их нр<*д шественники. Рис. 25. Советский космический аппарат «Луноход» Рис, 26. Американский космический зонд «Пионер» 1 Естественнонаучная картина мира Л Рис. 27. Современный микроскоп Рис. 28. Большой бинокулярный телескоп 1 Il.wt lib ' “ ‘ t * V|)M T -I И » Рис. 29. Большой азимутальный телескоп Рис. 30. Радиотелескоп Крымской обсерватории Естест130ннонпучнпя кортин.) мира Рис. 31. Стамфордский линейный ускоритель (вид с высоты птичьего полета) Рис. 32. Общий вид Фермиевского ускорительного центра (Фермилаб) 182 Нли€ш;1ио и^1жиыи о i крыт им и идии -ШУ Рис. 33. Фрагмент ускорительного кольца Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе В качестве примера можно привести достижения в облмс'т микроскопической техники. Современные электронные, туи жми.-ные и атомные силовые микроскопы способны давать изобрилсс*-ния с разрешением, позволяюш;им наблюдать отдельные можчсу’ лы и атомы. Современные микроскопы значительно расптрплп возможности изучения биологических объектов и обос 11 о ч и .ни успешное развитие и применение методов генной инженерии. Существенный прорыв произошел в области телескопичсччсоГ! техники. Развитие современных телескопов идет по иесколысим направлениям. Одно из них — создание телескопов с зеркалами большого диаметра. Если в конце прошлого века советский телескоп с зеркалом диаметром 6 м был самым большим телескопом в мире, то соймаг введены в строй телескопы с 8- и 10-метровыми зеркалами, (h’po-ятся телескопы с диаметром зеркала более 12 м. Для при(?ма юа оптического излучения в этих телескопах используются совремеи ные полупроводниковые приемники, работающие при сверхниа ких температурах и обладающие значительно большей чувстви-тельностью, чем их предшественники. Второе направление в развитии телескопической техники -это создание телескопов, работающих в различных диапазонах электромагнитных волн. Если до середины XX в. при астрономических наблюдениях использовался только видимый свет, то в настоящее время телескопы работают в огромном диапазоне длин волн — от радиоволн с длиной волны 10^ м до гамма-излучения с длиной волны порядка 10'^^ м. Кроме того, активно развиваето! нейтринная астрономия, где источником информации служат частицы вещества — нейтрино, а не электромагнитные волны или кванты электромагнитного поля, как в оптических телескопах Третье направление — это телескопы космического базирования. Первый космический телескоп «Хаббл» (см. цветной блок: рис. Ц22), выведенный на околоземную орбиту десять лет назад, передал на Землю ценную информацию о планетах Солнечной системы, объектах внутри нашей Галактики, о далеких галактиках. Другие космические телескопы, работающие в инфракрасном, ультрафиолетовом и гамма-диапазоне, позволили изучать астрономические объекты в разных участках спектра электромагнитного излз^ения. К числу уникальных физических приборов, созданных в последнее время для исследования фундаментальных природных явлений, относятся Большой адронный коллайдер — ускоритель элементарных частиц, обеспечивающий энергию их взаимодействия порядка 10 ТэВ (см. цветной блок: рис. Ц23), и Большой американский лазерный интерферометр, предназначенный для поиска гравитационных волн. Продолжают интенсивно развиваться хорошо зарекомендовавшие себя методы спектроскопии атомов и молекул, рентгеноструктурного анализа, резонансные методы изучения вещества. Современные методы исследований позволили установить новые научные факты, открыть неизвестные ранее природные объекты, существенно расширить представления человека об окружающем мире. Благодаря успехам естественных наук удалось в рамках современного естествознания составить обобщенный образ развивающейся Вселенной, в которой мы живем. Если не так давно пространственные границы нашего мира не выходили за пределы Солнечной системы, то теперь они раздви- 1 II. Ill* >1 > m м ‘ It. I ж нм(' < > n* I *м I • 1м I) f 1M * M нулись до |)и;1мгро11 с*диь рпз.мпчимого с помощью '1'(*лс<*ко1т «Хаббл» края Ht^viomioii м. После того как было открыто реликтовое излучепио, oiipм I им и гп и могла нозпикпуть и результата еетеетиеппых процеесоа. Ираида, характер этих продессон до сих пор нам ноизиестсп. Подведем итоги • В последнее время для исследования фундаментальных при родных явлений созданы уникальные приборы, расширяющт* возможности человека в исследовании объектов и явлеиим окружающего мира. • Современные микроскопы позволяют наблюдать отдел ы i ы < * молекулы и атомы. • Созданы телескопы, работающие в диапазоне от радиоиолм с длиной волны 10^ м до гамма-излучения с длиной волны по рядка 10'^^ м. • Активно развивается нейтринная астрономия, где источником информации служат частицы вещества — нейтрино. • Введены в действие Большой адронный коллайдер — ус ко ритель элементарных частиц, обеспечивающий энергию их взаимодействия порядка 10 ТэВ, и Большой лазерный иптс^р ферометр, предназначенный для поиска гравитационных волн. • Благодаря успехам естественных наук удалось в рамкдх современного естествознания составить обобщенный образ развивающейся Вселенной, в которой мы живем, установить дискретное строение вещества и физических полей, oTicpi.m. квантовые свойства вещества и излучения, существование чс тырех фундаментальных взаимодействий, единство простран ства и времени. • К числу последних достижений естествознания с полным основанием можно отнести открытие явления самостоятельно го упорядочения сложных открытых систем. Это направлен ж* естествознания, получившее название «синергетика», открывает новые возможности для понимания природы процессов в живых системах. Что нужно обязательно запомнить • Методы современного естествознания, расширившие возможности человека в познании окружающего мира. Ес1вственнонаумная кврттш ми1>а Что необходимо понять и усвоить • Благодаря успехам естественных наук удалось в рамках современного естествознания составить обобщенный образ развивающейся Вселенной, в которой мы живем, установить дискретное строение вещества и физических полей, открыть квантовые свойства вещества и излучения, существование четырех фундаментальных взаимодействий, единство простран-' ства и времени. Что нужно научиться делать • Называть основные достижения современного естествознания. е Контрольные вопросы 1. Какие методы исследования оказали большое влияние на расширение наших знаний об окружающем мире? 2. Какие достижения характеризуют современный этап развития естест- « вознания? 3. В каком диапазоне длин волн работают современные телескопы? 4. Почему в конце XIX в. некоторые ученые считали атомы умозрительными объектами? Что позволило изменить эту точку зрения? ^ Задание Перечислите основные достижения современного естествознания. §41 Единство состава вещества и законов природы во Вселенной О чем пойдет речь О единстве состава вещества и законов природы во Вселенной как важнейптем признаке единства окружающего мира и одном из фрагментов современной естественнонаучной картины мира. 188 ■о тг ‘"Л Обсудим затронутые проблемы Рассмотрение Вселенной как самого большого и сложного оГп. екта природы является заслугой современного естсстио;нm mi я. Всего 100 лет прошло с тех пор, как стали появляться гк^рмыг научно обоснованные представления о строении и свойствах В<м* ленной. Большую роль в становлении современных взглядов im природу Вселенной и ее эволюцию сыграло изучение состава ми.му чения и вещества во Вселенной и их взаимодействия с г|)авп тационными полями. До недавнего времени информацию о свойствах астрономмчо ских объектов можно было получить, только исследуя излучсмпкч поступающее на Землю от этих объектов. Поэтому о состаж* иг щества во Вселенной можно было судить по спектрам излучомпя, интенсивности излучения, распределению мощности в спектре излучения. Несмотря на ограниченность экспериментальных itoa можностей при изучении удаленных объектов, узнать о них уда лось достаточно много. Прежде всего, изучая спектры излучения и поглощения Сол нца и других звезд, удалось установить, что они содержат то же химические элементы, что присутствуют и на Земле. Правда, г<‘ ЛИЙ был сначала обнаружен на Солнце по наблюдению спок'гра излучения, идущего от Солнца. Это открытие сделал англий(!кт"1 исследователь Н. Локьер в 1868 г. Но через 25 лет этот газ ма шли и на Земле. В настоящее время он широко использу(ггся а научных исследованиях. В частности, гелий входит состанш)!! частью в газовую смесь, применяемую в гелий-неоновых лаз(*|)ах в качестве среды с инверсной населенностью, и применж'тгя в криогенной технике для получения сверхнизких температур. Гелий переходит в жидкое состояние при температуре около 4 К. Изучение состава звезд показало, что на ранних стадиях сно его развития звезды состоят преимущественно из атомов водорода и гелия. В туманностях и межгалактическом пространстве 6i»um обнаружены ядра, атомы всех элементов периодической таблицы Менделеева и даже молекулы некоторых органических соедиж^ ний, включая аминокислоты. Эти экспериментальные факты говорят о том, что Земля ii<‘ является уникальной планетой по своему химическому составу. Исследования химического состава образцов грунта, взятых с поверхности Венеры, Марса и Луны, показали, что Земля по химп- 4» _ Естестаеннонаучная картина мира О ческому составу ничем не отличается от других планет земной группы в Солнечной системе. Планеты-гиганты состоят в основном из водорода и гелия. Это можно объяснить особенностями формирования планет Солнечной системы в процессе рождения, но не исключительностью химиг: ческих элементов, существующих, например, только на Юпитере; Все, что есть на Юпитере, есть и на Земле, только в других коли:^ чествах и при других условиях. Возможно, такое единство химического элементного состава характерно только для Солнечной системы из-за единства происхождения объектов, входящих в ее состав? Оказалось, что химический состав и других звезд такой же, как и Солнца. Может быть, состав изменится, если выйти за пределы нашей Галактики? Но и за пределами нашей Галактики, как показали спектральные исследования, состав химических элементов такой же, как и внутри нее. j Остается признать, что химический элементный состав в разных областях наблюдаемой