7. ЭВОЛЮЦИЯ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА документ PDF
реклама
Глава 7 ЭВОЛЮЦИЯ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА Основное содержание главы К настоящему времени открыто более 250 планет вокруг других звезд нашей галактики, но нет ни одной из них, подобной Земле по сочетанию световых и тепловых условий. Солнечная система создается на определенном этапе эволюции Солнца, механизм ее развития связан с турбулентностью протопланетного диска. Возникновение жизни на Земле описывают в рамках существующих картин мира. Концепция самоорганизации живого вещества и его физико-химическая эволюция входят в научную картину мира. 7.1. Концепция множества обитаемых миров В 1600 г. в Риме по решению церковного суда был заживо сожжен один из священнослужителей – Джордано Бруно. Он был обвинен инквизицией в ереси, в которой не раскаялся и под пытками. Монах Д. Бруно был весьма образованным человеком и философом, его изданные труды назывались «О причине, начале и едином», «О героическом энтузиазме» и «О бесконечности, Вселенной и мирах». Именно последнее сочинение послужило поводом к обвинению со стороны святой церкви. Как теософ, Джордано Бруно проповедовал идею о едином начале всего сущего и о единой мировой душе. Как образованный человек, он принял (одним из первых в своем времени) концепцию гелиоцентризма Коперника. Д. Бруно пошел дальше осторожного в своих высказываниях Н. Коперника и «с энтузиазмом» совместил идею единства мира с идеей множества обитаемых и разумных миров, подобных нашей Солнечной системе. В воззрениях Бруно Мир бесконечен, во Вселенной вокруг бесчисленных звезд обращаются планеты, космос оказывается населен огромным числом человеческих цивилизаций. Тем самым разрушается догмат о единственности и богоизбранности Земли и еѐ населения. (Бруно спрашивал, в частности: «Во все ли миры приходил Искупитель?». Множеству миров требовалось множество рождений Христа, Бога-Сына). Сомнение в вере отцов церкви признавалось ересью, от которой следовало избавить душу «брата Джордано Бруно», отправив тело его в очистительный огонь. Таковы были «правила игры» той эпохи. Бруно приписывают слова «Санта симплисита!» (Святая простота!), которые он произнес, увидев старушку с вязанкой хвороста, которую она принесла и усердно подкладывала в разгоравшийся костер «очищения». Поистине, это был великой души и разума человек. Как бы то ни было, идея бесчисленных миров, подобных нашему и разделенных гигантскими расстояниями в тысячи световых лет, не была сожжена или забыта. Правда, в произведениях современных фантастов, наряду с гуманоидными расами, чужие миры населяют и более странные, и более разнообразные существа (рис. 89, 90). В качестве примера достаточно вспомнить киносериал Джорджа Лукаса «Звездные войны», ставший классикой жанра, или более поздний сериал «Вавилон-5». Здесь чувствуется влияние современного естествознания (принципа минимального разнообразия элементов в сложной системе) в применении к допустимости не только различных вероисповеданий, культурных традиций, цивилизаций, но и различных путей эволюции в пространственно разделенных мирах. У Р. Бредбери в «Марсианских хрониках» параллельные и разновременные миры совмещены в едином пространстве. У С. Лема разумным оказывается инопланетный Океан. Можно утверждать, что концепция множественности разумных миров является элементом современной культуры, не оспариваемой более в явном виде даже христианской церковью. С философской точки зрения интуитивно кажется предпочтительнее, чтобы земное человечество не оказалось единственной населенной пылинкой в безбрежном пространстве косной материи. Однако логические и интуитивные построения и идеи должны соотноситься с фактами. Есть аргументы «за», есть альтернативные «против», но дело решают факты. Используя теорию вероятностей, биолог Н. Рашевский показал, что в принципе на углерод-водородной основе возможно существование порядка 100 млн биологических видов. На Земле, за все время ее существования, было реализовано около 4 млн видов, так что еще 96 млн – в резерве. Выбор видов может происходить случайным образом, но невозможно представить себе ситуацию, когда на другой планете будут развиваться только те виды, которых не было и нет на Земле. Вероятностные оценки показали, что на двух независимых планетах возможно совпадение до 160 000 видов. Это значит, что если мы когдалибо встретим на другой планете биологическую форму жизни, то около 160 000 представителей биосферы для нас окажутся знакомыми. С этой точки зрения не следует преувеличивать роль принципа разнообразия биологических видов во вселенной и думать, что мы встретим в других мирах одних только чудовищ и химер. Рис. 89. Кадр из фильма «Звездные войны» Где искать разумные миры? Если жизнь однажды возникла в Солнечной системе, то возможно еѐ возникновение и в других планетарных системах. В 1983 г. на очередном астрофизическом конгрессе было принято следующее определение: «Планетарной системой следует считать звезду, у которой будет наблюдаться как минимум два маломассивных спутника». Здесь подчеркнуто основное – два спутника центральной звезды, и они маломассивные, т. е. не являющиеся звездами. Как искать? Планеты отражают свет центрального светила, но этого мало, чтобы их можно было бы увидеть в оптическом диапазоне. Температура фотосферы Солнца примерно 6000 К и Рис. 90. Кадр максимум светимости в спектре приходится на длину волны 0,5 из фильма «Звездные войны» мкм. Если принять среднюю температуру поверхности планеты на порядок ниже, то максимум светимости сдвинется в область 5 мкм, а это диапазон инфракрасного излучения. Оно слишком сильно поглощается атмосферой Земли, в особенности парами воды. Поэтому большие надежды возлагались на спутниковые наблюдения в ИК-диапазоне. Одной из целей запуска космического аппарата IRAS в 1983 г. был поиск планетарных систем по избыточному ИК-излучению одиночных звезд. Почему «не подходят» двойные звезды? Во-первых, потому что в таких системах движение маломассивного спутника должно происходить по траекториям в виде восьмерки, кольца которой охватывают звезды. Большинство двойных звезд имеют неравные массы компонент, поэтому траектория спутника должна проходить близко к более массивной звезде и удаляться на большое расстояние при движении вокруг меньшей звезды. В первом случае возможная планета будет перегреваться, во втором – переохлаждаться, что не способствует органической жизни. Во-вторых, только некоторые траектории третьего тела устойчивы в двойной системе, так что сама возможность образования планетарной системы вызывает сомнения с точки зрения небесной механики. В нашей Галактике примерно половина звезд – двойные, что уменьшает шансы формирования планетарных систем. С помощью IRAS были получены данные об избыточном потоке ИК-излучения из области Веги (созвездие Лиры). Это была маленькая научная сенсация. Однако более поздние измерения показали, что Вега окружена кольце- вой зоной (диском) холодного газа, размеры которой много больше диаметра Веги, сравнительно «молодой» звезды. По оценкам, еѐ возраст в 15 раз меньше, чем у Солнца. В последующем наличие дисков, видимых по их ИК-излучению, было обнаружено у ряда других молодых звезд, в том числе у некоторых близких к нам. Среди них находится, например, Живописца (54 св. г. от нашей Галактики). В 1984 г. наземные наблюдения в оптическом диапазоне с помощью специального телескопа подтвердили факт существования диска пылевых частиц около этой звезды (рис. 91). Радиус его составляет около 400 радиусов земной орбиты, и он удачно повернут под небольшим углом к лучу его наблюдения с Земли (подобно кольцу Сатурна). Отраженный от диска свет имеет такой же цвет, что и у центральной звезды, он поляризован, как это происходит при рассеянии света на частицах, размер которых Рис. 91. Фотография диска много больше длины волны видимого света. Позднее удавозле Бета Живописца лось измерить доплеровское смещение в спектрах некоторых ионов из пылевого диска. Оно свидетельствовало о падении вещества диска на звезду со скоростью около 200 км/с. Запуск космического телескопа «Хаббл» позволил уточнить некоторые детали диска Живописца, открыв временные вариации спектра центральной звезды по мере прохождения по ней разных участков пылевого диска. Отсюда был сделан вывод о том, что диск имеет клочковатую структуру. В 1994–1995 гг. были опубликованы результаты совместной многолетней работы астрофизиков России, Казахстана и Таджикистана, из которых следовало, что целая группа звезд подкласса YХ Ориона являются молодыми предшественниками Живописца и имеют протопланетные диски, повернутые под небольшим углом к лучу зрения. Из-за большой удаленности звезд их диски не наблюдаемы в телескопы, но они косвенно проявляются в периодическом ослаблении блеска звезд, синхронном с изменениями поляризации света