Естествознание XX века

Химия -- наука, теснейшим образом связанная с физикой. Она рассматривает главным образом превращения веществ, изучает элементы (простейшие вещества, образуемые одинаковыми атомами) и сложные вещества, состоящие из молекул (сочетаний различных атомов).

Во второй половине XVIII и начале XIX века в работах ученых преобладало изучение и описание свойств химических элементов и их соединений. Кислородная теория Лавуазье (1743-1794) и атомная теория Дальтона (1766-1844) заложили основы теоретической химии. Открытия, вызванные атомно-молекулярным учением, начали играть существенную роль в производственной практике.

Атомистические представления о строении вещества породили много теоретических проблем. Необходимо было выяснить, что происходит с атомами, образующими молекулярные структуры? Сохраняют ли атомы свои свойства в составе молекул и как они взаимодействуют друг с другом? Действительно ли атом прост и неделим? Эти и другие вопросы необходимо было решить.

Без атомной теории нельзя было создать учение об ионах, а без понимания ионного состояния материи нельзя было разрабатывать теорию электролитической диссоциации, а без нее -- понять истинный смысл аналитических реакций, а затем понять роль иона как комплексообразователя и т. д.

Разработка проблем органической химии привела к созданию учения о замещении, теории типов, учения о гомологии и валентности. Открытие изомерии выдвинуло важнейшую задачу -- изучить зависимость физико-химических свойств соединений от их состава и строения. Исследования изомеров наглядно показали, что физические и химические свойства веществ зависят не только от расположения атомов в молекулах.

К середине XIX века на основе учения о химическом соединении и химических элементах, на базе атомно-молекулярной теории оказалось возможным создать теорию химического строения и открыть периодический закон химических элементов. Во второй половине XIX века происходит постепенное превращение химии из описательной науки, изучающей химические элементы, состав и свойства их соединений, в теоретическую науку, исследующую причины и механизм превращения веществ. Стало возможным управлять химическим процессом, преобразовывая вещества, природные и синтетические, в полезные продукты. К концу XIX века были получены и изучены десятки тысяч новых органических и неорганических веществ. Открыты фундаментальные законы и созданы обобщающие теории. Достижения химической науки внедрялись в промышленность. Были построены и хорошо оборудованы химические лаборатории и физико-химические институты.

Химия принадлежит к той категории наук, которые своими практическими успехами способствовали повышению благосостояния человечества. В настоящее время развитие химии имеет ряд характерных черт. Во-первых, это размывание границ между основными разделами химии. Например, ныне можно назвать тысячи соединений, которые нельзя однозначно причислить к органическим или неорганическим. Во-вторых, развитие исследований на стыке физики и химии породило большое число специфических работ, которые в итоге сформировались в самостоятельные научные дисциплины. Достаточно назвать, например, термохимию, электрохимию, радиохимию и т. д. В то же время «расщепление >> химии шло и по объектам исследования. На этом направлении возникли дисциплины, изучающие:

1) отдельные совокупности химических элементов (химия легких элементов, редкоземельных элементов).

2) отдельные элементы (например, химия фтора, фосфора и кремния).

3) отдельные классы соединений (химия гидридов, полупроводников).

4) химия особых групп соединений, куда относится элементарная и координационная химия.

В-третьих, для химии партнерами для интеграции явилась биология, геология, космология, что привело к рождению биохимии, геохимии и т. д. Произошел процесс «гибридизации».

Одной из важных задач современной химии является предсказание условий синтеза веществ с заранее заданными свойствами и определение их физических и химических параметров.

Охарактеризуем основные направления современной химии. Химию принято подразделять на пять разделов: неорганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений.

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

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

Органическая химия -- наиболее крупный раздел химической науки. Если число известных неорганических веществ насчитывает около 5 тыс., то еще в начале 80-х было известно более 4 млн органических веществ. Общепризнано огромное значение химии полимеров. Так, еще в 1910 году СВ. Лебедев разработал промышленный способ получения бутадиена, а из него каучука.

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

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

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

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

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

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

Вершиной достижений органической химии в генной инженерии явился первый синтез активного гена (X. Корана, 1976). В 1977 году синтезирован ген, кодирующий синтез человеческого инсулина, а в 1978-м -- ген сомато-статина (способен угнетать секрецию инсулина, пептидный гормон).

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

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

Активационный анализ основан на измерении энергии излучения и периодов полураспада радиоактивных изотопов, образующихся в исследуемом веществе при облучении его ядерными частицами.

Химико-спектральный анализ состоит в предварительном выделении определяемых элементов из пробы и в получении их концентрата, который анализируют методами эмиссионного спектрального анализа (метод элементного анализа по атомным спектрам испускания). Эти методы позволяют определить 10~7-10~8 % примесей.