Вселенной одинаковый. Это утвержде: ние в настоящее время является доказанным экспериментальным фактом. Говорит ли одинаковый химический элементный состав отдельных составляющих Вселенной о ее единстве? Да, говорит. Можно задать вопрос о причинах такого явления. Одно из возможных объяснений этого явления связано с единством происхождения химических элементов в процессе эволюции Вселенной. Несмотря на правдоподобность наших рассуждений, все-таки остаются сомнения в их окончательной справедливости. Возможно, что по спектрам излучения мы определяем только те составляющие вещества, которые можем обнаружить таким методом. Может быть, существуют другие составляющие, которые не проявляют себя по спектрам излучения. Такая возможность в принципе не исключена. Как мы уже говорили при обсуждении явления расширения Вселенной, причиной увеличения скорости такого расширения может служить темная энергия, вызывающая эффект отталкивания галактик. Было установлено, что кроме темной энергии должна существовать еще темная материя, которая является причиной наблюдаемого движения звезд в составе галактик. Самое интересное заключается в том, что если предположения о существовании темной энергии и темной материи окажутся верными, то масса этих составляющих должна превысить массу ш 1 Ели1 М НЮ I f м: 1.111.1 III чц| м; IICI и мкомоп i i|>ii| >п;м*1 §41 наблюдш'М(м'1 чж*тп Hcrjirmioii iipiiivH'piio и 20 раз. Гппотслы о существоиаппи м('паГ)лк)да(‘мых состаиляющих, входящих а со став Вселенной, осиоиаиы иа уверенности ученых в спрашгдлипог ти тех законов, которые были открыты на Земле при nayHiMimi взаимодействия вещественных объектов с физическими полями. На чем основана такая уверенность? Многочисленные эксперименты на Земле, успешные поиски планет в Солнечной системе на основе расчета их орбит с И(пюл1. зованием законов Ньютона, предсказание точного времопи co.ri нечных и лунных затмений на столетия вперед и многое другое убеждают нас в том, что земные законы справедливы дале1Со аа пределами Земли. Как оказалось, такое широкое поле деятельное ти природных закономерностей имеет под собой прочное <Ч!Т('С'г веннонаучное основание, связанное со свойствами симметрии про странства и времени. Последние исследования подтвердили, что Вселенная одно родна и изотропна. Следовательно, закономерности, открытию im Земле, должны быть справедливыми во всей наблюдаемой Hciukmi ной. Это еще один аргумент в пользу единства законов во \Wr ленной Что же тогда представляют собой темная энергия и томная материя? На этот вопрос мы не получим ответа, пока не шп'^дом способ, который сделал бы эти гипотетические составляющж' до ступными для наблюдения, или пока не накопим экспорпм(‘п-тальный материал для создания научно обоснованной мод(*л и этих объектов. Единство состава вещества и фундаментальных законом мо Вселенной является экспериментально доказанным утв(^ржд<* нием. Земля — заурядная планета Солнечной системы. В настоя щее время открыты сотни экзопланет, не входящих в Солночнук» систему. Почему же тогда нигде во Вселенной, кроме Земли, иг наблюдается жизнь? Этот вопрос давно волнует человечество. Ответ на него можно получить только в том случае, если будут понятны природные механизмы, которые привели к возникновению жизни на Зомжь Подведем итоги о 4» В результате проведенных экспериментальных исследова1!1п*‘1 было установлено, что Земля состоит из тех же химических элементов, которые можно обнаружить и на других планетах. Естсстеэннонаучная картина мира звездах или в космическом пространстве. Едиистно химического состава космических объектов говорит о единстве их происхождения в процессе эволюции Вселенной. • Изучение природных явлений во Вселенной с использованием естественнонаучных методов убеждает нас в единстве» природных закономерностей в масштабе Вселенной. • Однако остаются нерешенные проблемы, которые связаны с изучением природы темной материи и темной энергии, про-исхождением жизни на Земле и которые ждут своего разрешения. Что нужно обязательно запомнить • Чудес в природе не бывает. Химический элементный состав, фундаментальные законы едины для всей Вселенной. Что необходимо понять и усвоить о Утверждение о том;, что химический элементный состав в разных областях наблюдаемой Вселенной одинаковый, является доказанным экспериментальным фактом. э Справедливость фундаментальных природных закономерностей в масштабах Вселенной имеет под собой прочное естественнонаучное основание, связанное со свойствами симметрии пространства и времени во Вселенной. Что нужно научиться делать • Приводить аргументы, подтверждающие единство элементного состава и фундаментальных законов для всей Вселенной. Контрольные вопросы 1. Какие методы используются в естествознании для исследования сос тава объектов во Вселенной? 2. Чем объясняется общность химического элементного состава составляющих Вселенной? 3. Могут ли во Вселенной существовать объекты, состоящие из неизвестных нам в настоящее время элементов? 4. Что означают термины «темная энергия» и «темная материя»? 5. Почему жизнь не обнаружена на других планетах? 192 I Преобрлзование и сохранение энергии в природе §4У Задание Представьте, что вы оказались на другой планете, где есп» ...... Расскажите о ваших действиях. Прочитайте фантастический ромлп Хола Клемента «Экспедиция "Тяготение"» и повесть Ллекс(М1 'Гол-стого «Аэлита». А §42 Преобразование и сохранение энергии в живой и неживой природе О чем пойдет речь О сохранении энергии в природных процессах как одном из признаков неуничтожимости материи. Обсудим затронутые проблемы Понятие энергии часто употребляется не только в научных изданиях и учебниках, но и на страницах газет и популярных журналов, в средствах массовой информации. Можно сказать, чт к этому слову мы привыкли с детства. Мы слышим об энергии урагана, солнечной энергии, эно1)гпн водопада, энергии, выделяюпдейся при атомном взрыве, об энергетическом влиянии космоса на человека, о совершении работы за счет изменения внутренней энергии сгораемого топлива, об :)ж»|) гоемком производстве и о многом другом, где так или иначе» используется слово «энергия». Но если мы спросим себя, что означает это слово, то oTiuvr на данный вопрос найдем не сразу. При этом каждый, исходя из емое го жизненного опыта, понимает, что, когда речь заходит об энергии, подразумевают такое свойство объектов, которое при oh|hvM‘ ленных условиях может сильно изменить состояние других об'ьемс-тов или процессов. «Освобожденная» энергия, переданная д|>угпм объектам, может переместить их в пространстве, испарить, рп<»-плавить, разрезать, разорвать, разрушить. о 193 'Щ I I 1 ( МП MHOIM учи< (Ч К<1|) I И1 К1 МИ|)«1 При бытовом понимании энергия в нашем coinmmiii приобрс'-тает такую самостоятельность, что может существовать как 6i.i независимо от объектов, свойства которых она выражает. В естествознании понятие энергии имеет вполне определенный смысл, отличный от бытового содержания этого термина. Энергия используется для выражения свойств как самих об'ь-ектов, так и характера их взаимодействия с другими объектами. Энергия служит мерой взаимодействия между объектами или мерой такого свойства объекта, которое характеризует его состояние. Отличительной особенностью энергии как научного понятия является возможность ее использования для описания состояния объектов и процессов взаимодействия между ними совершенно разной природы. Именно эта особенность позволяет говорит!» о внутренней энергии вещества или об энергии электрического тока. В процессе взаимодействия объектов их энергия может изменяться. Изменение энергии объектов при взаимодействии характеризует изменение их состояния. Вместо того чтобы говорит!» о том, что при взаимодействии энергия одного объекта уменьшилась, а другого увеличилась, используют краткое выражение: энергия при взаимодействии перешла от одного тела к другому. Поэтому, когда мы слышим высказывания о переходе энергии от одного тела к другому или о передаче тепла между телами, нужно помнить, что это краткое описание изменения состояний взаимодействующих объектов. Разным состояниям природных объектов сопоставляют разные виды энергии- Так как состояния объектов могут изменяться, виды энергии, соответствующие этим состояниям, будут разными. В этом случае говорят о превращении энергии из одного вида в другой, хотя все понимают, что меняется состояние объектов, а изменение энергии есть следствие этого процесса. Но вот что оказалось интересным. Можно так представить различные виды энергии, что при всевозможных изменениях состояния взаимодействующих объектов их полная энергия останется неизменной. Это экспериментально проверенное утверждение составляет содержание закона сохранения энергии в природе. Закон сохранения энергии — фундаментальный закон природы, справедливый для всех природных процессов и явлений. Выполнение этого закона свидетельствует о наличии общего свойства у всех природных объектов независимо от их природы. Принято 11|им)<)|>.1 toii.iimi* и (oxp.niiMiHt* MM^pi и и и п|>и)м>;п т говорить, Ч'го лькоп гохрткмшя oiu^fU'ini харпкт(‘|>п;|у<'т (‘дпмстип материального мира п мгуммчтожимость маторпп. После уточнения смысла понятий, связанных с; :)по])ги(м‘1, рас смотрим несколько конкретных примеров преобразования и со хранения энергии в живой и неживой природе. После открытия А. Эйнштейном в 1905 г. специальной т(м>р1ш относительности стало ясно, что каждое тело массой ш, ikmio движное в некоторой системе отсчета, обладает энерпк'й покоя Eq = где с — скорость света. Нетрудно подсчитать, что тело массой 1 кг имеет зш^ргию покоя около 10^^ Дж. Эта энергия соответствует взрыву жмчсо.