и его цветности. В настоящее время считают, что около 60 % звезд с возрастом в интервале 3–5 млн лет окружены подобными дисками. В 1999 г. были получены снимки затмения ряда звезд планетами-гигантами, вращающихся вокруг них. На этих фотографиях (см. рис. 92) оказались видны пылевые диски, окружающие звезды. Рис. 92. Фотографии пылевых дисков возле звезд В середине 60-х гг. прошлого столетия большой общественный интерес вызвали статьи английского физика-теоретика Ф. Дайсона о возможности выхода гуманоидных или других типов разумных цивилизаций в околозвездный космос с образованием техногенной оболочки – «сферы Дайсона» вокруг материнской звезды. Более полно используя свет звезды и заменяя биосферу, искусственная оболочка должна переизлучать в окружающий космос энергию в виде ИК-излучения (накопление большой энергии приведет к перегреву «сферы Дайсона»). После получения данных со спутника IRAS были сделаны попытки выделить среди них «подозрительные» объекты со спектрами, похожими на гипотетический спектр сферы Дайсона. Однако во всех выделенных случаях более вероятным оказывается естественное происхождение источников излучения. В настоящее время проектируются все более совершенные космические и наземные телескопы и поиски планетарных систем будут продолжены. С помощью компьютерного анализа малых колебаний положений ряда звезд к настоящему времени обнаружено существование более 300 планет-гигантов, типа Юпитера в Солнечной системе, на орбитах около центральных звезд. Несколько сравнительно маломассивных планет обнаружено около нейтронной звезды, облучающей эти планеты мощным рентгеновским излучением (что несовместимо с органической жизнью). Поэтому первоначальный энтузиазм астрофизиков заметно убавился, и на первый план выдвигается мнение о редкости планетарных систем типа нашей Солнечной системы. 7.2. Гипотезы образования Солнечной системы Факты свидетельствуют, что необходимым условием появления жизни является планетарная система с «подходящим» расположением одной из планет на околозвездной орбите. Как же возникла наша (может быть, уникальная) Солнечная система? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим сначала еѐ строение. Границей Солнечной системы считают облако Оорта (шаровой слой кометоподобных тел), расположенное на расстоянии в один световой год от Солнца (рис. 93). Внутри облака Оорта, гораздо ближе к центральной части, на расстоянии 6 св. ч от Солнца, находится пояс Койпера. Это кольцо малых планетарных тел размерами 100–200 км в поперечнике. Мини-планеты (планетозимали), по-видимому, являются остатками того «строительного материала», из которого образованы более крупные планеты. Практически уже в поясе Койпера проходит орбита двойной планеты Плутон – Харон. Диаметр Плутона примерно в 2 раза превосходит диаметр Харона, и они находятся друг от друга на расстоянии всего в 20 000 км. По мере приближения к Солнцу следуют Рис. 93. Облако Оорта Нептун и Уран – гигантские планеты, состоящие из газа и пояс Койпера (водорода, гелия, метана) и имеющие очень узкие системы колец мелких спутников. Шестая от Солнца планета Сатурн известна своей удивительной системой пяти концентрических колец, лежащих в одной плоскости. Из-за быстрого вращения (оборот за 10 часов) он сплюснут у полюсов и раздут по экватору. Еще ближе к центру расположена орбита Юпитера, самой большой из планет Солнечной системы. Так же как и Сатурн, Юпитер содержит в основном водород (85 %), гелий (14 %), аммиак, метан, водяные пары и ацетилен. Внутри планеты, под атмосферным газовым слоем, скрыт океан жидкого водорода глубиной около 17 000 км. Ниже давление возрастает настолько, что водород переходит в твердое состояние с металлическим ти- пом проводимости. Электрический ток, протекающий в недрах планеты, создает сильное магнитное поле Юпитера. Измерения с космических зондов (Пионер-10 и 11, Вояджер-1 и 2) показали, что Юпитер излучает больше энергии, чем получает еѐ от Солнца. Внутренними источниками служит энергия продолжающегося гравитационного сжатия планеты, тепловая энергия, запасенная на раннем этапе образования Юпитера, и энергия радиоактивного распада тяжелых ядер. Юпитер имеет 16 спутников и похож на миниатюрную солнечную систему. В последние годы необычайно возрастает магнитное поле Юпитера и некоторые геофизики предрекают превращение Юпитера в маленькую звезду. Однако, по современным теориям, масса Юпитера явно недостаточна для начала термоядерных реакций. Марс, Земля, Венера и Меркурий имеют сходное внутреннее строение. Рис. 94. Схема строения микропылинок Разнообразие структур, которое мы наблюдаем в Солнечной системе, говорит о действии различных механизмов в процессе образования планет из протопланетного диска. Общим во всех современных моделях является положение о совместной и одновременной эволюции центральной звезды Солнца и его спутников-планет. Информация о химическом и изотопном составе, о гетерогенности вещества на ранних этапах формирования планетарной системы сохранилась в метеоритах, падающих на Землю (рис. 94). С учетом еѐ и законов термодинамики в 1967 г. была предложена конденсационная модель образования Солнечной системы. По модели Дж. У. Ларимера и Е. Андерса вещество протопланетного диска нагревалось до столь высокой температуры, что происходило испарение и образование атомарного газа. При высокой температуре происходила ускоренная диффузия и химический состав усреднялся по всему диску. Поэтому состав метеоритов, приходящих из различных мест Солнечной системы, принципиально не отличается от состава Земли. По мере понижения температуры в жидких каплях сначала должны выпадать в твердый осадок самые тугоплав- кие элементы и их соединения, а легкоплавкие кристаллизуются в последнюю очередь. Какие последствия это будет иметь? Сначала в агрегаты будут слипаться выпавшие первыми тугоплавкие соединения (рис. 94, 1), они будут обволакиваться легкоплавкими, так что образуются слоевые структуры с разными температурами плавления (рис. 94, 2 и 3). Аналогично этому, сначала образуется тугоплавкое ядро планеты, затем легкоплавкая мантия. Конденсационная модель дает лишь качественное соответствие с фактами о строении планет земной группы. Количественные оценки временных интервалов образования метеоритов по ней дают слишком большой разброс значений. При образовании планетозималей важное значение имеют взаимные столкновения фрагментов протопланетного облака. Реальные удары являются частично упругими, часть энергии удара тратится на нагрев соударяющихся тел. Результатами столкновений будут: слипание (аккреция), дробление (фрагментация) и нагрев частиц. Аккреция вызывает турбулентную вязкость диска, дробление приводит к переносу момента количества движения на периферию диска. Поэтому однородность диска нарушается. Оказывают влияние физические и химические свойства частиц. Например, пластичные и намагниченные частицы железа будут слипаться, тогда как силикатные хрупкие частицы могут легко дробиться. Рис. 95. Схема строения недр Земли: 1 – ядро; 2 – внешнее ядро; 3 – мантия Считается, что планеты земной группы формировались из разнородных фрагментов. Сначала образовались ядра планет из железо-никелевых частиц, затем они «обволакивались» оксидами и силикатами (рис. 95). Компоненты смеси формировались последовательно в различных температурных интервалах. На ранних стадиях появлялись слои кальций-алюминиевых конденсатов, затем собирались силикаты с содержанием магния, железа и других металлов. Турбулентные потоки во внешнем вязко-жидком ядре, хорошо проводящем ток, обусловили появление магнитного поля Земли. Верхняя мантия, самая легкоплавкая, была обогащена летучими компонентами, в том числе углеводородами и водой. Посте- пенно происходила дегазация мантии и из паров были созданы две важные оболочки Земли: атмосфера и гидросфера. Темп эволюции центральной звезды выше, чем для протопланетного диска. Молодая звезда должна быстро вращаться, если даже начальное вращение газопылевого общего облака было незначительным. Это предписывает закон сохранения момента количества движения. Кроме того, звезда обладает сильным магнитным полем. Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение звезды ионизирует частицы протопланетного диска. Взаимодействие заряженных частиц с магнитным полем хорошо известно: возникает сила Лоренца и частицы движутся по спиральным траекториям. Можно говорить, что магнитное поле удерживает попавшие в него заряженные частицы. Так как источник магнитного поля быстро вращается, то сила Лоренца меняет направление своего действия, играя роль своеобразной «мешалки» по отношению к веществу диска. В конечном счете магнитное поле передает вращательный момент звезды диску: центральное тело замедляется, а диск раскручивается. Расчеты показывают, что от центральной звезды к диску может переходить более 90 % еѐ момента количества движения. Его размеры при этом возрастают, возникшая турбулентность (вихри) приводит к скучиванию вещества, при определенной скорости вихрей они разбиваются на более мелкие и таким образом могут формироваться вращающиеся тела различных размеров – плaнеты и их спутники. Кроме того, лучевое давление электромагнитных излучений звезды и сильный солнечный ветер уносят легкие газообразные частицы из ближней разогретой зоны на периферию диска. Поэтому возле Солнца нет газосодержащих планет, они сосредоточены «на окраине» Солнечной системы. Имитационные расчеты на компьютерах показали, что сначала при эволюции диска появляются пояса или кольца вокруг звезды, а потом приливные силы и резонансные колебания собирают кольца в более компактные образования – планеты. Рассмотренная модель не учитывает изотопные аномалии, постепенно обнаруженные при исследовании изотопного состава метеоритов. В частности, в одном из метеоритов (упавшем вблизи поселка Старое Песьяное) содержание изотопа неон-20 в 14 раз больше, чем изотопа неон-22. В противоположность этому найдены метеориты, содержащие почти весь неон в форме изотопа неон-22. В составе атмосферы Земли содержа- ние неона-20 на порядок больше, чем всех других изотопов неона, тогда как в космогенном неоне содержание всех изотопов примерно одинаково. Изотопный состав кислорода в метеоритах также неодинаков. Выше отмечалось, что химический и изотопный состав метеоритов отражает гетерогенность раннего вещества на стадии формирования планет. Поэтому возникает предположение, что при образовании Солнечной системы произошло смешивание вещества по крайней мере двух резервуаров, отличавшихся по изотопному составу. Оно подтверждается аномалиями в изотопном составе целого ряда элементов – Ва, Тi, Са, Si, Мn. Для объяснения причин и процессов смешивания предложены две модели: взрыва соседней сверхновой и столкновения двух газопылевых облаков еще до формирования протосолнца. По первой гипотезе в протосолнечную туманность было «впрыснуто» вещество из оболочки сверхновой (см. рис. 96). Недостатком модели является критичность расстояния до сверхновой: при близком взрыве протосолнечная туманность будет рассеяна, при далеком – взрыв не внесет «нужного» количества вещества. Да и статистика взрывов неблагоприятна для модели: 1 взрыв в «окрестностях» Солнца приходится на 100 млн лет. Более «мягкий» вариант смешивания был предложен в 1983 г. Л.К. Левским. По его сценарию при пересечении протосолнечным облаком одного из рукавов Млечного Пути, где концентрация звезд и газопылевых молекулярных облаков гораздо выше, чем в пространстве между рукавами, произошло столкновение нормального и аномального по изотопному составу облаков. Рис. 96. Схема смешивания облаков В результате возникла турбулентность протосолнечного облака и начался процесс образования протозвезды и протопланетного диска. Из основной массы нормального резервуара формируется Солнце, а из периферической области, «загрязненной» аномальным веществом, образуются астероиды, метеориты и частично – планеты. Поэтому в метеоритном веществе часто обнаруживается аномальный неон, а в Солнце содержится только нормальный. Земля оказывается промежуточной по изотопному составу, в ней представлено вещество двух облаков. Длительность интервала образования солнечной планетарной системы по данной модели составляет примерно 200 млн лет, хотя начало было положено гораздо раньше, около 4,5 или 5 млрд лет назад столкновением облаков. 7.3. Концепции возникновения жизни Очевидно, что сама по себе «отдельно взятая» Солнечная система не могла бы образоваться. Во-первых, химический состав показывает наличие в ней тяжелых радиоактивных элементов (уран-235 например), которые были ранее наработаны в космических циклах эволюции звезд первых поколений нашей Галактики. Более тонкий анализ изотопного состава (изотопы одного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами) свидетельствует, что формирование Солнечной системы произошло с участием по меньшей мере двух галактических источников вещества. В Солнечной системе имеется целая группа сходных по строению недр планет почти на круговых орбитах на различных расстояниях от Солнца; это обеспечивает закономерное изменение условий освещенности и теплового режима планет. И вот на одной из них, наиболее «подходящей», появляется принципиально новое для Вселенной вещество – живое. По химическому и изотопному составу оно использует те же элементы, что и неживое, но отличается по способам соединения атомов в молекулы. Каким образом, в ходе каких процессов возникла Жизнь? Ответ на эти вопросы давали три концепции, последовательно сменявшие друг друга в естествознании. Это концепции самозарождения, панспермии и физико-химической эволюции. Первая из них главенствовала в течение почти двух тысячелетий, вторая появилась в классическом естествознании Нового времени, третья становится основной в современном естествознании. 7.3.1. Концепция самозарождения жизни Согласно Библии, Корану или Талмуду живые существа созданы Всевышним, Аллахом или Яхве. В принципе, это равнозначно однократному самозарождению жизни сразу во всех еѐ видах и формах. Античные мыслители допускали постоянное возникновение жизни, по крайней мере, на уровне растений и низших животных, просто из грязи, росы или гниющего органического материала. Религиозный христианский философ Томас Аквинский утверждал, что самозарождение жизни производят ангелы с помощью лучей солнечного света. В одной из книг XVI в. «Магия природы» приводили магические свойства базилика: если его пожевать и положить на солнце, то он превратится в червя, а если растереть и положить под камень, то появится скорпион.... В эпоху Возрождения подобные представления были отвергнуты, во многом благодаря Ф. Реди (1626–1697), который экспериментально доказал, что во всех случаях насекомые, земноводные и птицы рождаются из оплодотворенных яиц. Однако после изобретения микроскопа и открытия ранее невидимых организмов-микробов (в 1675 г.) концепция самозарождения получила «второе дыхание». Утверждалось, что теперь ясно, на каком уровне происходит возникновение живой материи, что этот процесс происходит постоянно и повсеместно, и что самозарождение представляет собой ещѐ один способ, который природа использует для воспроизведения живых существ. Только в 1862 г. Луи Пастер своими экспериментами «закрыл вопрос». Он наливал в небольшие колбы дрожжевой экстракт с сахаром, затем в огне высокотемпературной горелки вытягивал горлышко колбы так, чтобы оно превратилось в тонкую изогнутую «лебединую шею» (см. рис. 97). После кипячения раствора среда оставалась в течение неограниченного времени стерильной, несмотря на то что контакт с окружающей средой был (отверстие горлышка не было запаяно). Пастер объяснил результаты тем, что воздушный слой в тонком и длинном горлышке колбы играет роль амортизатора и препятствует быстрому движению воздуха, поэтому пыль с микробами оседает на стенки горлышка раньше, чем попадет в колбу. Рис. 97. Колба Пастера Стоило только укоротить горлышко до определенной длины – происходило «заражение» дрожжевого раствора и на питательном бульоне микробы интенсивно размножались. Так было показано, что в мире микробов жизнь тоже идет от родительской формы. Хотя результаты Пастера некоторое время оспаривались, концепция самозарождения была окончательно отвергнута. Стоит отметить ту роль, которую играют концепции естествознания в других областях, поскольку речь зашла о микробах и инфицировании. Когда идея повсеместного самозарождения микроорганизмов была общепризнанной, попытки борьбы с ними казались бессмысленными и не предпринимались даже при операциях. Н. Хоровиц [11] приводит следующие потрясающие цифры. В ходе франко-прусской войны из 13 000 ампутаций, проведенных французскими хирургами, не менее 10 000 имели смертельный исход! Только после решающих опытов Пастера появились методы уничтожения микробов или подавления их активности с помощью растворов фенола (карболовой кислоты), спирта и других средств дезинфекции. 