енкм конспекты. картинка мира.. все конспекты. Понятие и свойства науки
 Скачать 233.08 Kb.
|
|
Зарождение представлений о двойственной природе микромира. Кванты. Волновая природа атомных частиц. Корпускулярная природа света Основные понятия. «Ультрафиолетовая катастрофа». Квант. Корпускулярно-волновой дуализм. Принцип неопределённости. Принцип причинности. Вероятность. Принцип дополнительности. Итак, вновь противоречия. С одной стороны, атом в эксперименте проявляет себя как миниатюрная «планетная» система из обращающихся по орбитам вокруг ядра электронов. С другой стороны, мы обнаруживаем его устойчивость и иные свойства, чуждые планетным системам. Какие же закономерности управляют миром атомов, микромиром? Это, во-первых – квантовые состояния атома. Во-вторых – квантовая природа излучения (поля). В-третьих – волновые свойства материальных частиц. Эти представления служат фундаментом современных представлений о явлениях микромира. В конце XIX века одним из ключевых направлений естествознания было изучение строения вещества. В предыдущей лекции мы кратко рассмотрели результаты этих исследований. В то же время естествоиспытателей волновал вопрос и о том, каким образом излучает энергию нагретое тело. Ведь только по измеряемому излучению мы знаем о Вселенной. Это была еще одна проблема, не связанная с исследованием вещества, решаемая совершенно иными методами и исследователями. Области исследования – вещество и излучение (поле), представлялись совершенно независимыми. Для простоты рассуждений об испускании и поглощении излучения нагретым объектом была придумана модель «абсолютно черного тела» – объекта, полностью поглощающего весь падающий на него поток излучение. Такой объект может иметь только черный цвет (коэффициент поглощения и излучения равен 100 %). Казалось, что такое тело должно излучать энергию по достаточно простому закону, предсказанному существующей к концу XIX века теорией. Однако эксперимент, проведенный на модельных объектах, близких к абсолютно черному телу (создать действительно абсолютно черное тело невозможно), показал, что это не так. Классическая теория предсказывала быстрый рост интенсивности излучения с уменьшением длины волны излучения, на эксперименте же наблюдался максимум излучения при некоторой длине волны (рис. 3.4.1). Заметим, что с таким излучением каждый из нас сталкивается в жизни – если бы была верна классическая теория, то при открывании дверцы духовки газовой плиты мы мгновенно попадали бы под поток чрезвычайно опасных для жизни коротковолновых жесткого ультрафиолетового излучения, гамма-квантов и рентгеновского излучения. Это была катастрофа (по определению физиков начала ХХ века) классических представлений – «ультрафиолетовая катастрофа». И вот в 1900 году М. Планк (его настоящее имя Карл Эрнст Людвиг) выдвинул идею, что абсолютно черное тело излучает энергию не сплошным "потоком", а порциями. Этой мельчайшей порции в 1905 г. Планк и Эйнштейн дали название квант (от лат. «quantum» – сколько, как много). Квантовая теория совершила революцию в физике, создав совершенно новые представления о веществе и энергии. Действительно, то, что считалось ранее непрерывным, по новым представлениями стало дискретным. Это противоречило всему обыденному опыту. Квант электромагнитного поля – фотон (от греч. «phos» – родительный падеж от «photos» – свет) Однако было совершенно непонятно, дискретность излучения есть результат взаимодействия с дискретным веществом, или свойство, присущее самому излучению. По этому поводу А. Эйнштейн писал: «Если пиво всегда продают в бутылках, содержащих пинту, то вовсе не следует, что пиво состоит из неделимых частей, равных пинте». Он первым понял, что дискретность поглощения и испускания излучения неотъемлемое свойство самого излучения. Через пять лет после появления понятия кванта Эйнштейн применил идею дискретности излучения к объяснению явления фотоэффекта (появление электрического тока в вакууме вследствие выбивания электронов из металла под действием излучения). Именно за объяснение природы фотоэффекта в 1921 году он был удостоен Нобелевской премии («…за успехи в теоретической физике, особенно за открытие законов фотоэффекта»). Позже, в 1913 году, Дж. Франк и Г. Герц провели ряд экспериментов, в которых они пытались изменить орбиты электронов в атомах. Как мы говорили ранее, эти орбиты очень устойчивы и с помощью внешних воздействий (например, столкновений атомов) их изменить не удается. Для изменения орбиты надо использовать какие-то силы. Проведем аналогию с планетой: для изменения орбиты необходимо, чтобы мимо планеты прошло массивное тело (масштаба самой планеты). Тогда за счет сил тяготения планета (либо все планеты) изменят свои орбиты. В опытах Франца и Герца через разреженный газ проходил пучок электронов, играющий роль такого тела. Взаимодействие, которое