мь ких крупных водородных бомб. Возникают вопросы: какова ii|)ii рода энергии покоя и как можно использовать такую энергию? Под энергией покоя понимается внутренняя энергия жчцс ства. Численно эта энергия равна энергии излучения, K|)oi‘ возникает в результате аннигиляции вещества с антивещес'гмом. Известно, что если электрон взаимодействует с позитроном ап тичастицей электрона, то в результате образуются два гамма кванта, энергия которых равна энергии покоя взаимодействую щих частиц. В настоящее время мы не можем полностью извлечь эж^ргию покоя из вещественных тел. Единственное, что удается пока (VP* лать, это использовать часть энергии покоя, которая освобождает ся в результате синтеза или распада нуклидов. Процессы синтеза ядер гелия из протонов обеспечивают горе ние звезд. Есть надежда ввести в строй термоядерный реактор, <■ помощью которого человечество получит доступ к дешевой злечс-троэнергии. Цепные реакции деления ядер применяются для по лучения тепла и электроэнергии в атомных ТЭЦ и АЭС. Основным источником энергии в живой природе явлж^'гся Солнце — природный термоядерный реактор. От Солнца на ica:ic-дый квадратный метр земной поверхности каждую секунду посту пает примерно 1,5 кДж энергии. Часть этой энергии бактериями и растениями в процессе фотосинтеза преобразуется в энергию хи мических связей органических молекул и затем иcпoльзy(iT(!я в процессе жизнедеятельности различных организмов. Остатки древних организмов, встречающиеся на Земле в виде угля, нефти или других осадочных пород, применяются в нас'Г(»| щее время в качестве источников энергии для нужд людей. Сжигание природного топлива — один из самых неэффективных способов использования энергии Солнца. I т Естественнонаучная картина мира с ростом народонаселения Земли потребност!. и омергии во;*’ растает. Существующие методы получения энергии приводят к значительному ухудшению экологической обстановки, к нево(^-полнимым потерям естественных источников энергии: нефти, угля, торфа, древесины. Для получения энергии все большее внимание уделяется использованию возобновляемых источников энергии, таких как солнечное излучение, термальные источники, морской прибой, энергия ветра, биологические источники энергии. Подведем итоги В естествознании понятие энергии используется для выражения свойств как самих объектов, так и характера их взаимодействия с другими объектами- Энергия служит мерой взаимодействия между объектами или мерой такого свойства объекта, которое характеризует его состояние. Отличительной особенностью энергии как научного понятия является возможность ее использования для описания состоя-ния объектов и процессов взаимодействия между ними совершенно разной природы. Энергия сохраняется при взаимодействии природных объектов и может переходить из одного вида в другой. Примером преобразования энергии в неживой природе служит освобождение внутриядерной энергии в процессах синтеза и распада нуклидов. Примером преобразования энергии в живых системах служит процесс фотосинтеза, преобразующий энергию излучения Солнца в энергию химических связей органических веществ. Что нужно обязательно запомнить • Определение энергии. Что необходимо понять и усвоить • Основные свойства энергии. Что нужно научиться делать • Приводить примеры преобразования энергии в живой и неживой природе. 196 Сбщнссть информационных процессов Контрольные вопросы 1. Что называется анергией в естествознании? 2. Можно ли считать, что энергия существует независимо от оГ)'ь(‘Ктои. свойства которых она характеризует? 3. Что означает иногда встречаемое в популярных изданиях выражсчто «масса полностью перешла в энергию»? 4. Закончатся ли когда-нибудь источники энергии на Земле? Задания 1. Приведите примеры преобразования и сохранения энергии и и(‘зки‘ вой природе. 2. Приведите примеры преобразования и сохранения энергии м жти)1^ природе. е А §43 Общность информационных процессов в биологических, технических и социальных системах О чем пойдет речь Об особенностях и общих свойствах информационных и\ю\\ог сов в биологических, технических и социальных системах. Обсудим затронутые проблемы За последние 50 лет информационные технологии достигли такого уровня, что отсутствие практических навыков рабоч-ы с компьютером или неумение получать необходимые сводомия с помощью Интернета рассматриваются как элементарная бо:л'ра мотность. Умение получать и применять информацию является необходимым условием существования систем различной природы, и которых осуществляется управление их собственными параметрами с целью их сохранения или осуществления определенных д<м”1 ствий. о 10/ V и: ж > I к i V' * * •' ^* к»11) f и н и м и I >«I К подобным системам относятся отдельные т(»х1шческие устроГг ства. Например, маятниковые часы можно рассматривать как си('-тему, в которой изменение внешней силы, действующей на маятник, приводит к такому изменению энергии, подводимой к маятнику, что амплитуда его колебаний практически не меняется. Рассмотренное поведение маятника в часах стало возможным за счет создания системы обратной связи между маятником и ис;-точником энергии в виде храпового механизма, который преобразует полученную информацию об изменении внешних условий и изменение энергии, поступающей к маятнику. Примерно то ж(^ происходит в лазерах и в других генераторах электромагнитных колебаний. В больших масштабах роль информации в обеспечении устойчивой работы проявляется в крупных технических комплексах. Например, работу современного аэропорта невозможно представить без поступления в диспетчерский пункт сведений о состоянии самолетов, совершающих посадку или взлетающих в зон<‘ действия аэропорта. Ошибки в работе диспетчеров, вызванные недостатком информации, приводят к катастрофическим послед-ствиям. Еще большее значение информация приобретает в функционировании социальных систем,, к которым относятся экономики современных стран, жизнеобеспечение крупных мегаполисов, глобальные экологические системы. Нарушения в информационном обеспечении, неправильный учет поступившей информации, непринятие или отсутствие необходимых решений для компенсации негативных явлений — все это приводит к потрясениям, кризисам в развитии социальных систем. Примером таких событий может служить мировой экономический кризис 2009-2010 гг., возникший из-за непрофессиональных действий руководителей американских банков, экологический кризис в Мексиканском заливе из-за утечки нефти после аварии на нефтяной платформе. Велика роль информации и в биологических системах, которые относятся к открытым системам и обеспечивают устойчивость своего состояния (гомеостаз) за счет получения информации от окружающей среды. Для этого в природных организмах существуют многочисленные системы обратной связи, которые регулируют работу сердца и легких, гормональный состав, температуру тела, положение тела в пространстве, клеточные процессы, синтез белков, репликацию РНК и ДНК. OfMi(Mo( it> mikIm >|)м.|ци< >mii.i>< iipoiiiM i i}r 3a зрс'мя до.пгпй ;Muuii<)ii,mi it природных жииых сигт(^млх выработался ocoOi.iii (мки’оО 1к?р(7ЦН1И, хранения и использомштя генетической ин(1)ормации. Зтот способ основан на принцшк^ ком плементарного строения и синтеза органических полиморои носителей генетической информации. Информация наряду с энергией, веществом и физическими полями выступает как составляющая, необходимая для сущ(к:тио-вания и функционирования сложных открытых систем различио11 природы. Независимо от природы сложных систем процессы по лучения информации, ее хранения и использования в этих (hkviv мах имеют много общего. Во-первых, имеются компоненты, помогающие воспринимать важную для функционирования системы информацию. В жпяых системах это рецепторы, реагирующие на внешние источники информации. Во-вторых, имеются преобразователи поступающих сигпалоа в форму, удобную для обработки и хранения в данной сисчч'мо. У человека это нервные клетки, преобразующие внешние нозд<‘ йствия в последовательность электрических импульсов, поступи ющих в мозг. Кроме того, в системе должны быть элементы, которые сриа нивают поступающие сигналы с нормой и вырабатывают коррсче тирующий сигнал для исполнительной системы, компенсирую щей нежелательное влияние внешнего воздействия на систему. У человека — это анализаторы, обеспечивающие обратную связь между рецепторами и мозгом. Подведем итоги Способность получать и использовать информацию явлж'тся необходимым условием существования систем различной при роды. Независимо от природы сложных систем процессы получения информации, ее хранения и использования в этих системах имеют много общего. Во-первых, имеются компоненты, помогающие воспринимать важную для функционирования системы информацию. Во-вторых, имеются преобразователи поступающих сигналов в форму, удобную для обработки и хранения в данной системе. г Естественнонаучная картина мира е Кроме ЭТОГО, В системе должны быть элемен'1'i.i, которые сран-нивают поступающие сигналы с нормой и вырабатывают кор’^ ректирующий сигнал для исполнительной системы, компенсирующей нежелательное влияние внешнего воздействия на систему. Что нужно обязательно запомнить * э Информация наряду с энергией, веществом и физическими полями выступает как составляющая, необходимая для* существования и функционирования сложных открытых систем различной природы. Что необходимо понять и усвоить • За время долгой эволюции в природных живых системах выработался особый способ передачи, хранения и использования генетической информации, основанный на принципе комплементарного строения и синтеза органических полимеров — носителей генетической информации. Что нужно научиться делать о Перечислять общие свойства информационных процессов в сложных системах различной природы. е Контрольные вопросы 1. Что называется информацией? 2. Какую роль играет информация в функционировании сложных систем? 3. Какие общие свойства характерны для информационных процессо!