7.3.2. Концепция панспермии Крушение концепции постоянного самозарождения жизни привело к появлению альтернативной идеи о вечности живого вещества и о его переносе в космосе между звездными мирами. Лучше самих ученых трудно объяснить, как возникают их убеждения, поэтому процитируем У. Томсона (лорда Кельвина, 1824–1907) [11]. Достаточно точными экспериментами, проведенными к настоящему времени, показано, что любой форме жизни всегда предшествует жизнь. Мертвая материя не способна превратиться вживую, не испытав предварительно воздействия живой материи. Мне это представляется такой же несомненной научной истиной, как закон всемирного тяготения. Я готов принять в качестве научного постулата, справедливого всегда и всюду, что жизнь порождается только жизнью и ничем, кроме жизни. По У. Томсону во Вселенной существуют многочисленные миры, несущие жизнь, которые временами разрушаются при столкновении с другими космическими телами, но рассеянные обломки несут с собой семена жизни. Идеи предшественников были развиты С. Аррениусом (1859–1927), шведским химиком, в его теории панспермии. Он попытался конкретизировать возможные механизмы переноса жизни, предположив, что вирусы и бактериальные споры могут выноситься из атмосфер планет, где они существовали, под действием электростатических сил в космическое пространство. В космосе «зародыши» органической жизни могли бы перемещаться под действием светового давления или в потоках солнечного ветра звезд. Некоторой защитой от излучений могли бы быть встреченные на пути пылинки или метеориты. Согласно теории панспермии все живые существа во Вселенной должны быть в своей основе «родственниками», хотя и отдаленными, в прямом смысле этого слова. Появление жизни на Земле, по концепции панспермии, является случайным событием. Сравнительно недавно в произведениях писателей-фантастов и в статьях некоторых ученых появился обновленный вариант рассматриваемой концепции – направленной панспермии. В ней предполагается, что жизнь попала на Землю не случайно, а целенаправленно доставлена с помощью средств некой высокоразвитой цивилизации из другого звездного мира. Как можно видеть, концепция панспермии основана на трех предположениях. Вопервых, считается возможным существование множества миров, обладающих живым веществом. Фактически это миры Д. Бруно. Во-вторых, постулируется чрезвычайно высокая долговременная (на световые годы) устойчивость вирусов и (или) спор бактерий к воздействию факторов космического пространства: сверхвысокому (с технической точки зрения) вакууму, низким температурам (около 3 К), высокоэнергетичным космическим лучам, химически активному солнечному ветру. И в-третьих, утверждается, что жизнь – такой же фундаментальный атрибут мира, как материя, с которой она неразрывно связана. Условия даже околоземного космического пространства весьма жестки, не все конструкционные материалы их выдерживают в течение нескольких лет. Прямые исследования показали, что лунный грунт совершенно стерилен. Попытки обнаружить вирусы или споры в микропылинках и микрометеоритах результата не дали, хотя сложные органические соединения на них обнаружены. Сомнительной представляется возможность длительного существования в открытом космосе каких-либо организмов, даже таких пограничных (между живым и неживым), как вирусы. Наконец, современное естествознание показывает историчность жизни на Земле, еѐ возникновение только на определенном этапе развития материальных форм Вселенной. Тем не менее, концепция панспермии является значительным достижением, обратившим внимание ученых на возможное участие тех органических соединений, которые входят в состав молекулярных облаков, в процессах самоорганизации жизни на Земле. 7.3.3. Концепция физико-химической эволюции В отличие от предыдущей концепции, основанной на логике качественного анализа ситуации и философских принципах, современная концепция исходит из результатов физико-химического моделирования процессов добиогенного синтеза все более сложных молекул. Она пытается подойти к тому моменту, когда накопление количественных изменений привело к появлению нового качества – самовоспроизводства. В какой-то мере эта концепция возвращает нас к идее самозарождения Жизни, описывая этот процесс как совокупное и синергетическое (взаимно усиливающее) действие нескольких факторов в течение длительного периода времени. Прежде всего следует оценить роль космической окружающей среды и первобытной Земли (рис. 98). Выше мы уже отмечали многообразие соединений наиболее распространенных элементов – водорода, кислорода, углерода и азота в гигантских молекулярных облаках. К настоящему времени по линиям радиоизлучения в космическом пространстве обнаружено более 60 соединений. Рис. 98. Художественная иллюстрация условий на первобытной Земле Наибольшее распространение имеют водород и монооксид углерода (СО). Гораздо реже, но встречаются, цианистый водород (НСN), формальдегид (НСНО), ацетальдегид (СН3СНО), аммиак и вода. Те же и более сложные соединения встречаются на поверхности метеоритов и микрометеоритов. Например, тщательный анализ показал, что на поверхности и в составе углистого хондрита, выпавшего в 1969 г. в Австралии (Мерчисонский метеорит), имеются следы более 50 аминокислот, причем восемь из них входят в состав современных белков (глицин, аланин, валин, лейцин и другие). Здесь же обнаружено присутствие аденина, урацила и гуанина, являющихся азотистыми основаниями нуклеиновых кислот (рис. 99). Многие среди 50 обнаруженных аминокислот не входят в состав живых организмов, ряд соединений встречается в виде двух оптических изомеров. Это доказывает, что все обнаруженные соединения не являются примесями или загрязнениями, попавшими на метеорит в земных условиях. Рис. 99. Мембранные везикулы с поверхности метеорита В работах Дж. М. Гринберга было экспериментально показано, что под действием ультрафиолетового излучения на поверхности микропылинок окись углерода, метан, аммиак, вода и кислород могут вступать в реакции между собой, создавая своеобразные, иногда многослойные оболочки. В экспериментах замороженная при 10 К смесь молекул СН4, СО, Н2О, СО2, Н2, N2 и О2 осаждалась на поверхность микропылинок при действии УФ-излучения и без него. При этом происходят процессы фотодиссоциации, фотовозбуждения и последующей радикал-радикальной рекомбинации. В результате общий состав многослойной оболочки приближается к составу аминокислот и даже простейших бактерий. Считается, что аналогичные процессы могут происходить и в открытом космическом пространстве, затем микропылинки входят в атмосферу Земли без всякого разогрева и вносят органическое вещество в гидросферу, где оно продолжает цепь реакций уже в виде растворов. По оценкам Дж. М. Гринберга, за время пребывания Земли в типичном пылевом облаке (это от 100 тыс. до 1 млн лет) с космической пылью на еѐ поверхность могло бы выпасть около 109 т органического вещества. Если учесть то обстоятельство, что Солнце движется в зоне коротации и еѐ скорость не слишком отличается от скорости волн плотности в пылевых скоплениях, то эта оценка выглядит завышенной. Тем не менее, этот источник органических веществ добиологического происхождения свою лепту вносит. При извержении вулканов вместе с магмой извергается огромное количество газов: сероводорода, метана, аммиака, окислов азота и углерода. Жидкая среда более благоприятна для удержания рядом как простых реагентов, так и продуктов реакций – более сложных соединений. Поэтому Л.М. Мухин выдвинул гипотезу о возможности добиоло- гического синтеза в зоне подводных вулканов и гидротерм. К тому же повышенная температура и значительное гидростатическое давление способствуют высокой эффективности химических реакций. По усредненным оценкам Л.М. Мухина, гидротермальная система может дать за 1 млрд лет 1012–1013 т органического вещества. Совместно извергаемые твердые минеральные частицы могут служить катализаторами и адсорбентами полученных продуктов. В частности, показана возможность следующих реакций: CH 4 NH 3 HCN 3H 2 , 2CO 2 NH 3 HCN CO 2 H 2 . (60) Образование цианистого водорода очень важно, так как он играет центральную роль в синтезе оснований нуклеиновых кислот. Суммарно можно записать, например, такую реакцию: 5HCN аденин . (61) Аминокислоты также образуются с участием цианистого водорода, либо путем взаимодействия в растворе аммиака, альдегида и цианида, либо путем превращения самого НСN в аминокислоты. Газовая оболочка Земли не могла «остаться в стороне» от участия в процессах накопления первичного органического вещества. Выше мы отмечали, что молодая Земля образовалась из твердых материалов, которые содержали определенное количество поглощенных и адсорбированных газов. Под действием тепла, выделяющегося при гравитационном сжатии планеты и энергии распада радиоактивных изотопов, соединения разлагались с образованием газов различного химического состава. При извержении вулканов газы вырывались из земных недр и образовывали первичную атмосферу Земли. Она была преимущественно восстановительной, как и условия в протопланетном диске, и содержала в большом количестве углекислый газ, метан и аммиак, а также сероводород, пары воды. Выделение тектонической энергии, сопровождаемое мощными извержениями вулканов, приводило к ураганным ветрам и сильной электризации атмосферы. Гигантские молнии инициировали целый ряд реакций газоплазменного синтеза. Попытки их воспроизведения в контролируемых лабораторных условиях были начаты в 1957 г., когда С. Миллер впервые получил некоторые биологически важные соединения с использованием электрических разрядов. Схема экспериментов была достаточно простой. Моделируя условия первичной атмосферы, С. Миллер поместил в колбу