Биология

Биологией называется совокупность наук о живой природе. За последние десятилетия в биологии применяются понятия и методы физики и химии. Поэтому, наряду с такими «чистыми» биологическими науками, как ботаника -- наука о растениях, зоология -- наука о животных, микробиология -- наука о микроорганизмах, генетика -- наука о законах наследственности и изменчивости организмов, в систему наук, в целом составляющих биологию, вошли биофизика, биохимия, молекулярная биология.

Поскольку объектом изучения биологии является живая природа, естественно возникает вопрос: что следует понимать под словом «жизнь»? Общим ответом на этот вопрос является: жизнь есть одна из форм существования материи. Но появляется второй вопрос: в чем особенности этой формы существования материи? На этот вопрос, по-видимому, нельзя дать столь же короткий ответ, как на предыдущий, -- жизнь характеризуется рядом важнейших признаков. Живой организм должен быть способен к обмену веществ (метаболизму), т. е. быть в состоянии усваивать извне определенные вещества (например, пищу, кислород), подвергать их химической переработке, выделять вовне ненужные ему продукты. Он должен быть также способен к воспроизводству себе подобных, причем так, чтобы в данном воспроизводстве сохранялся биологический вид. Живой организм также должен быть в состоянии регулировать свои функции, приспосабливая их к изменениям среды, различным видам движения и к другим условиям.

Но не всегда легко определить применительно к некоторым объектам, можно ли их отнести к живым организмам или нет. Речь идет, например, о вирусах -- мельчайших неклеточных частицах, состоящих из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки, способных вызывать болезни у растений, животных и человека (например, оспу, корь, грипп, полиомиелит, чуму рогатого скота, птиц, бешенство и др.).

Говоря о живых организмах, необходимо отметить, что все они состоят из клеток. Известные сегодня клетки очень разнообразны. Например, их размеры, как правило, колеблются от 1 мкм до 1 м. Существуют одноклеточные организмы, например, бактерии. И наоборот, многие состоят из очень большого числа клеток. Например, организм человека состоит приблизительно из 500 000 миллиардов (5*1014) клеток. Клетки имеют очень тонкую клеточную мембрану, так называемую цитоплазму и ядро. Клеточная (плазматическая) мембрана участвует в регуляции обмена веществ между клеткой и средой, цитоплазма -- внеядерная часть белка клетки, ядро -- часть клетки, управляющая синтезом белка.

Как по своему строению и размерам, так и по исполняемым функциям клетки также очень разнообразны. Их разделяют, в частности, на клетки, составляющие тело (соматические), и клетки, служащие для размножения. В организме человека среди огромного числа клеток существуют клетки мышц, стенок кровеносных сосудов, соединительных тканей, нервов (некоторые из них имеют длину около 1 м; например, клетка, соединяющая концы пальцев ног со спинным мозгом), кожи. Красные тельца крови -- эритроциты также являются клетками; их в организме человека имеется около 25 млрд.

В состав организма человека входят также кости, образованные костеобразующими клетками и состоящие из фосфата кальция, а также из белка коллагена. В теле человека имеется жидкость: кровь (около 5 л), лимфа, обеспечивающая обмен веществ между кровью и тканями организма, и др.

Белки являются основной частью организма всех растений и животных, в том числе и человека. В состав белков входят аминокислоты. Растения и большинство микроорганизмов сами синтезируют их в своем организме. Что касается животных и человека, то они не могут синтезировать 20 аминокислот примерно из 150. Поэтому эти 20 аминокислот называются незаменимыми, и животные должны получать их с пищей.

Для жизнедеятельности человека особенно важными являются 9 незаменимых аминокислот. Все остальные необходимые организму человека аминокислоты могут вырабатываться самим организмом. Очень важным ингредиентом пищи является белок казеин -- основной белок молока. Из казеина (из молока) организм человека может получать все необходимые ему незаменимые аминокислоты.

Большое значение для деятельности живого организма имеют ферменты -- катализаторы химических реакций, протекающих в организме. В 1857 году основоположник современной микробиологии и иммунологии, известный французский ученый Луи Пастер (1822-1925) отверг теорию «самозарождения» микроорганизмов, изучил процесс брожения, играющий огромную роль в круговороте веществ в природе и в жизнедеятельности микробов. Пастер занимался инфекционными заболеваниями и достиг большого успеха в их лечении и профилактике. Было установлено, что ферменты (их называют также энзимами), присутствующие во всех живых клетках, представляют собой белки (очень большие молекулы), могущие существовать в кристаллической форме, чаще всего образуются в результате жизнедеятельности микроорганизмов.

Для нормальной жизнедеятельности живых организмов требуется в небольших количествах еще один вид органических соединений -- витамины, участвующие в обмене веществ. Большинство витаминов человек получает с пищей, некоторые образуются в организме.

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

века, но уже выполненные их выдающимся автором. XX век является продолжением не менее интенсивного прогресса в биологии. В 1900 году голландским ученым-биологом, одним из основателей учения об изменчивости и эволюции, X. де Фризом (1848-1935), немецким ученым-ботаником К.Э. Корренсом (1864-1933) и австрийским ученым Э. Чермак-Зейзенеггом (1871-1962) независимо друг от друга и почти одновременно вторично были открыты и стали всеобщим достоянием законы наследственности, установленные Менделем.

