Панорама современного естествознания

p align="left">Полученная путем перетасовки генов гибридная молекула ДНК должна размножаться в составе живой клетки и менять ее генетические свойства. В этом особая роль принадлежит плазмидам. Оказывается, в клетках бактерий, дрожжей и высших организмов кроме основных молекул ДНК, не переходящих из одной клетки в другую, присутствуют еще и маленькие молекулы ДНК-плазмиды, которыми клетки легко обмениваются. Если из бактерий извлечь плазмиды и встроить в них фрагменты чужой молекулы ДНК, а затем залечить раны и смешать полученные гибридные плазмиды с бактериальными клетками, то такие гибридные плазмиды окажутся биологически активными и будут размножаться. Далее в результате размножения гибридных плазмид с бактерией-хозяйкой удается многократно умножить (тиражировать) встроенный чужеродный фрагмент молекулы ДНК. Этот прием генной инженерии получил название клонирования. Метод клонирования с помощью плазмид дает молекулярной биологии уникальную возможность перетасовки генов бактерий, вирусов, дрожжей и высших организмов -- человека и животных.

Еще несколько лет назад ученые задавали вопрос, можно ли создать сорта, сбалансированные по составу аминокислот, устойчивые к холоду, засухе, не поражаемые вредителями. Сегодня можно с уверенностью утверждать, что такие трансгенные растения уже вышли в поле. Областей применения трансгенных растений довольно много. На уровне лабораторных экспериментов ведутся работы по получению растений, устойчивых к холоду, тяжелым металлам, повышенному содержанию солей и др. Трансгенные растения, устойчивые к гербицидам (химическим соединениям, которые используют для борьбы с сорняками), к вирусам, растения с повышенным содержанием масел и незаменимых аминокислот уже выращивают на миллионах гектаров. Не менее интересен и другой аспект работ -- получены трансгенные растения с измененными декоративными свойствами. Поскольку основные трансгенные формы кукурузы, сои, хлопчатника с устойчивостью к гербицидам и насекомым хорошо себя зарекомендовали, есть все основания ожидать, что площадь под генно-инженерными растениями в будущем увеличится.

Среди последних достижений инженерной, или конструктивной, биологии следует упомянуть успешное клонирование млекопитающих (овцы, свиньи, коровы), создание первых искусственных хромосом человека, создание трансгенных мышей.

Если в плазму встроить ген (фрагмент ДНК) человека, то такая плазмида внутри бактерии или дрожжей начинает вырабатывать белок, отвечающий человеческому гену. Разработка технологии, заставляющей бактериальные или дрожжевые клетки синтезировать в больших количествах необходимые человеку для различных целей белки, положило начало новой биотехнологической эре.

Услугами генной инженерии особенно успешно пользуются фармацевты, для которых этот метод дает сравнительно дешевые, жизненно необходимые гормоны, такие как инсулин, интерферон, гормоны роста и другие, имеющие белковую природу. По заказу фармацевтов генными инженерами налажено производство человеческого гормона инсулина ( вместо ранее применяемого животного инсулина), играющего важную роль в борьбе с сахарным диабетом. Методом генной инженерии получают также достаточно дешевый и чистый человеческий интерферон -- белок, обладающий универсальным антивирусным действием, антиген вируса гепатита В.

Другими важнейшими областями, в которых успешно применяются достижения генной инженерии, являются медицина и сельское хозяйство. На наших глазах современная биология превратилась в науку, которая дала начало технологиям, преобразившим производство. Биотехнология стала реальной производительной силой. Питание и медицинское обслуживание возрастающего быстрыми темпами население Земли представляют собой наиболее важные проблемы, стоящие перед человечеством, и решать их, скорее всего, придется методами биотехнологии.

Производство и применение вакцин против вирусных заболеваний позволили медикам ликвидировать полностью эпидемии чумы и оспы, от которых раньше умирали миллионы людей. Метод генной инженерии, в отличие от других методов, позволяет получить абсолютно безвредную (не содержащую инфекционного начала) вакцину. Ведутся также работы по производству вакцин от гриппа, гепатита и других вирусных заболеваний человека.