немного воды и заполнил еѐ смесью водорода, метана и аммиака (рис. 100). Затем в колбе создавались электрические разряды между электродами. Смесь подвергалась разрядам в течение недели, после чего химический анализ показал присутствие в воде небольших количеств аланина, глицина, аспарагиновой и глутаминовой кислот. Эти соединения входят в состав белков. На стенках колбы также образовывался налет, в составе которого были органические соединения. В дальнейшем состав газа изменялся (водород удалили, аммиак заменили азотом), что расширило список образующихся аминокислот до 12. Поскольку в первичной атмосфере не было озона, эффективно поглощающего УФ-излучение Солнца, то оно пронизывало всю атмосферу до поверхности Земли. Ряд последующих экспериментов различные группы исследователей проводили, совмещая электрические разряды с УФ-освещением или используя только одну ультрафиолетовую радиацию. Всегда в восстановительных условиях получали положительный результат: происходил синтез органических соединений, входящих в состав белков и нуклеиновых кислот. Максимальный выход продуктов реакций получали при добавлении сероводорода (Н2S), который хорошо поглощает более длинноволновое излучение Солнца. Рис. 100. Прибор С. Миллера В настоящее время установлено образование аминокислот при возникновении ударных волн в смесях газов, порождающих всплески высокой температуры и давления. Такие волны вполне могли возникать в атмосфере под действием громовых раскатов или падающих метеоритов. Одни только метеориты, микропылинки, гидротермальные источники не могут привнести весь спектр биологически активных соединений, необходимых для создания сложной генетической системы живых организмов. Реакции в газовой фазе расширяют круг синтезируемых веществ. Сравнительно недавно было обнаружено, что четыре азотистых основания РНК (рибонуклеиновая кислота) образуются в последующих реакциях, в которые начинают вступать первичные продукты газоразрядного синтеза. Представляется очевидным, что, в конечном счете, созданные различными путями или привнесенные из космоса «строительные» материалы белков и нуклеиновых кислот смывались с поверхности Земли и из еѐ атмосферы в океаны. В стерильных условиях (отсутствие микробов!) в течение миллионов лет происходит накопление необходимых элементов в «первичном бульоне» (рис. 101). При определенных условиях формальдегид конденсируется в водном растворе, образуя различные сахара. Одним из побочных продуктов этой реакции является рибоза – основной компонент РНК. Постепенно разрозненные молекулы будут собираться в молекулярные агрегаты, насчитывающие сотни тысяч и миллионы мономеров. Такие агрегаты получили название коацерватРис. 101. Последовательность ных капель, их особенностью является свойство «вытяусложнения структуры гивать» из окружающего их низкомолекулярного расорганических соединений твора некоторые вещества, что похоже на зачаток «обмена веществ». Академик А.И. Опарин (1894–1980) считал, что именно коацерватные капли послужили тем «микрососудами», в которых произошло формирование динамически устойчивых первичных микроорганизмов. Таким образом, современная концепция не выясняет, какой из рассмотренных выше источников «на самом деле» является главным в зарождении жизни, а, наоборот, подчеркивает многообразие и различную физическую и химическую природу поставщиков биологически активных веществ, их совместное взаимно дополнительное действие. Хотя ещѐ не всѐ понятно в процессе перехода к синтезу самокопирующихся молекул и появления построенных на них примитивных организмов, основные положения концепции считаются экспериментально обоснованными. Следует иметь в виду, что для построения простейшей генетической системы достаточно было коротких полимерных цепей РНК. Первым организмам не требовалось быть высокоэффективными, поскольку ещѐ не существовало «врагов» и проблемы добывания пищи в «первичном бульоне». Достаточно было приобрести свойство воспроизведения своих копий быстрее, чем происходила химическая или физическая деструкция клетки. Несколько лет назад удалось «в пробирке» воспроизвести простой вариант копирования и отбора на молекулярном уровне. В раствор хлороформа вводили молекулы эфира и амина, которые образовывали более сложные по составу и конфигурации молекулы амида. Реакция оказалась автокаталитической: одна образовавшаяся молекула амида становилась центром сборки другой, этому способствует своеобразная форма молекулы амида. При повышении температуры раствора комплементарные пары молекул амида расходились и становились самостоятельными. При циклическом охлаждении-нагреве молекулы амида «размножались» (рис. 102). Рис. 102. Последовательность копирования молекул амида Затем опыты были усложнены тремя различными аминами и эфиром. Если на смесь воздействовать УФ-лучами, то один из получающихся амидов видоизменяется (мутирует) и накапливается в растворе с большей скоростью, чем другие. Поэтому мы можем подчеркнуть ещѐ раз: Жизнь возникает как планетарное явление только при участии космической среды, недр Земли, еѐ атмосферы и океанов; появляется и реализуется самоорганизация жизни на молекулярном уровне, а затем и на уровне клетки. Простейшими организмами были одноклеточные и не имеющие ядра прокариоты, вступление в действие естественного отбора и мутаций привело к появлению эукариот и многоклеточных организмов, у которых генетическая информация находится в хромосомах. 7.4. Кодирование и воспроизводство биологической информации B Дать строгое и всеобъемлющее определение, что такое Жизнь, весьма трудно. Можно констатировать, что для живых организмов характерна устойчивая структура, наличие обмена веществ с окружающей средой, поддержание гомеостаза (постоянства внутренней среды), репликация (размножение), изменчивость и отбор. По Ф. Энгельсу, жизнь – это способ существования белковых тел. Что верно с той точки зрения, что известные живые существа имеют в своем химическом составе больше белков, чем жирных кислот или углеводов. Формулировка «способ существования» слишком философская, т. е. предельно общая. С точки зрения информатики, в более конкретном функциональном определении, жизнь можно назвать структурно устойчивым состоянием белковых систем, использующих для поддержания гомеостаза не только обмен веществом и энергией, но и информацией, кодируемой формой и составом отдельных молекул. Последнее, повидимому, принципиально отличает живое вещество от неживого. Нашей задачей будет описание тех способов и механизмов кодирования информации и еѐ прочтения на молекулярном уровне, которые были отобраны в процессе эволюции жизни. Но прежде необходимо краткое описание основного «химического материала» жизни: белков и нуклеиновых кислот. 7.4.1. Состав и структура белков Структурными единицами белков являются аминокислоты, их известно более 200. Только 60 из них входят в состав организма человека, и всего 20 аминокислот формируют все разнообразие его белков. В природе существует две зеркально симметричные разновидности аминокислот, только одна из них (левая на рис. 103) входит в состав живых организмов, это изомеры L . Общую химическую формулу аминокислот можно представить в следующем виде: центральный атом углерода, аминная группа, карбоксильная группа и радикал (рис. 104). Зарядовое состояние аминной и карбоксильной групп изменяется под действием окружающей среды: в неполярной среде аминная группа имеет состав NН2, а карбоксильная СООН. Рис. 103. Две формы глицина Рис. 104. Схема строения молекул аминокислот Боковой радикал, присоединяющийся к центральному атому углерода, определяет специфику данной аминокислоты. Он может иметь совсем простой состав (как в глицине, рис. 103), цепочки углеводородных групп (как в лейцине) или содержать пятишестичленные циклы (как в триптофане). Химики определяют процесс образования белков как реакцию полимеризации, т. е. как реакцию последовательного присоединения отдельных аминокислот в общую цепь. Первый шаг на этом пути – образование димера (цепи из двух звеньев). При этом выде- лится молекула воды Н2О и будет образована пептидная связь (СО–NН). Будем обозначать боковые радикалы аминокислот буквами R с индексами (R1, или R2, или Ri), а их центральные атомы С. Тогда можно записать структурную формулу димера в виде R1 O H R2 NH3+ CH C N CH CO2. (62) В ней атомы следуют в таком порядке: центральный углерод аминокислоты и пептидная связь. Это чередование сохраняется при дальнейшей полимеризации. Общая формула белков может быть представлена записью: R1 O H – (NH3+ CH C N)i, (63) где индекс i может быть одним из интервала (1–20), в зависимости от конкретной аминокислоты. Запись в виде (63) представляет первичную структуру белка. При больших значениях i, когда полимерная цепь становится весьма и весьма длинной, организуется вторичная структура в виде спиралей. Это повышает их устойчивость к случайным деформациям