приводило к возникновению сил, изменяющих орбиты электронов в атомах металла, известно нам как электромагнитное. С пучком электронов мы имеем дело каждый день – в телевизоре имеется устройство, называемое «электронная пушка». Мы можем измерить скорость электронов в пучке до взаимодействия с атомами и после него, и по изменению этой скорости сделать заключение о тех процессах, которые произошли при взаимодействии пучка электронов с атомами. Это сделать достаточно просто, выявив зависимость тока, протекающего через трубку с газом (парами металла), от ускоряющей разности потенциалов. Из обычных, классических представлений, следует, что электроны пучка должны изменять орбиты электронов атома, их энергия (скорость) должна уменьшаться, причем часть электронов должна просто всю свою энергию отдать атому. И этот эффект должен наблюдаться при любых энергиях пучка электронов. Поэтому зависимость тока от разности потенциалов должна быть монотонной. Но эксперимент дал совершенно иной результат. На рис. 3.4.2 показана зависимость тока, протекающего через трубку с парами ртути, от разности потенциалов. Вместо монотонной кривой – кривая с максимумами! Причем расстояния между максимумами не зависело ни от плотности пара (т. е. число атомов, с которыми пучок электронов взаимодействовал, не имело значения), ни от внешних воздействий (электрического и магнитного поля). Но имело непосредственное отношение к оптическому спектру металла, пары которого были в установке. Оказалось, что это расстояние точно равно напряжению, необходимому для освобождения одного электрона с внешней электронной оболочки атома ртути (потенциалу ионизации), известному из оптических исследований. Результат более чем странный, не вписывающийся в обычные представления о свойствах вещества, известные к началу ХХ века. Оказалось, что энергию электрона в атоме нельзя изменить на произвольную величину. Она либо меняется порциями, либо не меняется совсем. Причем эта порция достаточно велика. То есть и энергия частицы (а не только поля!) меняется порциями – квантами. За эту работу Франк и Герц получили Нобелевскую премию 1925 года. Таким образом, мы видим, что в начале ХХ века принципиальным образом претерпели изменения представления о материи. И о веществе, и о поле. Но в одном они оставались неизменными: электромагнитное излучение по своим свойствам считалось резко отличающимся от электронов и других «частиц» материи. Некоторое сближение наметилось, когда у излучения были обнаружены свойства, характерные для частиц – корпускулярные свойства. Однако волновые свойства считались присущими только электромагнитному полю. Поэтому насторожено было встречена гипотеза Луи де Бройля (1924 г.) об универсальности, применимости не только к полю, но и веществу, волновых представлений, корпускулярно-волнового дуализма. Действительно, идеи де Бройля могли показаться безумными. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами. В 1925 году Эйнштейн писал другу о диссертации де Бройля: «…Прочтите ее! Хотя и кажется, что ее писал сумасшедший, написана она солидно…». В одной из поздних работ де Бройль так излагает существо своей идеи: «…Теория света страдала редкой болезнью раздвоения между волновой теорией, с одной стороны, и теорией фотонов – с другой. Чтобы исправить положение, следовало воспользоваться принципом "чем хуже, тем лучше" и перенести эту болезнь на здоровую доселе теорию вещества…». На первый взгляд, гипотеза де Бройля (импульс тела mV связан с длиной волны характеристикой излучения, соответствующей состоянию этого тела, соотношением здесь h – постоянная Планка, фундаментальная постоянная) опровергается повседневным опытом. В окружающих нас предметах и нас самих нет ничего волнового (а волновые свойства определяются способностью волны огибать экран, эффектами дифракции и интерференции на объектах с размерами порядка длины волны). В классической физике частица обладает свойством двигаться по вполне определенной траектории, и в любой момент времени мы можем точно определить ее координаты и скорость. Волна этим свойством не обладает. Она не имеет координат. Нет смысла говорить о длине волны в данной точке пространства (вспомним волны на воде...). Тогда из корпускулярно-волнового дуализма вытекает совершенно неожиданное правило: если мы точно знаем координаты частицы, то мы совсем не знаем ее скорости и наоборот, если частица имеет точно определенную скорость, мы ничего не можем сказать о ее координатах – принцип неопределенности, установленный В. Гейзенбергом в 1927 г. Приведем простейшее рассуждение, приводящие к формулировке этого принципа (такие рассуждения называют мысленным экспериментом, провести его с помощью приборов невозможно). Пусть мы хотим определить координату и скорость электрона. Для этого мы должны осветить его (свет в качестве