В настоящее время для производства интерферона и гормона роста в качестве источника плазмидов вместо бактерий широко применяются также дрожжи, которые на эволюционной лестнице стоят где-то между бактериями и высшими организмами. Еще одной задачей, успешно решаемой в настоящее время биотехнологией, является производство белка, содержащего незаменимую аминокислоту лизин и используемого в качестве полноценных кормовых добавок для животных.

В биотехнологии применяются не только методы генной инженерии, но и методы клеточной инженерии. Суть метода клеточной инженерии сводится к следующему. Из организма искусственно выделяют клетки, которые затем размножают в специально подобранных питательных средах. Полученные таким путем клеточные культуры используются для производства ценных лекарственных веществ и для гибридизации клеток, которые невозможно воспроизвести обычным половым путем. Методом гибридизации соматических клеток получены новые формы культурных растений (томаты, картофель). Гибридизация же животных клеток (например, раковых клеток и клеток крови -- лимфоцитов) применяется для выработки ценных медицинских препаратов.

4. Проблемы происхождения жизни во Вселенной

Река времен в своем стремлении Уносит все дела людей. И топит в пропасти забвенья Народы, царства и царей.

Г. Державин

На определенном этапе эволюции материи при появлении подходящих условий во Вселенной возникла жизнь. Ее возникновение, существование и развитие, как отмечалось выше, обусловлены рядом фундаментальных свойств Вселенной, выражающихся, например, в константах, характеризующих гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Ученые считают, что при значениях этих констант, например, гравитационной постоянной, отличающихся от наблюдаемых, жизнь во Вселенной существовать просто бы не могла. Ясно, что жизнь не могла возникнуть и на ранних стадиях расширения Метагалактики. Но именно в первые минуты расширения при температурах более 109 К вещество уже имело "стандартный химический состав" ( около 75% ядер атомов водорода и 25% ядер гелия). Если бы состав вещества был иным, то трудно сказать, какой стала бы дальнейшая химическая эволюция вещества Метагалактики. Образовавшиеся в поздних стадиях расширения Метагалактики звезды оказались не только источниками энергии, но и теми объектами Вселенной, в недрах которых синтезировались необходимые для возникновения жизни химические элементы. Для существования жизни небезразлично и то, что Метагалактика расширяется. Если бы по каким-либо причинам несколько миллиардов лет назад началось сжатие Метагалактики, то постепенное повышение температуры превысило бы значение, при котором возможно существование жизни.

Представление о наличии жизни во Вселенной исторически менялось и всегда интересовало человечество. Взгляды о бесчисленности обитаемых миров получили широчайшее распространение в XVIII--XIX вв. Особую известность и популярность завоевали труды Б. Фонтенеля, К. Фламмариона и др. В эту эпоху населенными считались практически все небесные тела -- от Луны и планет до комет и Солнца. Об обитателях Луны, например, писали И. Кеплер, И.Ньютон, а позднее, уже на пороге XIX в., У. Гершель допускал возможность существования жизни на Солнце. Проблема происхождения жизни как предмет научных исследовании возникла во второй половине XIX в. Как отмечал Кельвин, еще Ч.Дарвин совершенно отчетливо ставил вопрос о естественном происхождении жизни на Земле в отдаленном прошлом и говорил об отсутствии условий для этого теперь, при наличии развитой жизни.

В начале XX в., однако, возобладало мнение, что жизнь -- привилегия лишь планет типа Земли. А ставшая общепринятой космологическая теория Джинса, согласно которой планеты возникают в результате тесного сближения двух звезд -- события очень редкого, привела к заключению о крайней редкости планетных систем и тем более жизни в звездном мире.

В 20-х гг. XX в. существенно изменилась астрономическая картина мира, и в том же десятилетии в трудах А. И. Опарина в СССР и Дж. Холдейна в Англии стала формироваться первая научная концепция происхождения жизни.

