Естествознание на молекулярном уровне

3. Определенный интервал  благоприятных температур: не слишком  низких для протекания биохимических  реакций с участием ферментов  и не слишком высоких, не  более 1000 °С, выше которых белок  свертываются.

4. Необходимый минимум  минеральных веществ в почвенном слое, доступных для освоения микроорганизмами и растениями.

5. Ограничение солености  среды: при концентрации солей  примерно в 10 раз выше чем  морская вода, а ее соленость  составляет в среднем 35 г/кг, жизнь  в воде исчезает, подземные же воды лишены жизни при их минерализации свыше 270 г/л. К этим пяти условиям необходимо добавить:

6. Отсутствие загрязняющих  веществ, которые по своим свойствам  и концентрации превышают допустимые  для биосферных объектов уровни. Таковы, меняющиеся под влиянием человека, необходимые условия существования живого вещества Земли.⁹

Понятие «живое вещество»  обозначает совокупность живых организмов биосферы. Область распространения  включает нижнюю часть воздушной  оболочки (атмосферы), всю водную оболочку (гидросферу), и верхнюю часть твёрдой оболочки (литосферы). Это понятие было введено В. И. Вернадским. Он отметил, что между косной, безжизненной частью биосферы, косными природными телами и живыми организмами, её населяющими идёт непрерывный обмен энергией.

1. Энергетическая функция. Эта функция выполняется, прежде всего, растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия. Собственных источников энергии она не имеет и может потреблять энергию только от внешних источников.

2. Деструктивная функция.  Минерализация органических веществ,  разложение отмершей органики  до простых неорганических соединений, химическое разложение горных  пород, вовлечение образовавшихся минералов в биотический круговорот определяет деструктивную (разрушительную) функцию живого вещества. Данную функцию в основном выполняют грибы, бактерии. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений (углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и т. д.), которые вновь используются в начальном звене круговорота. Этим занимается специальная группа организмов - редуценты (деструкторы).

3. Концентрационная функция.  Концентрационная (накопительная) функция - избирательное накопление определенных веществ, рассеянных в природе - водорода, углерода, азота, кислорода, кальция, магния, натрия, калия, фосфора и многих других, включая тяжелые металлы, в живых существах. Раковины моллюсков, панцири диатомовых водорослей, скелеты животных — все это примеры проявления концентрационной функции живого вещества. Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов - это характерная особенность живого вещества. Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы и их способность накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк), радиоактивные элементы. В теле беспозвоночных и рыб их концентрация может в сотни тысяч раз превосходить содержание в морской воде.

4. Средообразующая функция.  Живое вещество преобразует физико-химические  параметры среды в условия,  благоприятные для существования  организмов. В этом проявляется  еще одна главная функция живого  вещества — средообразующая.  Например, леса регулируют поверхностный сток, увеличивают влажность воздуха, обогащают атмосферу кислородом. Можно сказать, что средообразующая функция - совместный результат всех рассмотренных выше функций живого вещества: энергетическая функция обеспечивает энергией все звенья биологического круговорота (в ходе фотосинтеза растения выполняют газовую функцию: поглощают углекислый газ и выделяют кислород); деструктивная и концентрационная способствуют извлечению из природной среды и накоплению рассеянных, но жизненно важных для организмов элементов.

Живое вещество выполняет  следующие биогеохимические функции: газовые, концентрационные, окислительно-восстановительные, биохимические и биогеохимические, связанные с деятельностью человека. Газовые функции заключаются в участии живых организмов в миграции газов и их превращениях. В зависимости от того, о каких газах идет речь, выделяется несколько газовых функций:

1.Кислородно-диоксидуглеродная  – создание основной массы  свободного кислорода на планете.  Носителем данной функции является каждый зеленый организм. Выделение кислорода идет только при солнечном свете, ночью этот фотохимический процесс сменяется выделением зелеными растениями углекислого газа.