* в сложных системах различной природы? Задание Рассмотрите процесс обучения в школе с точки зрения передачи информации, необходимой для сохранения человеческого вида. 200 Вэаимосвя:1ь м«жду 01крыгиями и развитием техники §44 Взаимосвязь между научными открытиями и развитием техники и технологий О чем пойдет речь О связи между фундаментальными научными открытий! мп и ускоренным развитием техники и технологий, созданных благодаря этим открытиям. Обсудим затронутые проблемы Одной из составляющих естественнонаучной картины мира является представление о созданных человеком новых объ(мстах. источниках энергии, устройствах для облегчения физического и интеллектуального труда, новых технологиях. За время развития естествознания произошло много co6i.iTMi!, связанных с использованием достижений науки в практич(ччсо1'1 деятельности человека. Эта сторона научных исследований спя-зана с развитием прикладных наук, задачей которых явля(*тся применение фундаментальных научных исследований в прак'гиксч Практическая польза от размышлений философов и мудр<‘-цов, начиная с древних времен, ценилась достаточно вькчжо. Свои имена навсегда вписали в историю развития техники такп<' ученые прошлого, как Архимед, Леонардо да Винчи, Иоганн К(*п-лер, Галилео Галилей, Блез Паскаль, Христиан Гюйгенс и др. Можно привести очень много примеров успешного примечания научных достижений на практике. Мы остановимся на т(»х применениях, которые были связаны с фундаментальными научными открытиями и внесли существенный вклад в формироватм* наших представлений об окружающем мире. Как мы уже говорили, развитие цивилизации во многом зависит от тех материалов, которые использует человек для своих нужд. Дерево, камень, бронза, железо, сталь, железобетон последовательно сменяли друг друга в качестве основных материалов, обеспечивающих жизнь и благополучие людей. Постепенно по мере развития науки пришло понимание природы различных свойств материалов, которые широко применяются в искусствен!-ных сооружениях, механизмах и машинах. Появляется возмож- 201 Естественнонаучная картина мира ность получать материалы с заданными свойсткамп, что особсмто важно при создании мостов, небоскребов, радиоэлектронн1>1х устройств, систем связи, объектов военного назначения, ракетно!! техники, искусственных органов и др. В результате многолетних научных исследований появились сверхпрочные стали, титановые сплавы, полимерные материалы. Были созданы полупроводниковые материалы, легированные раз’ личными примесями, что позволяет изменять электрически!? свойства полупроводников в широких пределах. Большое распространение получило выращивание искусственных кристаллов алмаза, рубина, изумруда, фианитов, применяемых для создания сверхтвердых инструментов и лазерной техники. Создание термостойких керамических материалов позволило разработать космические корабли многоразового пользования для изучения и освоения человеком космического пространства. Нобелевская премия по физике в 2010 г. присуждена за создание нового сверхпрочного материала — графена. Особое значение приобретают материалы с заранее заданными свойствами в медицине при разработке и создании протезов и ис-кусственных органов. В настоящее время широко используются титановые сверхпрочные и антикоррозийные сплавы при протезировании поврежденных суставов, конечностей, зубов и других органов человека. При операциях на сердце и сосудах применяются изделия из полимеров и специальных сплавов, обработанных с помощью лазерных технологий. Успехи генной инженерии позволяют в настоящее время использовать материалы и вещества биологического происхождения для решения не только чисто медицинских или сельскохозяйственных вопросов, но и проблем, связанных с техникой. Например, уже сейчас в качестве топлива для автомобилей нашел применение биогаз, который получается с помощью бактерий. Бактерии также очищают поверхности земли и водоемов, загрязненных нефтью. Это особенно важно сейчас в связи с участившимися авариями, сопровождающими интенсивные нефтяные разработки. Какую роль играет создание новых материалов с заданными свойствами в формировании естественнонаучной картины мира? Во-первых, получение таких материалов подтверждает правильность законов, установленных при изучении природы. Во-вторых, с помощью новых материалов и способов их обработки можно создавать новые приборы для исследования природы. 202 I в :i. I и моей VI ti. м(' д у < м н рм i ичми и р. i mm и< i < * >< i uuv и [Ш Созджик* пот.IX ycTpoiicTii и прпбороп для рш*пт[)(мтя iio;i можностой чоложмеи и познжти окружающего мира ото гщ<* одно подтверждение тесной связи между фундаментально!! наукой и ее применениями. Приведем несколько примеров такой взаимной связи. Во второй половине XIX в. английский физик Дж. К. Маке велл создал теорию электромагнитного поля, которая обобщила результаты множества экспериментов. Эта теория нозиолп.па утверждать, что в природе существуют электромагнитные шмпм.к одним из видов которых является свет. После создания ч’(м)|)пи электромагнитных волн начались интенсивные поиски возможных применений этих волн. В итоге возникло несколько прикладных наук, основанием для которых послужила теория электромагнитного поля. К этим паукам относятся: радиофизика, радиотехника, радиоастрономия, радпо.мо кация, телевидение, лазерная оптика, оптоэлектроника и др. В итоге успешного применения основных положений тео|)нн Максвелла был освоен огромный диапазон длин волн, что позао лило человеку существенно расширить границы своего воспрня тия. Теперь мы можем видеть мир в тепловых (инфракрасных) лучах. Или воспринимать так, как его видят некоторые нас<мсп мые в ультрафиолетовых лучах, или увидеть его в радиолучах, как его не видит никто из известных нам животных, живущих на Земле. С помощью радиолучей можно смотреть сквозь непрозрачные для света стены, с помощью рентгеновских лучей можно увид('ть, как устроены внутренние органы организмов, и выявлять ину'г ренние дефекты в металлических деталях сильно нагруженm.ix элементов сложных конструкций. К таким деталям отноогччгя лопатки турбин реактивных двигателей, металлические формы для мостов и крупных сооружений, сварочные швы нефтяных и газовых трубопроводов высокого давления. С помощью космического телевидения и радиолокации человек, находясь на Земле, смог рассмотреть невидимую поверхноечч. Луны, ландшафты Марса и Венеры, в деталях познакомижт с кольцами Сатурна и открыл новые фрагменты на поверхности других планет Солнечной системы. Эта информация, полученная с помощью электромагнитных волн, чрезвычайно расширила наш кругозор и подтвердила нашу уверенность в единстве окружающего мира и тех законов, которые в нем действуют. Естественнонаучная картина мира Другой пример связан с успехами молекулярпоГт биологии. Исследования последних десятилетий существенно обогатили наши представления о природе жизни на Земле. Во второй половине XIX в. в своей работе «Диалектика приро^ ды» немецкий ученый Ф. Энгельс писал о жизни: «Жизнь — это форма существования белковых тел, существенным моментом которой является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой и которая прекращается вместе с прекращением этого обмена, ведя за собой разложение белка». Современные фундаментальные исследования жизни на молекулярном уровне расширяют наши представления об этом уникальном природном явлении. Жизнь определяется не только формой существования белковых молекул, но и молекулами РНК и ДНК, содержащими генетический код с программой синтеза белков, необходимых для функционирования организмов. В настоящее время в рамках естественных наук многое сделано для понимания работы клетки и механизма синтеза белкой, хотя все попытки создания искусственных жизненных форм н<‘ увенчались успехом. Пока не обнаружено ни одного исключения для известного естественнонаучного принципа: живое рождается только из живого. Понимание природы жизненных процессов на молекулярном уровне позволило разработать биотехнологии, с помощью которых можно осуществлять изменение генотипа организмов, закрепляя в их наследственном аппарате полезные для человека свойства. Например, внедряя определенные гены в геном растений, можно получить сорта растений, обладающие высокой урожайностью, устойчивые к вредителям и сорнякам, содержащие вещества с нужными лекарственными свойствами. Аналогичные приемы возможны для изменения свойств бактерий с целью доставки лекарств непосредственно к больным органам или тканям. Совершенно новые перспективы открываются в связи с использованием стволовых клеток (см. цветной блок: рис. Ц24) для формирования человеческих органов, пораженных раковыми образованиями или удаленных в результате хирургического вмешательства. Другой пример органической связи между фундаментальными теориями естествознания и современными технологиями демонстрирует атомная теория строения вещества. 204 Влаимси;им и. mi• ду i»i к| и.п имми и | >.» *пи i ш ‘м и ‘ кi ти п гш в начале XIX и. химики ш'риымп нашли и 11|)П|ЮД(‘ н('щегт ва, которые в 11|)()н.(Ч’с(* химшиччеих 11р(;иращемий но раалагаютоя на более простые вещества. Эти вещества были названы химшич* кими элементами. Анализируя особенности образования из про стых химических веществ более сложных, Д. Дальтон принк'л к выводу, что каждому химическому элементу соответствует (!iioii атом. Взаимодействие атомов различных элементов лежит в оглш ве разнообразия химических веществ, наблюдаемых в природе. Каждый атом какого-либо химического элемента ничем не отличается от другого атома этого же элемента. Атомы разных элементов могут объединяться друг с другом только в определен ной пропорции, зависящей от валентности каждого сорта атомов. Через 100 лет, используя законы квантовой механики, удв лось понять причины удивительного сходства атомов химических элементов и объяснить природу химических связей. Таким об|)в зом, была подтверждена умозрительная гипотеза Демокрптл о существовании неделимых атомов и создана теория атомного строения вещества. Правда, природные атомы оказались составными объектами, в отличие от неделимых атомов Демокрита, но основная идея Д<‘ мокрита о сведении сложных веществ к комбинации более п])о стых оказалась верной. Современная атомная теория строения вещества прииола к подлинной революции в развитии химических технологий, связанных с синтезом новых органических соединений в области химии углерода, с получением в промышленных масштабах миж» ральных удобрений, необходимых для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, с созданием материалов с зараисч' заданными свойствами. Настоящий прорыв произошел после применения выводов атомной теории к описанию свойств твердого тела. Современную радиоэлектронику, открытие транзисторов, создание интегральных схем, компьютеров, лазеров невозможно себе представить без использования достижений атомной теории строения вещества. Подведем итоги • Между развитием фундаментальных и прикладных исследований существует неразрывная связь. Естественнонаучная картина мира ^ Подтверждением тесной связи между фуидам(М1талыюй нау* кой и ее применениями служит создание новых материалов <’ зараее заданными свойствами, успехи в развитии радио, теле-видения, радиолокации, радиоастрономии; достижения в области генной инженерии, химических технологий, которые стали возможными в результате развития современных естественных наук. Что нужно обязательно запомнить а Одной ИЗ составляющих естественнонаучной картины мира является представление о новых объектах, источниках энергии и технологиях, созданных человеком. Что необходимо понять и усвоить о фундаментальные исследования — залог успешного развития новых прикладных направлений и технологий. Что нужно научиться делать II ® Приводить примеры взаимодействия фундаментальных иссле- довании и новых технологии. е Контрольные вопросы 1. Почему для развития техники и новых технологий нужны фундаментальные исследования? 