Итак, как отмечалось выше, в звездах первого поколения практически не было более тяжелых, чем Н и Не, химических элементов. Но без этих более тяжелых элементов невозможно существование ни земноподобных планет, ни живой материи. Однако эволюция некоторых типов массивных звезд космологически быстро, через какие-нибудь десятки или сотни миллионов лет завершается коллапсом центральной части такой звезды в сверхплотное состояние (белый карлик, нейтронная звезда, черная дыра) и сбросом оболочки, превраща-ющейся в газовую туманность -- взрывом сверхновой звезды. При этом и образуются в небольшом количестве (порядка 1% по массе) более тяжелые, чем Н и Не, элементы. Именно эта стадия развития Вселенной и знаменует начало ее химической эволюции. Возможно, заметную роль в обогащении веществ галактик тяжелыми элементами играют и гигантские взрывы в ядрах этих звездных систем.

Солнце в соответствии с расчетами, основанными на современной теории эволюции звезд, образовалось около 5 млрд лет назад (через 8--10 млрд лет после звезд первого поколения) из газопылевой среды, уже обогащенной тяжелыми элементами. П.Дебай, а также В. Г. Фесенков подчеркнули, что у звезд первого поколения, составляющих 90% всех звезд Галактики, не может быть земноподобных планет, а следовательно, и жизни. Однако остальные 10%, составляющие население последующих поколений звезд Галактики (это ~1010 объектов) могут обладать планетами типа Земли. Планеты рождаются в ходе самого процесса звездообразования, и планетные системы могут быть у значительной доли звезд -- до 2/3 общего числа звезд второго и последующих поколений могут обладать земноподобными планетами. Это значит, что необходимые для возникновения и развития жизни условия выполняются в галактиках, подобных нашей, не при уникальном сочетании редких событий, а как типичное явление. В пользу справедливости этого вывода свидетельствует медленное (обычно всего несколько км/с на экваторе) вращение большинства солнце-подобных звезд, ибо оно может быть истолковано как свидетельство наличия у них, как и у Солнца, планет, несущих основную (у них 98%) долю вращательного момента количества движения всей системы. Следовательно, образование земноподобных планет -- естественный результат общегалактического космогонического процесса.

Коль скоро есть все основания предполагать, что планетных систем, сходных с Солнечной, в Галактике насчитывается несколько миллиардов, вполне естественно принять, что процесс жизни и ее эволюции там в общих чертах по своему характеру сходен с тем, что было на Земле. Разумеется, не на каждой планете возможно зарождение и развитие жизни. Для этого необходимо учесть:

1. Планеты, на которых возможно зарождение и развитие жизни, не могут обращаться вокруг звезды слишком близко или слишком далеко. Необходимо, чтобы температуры их поверхностей были благоприятны для развития жизни. Учитывая, однако, что одновременно со звездой должно образоваться сравнительно большое число планет (скажем ~10), с большой вероятностью можно ожидать, что хотя бы одна или две планеты будут обращаться на расстоянии, при котором температура лежит в нужных пределах.

2. Массы образовавшихся планет не должны быть ни слишком большими, ни слишком маленькими. Это обстоятельство в свое время подчеркивал В. Г. Фесенков. В первом случае гигантские атмосферы этих планет, богатые водородом и его соединениями, исключают возможность развития жизни. Во втором случае за время эволюции атмосферы будут рассеиваться (подобно Меркурию). Однако учитывая сравнительно большое число образующихся планет, можно ожидать, что некотоpoe, пусть малое количество их, будет обладать нужной массой. При этом необходимо, чтобы такие планеты одновременно удовлетворяли первому условию. Заметим, что первое и второе условия не являются независимыми.

3. Высокоорганизованная жизнь может быть только на планетах, обращающихся вокруг достаточно старых звезд, возраст которых насчитывает несколько миллиардов лет.

4. Звезда в течение нескольких миллиардов лет не должна существенно менять своей светимости. И этому условию удовлетворяют большинство интересующих нас звезд.