2.Диоксидуглеродная,  не зависимая от кислородной  – образование биогенной угольной кислоты как следствие дыхания животных, грибов и бактерий. Значение функции возрастает в области подземной тропосферы, не имеющей кислорода.

3.Озонная и пероксидводородная  – образование озона (и, возможно, пероксида водорода). Биогенный кислород, переходя в озон, предохраняет жизнь от разрушительного действия радиации Солнца. Выполнение этой функции вызвало образование защитного озонового экрана.

4.Азотная – создание  основной массы свободного азота  тропосферы за счет выделения  его азотовыделяющими бактериями при разложении органического вещества. Реакция происходит в условиях как суши, так и океана.

5.Углеводородная –  осуществление превращений многих  биогенных газов, роль которых  в биосфере огромна. К их  числу относятся, например, природный газ, терпены, содержащиеся в эфирных маслах, скипидаре и обусловливающие аромат цветов, запах хвойных. Вследствие выполнения живым веществом газовых биогеохимических функций в течение геологического развития Земли сложились современный химический состав атмосферы с уникально высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа, а также умеренные температурные условия.¹⁰

На земной поверхности  нет химической силы, более постоянно  действующей, а потому и более  могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. Химическое состояние наружной коры нашей планеты всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами, с деятельностью которых связан великий планетарный процесс – миграция химических элементов в биосфере.

6. Молекулярные основы  эволюции (белки, нуклеиновые кислоты,  первичный и вторичный генетический  коды)

Все живое обладает молекулярной, клеточной, тканевой и иной структурностью. На молекулярном уровне начинаются и  осуществляются важнейшие процессы жизнедеятельности: дыхание, обмен веществ и энергии, кодирование и передача наследственной информации и др. На этом уровне теперь исследуются и проблемы происхождения жизни, и эволюция, и механизмы преобразования энергии. На молекулярном уровне происходят химические реакции, обеспечивающие энергией клеточный уровень.

Знание закономерностей  молекулярно-генетического уровня живой материи – необходимая  предпосылка понимания всех жизненных  процессов.¹¹

Живой организм – это  множественная система химических процессов, в ходе которых происходит постоянное разрушение молекулярных органических структур и их воспроизводство. Современная молекулярная биология показала поразительное единство живой материи на всех условиях ее развития – от простейшего микроорганизма до высшего млекопитающего. Выяснилось, что существуют только два основных класса молекул, взаимодействие которых определяет то, что мы называем жизнью, нуклеиновые кислоты и белки. Взятые вместе они образуют основу живого.

Воспроизводство живого организма осуществляется за счет синтеза белков в клетках организма при помощи нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. Белки – это очень сложные макромолекулы, структурными элементами которых являются аминокислоты. Структура белка задается последовательность его образующих аминокислот, причем из 100 известных в органической химии аминокислот в образовании белков всех организмов используются только 20.

Нуклеиновые кислоты  обладают более простой структурой. Они образуют длинные полимерные цепи, звеньями которых выступают нуклеотиды – соединения азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. В ДНК основаниями служат аденин, гуанин, цитозин и тимин. Эти азотистые основания присоединяются к сахару по одному в разной последовательности.

Сущность живого наиболее концентрированно выражена в таком замечательном явлении, как конвариантная редупликация – «самовоспроизведение с изменениями», осуществляемое на основе на основе матричного принципа синтеза макромолекул. В его основе – уникальная особенность к идентичному самовоспроизведению основных управляющих систем (ДНК, хромосом и генов) благодаря их относительно высокой стабильности (явление наследственности). Все основные свойства живого немыслимы без наследственной передачи свойств в ряду поколений.