измерительного устройства!) и зафиксировать координату Х. Но длина волны света конечна и равна Тогда, очевидно, мы можем измерить координату тела с точностью до длины волны света (точно так же с помощью линейки можно измерить длину с точностью до минимального деления — 1 мм). То есть точность определения координаты При измерении часть энергии кванта света – фотона будет передана электрону. То есть неточность в определении энергии электрона (и его скорости V) будет определяться величиной энергии фотона. Как сказано выше, импульс частицы пропорционален ее длины волны. То есть Тогда – это есть соотношение неопределенности. Здесь не важно, какая постоянная величина стоит справа. Важно другое – неопределенности определения координаты и импульса связаны друг с другом. Одно из следствий принципа неопределенности состоит в изменении наших взглядов на принцип причинности. Под причинностью мы понимаем наличие причинно-следственных связей между явлениями природы. Законы классической физики полностью определяют судьбу физической системы при условии, что вся необходимая информация нам известна в некоторый определенный момент времени. Пример тому – астрономические расчеты движения небесных тел. Принцип причинности главенствовал в естествознании до начала XX века. В квантовой физике, физике микромира, мы никогда не знаем состояние системы с точностью большей, чем это допускается принципом неопределенности. Мы вынуждены перейти на вероятностное описание явлений микромира. По яркому выражению Эйнштейна: «…Природа играет в кости…» Заметим, что в природе часто реализуются ситуации, формальная математическая вероятность которых ничтожно мала. Один из основателей современной физики, датский ученый Н. Бор (1885–1962) сформулировал еще одно принципиальное положение, описывающее наши взгляды на природу вещества – принцип дополнительности. Согласно этому принципу получение экспериментальной информации (вспомним, что физика, да и все естествознание, в основе своей имеют эксперимент) об одних физических величинах, описывающих микрообъект, связано с потерей информации о других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата частицы и ее скорость (кинетическая и потенциальная энергия; напряженность электрического поля в данной точке и число фотонов). С физической точки зрения этот принцип (по Бору) объясняется влиянием измерительного прибора (макроскопический объект!) на состояние микрообъекта. При точном измерении одной из величин дополнительная к ней в результате взаимодействия с прибором претерпевает такое изменение, что ее последующее измерение теряет всякий смысл. Именно здесь впервые появляется проблема взаимодействия измерительного прибора и исследуемого объекта. При измерении мы изменяем объект и получаем информацию не о независимом от нас объекте, а о результате взаимодействия объекта и прибора. Несколькими абзацами выше, проведя мысленный эксперимент, мы показали это на примере измерения скорости и координаты электрона. Другая сторона принципа дополнительности состоит в возможности описания квантовых систем с разных точек зрения. Атом можно описывать и как «планетарную» систему, и как подобное волне состояние. Каждое из описаний одинаково правильно, но применимо в различных условиях. Способ описания выбирает исследователь! Завершая эту тему необходимо сказать, что и сегодня, более чем через 100 лет после появления понятия кванта, зарождения представлений о корпускулярно-волновом дуализме, не стихают дискуссии о верности такого описания природы микромира. Однако, с другой стороны, можно заметить, что такое сложное для восприятия описание является основой созданий современных устройств. Микроэлектроника, лазеры, системы мобильной связи, компьютеры были бы невозможны без применения представлений о двойственной природе микромира. Словарь Амплитуда – максимальное значение смещения или изменения переменной величины от среднего значения при колебательном или волновом движении. Вероятность – степень (относительная мера, количественная оценка) возможности наступления некоторого события. Когда основания для того, чтобы какое-нибудь возможное событие произошло в действительности, перевешивают противоположные основания (событие не произошло), то это событие называют вероятным, в противном случае – маловероятным или невероятным. Перевес положительных оснований над отрицательными, и наоборот, может быть в различной степени, вследствие чего вероятность (и невероятность) бывает большей либо меньшей. Поэтому часто вероятность оценивается на качественном уровне, особенно в тех случаях, когда более или менее точная количественная оценка невозможна или крайне затруднительна. Возможны различные градации «уровней» вероятности. Видимое излучение – электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы видимого излучения (синий цвет) принимают 