и препятствует спутыванию полимерных «ниток» в беспорядочный клубок. Возможность изменения формы молекул связана с различной «эластичностью» химических связей в них. Отдельные части полимерной цепи могут легко поворачиваться вокруг осей -связей С–С или С–N, вращение же вокруг пептидной связи затруднено, поскольку она носит смешанный характер - и -связей (пептидная связь частично двой- ная). Поэтому многие белки и ферменты имеют спиральную конфигурацию, которая теряется при денатурации в растворе спирта или при нагревании до относительно высокой температуры (всем знаком пример денатурации яичного белка при нагревании). Рис. 105. Условное изображение вторичной структуры белка Если взаимодействуют две близко расположенные полимерные цепи, то возможно образование «гармошки» – складчатой конфигурации, в которой две нити идут параллельными уступами как лестница. При структурном анализе белков описанные участки называют -спиралями и -складками (см. рис. 105). В природе ничего не происходит «просто так». Если есть возможность вращений отдельных частей молекулы-нити, то они будут происходить случайным образом под действием тепловых флуктуаций. Но стабильной конфигурации не получится до тех пор, пока не будет достигнут минимум потенциальной энергии. В чем-то конфигурация спирали должна быть энергетически выгоднее, чем просто линейная или зигзагообразная. По данным рентгеноструктурного анализа нашлось простое объяснение типичности спиралей в белках: минимум общей энергии достигается при таких поворотах, которые позволяют установить дополнительные водородные связи между аминной и карбоксильной группами. Как правило, в -спирали каждая NН-группа одной пептидной связи образует «сшивку» с четвертой от неѐ СО-группой другой пептидной связи, что задает размер витка спирали. Образование химической связи, даже такой слабой, как водородная, сопровождается выделением энергии, так что полная энергия системы при этом понижается. Рис. 106. Схема строения волоса человека Физические и химические свойства органических полимеров определяются не только элементным составом, но и конформацией – пространственным расположением ато- мов. Мало знать только химический состав, он определит лишь первичную структуру белка или фермента. Для понимания «деятельности» белков и их свойств необходимы данные о вторичной, третичной и надмолекулярной структуре. Например, волосы человека состоят из -кератина. Полипептидная цепь этого белка построена в основном из глицина, лейцина, цистеина и пяти других аминокислот. Первичной структурой цепи здесь является правая спираль (рис. 106). Три таких правых спирали скручиваются затем в общую левую спираль, где удерживаются водородными связями и дисульфидными мостиками. Далее 9 таких левых спиралей образуют длинный цилиндр, по оси которого проходят 2 внутренние левые спирали, и так образуется микрофибрилла. Это уровень домена. Сотни доменов входят в макрофибриллы (уровень глобул), сочетание многих макрофибрилл образует клетку, из последних образуется нить волоса. Отсюда понятна большая эластичность столь высокоспирализованного материала. При нагрузке спирали разных масштабных уровней раскручиваются вплоть до разрыва более слабых водородных связей. После снятия напряжения первоначальная форма восстанавливается, поскольку более прочные связи дисульфидных мостиков не разрушаются и способствуют регенерации -спиралей. Шелк (натуральный) является -кератином. В его составе больше аланина и глицина, меньше аминокислот, содержащих серу. Поэтому здесь реализуется другая пространственная структура, в которой -складки образуют более плоские «листовые» домены. Шелк менее эластичен, чем волосы или шерсть, но он очень гибок, так как один «лист» (слой) сравнительно легко может скользить по другому. В 1960 г. была установлена пространственная структура молекулы миоглобина – белка, выделенного из мышц кашалота (рис. 107). В еѐ составе имеется 153 аминокислотных звена, они формируют общую спираль, которая причудливо изогнута в виде жгута, охватывающего гем железа. Затем была расшифрована структура гемоглобина. Рис. 107. Схема строения миоглобина Молекула гемоглобина более сложная, она состоит из 4 субъединиц, похожих на молекулу миоглобина. Как переносчик кислорода в организме человека, гемоглобин более эффективен, чем миоглобин. Молекулы гемоглобина выполняют транспортную роль, доставляя кислород в клетки мозга и другие клетки организма. В мышцах они передают кислород миоглобину. Среди других основных функций белков в организме человека можно указать: конструкционную (в составе скелета), двигательную (в составе мышц), регуляторную (в составе нейромедиаторов), каталитическую (в составе энзимов). 7.4.2. Нуклеиновые кислоты В классическом естествознании ещѐ в конце XIX в. было установлено, что наследственность растений и животных определяется наличием определенного числа хромосом в ядрах клетки. Химический состав хромосом отвечает смеси дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК), с последними и стали отождествлять наследственный аппарат живого вещества. Судя по молекулярной массе, ДНК содержат от 103 до 108 отдельных звеньевнуклеотидов в общей цепи. Меньшее число (от 80 до 200 000) нуклеотидов содержат цепи рибонуклеиновых кислот (РНК), с помощью которых происходит синтез белка в клетке. Азотистых оснований в составе нуклеиновых кислот немного, всего пять. Термин пентоза является общим названием для рибозы и дексорибозы. Отличие между ними всего лишь в одной детали: если гидроксил ОН заменить на водород Н, то вместо рибозы получится дезоксирибоза. В зависимости от числа тетраэдров РО4 в остатке фосфорных кислот, нуклеотиды называются моно-, ди- или трифосфатами. Образно говоря, пентоза является платформой, с одного бока которой присоединяется блок азотистого основания, а с другого – «хвост» остатка фосфорной кислоты. В качестве примеров приведем на рис. 108 структурную формулу одного из самых важных нуклеотидов – АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). При некоторой игре воображения в форме молекулы можно увидеть поднятую голову, тело и хвост «насекомого». Сходство будет ещѐ более заметным, если указывать только линии химических связей и особенные группы атомов. Модель в виде вдавленных друг в друга шаров разного размера Рис. 108. Строение и цвета дает более точную пространственную конфигурамолекулы АТФ цию. Как отдельный нуклеотид, АТФ является постащиком энергии для белков, переходя из одной модификации (трифосфат) в другую (дифосфат), рис. 109. Рис. 109. Цикл передачи энергии от углевода белку Если специфику аминокислот определяет боковой радикал, то индивидуальность нуклеотидов определяется азотистым основанием («головой» молекулы). Как отмечалось выше, их всего пять, по четыре они входят в состав ДНК и РНК. Д Аденин (А), Гуанин (Г), НК: Р Аденин (А), НК: Гуанин (Г), Цитозин (Ц), Тимин (Т) Цитозин (Ц), Урацил (У) Нуклеотиды являются оптически активными соединениями, D-изомеры, т. е. они закручивают угол поляризации света вправо. это Принцип полимеризации нуклеотидов в цепи ДНК или РНК следующий: фосфатный «хвост» одного звена присоединяется к углу пентозы, соседнему с тем, где «отрастает» фосфатная цепь другого нуклеотида, и получается цепь платформ, каждая из которых несет свое азотистое основание. Этот процесс определяет формирование первичной структуры нуклеиновых кислот. Вторичная структура стабилизируется водородными связями, как и в структуре белков. Но в данном случае между «подходящими» азотистыми основаниями сразу образуется по две или по три водородных связи, что, конечно, упрочняет вторичную структуру. Самая главная особенность таких соединений – это то, что каждый конкретный нуклеотид может образовать «зацепление» только с единственным из трех других в его группе. Если назвать один нуклеотид «замком», то его партнер будет «ключом», подходящим только к этому замку. Зацепления могут возникать как между азотистыми основаниями одной цепи, так и между основаниями соседних цепей (рис. 110). Рис. 110. Варианты соединения аденина с тимином и гуанина с цитозином Говорят, что пары нуклеотидов отвечают принципу комплементарности, цитозин комплементарен гуанину, аденин – тимину и урацилу (последний отличается от тимина только отсутствием группы СН3). Принцип комплементарности позволяет объяснить механизм «молекулярного узнавания». Водородные связи (с одной стороны, доноры, с другой – акцепторы электрона) являются своеобразной системой поиска комплементарного участка, принадлежащего своей или другой цепи. Вторичная структура РНК в самом простом случае может быть представлена в виде испорченной застежки-молнии. Там, где подряд располагаются соответствующие друг другу комплементарные звенья, «молния» застегнута, где нет соответствия – появляется петля. В общей цепи могут образоваться несколько петель различного размера. Например, транспортные