Но при самовоспроизведении управляющих систем в живых организмах происходит не абсолютное повторение, а воспроизведение с внесением изменений, что также определяется свойствами молекул ДНК. Конвариантная редупликация означает возможность передачи по наследству мутаций – дискретных отклонений от исходного состояния.¹²

В ХХ в. Развитие хромосомной  теории наследственности, анализ мутационного процесса, изучение строения хромосом, фагов и вирусов, развитие молекулярной биологии, биохимии позволили раскрыть основные черты организации элементарных генетических структур и связанных с ними явлений. Выяснено, что основные структуры на этом уровне представлены молекулами ДНК, дифференцированными по длине на элементы кода – триплеты азотистых оснований, образующих гены. Основные свойства генов: способность их к конвариантной редупликации, локальным структурным изменениям (мутациям), способность передавать хранящуюся в них информацию внутриклеточным управляющим системам.

Молекула ДНК представляет собой две спаренные, закрученные  в спирали нити, каждая из которых соединяется с другой водородными связями. Конвариантная редупликация происходит по матричному принципу: сначала разрываются водородные связи двойной спирали ДНК с участием фермента ДНК-полимеразы; затем каждая нить на своей поверхности строит соответствующую нить; после этого новые нити комплементарно соединяются между собой. Пиримидиновые и пуриновые основания комплементарных нитей «сшиваются» между собой ДНК-полимеразой.

В синтезе белков важная роль принадлежит также РНК. Синтез белка происходит в особых областях клетки – рибосомах. Существуют по крайней мере три типа РНК: высокомолекулярная, локализующаяся в рибосомах; информационная, образующаяся в ядре клетки; транспортная.

В ядре генетический код  переносится с молекул ДНК на молекулу информационной РНК. Генетическая информация о последовательности и характере синтеза белка переносится из ядра молекулами информационной РНК в цитоплазму к рибосомам и там участвует в синтезе белка. Перенос и присоединение отдельных аминокислот к месту синтеза осуществляются транспортной РНК.

Таким образом, как при  конвариантной редупликации, так  и при внутриклеточной передаче информации используется единый матричный  принцип: исходные молекулы ДНК и  РНК являются матрицами, рядом с  которыми строятся соответствующие макромолекулы. Молекулы ДНК играют роль кода, который «зашифровывает» все синтезы белковых молекул в клетках организма.Редупликация, основанная на матричном копировании, делает возможным сохранение не только генетической нормы, но и отклонение от нее – мутации (основа процесса эволюции).

Заключение

Данная работа была посвящена  двум важным наукам в естествознании: химии и биологии. Из вышесказанного видно, что химия и биология неразрывно связаны друг с другом.

Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, которые встали перед человечеством в результате его наукоемкой и энергоемкой практической деятельности. Предполагается значительное ускорение химических превращений за счет освоения катализаторов будущего на принципиально новой основе, бережное и полное использование всех видов углеводородного сырья, а не только нефти, создание полностью безотходных производств.

На своем высшем эволюционном уровне химическая наука углубляет  представления о мире. Концепции эволюционной химии, в том числе о химической эволюции на Земле, о самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной.

Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки  для появления живого из неживой  природы. А Земля оказалась в  таких специфических условиях, что  эти предпосылки смогли реализоваться. Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет. Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования, а это во многом зависит от самого человека.

Из данной работы видно, что химическая наука безостановочно развивается, и кто знает, какие открытия ждут нас в будущем. Возможно, ученые изобретут лекарства от многих неизлечимых на данный момент болезней или разработают способ восстановления любых органов и тканей живого организма.

Список литературы

1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студ. вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 608с.
2. Лавриненко В.Н., Ратникова В.П. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2005. – 317с.
3. Левченков С.И. Краткий очерк истории химии. – Ростов н/Д: Изд-во Рост. ун-та, 2006. - 112 с.
4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. – М.: Альфа-М, ИНФРА-М, 2004. – 622с.
5. Попов В.Ф., Толстихин О.Н. Общая экология. Электронное учебное пособие. - Якутск 2000. http://www.sitc.ru/ton/title.html
6. http://otherreferats.allbest.ru/biology/
7. http://school-sector.relarn.ru/nsm/chemistry/
8. http://www.masters.donntu.edu.ua/
9. http://www.physchem.chimfak.rsu.ru
10. http://www.ref.by/