380–400 нм (790–750 ТГц), а в качестве длинноволновой (красный цвет) – 760–780 нм (395–385 ТГц). Электромагнитное излучение с такими длинами волн также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова). Чувствительность человеческого глаза к электромагнитному излучению зависит от длины волны (частоты) излучения, при этом максимум чувствительности приходится на 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра. Гамма-излучение (–лучи) – вид электромагнитного излучения, характеризующийся чрезвычайно малой длиной волны – менее м и огромной частотой более Гц. Вследствие этого –лучи обладают ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. Гамма–излучение относится к ионизирующим излучениям, то есть к излучениям, взаимодействие которого с веществом способно приводить к образованию ионов. Инфракрасное излучение – электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красной частью видимого света (с длиной волны = 0,74 мкм и частотой 430 ТГц и микроволновым радиоизлучением ( 1–2 мм, частота 300 ГГц). Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, около 50 % излучения Солнца. Квант – (от лат. «quantum» – «сколько») – неделимая часть какой–либо величины в физике. Например, это понятие относится к определённым порциям энергии, момента количества движения и другим величинам микромира. В основе понятия лежит представление о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения, т. е. они квантуется. Термин квант был впервые введен Максом Планком в его классической работе 1900 года – первой работе по квантовой теории, заложившей её основу. Формула Планка – где – энергия фотона; – частота излучения; – постоянная Планка (˗ Дж·с). Постоянная Планка проводит границу между макромиром, где действуют законы механики Ньютона, и микромиром, где вступают в силу законы квантовой механики. Корпускулярно-волновой дуализм (или квантово–волновой дуализм) – свойство природы, состоящее в том, что материальные микроскопические объекты могут при одних условиях проявлять свойства волн, а при других – свойства частиц. Типичные примеры объектов, проявляющих двойственное корпускулярно–волновое поведение – электроны и свет; принцип справедлив и для более крупных объектов, но, как правило, чем объект массивнее, тем в меньшей степени проявляются его волновые свойства. Идея о корпускулярно–волновом дуализме была использована при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. В действительности квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, проявляя свойства первых или вторых лишь в зависимости от условий экспериментов, которые над ними проводятся. Корпускулярно–волновой дуализм необъясним в рамках классической физики и может быть истолкован лишь в квантовой механике. Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение (СВЧ–излучение) – электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазоны радиоволн, частоты микроволнового излучения изменяются от 300 МГц до 300 ГГц (длина волны от 1 м до 1 мм). Микроволновое излучение большой интенсивности используется для бесконтактного нагрева тел: в бытовых микроволновых печах – для разогрева продуктов, в промышленных – для термообработки металлов, а также для радиолокации. Микроволновое излучение малой интенсивности используется в средствах связи, преимущественно портативных – рациях, сотовых телефонах, устройствах Bluetooth, Wi–Fi и WiMAX. Период колебаний – наименьший промежуток времени, за который система совершает одно полное колебание. Таким образом, за период колебаний система возвращается в то же состояние, в котором она находилась в первоначальный момент, выбранный произвольно. Принцип дополнительности – один из важнейших принципов квантовой механики, а также один из важнейших методологических и эвристических принципов науки. Впервые был сформулирован Нильсом Бором в 1927 году. Согласно этого принципа, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например, дополнительными в квантовой механике являются такие характеристики объекта микромира как пространство–время и энергия. Описания любого физического объекта как частицы и как волны дополняют друг друга, одно без другого лишено смысла. Корпускулярные и волновые характеристики описания объекта обязательно должны входить в его описание. При получении информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно теряется информация о других физических величинах, дополнительных к первым. Принцип неопределённости – фундаментальное положение, устанавливающее предел точности одновременного определения пары квантируемых характеристик системы (соотношение неопределённостей). Такими характеристика для элементарных частиц являются координата и импульс. По-другому: чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую. Принцип неопределённости был открыт Вернером Гейзенбергом в 1927 г., является