5. Звезда не должна быть двойной или кратной, ибо в противном случае орбитальное движение планет было бы существенно отлично от кругового, и резкие, если не катастрофические, изменения температуры поверхности планеты исключили бы возможность развития на ней жизни. Другой, хотя и косвенный, но важный (и видимо, типичный для любой звездной системы) путь воздействия Галактики на происхождение и развитие жизни на Земле, -- возмущающее влияние притяжения звезд, проходящих в соседстве с Солнцем, на кометы из "свиты Солнца". На периферии Солнечной системы, возможно, движется до 1011 комет. Наша планета за свою историю испытала, по подсчетам ученых, около сотни столкновений с кометами; их суммарная масса могла составить достаточно заметную величину, равную примерно 1% массы земной атмосферы. Кометы богаты сложными химическими соединениями, включая органические, видимо, еще межзвездного происхождения, а также образовавшимися в период формирования солнечной системы. Их вклад в копилку первоначальной земной органики -- основы предбиологической эволюции -- мог быть существенным.

Совокупность свойств, наблюдаемых у нашей Вселенной (физическое состояние, химический состав, структура, расширение и связанное с ним красное смещение в спектрах далеких объектов), необходима для обеспечения возможности возникновения и существования в ней жизни. Итак, во Вселенной естественно возникают общие предпосылки для появления и развития жизни. Речь может и должна идти о жизни в тех ее рамках, в каких она известна нам. Именно поэтому специально обращалось внимание на необходимость для возникновения жизни предварительного образования во Вселенной С, О, N, Р и др., а также тяжелых элементов, без которых жизнь, во всяком случае известного нам типа, совершенно немыслима. Может быть, мы еще не заметили pоли и даже существования некоторых фундаментальных для жизни космических факторов, открытие которых в будущем существенно изменит наши представления о распространенности во Вселенной условий, в которых может появиться жизнь.

Земля вместе с Солнцем каждые 200--250 млн лет приближалась к центру Галактики, где, видимо, и тогда происходили мощные взрывы не очень понятного происхождения, следы каких наблюдаются и сейчас. Они воздействовали на всю систему взрывными волнами, потоками жестких космических лучей. Трудно сказать, каковы могли быть их влияния на Землю, но, например, длина галактического года подозрительно близка к периодичности великих оледенений истории Земли.

Молодую Землю заливали космические лучи солнечного и галактического (а возможно, и метагалактического) происхождения; она погружалась в газовые туманности, сброшенные при взрывах сверхновых звезд, которые вспыхивали в 100 раз чаще, чем ныне, так как количество дозвездного вещества в Галактике было много больше, т. е. и процесс звездообразования тел интенсивнее. Очень близкий взрыв сверхновой мог оказать и шоковое воздействие на биосферу Земли, особенно если бы он пришелся на период исчезновения геомагнитного поля, при смене его полярности. Говоря о космических факторах развития биосферы, не следует забывать, что с точки зрения астрофизики Земля, собственно, находится в атмосфере Солнца. Воздействие астрономических факторов могло иметь для жизни даже глобальный характер (например, выход температуры за допустимые границы; чрезмерное усиление радиационного потока, ультрафиолетового излучения). Это позволило поставить даже вопрос -- однократно ли возникала жизнь на Земле?

Выводы

1. Среди известных гипотез происхождения жизни наиболее распространены: креационизм, самопроизвольное возникновение, вечное существование, панспермия, биохимический путь.

2. Для научного изучения происхождения жизни необходимы, прежде всего, данные о физико-химических условиях на ранней Земле. Такие данные связаны как с геологической эволюцией планеты, так и с эволюцией химических элементов Солнечной системы и солнечной активностью.

3. Из большого числа химических элементов для жизни необходимы только 16, а водород, углерод, кислород и азот составляют почти 99% живой материи. Уникальными свойствами обладает углерод, и наша жизнь называется углеродной, или органической. Четырехвалентность углерода приводит к огромному числу его соединений, которыми занимается органическая химия. Углерод образует сложные молекулы, представляющие собой кольца и цепи, обеспечивающие разнообразие органических соединений.