РНК (тРНК) в большинстве случаев имеют форму клеверного листа, изогнутого наподобие австралийского бумеранга. Вторичная структура ДНК более сложная. При химическом анализе этих кислот было установлено эмпирическое правило Чаргаффа: какой бы длины ни была нуклеотидная цепь, всегда количество оснований аденина равнялось количеству оснований тимина, а количество цитозина равнялось количеству гуанина. Причины этого установили Д. Уотстон и Ф. Крик, введя принцип комплементарности. В 1953 г. они экспериментально доказали, что ДНК представляет собой двойную спираль, составленную из полностью комплементарных цепей нуклеотидов. Начало одной цепи комплементарно окончанию другой. Рис. 111. Модель структуры ДНК Пояснить ситуацию можно схемой двух лент, закрученных вокруг общей для них оси (рис. 111). Шаг спирали b = 3,4 нм, на одном обороте спирали имеется 10 комплементарных пар нуклеотидов, так что межцепные водородные «разъемы» располагаются на расстоянии а = 0,34 нм. Если поискать аналог спирали ДНК, то наиболее подходящим образом будет винтовая вертикальная лестница, ступеньками которой будут водородные связи, причем каждая последующая ступенька повернута относительно предыдущей на 36 °. Как и для белков, нуклеиновые кислоты могут иметь третичную структуру. Во многих случаях шнуры ДНК наматываются на белковые глобулы, образуя нуклеосомы (рис. 112). В чем «польза» дополнительной спирализации в шнуры и упорядоченные клубки? Польза в компактности, которая позволяет достичь очень высокой объемной плотности генетической информации. Для примера приведем несколько цифр. Рис. 112. Схема строения нуклеосомы В одной клетке человека, содержащей 46 хромосом, помещаются цепи ДНК длиной 2 м при величине самой клетки около 25 мкм и размере ядра клетки (где находятся хромосомы) примерно 5 мкм. Подсчитано, что если раскрутить все молекулы ДНК в организме человека в прямую ленту, то она была бы в 80 раз больше расстояния от Земли до Солнца! Общая схема, показывающая последовательность структурных уровней нуклеиновых кислот от двойной цепи ДНК до хромосомы в клетке, приведена на рис. 113. Рис. 113. Структурные уровни хромосомы Отдельные нуклеосомы собираются в плотную упаковку, из которых формируется так называемый соленоид (катушка). Из соленоидов, как из структурных элементов, собирается хромосома. Набор хромосом определяет кариотип человека, его индивидуальный наследственный аппарат. Набор хромосом находится в ядре клетки и является информационной базой данных, – архивом, с которого снимаются копии РНК для производства в клетке белков и управляющих РНК. Сами цепи ДНК ядро клетки никогда не покидают. 7.5. Принцип кодирования аминокислотных последовательностей Для развития организма и стабильности его клеток в первую очередь необходим непрерывный синтез белков, т. е. определенной последовательности аминокислот. Какой способ нашла природа для кодирования, т. е. для информационно значимой записи порядка следования аминокислот в белках? Путем тонких биохимических экспериментов на молекулярном уровне за последние десятилетия удалось выяснить, что последовательность синтеза белков зафиксирована в цепях ДНК (в некоторых случаях и РНК) в виде кодонов. Кодоном является тройка последовательно расположенных азотистых оснований (рис. 114). Рис. 114. Модель кодона Каждый отдельный белок кодируется своим геном, т. е. определенной последовательностью экзонов и интронов. Сколько аминокислот в данном белке, столько и кодонов в экзоне (это информационная компонента). Между собой экзоны разделены интронами – участками цепи ДНК, в которой нуклеотиды располагаются на первый взгляд беспорядочно. По современным представлениям, интроны выполняют служебную роль меток и участвуют в процессах «выбора» тех информационых участков генов (экзонов), которые должны в тот или иной момент транскрибироваться (быть инструкцией для синтеза белка в цитозоле клетки). Дело в том, что, хотя почти все клетки организма содержат в своих хромосомах одну и ту же генетическую информацию, в разных клетках синтезируется только ограниченный, определенный специализацией клетки набор белков. Как ни удивительно, но к подобному же принципу расположения информационных файлов или музыкальных программ пришли в технологии компакт-дисков. Выбором определенной команды на управление Вы можете активировать (считывать, прослушивать) интересующий Вас в данный момент фрагмент записи. Таким образом, генетическая информация, содержащаяся в ДНК и РНК, заключена в последовательности расположения нуклеотидов в этих молекулах. Каким же образом ДНК кодирует (шифрует) первичную структуру белков? Суть кода заключается в том, что последовательность расположения нуклеотидов в ДНК определяет последовательность расположения аминокислот в белках. Этот код называется генетическим, его расшифровка – одно из величайших достижений современного естествознания. В состав ДНК входят по 4 нуклеотида. Если в алфавите жизни всего 4 буквы, то как из них строятся слова? Этот вопрос одним из первых поставил Г. А. Гамов. Двухбуквенный код позволил бы зашифровать всего лишь 16 аминокислот, так как из 4 нуклеотидов можно составить только 16 различных комбинаций, в каждую из которых входит по 2 нуклеотида. Этого мало для 20 аминокислот, используемых в природе для синтеза белков. Г. А. Гамов сделал предположение, что в каждом слове должно быть три буквы. С помощью триплетного кода можно создать из 4 нуклеотидов 64 различные комбинации: 4 в степени 3 равно 64. Это уже заметно больше числа аминокислот. Как быть? Считать, что слова не обязательно состоят из трех букв? Или среди 64 слов есть синонимы? Г.А. Гамов остановился на второй возможности: некоторые слова (кодоны) могут обозначать одну и ту же аминокислоту. Экспериментальные исследования подтвердили его гипотезу – почти каждая аминокислота шифруется более чем одним кодоном. Например, аргинин, серин и лейцин могут кодироваться шестью вариантами кодонов. Тем не менее, генетический код однозначен. Каждый триплет (кодон) шифрует только одну из аминокислот. В генетическом коде существуют три специальные триплета: УГА, УАГ и УАА, каждый из которых обозначает прекращение синтеза цепи белка. Внутри гена не должно быть знаков препинания. Это очень важно. Например, мы можем легко прочитать и понять фразу, составленную триплетами обычных букв алфавита: «жил был кот тих был сер мил мне тот кот». Если убрать фиксированное начало, одну букву (или один нуклеотид в гене), то новые тройки букв (мы должны читать по тройным сочетаниям – кодонам) станут такими: «илб ылк отт ихб ылс ерм илм нет отк» [12]. У всех здоровых людей в гене, несущем информацию об одной из цепей гемоглобина, триплет ГАА или ГАГ, стоящий на шестом месте, кодирует глутаминовую кислоту. Если второй нуклеотид в этих триплетах будет заменен на У, то в этом случае вместо глутаминовой кислоты будет встраиваться валин. Последствия будут тяжелыми – все эритроциты у такого человека будут иметь «испорченный» гемоглобин, что вызовет болезнь – серповидноклеточную анемию. Одна их форм шизофрении (кататония) связана с заменой всего одной аминокислоты на другую в белке WKL1. Его код содержится в одном из генов хромосомы 22 человека. Единственная «опечатка» в генетическом коде приводит к развитию тяжелого психического заболевания. 7.5.1. Механизм биосинтеза белков Процесс биосинтеза многостадийный. Сначала необходимо получить доступ к информации, спрятанной в двойной спирали ДНК. Для этого существуют механизмы расплетения нитей ДНК особым ферментом РНК-полимеразой и образования копии требуемой информации (рис. 115). Рис. 115. Образование транскрипта с помощью РНК-полимеразы Первый этап, этап транскрипции (перезаписи), завершается образованием матричной РНК (мРНК) и еѐ выходом из ядра клетки, где находятся цепи ДНК, в цитоплазму. Так генетическая информация физически переносится в новую среду. В цитоплазме клетки происходит процесс сборки белка из растворенных в цитоплазме аминокислот, эту стадию синтеза принято называть трансляцией. Между этими основными стадиями существует промежуточный этап, на котором мРНК, несущая полную копию определенного участка ДНК, подвергается процессингу – таково общее название различных модификаций мРНК, в которых к еѐ концам могут добавляться различные структуры, из неѐ могут вырезаться интроны и т. д. Первая стадия – расплетение ДНК и получение мРНК-копии контролируется ферментом полимеразой. В неактивном состоянии цепи ДНК навернуты на белок гистон и защищены от внешнего воздействия (см. рис. 112). Молекулы РНК-полимеразы вытесняют гистон, и двойная цепь раскручивается, расходясь на расстояние около 10 нм в диаметре (см. рис. 115) Фермент способен образовывать связи не только с цепями ДНК, вызывая их расхождение, но и с отдельными нуклеотидами. Он служит катализатором присоединения нуклеотидов к кодонам мРНК. При этом