одним из краеугольных камней квантовой механики. Является следствием свойства корпускулярно–волнового дуализма. Принцип причинности – принцип, устанавливающий допустимые пределы влияния событий друг на друга. В классической физике это утверждение означает, что любое событие, произошедшее в момент времени может повлиять на событие, произошедшее в момент времени только при условии: Таким образом, одно событие должно быть раньше другого. При этом классическая физика допускает неограниченную скорость такого влияния (переноса взаимодействия). В квантовой механике принцип причинности должен быть другим, поскольку время становится относительным – взаимное расположение событий во времени может зависеть от выбранной системы отсчёта. В специальной теории относительности утверждается, что любое событие, произошедшее в точке пространства–времени может повлиять на событие, произошедшее в точке пространства–времени только при условии: и где с – скорость свет (предельная скорость распространения взаимодействий). Иными словами, событие A должно предшествовать событию B в любой системе отсчёта. Только тогда событие B причинно связано с событием A (являясь его следствием). Если же это не, то их последовательность может быть изменена на противоположную простым выбором системы отсчёта. Последнее не противоречит принципу причинности, потому что ни одно из этих событий не может влиять на другое. Радиоволны – электромагнитные волны с частотами от 0.03 Гц до 3 ТГц, что соответствует длине волны от 10 млн. километров до 0.1 миллиметра. В широком смысле радиоволнами являются всевозможные волновые процессы электромагнитного поля в аппаратуре, в линиях передачи и, наконец, в природных условиях, в среде, разделяющей передающую и приёмную антенны. Радиоволны распространяются в свободном пространстве со скоростью света. Естественными источниками радиоволн являются вспышки молний и астрономические объекты. Искусственно созданные радиоволны используются для стационарной и подвижной радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, спутниковой связи, организации беспроводных компьютерных сетей и в других бесчисленных приложениях. Рентгеновское излучение – электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от до нм и частоте от до Гц) Ультрафиолетовое излучение – электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Длины волн УФ–излучения лежат в интервале от 10 до 400 нм ( Гц). Термин происходит от лат. ultra – сверх, за пределами и фиолетовый (violet). Ультрафиолетовая катастрофа – ситуация, сложившиеся в физике конца XIX века, в результате невозможности классической физики объяснить явление в испускании энергии (излучении) таким модельным объектом как «абсолютное черное тело». Мощность теплового излучения любого нагретого тела, согласно закону Рэлея–Джинса, должна быть бесконечной. Спектральная плотность энергии излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны. Однако в эксперименте же наблюдался максимум излучения при некоторой длине волны, который при дальнейшем уменьшении длины волны приводил к значительному уменьшению излучения и его полному исчезновению. Проблема была решена М. Планком, которого поддержал А. Эйнштейн, излучение энергии происходит хоть малыми, но порциями, и если длина волны меньше по размерам этой порции, то ее просто нет! Такую порцию они назвали квантом. Так появилась квантовая физика – физика очень малого. Частота – характеристика периодического процесса, равная количеству повторений или возникновения событий (процессов) в единицу времени. Рассчитывается, как отношение количества повторений или возникновения событий (процессов) к промежутку времени, за которое они совершены. Частота (ν) обратно пропорциональна периоду колебаний (Т): Частота, как и время, является одной из наиболее точно измеряемых физических величин: до относительной точности Ультрафиолетовое излучение – электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Длины волн УФ–излучения лежат в интервале от 10 до 400 нм ( ц). Термин происходит от лат. ultra – сверх, за пределами и фиолетовый (violet). Фаза в случае колебательного процесса – переменная периодической функции, описывающей колебательный или волновой процесс. Уровни организации живого. Молекулярные основы жизни Основные понятия: жизнь, уровни организации живого, прокариоты и эукариоты, мономер, полимер, белок, аминокислота, первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белка, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, нуклеотид, азотистые основания, ДНК, РНК, принцип комплементарности, одноклеточные и многоклеточные организмы, прокариоты, эукариоты Для человека во все времена одним из ключевых вопросов была тайна жизни, понимание границ, где кончается неживое и начинается живое, а также возникновение живых организмов из неживой природы. На сегодняшний день накопилось огромное разнообразие определений понятия жизнь и, в зависимости от подходов к оценке живого и параметров, отличающих живое от неживого, эти понятия сильно различаются. Так, можно привести три наиболее известных определения: «Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» (Ф. Энгельс «Диалектика природы», 1873-1882 гг.). «Жизнь – это непрерывный процесс внутреннего движения, синтеза и распада, обмена энергией с окружающей средой, направленный на самосохранение и самовоспроизведение в передаче устойчивых признаков в меняющихся условиях внешней среды» (А.