2. Какие фундаментальные исследования лежат в основе радио и телевидения? 3. Как связаны между собой атомная теория строения вещества и современные компьютерные технологии? 4. Какие технологии связаны с достижениями молекулярной биологии? . I I Лк Задание Приведите примеры влияния фундаментальных исследований на развитие современных технологий. 206 гмобальиые экологические проблемы §45 Глобальные экологические проблемы и пути их решения О чем пойдет речь О глобальных экологических проблемах, связанных с деямчмп,^ ностью человека на Земле: о разрушении озонового слоя в а'гмо-сфере планеты, глобальном потеплении климата, загрязиомпи окружаюгцей среды отходами жизнедеятельности человека, уимч-го-жении природных экосистем и др. Обсудим затронутые проблемы Рассматривая человека как природный объект, естествозпжпи' большое внимание уделяет его взаимодействию с окружающ(ч’1 средой. За последние десятилетия влияние человека на окружающую среду резко возросло. Рост численности людей на Земле в оспой-ном приходится на развивающиеся страны, экономики которых не могут обеспечить своему населению достойный уровень жизни. Уже сейчас население Земли превысило 7 млрд человек. Ожида<''г-ся, что к середине XXI в. на Земле будут обитать уже 12 мл|>д человек. Рост населения сопровождается увеличением объема производства, источников энергии, как правило, в виде мощных эл(мс-тростанций различного вида, ростом числа автомобилей, самож»-тов и других транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания. Растет производство искусственных материалов, удобрений, пищевых белков, моющих средств, а также упаковочной тары и другой продукции, приводящей при неправильной ее утилизации к загрязнению окружающей среды. Для того чтобы обеспечить людей продуктами питания, необходимо применять различные технологии для повышения урожайности сельскохозяйственных монокультур и расширять производство химических удобрений, что неизбежно приведо'г к уменьшению биоразнообразия в природе и росту загрязнения окружающей среды. Q 207 Естественнонаучная картина мира О Большой урон природе наносят военные технологии, использующие высокоэнергетические устройства, отравляющие вещества, химическое и биологическое оружие. Итогом отрицательного воздействия человека на окружающую среду является нарушение равновесия в природе между живыми организмами и неживой природой, которое было названо экологическим кризисов. Явления, характерные для экологического кризиса, в настоящее время приобрели планетарные масштабы и получили название глобальных кризисных явлений. Глобальный экологический кризис проявляется в таких негативных явлениях, как кислотные дожди, глобальное потепление климата, разрушение озонового слоя Земли, химическое и радиационное загрязнение планеты, уменьшение биоразнообразия. Кислотные дожди — результат образования в атмосфере серной и азотной кислот, которые, выпадая в виде осадков, уничтожают многие виды растений и животных. Кислотные дожди очень вредно действуют на хвойные деревья, вызывают разрушение почвы и увеличивают скорость переноса токсичных металлов. Вследствие глобальной циркуляции атмосферного воздуха кислотные дожди могут выпадать далеко от тех мест, где они формируются за счет выбросов в атмосферу отходов производства. Парниковый эффект возникает при увеличении в атмосфере Земли концентрации углекислого газа СО2. За последние 100 лет концентрация углекислого газа увеличилась на 20%. Метеорологические наблюдения установили увеличение среднегодовой температуры на Земле на 1,5 °С. Дальнейшее повышение температуры может привести к непредсказуемым явлениям. Уже сейчас наблюдаются аномальные скачки температуры в отдельных регионах, катастрофические наводнения, оползни, засухи, лесные пожары, таяние ледников, полярных льдов, айсбергов и другие явления, сопровождающиеся человеческими жертвами. Если тенденция потепления сохранится, то развитие жизни на Земле может пойти по совершенно другому сценарию по сравнению с современным периодом ее развития. Большое беспокойство у населения вызывает разрушение озонового слоя Земли. Озоновый слой, состоящий из молекул озона О3, располагается на высоте 25 км над поверхностью Земли и имеет толщину всего несколько сантиметров. Однако защитная роль озонового слоя для сохранения жизни очень велика. 208 Г' ^ м;: . ’ ; ' ^ - ' 1 • ’ Озон иоглощтуу ул 1Л'1)а(|)И()Л(пч)И(н* пзлу'кмпк', к<)Т()|)оо ид(Л’ от Солнца и представляет опасность для исего жиио!Ч) па Земле. Примерно 30 лет назад было обнаружено существенное надешк' концентрации озона над отдельными районами Земли. Это яил<‘ ние получило название озоновых дыр. Самая большая такая дыра зафиксирована над Антарктидой. Для объяснения этого эффекта была высказана гипотеза о том. что уменьшение озона вызвано фреонами — веществами, актнтю используемыми в качестве хладоагентов в холодильниках, газона полнителей в азрозольных баллончиках, средствах пожаротункмии! и др. Показано, что один атом хлора, входящий в состав можнеулы фреона (хлорфторуглерод — CF^Cl^) может разрушить не м(мм*е 10 000 молекул озона. Было принято решение о сокращении про изводства фреонов. Правда, это не привело к существенному нзмс нению ситуации с озоном. Другая версия причины уменьшения озона в атмосфере r.mi зана с природными явлениями. Но и эта версия не нашла уб<‘дп тельного подтверждения. Возможно, уменьшение концентрации озона зависит от взаимодействия природных и антропогенных факторов. Так или иначе, выбросы в атмосферу большого коли чества веществ, изменяющих ее состав, приводит к негативным последствиям для жизни на Земле. К сожалению, в результате деятельности человека в атмо(з|и* ру, в Мировой океан, в реки и озера, в почву поступают не только фреоны, но и огромное количество других загрязнителей (ток(‘н нов). К их числу относятся как неорганические, так и органики* ские вещества. Среди неорганических токсинов — свыше двух десятков радионуклидов и 13 (чертова дюжина) металлов, каждый из которых вреден для человека в любых соединениях. По лезно запомнить химические символы и названия этих металлов: Be, А1, Сг, As, Se, Ag, Cd, Sn, Sb, Ba, Hg, Tl, Pb. Органических токсинов значительно больше, их многие тыся чи, большая часть из них создана человеком. Наиболее опасными органическими токсинами являются полиароматические вещества и диоксины, образующиеся при сжигании ископаемого топлива, мусора, во время лесных и торфяных пожаров, на предприятий! х металлургической, химической, целлюлозно-бумажной и воетюи промышленности в виде отходов производства. Влияние токсинов на организм человека проявляется в раз витии различных заболеваний, нарушении обмена веществ, ослаблении иммунитета. В качестве примера рассмотрим негативные' -V Естественнонаучная картина мира О О последствия воздействия на человека трех маиГхикч* опасных неорганических токсинов: кадмия, ртути и свинца. В организме человека средних лет содержится около 50 мг кадмия. Ежедневно в организм с пищей и воздухом поступает до 0,2 мг этого токсина. Всасывание кадмия в кровь происходит в основном при его поступлении с воздухом, поэтому содержанием кадмия у горожан может быть в сотни раз больше, чем его содержание у жителей сельской местности. По этой же причине очень высоко содержание кадмия у курильщиков, так как табак в наибольшей степени по сравнению с другими растениями аккумулирует кадмий из почвы. Избыток кадмия в организме приводит к раковым заболеваниям легких, бронхитам, фарингитам, гипертонии, ишемической болезни сердца, почечной недостаточности. Более четверти раковых больных умирает от рака легких, среди них 80% — кзфильщики. Необходимо подчеркнуть, что воздействие табачного дыма представляет опасность не только для курильщика, но и для некурящих людей, вдыхающих табачный дым. Не меньший вред организму человека может принести ртуть. Отравление парами ртути приводит к расстройству нервной системы, потере памяти, дрожанию конечностей. В организм человека ртуть поступает в основном с пищей, содержащей рыбные продукты. Еще большее отрицательное воздействие на организм человека имеет свинец. Некоторые историки, обсуждая гибель Римской империи, причиной вырождения римлян считают отравление свинцом, поскольку вода поступала в Рим по свинцовым водопроводам. Избыток свинца приводит к поражению нервной системы, ослаблению памяти, нарушению сна, повышенной утомляемости, агрессивности, мышечной слабости, развитию атеросклероза. Свинец и его химические соединения поступают в организм человека с пищей, водой и воздухом. Основной источник загрязнения свинцом — отходы производства свинца и выхлопные газы автомобилей. Ежегодно в почву попадает примерно 600 тыс. т свинца и в атмосферный воздух — около 400 тыс. т. Из органических токсинов наибольшую опасность для человека представляют диоксины. Диоксины — это собирательное название сотен веществ, содержащих гетероциклическую структуру с атомами хлора в качестве заместителей. В результате длительного воздействия диоксинов на человека, даже в минимальных ■210 Г||о(>.'111ЫП>И' :н<оп<>1 им<м КИ1* м|иН)Ж'М1.1 §4 S концентрациях, иознпкшот тяяссмп.