4. Аминокислоты -- важный для жизни класс органических соединений. В живых организмах они используются для синтеза белков: растения могут синтезировать их из простых веществ, а в животные организмы они должны поступать с пищей, поэтому их называют незаменимыми. Из четырех нуклеотидов построены и другие крупные молекулы - нуклеиновые кислоты, тоже входящие в состав живой клетки. Нуклеиновые кислоты представляют собой двухцепочные молекулы.

5. Современные научные гипотезы происхождения жизни связаны с образованием в определенных условиях более сложноорганизованных молекул -коагулянтов, гелей коацерватов. У этих коллоидных образований, как считали Опарин и Холдейн, на поверхности могут происходить процессы, напоминающие метаболизм живых организмов. Коацерваты способны делиться на части, увеличиваться в размерах, поглощать более простые молекулы. Гипотеза Опарина--Холдейна проверялась на установке Меллера, где искровой разряд пропускался через смесь метана, аммиака, водорода и воды, что имитировало условия первичной Земли. Были синтезированы простейшие аминокислоты. Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самопроизводящие системы, построенные из биополимеров -- белков и нуклеиновых кислот.

IV. Человек: здоровье, эмоции, творчество, работоспособность, биоэтика.

Человек есть мера всем вещам -- существованию -- существующих и несуществованию -- несуществующих.

Протагор (V в. п. до н.э.)

1. Физиология человека

Физиология человека как наука о жизнедеятельности здорового организма человека и функциях его составных частей: клеток, тканей, органов и систем -- зародилась в XVIII столетии. Основоположником физиологии как самостоятельной отрасли знаний является английский ученый Уильям Гарвей, описавший большой и малый круги кровообращения и 1628 г. Физиология человека базируется на функционировании основных систем организма людей, таких как кровеносная, лимфатическая, пищеварительная, нервная, дыхательная и др. Физиологи Д. Эклс, А. Хаксли, А. Ходжкин ycтановили, что ионные механизмы важнейших физиологических процессов -- возбуждения и торможения, за что были отмечены Нобелевской премией (1963 г). Как известно, нервы и мышцы относятся к возбудимым образованиям. Это значит, в ответ на раздражение в них возникают различные электрические потенциалы. Согласно ионно-мембранной теории биоэлектрических потенциалов, созданной в середине XX в. А. Ходжкиным, Э. Хаксли, Б. Катцом, они обусловлены неодинаковой концентрацией ионов К+, Na+, Сl- внутри и вне клетки и различной проницаемостью для них поверхностной мембраны. Позже были открыты медиаторы (нейротрансмиттеры), что легло в основу учения о химическом механизме передачи нервного импульса.

Разработка И. П. Павловым учения об условных рефлексах позволило ему не только получить подтверждение сформированной И.М. Сеченовым концепции о зависимости всех функций организма от окружающей среды, но и создать новое учение -- физиологию высшей нервной деятельности человека и животных.

Организм и окружающая среда -- это единая система, так между ними происходит непрерывный обмен веществом и энергией (рис.1). Энергия необходима организму для поддержания всех его жизненно важных функций. Она выделяется за счет окисления сложных органических соединений, т. е. белков, жиров и углеводов. Резервирование энергии происходит в основном в виде макроэргических связей АТФ (адезонинтрифосфорной кислоты).

ПРИХОД ВЕЩЕСТВ Белки, жиры и углеводы пищи-белки, жиры и углеводы каловых масс	ПРИХОД ЭНЕРГИИ С пищевыми продуктами

Ассимиляция ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ диссимиляция

РАСХОД ВЕЩЕСТВ Расщепление белков до H2O и CO2 и азотосодержащих веществ; жиров до H2O и CO2; углеводов до H2O и CO2	РАСХОД ЭНЕРГИИ деятельность внутренних органов и двигательная активность

Рис. 1. Понятие об обмене веществ и энергии

АТФ -- это универсальный источник энергии в организме человека. Высвобождение энергии происходит за счет гидролиза АТФ, связанного с разрывом химической связи концевой фосфатной группы. Часть этой энергии выделяется в виде теплоты, необходимой для теплорегуляции. Так, при сокращении мышц около 80% энергии теряется в виде тепла и только 20% превращается в механическую работу.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7