И. Опарин). «Жизнь – это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время» (Э. Шредингер «Что такое жизнь с точки зрения физики»). Описывая все многообразие живых организмов и их состояний, мы сталкиваемся с целым комплексов параметров, отражающих сущность живых организмов, причем для разных видов живых существ этот набор параметров будет несколько отличаться. Каковы же основные признаки живого? Мы можем выделить следующие характеристики, отражающие суть живых организмов. Уровни организации живого вещества Сложность и высокоупорядоченность организации всех живых организмов связана с системностью организации и взаимодействием различных уровней, слагающих живое. Живое на нашей планете существует в форме биологических систем различного вида: клетки, ткани, органы, организмы, популяции и экосистемы. Для понимания этого явления в биологии было введено понятие уровней организации живого. Концепция структурных уровней дает возможность описать живые организмы не только в зависимости от их сложности и закономерностей функционирования, но и расположить в иерархическом порядке, при котором каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы, связанное единством обмена веществ и энергии. Тем самым представление об уровнях организации органично сочетается с целостностью организма. Критерием выделения основных уровней выступают специфичные дискретные структуры и фундаментальные биологические взаимодействия. Различают следующие уровни организации биологических структур: самоорганизующиеся комплексы, биомакромолекулы, клетки, многоклеточные организмы. Н.В. Тимофеев-Ресовский приводит другую классификацию уровней: клеточный, молекулярно-генетический, организменный, популяционно-видовой, биогеоценозный. Наиболее полная классификация иерархической организации живого выглядит следующим образом: молекулярный, клеточный, тканевый, óрганный, организменный, онтогенетический, популяционный, видовой, биогеоценотический и биосферный. Системно-структурные уровни организации живого определяются по выделенным специфическим взаимодействиям. На каждом уровне выделяют элементарную единицу и элементарные явления. Элементарная единица – это структура, закономерное изменение которой приводит к элементарному явлению. Элементарной единицей на молекулярно-генетическом уровне является ген, на клеточном уровне – клетка, на организменном уровне – особь, на популяционном уровне – популяция (совокупность особей одного вида). Клетка выступает структурно-функциональной единицей живого, в форме которой может существовать организм. Основу химической организации клетки составляют вещества органической (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и др.) и неорганической (вода и минеральные вещества) природы. Химический состав клеток всех организмов обладает сходством, его основу составляют водород, углерод, кислород и азот, другие элементы встречаются в значительно меньших количествах. Всего известно около 60 химических элементов, из них 20 – встречаются чаще всего и называются биогенными. Дополнительный материал Вода выступает важнейшим минеральным компонентом клеток, составляя от 60 до 98 % ее состава. Жизнь на планете зародилась в воде и поддерживается благодаря ее присутствию. Способность воды образовывать водородные связи делает ее прекрасным растворителем. Вода входит в состав макромолекул и органоидов клетки, образует цитоплазму как среду для протекания химических реакций метаболизма в клетке. Молекулы воды являются реагентом, вступающим в реакции гидролиза, например, при переваривании пищи, являются источником протонов и электронов в результате фотолиза при фотосинтезе. Благодаря тургорному давлению, оказываемому водой, клетки и органы сохраняют свою форму. Вода участвует в терморегуляции организмов. Испаряясь, она охлаждает поверхность тела, внутри клетки или органа способствует сохранению постоянства температуры. Органические вещества клетки в основном состоят из водорода, углерода, кислорода и азота. Органические молекулы клетки могут иметь небольшую массу (низкомолекулярные соединения, несущие от 30 атомов углерода). Низкомолекулярные соединения являются мономерами, из которых, в свою очередь, состоят полимерные высокомолекулярные