ю Г)ол<*:ши: lioaparrat^T 'мк’ло онкологических заболенашп'и (-пижаечч^я иммунтчл', рождакггся дети с физическими и психическими дефектами. Источником диоксинов являются отходы химического и Ц(М1 люлозно-бумажного производства, мусоросжигательные заводы, лесные и торфяные пожары, угольные электростанции. Загрязнение окружающей среды вредно влияет не только па людей, но и на всю живую природу. Из-за хищнического отношения человека к окружающей ере де нарушается генетическое разнообразие в природных системах популяций, разрываются пищевые цепи между видами разлпч ных организмов, прерываются пути сезонной миграции жииот^ ных, уничтожаются редкие виды животных и растений. Все это приводит к невосполнимым потерям в биологическом разнообра зии — необходимом условии развития жизни на Земле. Антропогенное воздействие поставило биосферу Земли па грань глобальной экологической катастрофы, предотвратить па ступление которой можно только совместными усилиями народом всех стран земного шара, каждого жителя Земли. Подведем итоги • За последние десятилетия влияние человека на окружающую среду резко возросло. Рост населения сопровождается увеличением объема производства, источников энергии, числа автомобилей, самолетов и других транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания. • Растет производство искусственных материалов, удобрений, пищевых белков, моющих средств, упаковочной тары и другой продукции, приводящей при неправильном ее применении к загрязнению окружающей среды. Итогом отрицательного воздействия человека на окружающую среду является нарушение равновесия в природе между живыми организмами и неживой природой, которое получило название экологического кризиса. • Глобальный экологический кризис проявляется в таких негативных явлениях, как кислотные дожди, глобальное потепление климата, разрушение озонового слоя Земли, химическое и радиационное загрязнение планеты, уменьшение биоразнообразия. Её Естественнонаучная картина мира у Вредные последствия загрязнения окружаюп^*!* <Ч)одь1 сказываются не только на людях, но и на всей живой природе. 0 Антропогенное воздействие поставило биосферу Земли на грань глобальной экологической катастрофы, предотвратить наступление которой можно только совместными усилиями народов всех стран земного шара, каждого жителя Земли. Что нужно обязательно запомнить • Земля — уникальная планета, на которой существует удивительное природное явление — жизнь. Что необходимо понять и усвоить • Человек — часть природной экологической системы, сложившейся за длительный период эволюционного развития жизни на Земле. Нарушение природных экосистем со стороны человека может привести к его гибели как биологического вида. Что нужно научиться делать • Осознавать необходимость разумного поведения в природе. Контрольные вопросы 1. Какие явления характеризуют глобальный экологический кризис? 2. Каковы последствия кислотных дождей? 3. В чем опасность разрушения озонового слоя Земли? 4. Какие источники приводят к химическому и радиационному загрязнению Земли? 5. Как предотвратить экологическую катастрофу на Земле? Задания 1. Перечислите источники загрязнения окружающей среды в районе, где вы живете. 2. Назовите 13 металлов, вредных для человека, воспользовавшись таблицей Менделеева. 212 Основные выводы по чотиоргии гллве §46 Основные выводы по четвертой главе Естественнонаучная картина мира — это обобщопнып оГ)|»п;1 природы, осознаваемый человеком в виде совокупности природных объектов, находящихся в определенных отношениях, тлям-ленных человеком в процессе познания природы с гюмо1цыо мпуч-ного метода. Формируя естественнонаучную картину мира, естествозмаит* систематизирует научные знания по определенным признакам, отличным от тех, которые применяются при систематизации знаний отдельными естественными науками. Изучение природных явлений во Вселенной с помощью счпчч*-твеннонаучных методов убеждает нас в единстве природных закономерностей в масштабе Вселенной. В результате проведенных экспериментальных исследоиатп! было установлено, что Земля состоит из тех же химических ;)л<‘-ментов, которые можно обнаружить и на других планетах, зи<м‘ дах или в космическом пространстве. Единство химического состава космических объектов говорит о единстве их происхождения в процессе эволюции Вселенной. Для выражения общих свойств как самих объектов, так и ха-рактера их взаимодействия с другими объектами введено поня'гт* энергии. Энергия служит мерой взаимодействия между объок'га' ми или мерой такого свойства объекта, которое характеризует (мч> состояние. Отличительной особенностью энергии как научного понятия является возможность ее использования для описания состояния объектов и процессов взаимодействия между ними сои(?Р' шенно разной природы. Энергия сохраняется при взаимодействии природных обч>(ч<-тов и может переходить из одного вида в другой. Информация наряду с энергией, веществом и физическими полями выступает как составляющая, необходимая для существования и функционирования сложных открытых систем различно»! природы. Естествознание как наука, обобщающая достижения других естественных наук с целью формирования естественнонаучно»! картины мира, позволяет любому человеку составить представл<‘-ние о своем месте в окружающем мире и о влиянии его поведения как на его собственную жизнь, так и на жизнь других людсч"! и окружающую природу. 213 Естественнонаучная картина мира Человек является органичной частью живой природ!»!. Развитие человека в процессе эволюции позволило ему приобрести особые, по сравнению с животными, свойства. Главным отличием человека от животных является его способность мыслить и осознавать свои поступки. Осознавая природные закономерности, понимая роль человека в окружающем мире, каждый из нас может способствовать сохранению и развитию жизни на Земле. Современная естественнонаучная картина мира позволяет человеку сознательно строить свои отношения с природой, обеспечивая сохранение и дальнейшее развитие жизни на Земле. 214 I Ту Заключение Изучение основ естествознания помогает сформировап* (ч^пч*т-веннонаучную картину мира в виде совокупности природных оГгь-ектов, которые обладают определенными свойствами, достуши.шп восприятию и изучению человеком, и находятся в определетп.гх отношениях друг с другом. Научный метод познания окружаюш;его мира позволил ус'гл' новить материальную основу природных объектов, особепности их взаимодействия, уровни структурной организации и оснотп.п' формы существования. Как же окружающий мир представлж'тся современному образованному человеку? Все природные объекты, доступные нашему восприятию, делятся на живые и неживые. Все объекты состоят из вещества и физических полей. Человек является одним из природных объектов, KOTopi.iii обладает сознанием, позволяющим ему мыслить и трудиться. Человек, как и другие млекопитающие, способен воспринимп'гь информацию об окружающем мире с помощью пяти чувств: зрения, слуха, осязания, обоняния, вкуса. Благодаря способпос'ги мыслить человек существенно расширил свои природные возможности. Опираясь на научный метод и промышленное производсггио, человек сумел открыть фундаментальные законы природы и с по мощью новейших технологий создать современную цивилизации). В этом процессе преобразования мира немалая заслуга принадлежит системе естественных наук, обобщением которых яи.ля-ется современное естествознание. С помощью научных методов изучения природы были открыты природные объекты, недоступные восприятию человека, и фундаментальные объекты, которые составляют основу нашей Вселенной, Стало возможным изучение особенностей микромира, мак[)о-мира, мегамира и самого человека как природного объекта. При изучении свойств природных объектов были открьп’ы основные формы их существования: взаимодействие, пространство и время, движение. В настоящее время достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. м Заключение Открытие фундаментальных частиц и фуидпм(М1тальиых взаимодействий следует рассматривать как одно из важнейших достижений естествознания. Особенности взаимодействия позволили установить структурную организацию природных объектов. Из фундаментальных частиц можно «построить» все известньи^ природные объекты. Мир един, так как все его объекты имеют одинаковые структурные элементы и подчиняются одним и тем же законам взаимодействия. Осознание этого факта каждым из нас позволяет сделать важный вклад в собственное представление о современной естественнонаучной картине мира. Открытие Вселенной как самого большого и сложного природного объекта — еще одно достижение естествознания. Из анализа результатов астрономических наблюдений был сделан вывод о конечном времени существования нашей Вселенной и установлены основные этапы ее эволюции. Изучение характера развития Вселенной и ее составляющих позволило составить научно обоснованное представление об эволюции звезд, галактик и планет. В частности, стало понятным, как образовались Солнце, планеты Солнечной системы и наша планета Земля. Исследование взаимодействия атомов и молекул помогло установить основные законы их взаимодействия и понять особенности развития сложных систем, разновидностью которых являются живые объекты. С точки зрения науки, жизнь представляется итогом естественного процесса развития природных систем в специфических условиях, сложившихся на нашей планете. Пока мы не можем ответить на вопрос о происхождении жизни. Однако уже сейчас понятно, что живые объекты, биологические процессы имеют естественную природу и доступны для изучения научными методами. В результате многолетних исследований было установлено, что живые объекты, подобно неживым объектам, можно классифицировать по уровням их системной организации. Свойства Вселенной, объектов микромира и живых объектов тесно связаны между собой, что еще раз свидетельствует о единстве природы. Природные объекты связаны между собой причинно-следственными отношениями. Этот вывод был сделан на основании огромного числа экспериментальных фактов, установленных разными естественными науками. Смысл этого утверждения состоит I 216 vl«iK m<>4(*11И< в том, ч'го л1оГ)о<‘ 1к)('.м(‘дующ(м' (чхп'оятк* iipiipnyoioi’o оГ)'|.<чстл обусловлено его предыдущим сос/гоямпс^м и изамм(>д<я"к!