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

Утвердилось понятие хромосомы как структурного ядра клетки, содержащего дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) -- высокомолекулярное соединение, носитель наследственных признаков.

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

Развитию генетики способствовали в большой мере исследования известного американского биолога, одно из основоположников этой науки, Томаса Ханта Моргана (1866-1945), и его учеников, которым удалось определить расположение генов в хромосомах плодовой мушки дрозофилы (Drosophila), на которой они проводили опыты.

Важно отметить, что все клетки данного организма (в том числе, разумеется, и половые) имеют один и тот же набор генов, что сохраняет устойчивость организмов при размножении, а при делении клеток происходит также удвоение молекул ДНК.

Уже упоминавшийся выдающийся американский ученый Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности. Большинство растительных и животных организмов являются диплоидными, т. е. их клетки (за исключением половых) имеют наборы парных хромосом, однотипных хромосом от женского и мужского организмов. Хромосомная теория наследственности сделала более понятными явления расщепления в наследовании признаков.

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

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

Советские ученые-генетики Максим Николаевич Мейсель (р. 1901), Владимир Владимирович Сахаров (1902-1969), Михаил Ефимович Лобашев (1907-1971) обнаружили в период 1928-1934 годов мутагенное воздействие на организмы некоторых химических веществ. Эти работы были успешно продолжены советским ученым-генетиком Иосифом Абрамовичем Рапопортом (р. 1912) и другими советскими и иностранными учеными.

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

Изменчивость растительного или животного организма может быть достигнута двумя путями: либо непосредственным воздействием внешней среды, в результате которого наследственный аппарат организма не изменяется, либо посредством мутаций, характерных тем, что они вызывают изменения наследственного аппарата (генов, хромосом), и поэтому происходящие в этом случае изменения организма являются наследственными.

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

Прогресс в области изучения макромолекул до второй половины нашего века был сравнительно медленным, но благодаря, как уже говорилось, технике физических методов анализа, скорость его резко возросла. На основе полученных данных о структуре вещества удалось воссоздать строение ряда белков и полипептидных гормонов, а также синтезировать некоторые менее сложные вещества. Химия белков, которая несколько лет назад казалась мало обещающей областью, сегодня выдвинулась на передний край науки, а раскрытие структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) послужило началом интенсивных исследований в химии и биологии. Являясь носителем и передатчиком наследственных качеств и играя основную роль в синтезе клеточных белков, нуклеиновые кислоты образуют группы веществ, важность которых трудно переоценить.

Уже к началу 40-х годов в распоряжении ученых имелись надежные методы выделения и фракционирования биополимеров.

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

40-е годы ознаменовались коренным изменением взгляда на структуру нуклеиновых кислот; до этого предполагалось, что все кислоты построены из одинаковых тетра-нуклеотидных блоков и поэтому лишены специфичности. Отказ от этого представления произошел в результате детального исследования структуры нуклеиновых кислот, в которых первые крупные достижения принадлежали Д. Гуланду (Англия) и Э. Чаргаффу (США). Чаргаффу в 1949-1951 годах удалось показать, что нуклеиновые кислоты обладают специфичностью, т. е. что кислоты, полученные из разных биологических источников, различаются по своему составу.

Результаты, полученные Чаргаффом, создали предпосылку расшифровки молекулы ДНК, которую произвели в 1953 году Ф. Крик (Англия) и Д. Уотсон (США).

Уотсону и Крику удалось построить модель молекулы ДНК, напоминающую двойную спираль. Если эту спираль развернут на плоскость, то полученная структура будет напоминать лестницу. Таким образом, оказалось, что строение одной ветви молекулы ДНК целиком определяет строение другой ветви, поскольку последовательность оснований, примыкающих к одной из направляющих, однозначно определяет последовательность оснований, примыкающих к другой направляющей. Это важное свойство молекулы ДНК, названное комплиментарностью (дополнительностью), определяет генетическую функцию молекулы.

Для дальнейшего процесса становления молекулярной биологии большое значение имела работа по расшифровке механизмов репликации ДНК и транскрипции. Уотсон и Крик предположили, что репликация (воспроизведение) молекулы происходит следующим образом: двойная спираль раскручивается, и составляющие ее нити расходятся, разделяясь в местах соединения оснований. Затем на каждой из нитей в соответствии с правилами комплиментарности образуется новая молекула. В 1957 году американский биохимик А. Кронберг провел биосинтез ДНК с помощью репликации, подтвердив тем самым гипотезу Крика и Уотсона. Для того чтобы осуществить этот процесс, Кронбергу понадобилось выделить фермент, катализирующий его. За открытие этого фермента -- полимеразы -- и синтез ДНК Кронберг в 1959 году получил Нобелевскую премию по медицине (он разделил ее с С. Очоа, который провел биосинтез РНК).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5