соединения, обладающие значительной массой. Примером высокомолекулярных биополимеров выступают белки, образованные последовательностями аминокислот (до нескольких тысяч) и различные белковые комплексы – комплексы с металлами или органическими веществами. Аминокислоты содержат карбоксильную группу и аминогруппу, присутствующие во всех аминокислотах, а также радикал, отличающий аминокислоты друг от друга. Существует группа незаменимых для человека аминокислот, которые не могут быть синтезированы организмом. Они должны поступать только с пищей. К незаменимым относятся глицин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан. Аминокислоты соединяются друг с другом при помощи пептидных связей, с образованием белковых молекул. Последовательность молекул аминокислот в пептиде представляет собой первичную структуру белка. Дальнейшая упаковка молекулы происходит преимущественно за счет водородных связей и формирует вторичную структуру белка (спирали, складчатые структуры). Третичная структура формируется в виде свернутых в клубок молекул с образованием компактных глобул. Эти структуры образуются за счет ковалентных дисульфидных мостиков, ионных, водородных связей и гидрофобных взаимодействий. Четвертичная структура белка формируется при образовании связей между несколькими молекулами белка. Примером такой структуры является гемоглобин, объединяющий четыре субъединицы белка и органическое вещество – гем. Белки играют ключевую роль в живом организме. Большое разнообразие белков и выполняемых ими функций обусловлено их структурным разнообразием, образующимся благодаря различной последовательности аминокислот в первичной структуре белка. На рисунке приведены основные свойства белков, определяющие сигнальные (родопсин), структурные (белки мембран клеток), защитные (интерферон, иммуноглобулин), транспортные (гемоглобин), каталитические (ферменты) и двигательные (актин, миозин) и многие другие функции белков. Рисунок 4.1.1. Свойства и функции белков Белки разделяются на группы по их составу, выделяют простые и сложные белки (см. Таблицу). По форме молекул выделяют глобулярные белки – в виде компактных телец (ферменты, антитела) и фибриллярные – образующие нити, волокна. Таблица Классификация белков
Углеводы – углеродсодержащие органические соединения, имеющие формулу Животные клетки содержат до 3 % углеводов, растительные – до 90 %. Примерами углеводов являются шестиатомные моносахариды (глюкоза, фруктоза), пятиатомные моносахариды – рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеиновых кислот, дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза), полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза). В организме углеводы играют строительную (целлюлоза входит в состав клеточной стенки) и энергетическую (крахмал – запасное вещество растений, гликоген – животных) функции. Липиды – нерастворимые в воде органические вещества, включающие в своем составе высшие жирные кислоты или высокомолекулярные спирты, а также стероиды. К липидам относятся триглицериды (сложные эфиры глицерина, которые подразделяют на твердые животные жиры и жидкие растительные масла), фосфолипиды, воски (пчелиный, растительный) и стероиды (холестерин, кортикостерон, тестостерон, эстрадиол). Основная функция липидов в организме – энергетическая, также строительная, защитная, регуляторная и терморегуляционная. Особое место в метаболизме занимают биологически активные вещества, относящиеся к различным классам и выполняющие важные сигнальные функции (гормоны, ферменты, витамины и другие). Гормоны вырабатываются железами внутренней секреции и влияют на уровень активности различных органов и тканей в организме. По своему химическому составу гормоны относятся к различным классам органических веществ, в том числе – катехоламины (норадреналин, адреналин), тиреоиды (тироксин, трийодтиронин), стероиды (тестостерон, эстрогены, прогестерон, кортикостероиды), пептиды (гормоны гипоталамуса, инсулин, секретин) и высокомолекулярныебелки (гормон роста, пролактин, лютеинизирующий гормон, тиреотропный гормон). Группа ферментов объединяет соединения, регулирующие скорость биохимических процессов в клетке и в полостях тела (например, в желудочно-кишечном тракте). Ферменты – это вещества белковой природы с большим молекулярным весом и сложным строением, отличающиеся высокой специфичностью к реакциям, которые они контролируют. Группа витаминов влияет на различные метаболические процессы и включает в свой состав аминокислоты. Большинство витаминов играет роль коферментов. Недостаток витамина С вызывает развитие цинги, витамина РР – пеллагру, недостаток витамина D у детей приводит к неправильному развитию скелета. Опасен также и избыток витаминов, приводящий к гипервитаминозам. Нуклеиновые кислоты – это полимерные высокомолекулярные соединения, состоящие из мономеров – нуклеотидов, предназначенные для хранения (ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота) и передачи (РНК – рибонуклеиновая кислота) генетической информации. Нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара – дезоксирибозы в ДНК (рибозы – в РНК) и остатка фосфорной кислоты. В ДНК азотистые основания представлены пуриновыми основаниями аденином (А), гуанином (Г), и пиримидиновыми основаниями – цитозином (Ц) и тимином (Т), в РНК присутствуют те же основания, за исключением тимина, который заменен на урацил (У). Линейная последовательность азотистых оснований представляет первичную структуру нуклеиновых кислот и несет информацию (триплетный код) о закодированных в ней белках. Большинство эукариотических организмов несут двухцепочечную нить спирально закрученных антипараллельных молекул (одноцепочечная нить ДНК встречается только у вирусов). Структура ДНК была открыта Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953. г. Азотистые основания нитей соединяются между собой по принципу комплементарности, аденин всегда образует водородные связи гуанином, а тимин – с цитозином. Между тимином и цитозином в антипараллельных цепочках образуются три водородные связи, а между аденином и гуанином – две. Дополнительный материал Вторичная структура ДНК – правозакрученная спираль, на один виток которой приходится десять пар оснований. Сахаро-фосфатные группы нуклеотидов обращены всегда наружу спирали, азотистые основания – внутрь. Дальнейшая компактизация ДНК происходит за счет наматывания ее нитей вокруг белковых комплексов – гистонов с образованием нуклеосом – структур, похожих на шайбы. За счет сближения и правильного расположения нуклеосом образуются их скопления – нуклеомеры в виде толстых нитей. Нуклеомеры образуют петли – хромомеры, которые в свою очередь формируют еще более толстые нити – хроматиды и окончательно – хромосомы. Молекула ДНК обладает способностью образовывать аналогичные себе копии (репликация ДНК) по принципу комплементарности. Процесс начинается с материнской ДНК, которая под действием специализированных ферментов, разрывающих связи между цепочками ДНК, приводит к раскручиванию нити ДНК и достраиванию каждой из нитей по принципу комплементарности с образованием двух идентичных молекул. В отличие от ДНК, РНК вместо дизоксирибозы несет сахар – рибозу, вместо тимина – урацил, обычно являются одноцепочечной и характеризуется меньшей величиной. Разнообразие структуры РНК связано с многообразием выполняемых ими функций. Различают информационную или матричную РНК (иРНК, мРНК), являющуюся копией определенного участка ДНК, кодирующего необходимый белок и выполняющую роль матрицы для синтеза этого белка, рибосомальную РНК (рРНК), участвующую в построении рибосом, транспортую РНК (тРНК), несущую определенные аминокислоты и определяющие последовательность аминокислот в белке. Самые простые организмы – одноклеточные бактерии, грибы и водоросли, наряду с более сложно устроенными – многоклеточными, обладают всеми основными характеристиками, присущими живому. Среди одноклеточных организмов выделяют две ключевые группы – прокариоты (не имеют оформленного ядра и многих органоидов в цитоплазме) и эукариоты (организмы с оформленным ядром). К прокариотам относятся бактерии, к эукариотам – животные, растения и грибы. Живые организмы могут быть как аэробными (т. е. способны существовать только в присутствии в атмосфере кислорода), так и анаэробными. Особой группой являются вирусы, несущие признаки как живого, так и неживого. Известно, что вирусы представляют собой молекулу ДНК или РНК, заключенную в белковую (реже липидную) оболочку – капсид. Также в состав некоторых вирусов входят углеводы и липиды. Несмотря на то факт, что вирусы несут генетический материал, вне клетки-хозяина они не способны существовать, т. е. осуществлять метаболизм и размножаться. Только попадая в живой организмов, нуклеиновые кислоты вирусов встраиваются в геном зараженной клетки, либо, используя ферменты клетки, начинают активное воспроизводство новых копий вирусной ДНК/РНК в зараженной клетке. По своей сути вирусы выступают в качестве облигатных (обязательных) клеточных паразитов. Многоклеточные организмы состоят из большого числа клеток, выполняющих различные функции и отличающихся по строению. Все клетки в многоклеточном организме образуют ткани и органы и подчиняются единой системе управления, функционируют как единое целое. Одно- и многоклеточные организмы формируют организменный уровень организации живого. Организмы, являясь представителями отдельных видов и совместно обитая на небольшой территории, образуют популяции, которые входят в состав видов и формируют популяционно-видовой уровень иерархии живого. Популяции разных видов, обитающие на одной территории, образуют следующий биогеоценозный уровень иерархии. Словарь |