тпт*м с другими объектами. В простейшем случае эту связь можно выразить с помощью математических уравнений, как это удается сделать при он игл НИИ сравнительно простых взаимодействий объектов. Для болим* сложных взаимодействий приходится ограничиваться перечи(!ли* нием факторов, определяющих причины изменения состояния объектов. Причинно-следственные отношения между природными об-ь ектами выражаются в определенных формах существования об’ь ектов: пространстве и времени, взаимодействии и движении. Пространство перестало быть пустым вместилищем при|)од ных объектов, а стало неотъемлемым свойством самих объектом. Время утратило образ таинственной реки, текущей из прошлого в будущее, и превратилось в понятие, отражающее причинно-слс дственные отношения объектов. Каждый структурный уровень организации природных oCyuvk тов характеризуется своими особенностями. Например, объсмсты микромира подчиняются законам квантовой механики и специал1ь ной теории относительности, для макромира справедливы законы Ньютона и законы электродинамики Максвелла, в мегамире j\vi\ ствуют законы общей теории относительности. В живой природе действуют свои законы. Они тесно связаны с законами неживой природы. Вместе с тем они отражают споцн фику процессов, протекающих в живой природе. К числу основных процессов, характерных для живых сист(*м. относятся процессы трансляции, репликации и транскрипции. Каждый из них отличается своеобразием протекания во врем<мт и особенностями взаимодействия между участниками процессом. В то же время этим процессам свойственна одна общая черта, ко торая связана с механизмом образования биополимеров в каждом из этих процессов. Сложные биополимеры имеют структуру, основой KOTopoii служит матричный принцип, находящий свое выражение в комплементарном взаимодействии нуклеотидов. Матричный принцип построения и синтеза биологических веществ можно считать одним из положений, выражающих отличительные особеннос'ги живых систем. Исследование состояний сложных объектов в условиях их взаимодействия с окружающей средой выявило возможность их Заключение самопроизвольного перехода в устойчивые сос'гояпмл с меньпюп энтропией, т. е. в упорядоченные состояния. Это нaпpaвлeни(i естествознания, получившее название «синергетика», открывает новые возможности для понимания природы процессов в живых системах. Одним из фрагментов естественнонаучной картины мира являются достижения человека в области создания новых объектов, источников энергии, устройств для облегчения физического и интеллектуального труда, новых технологий. За время развития естествознания произошло много событий, связанных с использованием достижений науки в практической деятельности человека. Эта сторона научных исследований связана с развитием прикладных наук, задачей которых является применение фундаментальных научных исследований в практике. Открытие фундаментальных законов природы, отдельных эмпирических закономерностей привело к разработке новых устройств, расширяющих возможности человека. При изучении живых объектов ученые получили впечатляющие результаты в понимании механизма наследственности, в борьбе с болезнями человека, животных и растений; в создании новых видов организмов и новых свойств у существующих организмов. Современная естественнонаучная картина мира позволяет человеку сознательно строить свои отношения с природой, обеспечивая сохранение и дальнейшее развитие жизни на Земле. 218 Примерные темы проектов 1. Экзопланеты — может ли быть на них жизнь? 2. Рождение и гибель звезд во Вселенной. 3. Проблема антивещества во Вселенной. 4. Тайны планет Солнечной системы, 5. Вечные двигатели — несбывшиеся надежды мечтателей, 6. Энергия и энтропия. 7. Симметрия в природе. 8. Динамические и случайные процессы. 9. Обратимые и необратимые процессы. 10. Происхождение жизни на Земле. Как это было? 11. Происхождение человека. 12. Продолжается ли эволюция человека? 13. Катастрофы на Земле. 14. Угрозы человечеству из космоса. 15. Наука и футурология. 16. Картина мира в моем сознании. t ) 2П Электронные образовательные ресурсы на сайте ФЦИОР (https://fcior.edu.ru/) Для более глубокого знакомства с материалом вы можете поработать с ресурсами портала https://fcior.edu.ru/: Глава 1 Возникновение Вселенной. Строение Вселенной. Космологические модели Вселенной. Происхождение звезд. Поздние стадии эволюции обычных звезд. Происхождение Солнечной системы. Эволюция Земли. Необратимость процессов в природе. Энтропия и второе начало термодинамики. Понятие о тепловых машинах. Единицы измерения информации. Глава 2 Биосистемная организация жизни. Строение и функции эукариотических и прокариотических клеток. Особенности строения клеток различных тканей. Энергетический обмен в клетке. Обш;ая характеристика обмена веществ и энергии. Жизненный цикл клетки. Деление клетки (митоз, мейоз, амитоз). Оплодотворение и развитие эмбриона. Оплодотворение у цветковых растений. Структура молекулы ДНК. Удвоение молекулы ДНК в клетке. Генетический код. Генотип и фенотип. Изменчивость: наследственная и модифи-кационная. / 220 Электронные образовательные ресурсы • Наследственная иамоичииость: мутации. Виды и причины мутаций. • Эволюционное учение Ч. Дарвина. « Происхождение клетки как этап биологической эволюции. • Происхождение жизни на Земле. Научные гипотезы. Глава 3 • Доказательство животного происхождения человека. Этап i>i эволюции предшественников человека. • Источники и характеристики негативных факторов и их воздействие на человека. • Генная и клеточная инженерия как основные направления биотехнологии. • Клонирование. • Вирусы и механизмы вирусных заболеваний. • Принципы рационального питания, пирамида питания. • Влияние радиоактивных излучений на живые организмы. • Влияние электромагнитных излучений на живые организмы. • Охрана биоразнообразия как условие сохранения устойчивости жизни на Земле. • Роль человека в биосфере. Глава 4 • Наука. Механизмы научного познания. • Законы диалектики. • Основные законы химии. • Глобальные экологические проблемы и пути их решения. • Глобальные проблемы человечества в конце XX - начале XXI в. 221 Толковый словарь терминов Австралопитек — (южная обезьяна) представитель одного из древних видов гоминидов. Автотрофные клетки — растительные клетки, которые получают энергию за счет энергии излучения. Аденин — азотистое основание, входящее в состав нуклеотидов ДНК и РНК. Адронная эра — период в развитии расширяющейся Вселенной, характеризующийся образованием адронов. АДФ (аденозиндифосфат) — нуклеотид, получающийся в результате отщепления от АТФ одного из остатков фосфорной кислоты. Аллель — одна из форм гена. Аллельные гены — гены, расположенные в определенных участках хромосом и отвечающие за одинаковый признак организма. Апоптоз — запрограммированная гибель клетки. АТФ (аденозинтрифосфат) — нуклеотид, содержащий аденин, рибозу и три остатка фосфорной кислоты. Источник энергии в клетке. Архантроп — человек прямоходящий, предок современного человека. Атмосфера Земли — воздушная оболочка Земли. Бактерии — одноклеточные прокариотные микроорганизмы. Белки — высокомолекулярные биополимеры, состоящие из остатков аминокислот. Играют большую роль в обеспечении основных функций живых объектов. Бактериофаги — вирусы, поражающие бактерии. Биота — совокупность живых организмов. Биотехнология — использование живых организмов и биологических процессов в производстве веществ, полезных для человека. Большой взрыв — момент образования Вселенной. Взрыв сверхновой — яркая вспышка в области расположения определенной звезды в момент сброса ее оболочки. Вид - - совокупность особей, обладающих наследственным сходством морфологических, физиологических, генетических, биохимических особенностей, свободно скрещивающихся и дающих плодовитое потомство, приспособленных к определенным условиям жизни и занимающих в природе определенную область — ареал. Вирион — внеклеточная форма вируса. Вирусы — клеточные паразиты, способные размножаться только внутри клетки. У человека могут вызывать различные заболевания. 22 Толкопыи <:лои:1|)1» П'рмимои Вселенная caMi.iii Гхим.мтГ! п|)м|)()дпы|"1 оГпхмсг, (ик'тоищт*'! па л(* трономических оГгьоктои: галактик, зноад, мланоттлх систем, темной материи и темной энергии. Второй закон термодинамики — закон природы, утверждающий, что в замкнутых макросистемах энтропия остается постоянной или увеличивается. Галактика — астрономический объект, входящий в состав Всожчг ной, состоящий примерно из 200 млрд звезд. Гало галактика — одна из областей галактики, содержащая около 100 млрд звезд. Гамета — половая клетка, обладающая гаплоидным набором хромосюм. Гаплоидные клетки — клетки, содержащие одинарный, гаплоидны!!, набор хромосом. Ген — участок молекулы ДНК, отвечающий за синтез белка, РНК. Генетика — биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов. Генетическая информация — сведения о свойствах и признаках организма, закодированные в структуре молекулы ДНК в виде последовательности нуклеотидов. Геном — система генов в половой клетке. Генотип — система генов организма. Гетеротрофные клетки — клетки, которые получают энергию за сч('т энергии химических связей молекул, синтезированных за сч<»т фотосинтеза. Гидросфера Земли — водная оболочка Земли. Гипотеза панспермии — предположение о происхождении жизни вис Земли. Гликолиз — процесс бескислородного разложения глюкозы в клетк(‘ при участии фермента дегидрогеназы. Гликокаликс — поверхностный слой животных клеток. Гоминиды — человекообразные обезьяны, предки человека. Гормоны — биологически активные вещества, выделяемые эндокринными железами или клетками организма. Гуанин — основание, входящее в состав нуклеотидов ДНК и РНК. Комплементарен цитозину. Дарвинизм — теория эволюционного развития жизни на Земле. Двигатель внутреннего сгорания — техническое устройство для получения работы за счет внутренней энергии топлива. Дигибридное скрещивание — скрещивание организмов, различающихся по двум признакам. Толковый словарь терминов Динамическое равновесие — состояние макросиспч^мы» по изменяющееся со временем. Характеризуется равенством энергии, получаемой системой, и энергии, отдаваемой системой другим объектам. Динамический процесс — процесс, который подчиняется динамическому уравнению. ДНК — молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, биополимер из нуклеотидов, носитель генетической информации в организме. ДНК-полимераза — фермент, который катализирует процесс полимеризации ДНК из нуклеотидов. Диссипативная система — макросистема, в которой существуют случайные, беспорядочные взаимодействия между отдельными частицами системы. Диффузия — необратимый процесс переноса вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией вещества. Дозвездный нуклеосинтез — процесс образования нуклидов в расширяющейся Вселенной в отсутствии звезд. Естественнонаучная картина мира — обобщенный образ природы, осознаваемый человеком в виде совокупности природных объектов, находящихся в определенных отношениях, выявленных человеком в процессе познания природы с помощью научного метода. Естественный отбор — результат борьбы за существование в процессе биологической эволюции. Жизнь — это способ существования сложных открытых самовоспро-изводящихся систем, которые обмениваются с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Законы Менделя: Первый закон Менделя утверждает, что все потомки первого поколения будут иметь доминантный признак. Второй закон Менделя утверждает, что расщепление доминантных и рецессивных признаков в потомстве организмов происходит в среднем в отношении 3:1. Звезды — астрономические самосветящиеся объекты, внутри которых происходят ядерные реакции синтеза химических элементов. Зигота — оплодотворенная яйцеклетка, содержащая наследственные признаки обоих родителей. 224 MOM.tpi. и'рпимо" Изменчивость - снойстио живых оргапизмои илм(м1мть снои свойства за счет изменения генетического аппарата и индивидуального развития. Интерфаза — составляющая клеточного цикла, во время KOTopoii происходит активное функционирование клетки и подготовка ic ее делению. Интроны — участки ДНК, содержащие служебную информацию. Информация — универсальная характеристика информационного взаимодействия природных объектов. Информационное взаимодействие — процесс передачи сведонт! между объектами, способный изменить их состояние. Кариоплазма — внутриядерная среда клетки. Кариотип — совокупность хромосом в клетке. Клетка — элементарный носитель всех характерных свойств и функ ций живых объектов. Клеточное дыхание — процесс аэробного расщепления углеводов г образованием молекул СО2, Н2О и 38 молекул АТФ. Клеточный цикл — развитие клетки во времени между последоиа тельными делениями. Кодон — последовательность из трех нуклеотидов в молекуле ДЖС или иРНК, кодирующая аминокислоту в составе белка. Компактная зона — область неоднородности плотности вещества, в которой впоследствии образуется звезда. Комплементарные нити ДНК — две нитевидные части молекулы ДНК, в которых азотистые основания расположены комплемен тарно друг другу. Комплементарные пары нуклеотидов — пары нуклеотидов, образующие в молекулах ДНК устойчивые структуры за счет водородных связей. Конъюгация хромосом — временное сближение хромосом перед первым делением мейоза. Космология — наука о происхождении и развитии Вселенной. Коэффициент полезного действия — величина, характеризующая эффективность технического устройства, численно равная отношению полезной работы к затраченной энергии. Креационистская гипотеза — предположение о божественном происхождении жизни. Кроманьонец — ископаемый подвид человека разумного. Кроссинговер — процесс обмена идентичными участками гомологичных хромосом в профазе первого деления мейоза. Лептонная эра — период в развитии расширяющейся Вселенной, характеризующийся образованием лептонов. Толковый словарь терминов Лизосомы — органеллы клеток, содержащие ф(‘рм<*пты для расщеп* ления белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот. Лизосомы образуются в комплексах Гольджи. Липиды — органические вещества, нерастворимые в воде (жиры, воски, стероиды, фосфатиды, каротиноиды). Литосфера Земли — твердая оболочка Земли. Мейоз — процесс деления половых клеток. Митоз — процесс деления соматических клеток. Митохондрия — одна из органелл эукариотической клетки Млечный Путь — галактика, в которой мы живем. Моногибридное скрещивание — скрещивание организмов, отличающихся друг от друга только одним признаком. мРНК — матричная РНК, разновидность РНК, осуществляющая перенос генетической информации от ДНК к рибосомам- органел-лам для сборки белков. Наследственность — свойство живых организмов передавать свои признаки потомкам. Неандерталец — ископаемый подвид человека разумного. Необратимый процесс процесс, который может происходить в обратном направлении только под действием других тел. Нестационарный случайный процесс — случайный процесс, вероятность состояния которого зависит от времени. Нуклеоид — нуклеонарная область в прокариотных клетках, не содержащая отдельной оболочки. Обратимый процесс — процесс, который может происходить как в прямом, так и в обратном направлении без изменения состояния окружающих тел. Органеллы (органоиды) — эндоплазматическая сеть, рибосомы, комплекс Гольджи, мезосомы, митохондрии, пластиды, центриоли, органоиды движения, вакуоли. Организм — совокупность клеток, тканей, органов, образующих открытую систему со всеми признаками живого объекта. Осмос — самопроизвольный перенос вещества через полупроницаемую перегородку Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии, сформулированный для тепловых процессов. Пиноцитоз — процесс переноса химических веществ внутрь клетки за счет образования пиноцитозного пузырька и втягивания его внутрь клетки. 226 ГОМКОПЫИ ( nOM.ipi. 11*|)МИИОМ Питекантроп один и;* подиидои д|)('ии(*го ч('ло1и*ка, и|)(‘дт1Ч!'г'И(*н ник неандертальца. Плазматическая мембрана — ш-кминяя оболочка животных и paМИИ011 Формула Карно -■ (|)ормула, oiipcvuviHioiipui КПД мдс^альпого теплового двигателя. Фотолиз — процесс расщепления воды под действием света в хлороп-ластах клетки. Фотосинтез — процесс преобразования энергии излучения в химическую энергию органических соединений внутри клетки. Хаос — состояние макросистемы с максимальным значением энтропии. Хроматин — вещество, составляющее хромосомы эукариотных клеток. Хромосома — клеточная ядерная структура, содержащая гены. Цитозин — основание, входящее в состав ДНК и РНК. Комплементарен гуанину. Цитоплазма — внутренняя клеточная среда, ограниченная клеточной мембраной. Черная дыра — астрономический объект с характерными размерами и массой, обеспечивающими такое сильное гравитационное притяжение к его поверхности, что даже свет не может его преодолеть. Эволюционная гипотеза естественного происхождения жизни ■ предположение о происхождении жизни на Земле в результачч' естественных природных процессов. Эволюция — процесс непрерывного исторического развития природных объектов и систем. Экзоны — информативные участки ДНК. Экология — биологическая наука о взаимодействии живых объектов между собой и с окружающей абиотической средой. Энергия — количественная мера движения и взаимодействия природных объектов. Энергия покоя — внутренняя энергия покоящегося тела. Энтропия — количественная мера беспорядка в макросистеме. Эра вещества — период развития расширяющейся Вселенной, характеризующийся преобладанием вещества над излучением. Ядро клетки — часть эукариотной клетки, окруженная ядерной оболочкой и содержащая носители генетической информации. Ячейки Бенара — характерные конвекционные ячейки в жидкости при наличии определенной разности температур между ее отдельными слоями. 229 f Именной указатель Архимед 201 Белоусов Б. П, 48 Бенар X. 47 Больцман Л. 30, 35 Броун Р. 46 Вегенер А. 23 Вернадский В, И. 167 Вильсон Р. 11 Галилео Г. 201 Гамов Г. А. 11, 80 Гук Р. 60 Гюйгенс X. 201 Дальтон Д. 205 Дарвин Ч. 100 Демокрит 205 Жаботинский А. М. 49 Карно С. 43 Кеплер И. 201 Клаузиус Р. 30, 35 Клемент X. 193 Крик Ф. 76 Ламарк Ж. Б. 118 Леонардо да Винчи 201 Линней К. 118 Локьер Н, 189 Максвелл Дж,К. 203 Менделеев Д. И. 189 Мендель Г. 96 Морган Т. 97 Опарин А. И, 111 Паскаль Б. 201 Пензиас А. 11 Планк М. 95 Пригожин И. Р. 49 Рентген К. 159 Слайфер В, 10 Уотсон Дж. 76 Хаббл Э. 10 Хакен Г. 49 Шеннон К. 52 Энгельс Ф. 204 230 Предметный указатель Австралопитек 124 АДФ 67 Аллели 97 Аминокислоты 81 Апоптоз 91 Атлантроп 125 АТФ 66 Бактериофаг 143 Белки неполноценные 150 — полноценные 150 Биогеохимия 167 Биосфера 58 Биота 58 Бит 52 Броуновское движение 46 Взаимодействие информационное 51 Взрыв сверхновой 19 Вирион 143 Вирус 143 Гамета 69 Генная инженерия 135 Генотип 92 Гипотеза панспермии 111 — креационистская 111 — эволюционная 111 Двигатель внутреннего сгорания 44 — тепловой 43 Диффузия 65 ДНК, комплементарные нити 76 — репликация 76 Доза излучения 160 ----единицы измерения 160 Евгеника 140 Естественный отбор 100 Жизнь 56, 114 — гипотезы происхожденш! 111 Законы Менделя 96 Зигота 73 Знания 174 Изменчивость 92 Инициация трансляции 87 Интроны 86 Информация 41 Кариоплазма 114 Кариотип 116 Катастрофа 55 Клетка 60, 114 — деление 69 — половая 69 — соматическая 115 Клонирование 137 Код генетический аминокислот 83 Кодон 80 Комплементарные пары 75 Космология 10 КПД теплового двигателя 43 Кроманьонец 125 Кросинговор 98 2П 1 I Предметный указатель Мейоз 69 Мембрана плазматическая 60 Микросостояния 35 Митоз 69 Мутация 128 Наследственность 92 Начало термодинамики 38 Неандерталец 125 второе Объекты живые 56 ----уровни организации 57 Органоиды 61 Органеллы 61 Осмос 65 Питекантроп 124 Порядок 35 Постоянная Хаббла 10 Продукты пигцевые 148 — — энергетическая ценность 152 Прокариоты 60 Процесс динамический 26 — необратимый 29 — обратимый 29 — самоорганизации 47 — случайный 27 Процессинг 86 Раса человеческая 122 Релаксация 29 Ретровирус 143 Рибосома 86 РНК информационная 86 — матричная 82 — транспортная 86 Сверхспецифичность 87 Сила жизненная 56 Синантроп 124 Синергетика 49 Система диссипативная 47 ----открытая 47 Терминация трансляции 88 Транскриптор 85 Транскрипция 82, 116 Трансляция 116 Турбина паровая 44 Управляющий параметр 48 Фенотип 92 Флуктуация 46 Формула Карно 43 Фотолиз 66 Хаос 35 Хроматин 114 Хромосома 61, 70, 114 Цитоплазма 60 Черная дыра 9 Эволюция 55 Экзоны 86 Элонгация 88 Энтропия 35 Этапы мейоза 71 — митоза 71 — развития Вселенной 14 Эукариоты 61 Ядро клетки 61 232