действует принцип комплементарности и растущая цепь мРНК оказывается построенной из антикодонов (рис. 116). Близкое расположение антикодонов приводит к соединению свободных «хвостов» остатков фосфорных кислот с атомами углерода соседних «платформ» (рибозами), и формируется цепь мРНК. Рис. 116. Принцип комплементарного соответствия Вдали от РНК-полимеразы еѐ стабилизирующая роль уменьшается и цепь антикодонов постепенно отделяется от цепи ДНК. Образно говоря, РНК-полимераза выполняет роль зажима, удерживающего нуклеотиды в нужном положении на время, необходимое для переключения химических связей. Следует отметить, что в клетках эукариот (т. е. имеющих ядра) имеется три типа РНК-полимераз: одна из них производит мРНК, две другие образуют рибосомные рРНК и транспортные тРНК. Через поры в оболочке ядра все три типа РНК поступают в цитоплазму. Здесь происходит процессинг и матричная РНК превращается в необходимую для данной клетки полноценную матричную мРНК. Основным звеном процессинга является альтернативный сплайсинг – процесс вырезания интронов, т. е. некодирующих участков цепей РНК. Роль альтернативного сплайсинга очень важна. Он позволяет из одной последовательности, мозаики кодирующих и некодирующих участков гена, получить множество вариантов белков, отличающихся по составу, структуре и свойствам. Поясним ситуацию, представленную на рис. 117, где приведены два варианта вырезания интронов с присоединенными к ним экзонами (кодирующими участками гена) [13]. Рис. 117. Два варианта сплайсинга Если в кодирующей последовательности останутся участки 1 и 2, то в результате синтеза получится один вариант белка. Если останутся участки 1 и 3, то результат синтеза будет другим. Процесс сплайсинга позволяет получить из одного и того же гена не один белок (как считалось ранее), а целое семейство белков сходных, но все же отличающихся по «нюансам». В рекордном случае можно получить несколько тысяч вариантов (!). Таким образом, в отдельных клетках из общей базы данных образуются различные, необходимые конкретной клетке белки. Совсем недавно было установлено, что по мере увеличения сложности организмов увеличивается и длина интронов в геноме организмов (рис. 118). Рис. 118. Увеличение доли интронов в геноме организмов В общем гене сложных организмов суммарная длина интронов может превосходить суммарную длину экзонов в десятки и сотни раз. Более того, если сравнивать между собой кодирующие последовательности (экзоны) в геномах мыши и человека, то окажется, что они идентичны на 99 %. Почему же мы так не похожи на мышей? Может быть, потому, что у нас альтернативный сплайсинг идѐт или по другому пути, или более множественный. Или и то и другое одновременно [13]. После процессинга наступает второй этап синтеза, в котором главным действующим лицом является рибосома. Рибосома состоит из двух субчастиц – большой и малой. Они имеют различные молярные массы поэтому различаются по скорости осаждения на центрифуге. Большую субчастицу обозначают как 60S, малую – как 40S. Субчастицы находятся в цитоплазме раздельно и собираются вместе на цепи матричной РНК. Каждая из субчастиц состоит из белкового каркаса и внутренней рРНК, в малой частице 40S рРНК имеет спирализацию, в большой субчастице рРНК имеет зигзагообразную форму без вторичной структуры. На одной цепи мРНК, как правило, рядом собираются несколько рибосом, образуя комплекс полирибосомы. Каждая рибосома служит станком для сборки своей цепи белка, так что при согласованном передвижении полирибосомы вдоль цепи мРНК сразу синтезируется несколько одинаковых молекул данного вида белка. В процессе сборки полипептидной цепи транспортные тРНК переносят к рибосоме каждая свою аминокислоту; для 20 аминокислот имеется 20 типов транспортных РНК (рис. 119). Рис. 119. Схема процесса сборки полипептидной цепи Цепи тРНК – самые короткие (около 80 нуклеотидов), в центральной части большой петли встроен кодон одной из аминокислот, которая способна соединяться со свободным концом тРНК. По правилу комплементарности кодон может подойти (как ключ к замку) только к своему антикодону, поэтому цепь белка строится в точном соответствии с расположением кодонов в ДНК. Таким образом, биологическая информация проходит последовательность: кодон – антикодон – и снова кодон. Энергия, необходимая для передвижения рибосомы вдоль цепи мРНК, поступает в результате гидролиза на большой субчастице гуанозинтрифосфата ГТФ: ГТФ «теряет» группу РО4 и превращается в гуанозиндифосфат ГДФ. Рибосома присоединяется малой субчастицей к цепи матричной РНК, транспортная РНК доставляет очередную аминокислоту, которая сначала закрепляется на большой субчастице, а затем соединяется с растущей полипептидной цепью. Процесс сшивания в полимерную цепь (по крайней мере в некоторых случаях) происходит при участии соответствующих ферментов. После этого тРНК освобождается и возвращается в цитоплазму за очередным «грузом». Документальная фотография, приведенная на рис. 120, иллюстрирует начальный момент сборки на матричной РНК комплекса полирибосомы и цепи белка, которые на нем синтезируются [14]. Рис. 120. Синтез цепей белка на комплексе полирибосомы Белки проходят дополнительную обработку сначала внутри эндоплазматического ретикулума, затем в так называемом аппарате Гольджи. После этого везикулы с белком подходят к мембране клетки и происходит экзоцитоз – выход синтезированного белка в межклеточное пространство или в кровоток без нарушения герметичности самой клетки. Следует отметить высокую эффективность процесса синтеза белков, он происходит с выходом продукта, соответствующим подходу тысяч тРНК к рибосоме за одну секунду. При этом «подбор ключа» кодона тРНК к антикодону мРНК обеспечивается интенсивным тепловым движением всех молекул. При рассмотрении процессов в клетке невольно возникает ассоциация с фабрикой или химическим заводом. Есть участок копировальный, есть производство конечного продукта для собственных нужд и на экспорт в другие клетки. Что произойдет, если синтез белков на существующих рибосомах вдруг будет заблокирован? В экспериментах сбой в синтезе (его остановка) производился путем введения конкурента для ГТФ, который занимает его место на рибосоме, но не выделяет при этом энергии, достаточной для сдвига рибосомы на следующий кодон. Оказывается, что на фабрике-клетке производятся и белоксинтезирующие «станки»-рибосомы. Это производство организовано в пределах ядра клетки. Между ядром и цитоплазмой существуют встречные потоки веществ. Рибосомные белки, произведенные по вышеописанной «технологии», поступают в ядро, где идет процесс транскрипции генов рРНК в виде общей длинной цепи. В результате процессинга (обработки) из длинной цепи выделяются короткие участки двух видов – рРНК 18S и рРНК 28S. На эти рибосомы осаждаются поступившие рибосомные белки и образуются 40S и 60S субчастицы рибосомы. Эти «полуфабрикаты» выходят через поры ядра в цитоплазму (размеры целой рибосомы велики для «проходной»). В цитоплазме растворены свободные рибосомы, но они также группируются на мембране так называемого эндоплазматического ретикулума в полирибосомы. По макроскопической аналогии это целая станочная линия, проходя по которой (движение относительно, рибосомы «протягивают» мРНК) матричная РНК, вместо спирали стружки, производит спирали белков. При этом через специальные поры белок сразу попадает внутрь эндоплазматического ретикулума. При блокировке процесса синтеза в клетке ускоряется транспорт питательных веществ (аминокислот, липидов, глюкозы) из кровяного русла и активируется внутриклеточный кругооборот веществ. В первую очередь ускоряется поток белков в ядро клетки, с ними поступают ферменты, активирующие транскрипцию и процесс создания субчастиц рибосом. Последние в большем количестве поступают в цитоплазму, где собираются в резервный «станочный парк», заменяющий испорченный. Таким путем восстанавливается работоспособность клетки и осуществляется экспорт вырабатываемых ею веществ в кровяное русло. В многоклеточных организмах на любое нарушение гомеостаза клетка реагирует интегральным повышением мощности работы всего белоксинтезирующего конвейера и сопряженным с ним увеличением белковой массы, т. е. ростом. Это повышает защитный и энергетический потенциал клеток и позволяет им преодолеть вредоносное действие нагрузочного фактора (или стресса), если его сила не окажется чрезмерной (несовместимой с жизнью клетки). Из этого следуют два вывода. Во-первых, умеренные нагрузки на клетки (через нагружение, иногда через стрессы всего организма) сопровождаются повышенным энерговыделением и ростом отдельных клеток, а с ними и организма в целом. В этом объяснение эмпирически известного факта повышения физических возможностей людей, занимающихся спортом или тяжелой работой. Во-вторых, при частых и значительных химических нагрузках на клетки (будь то последствия эмоций, или приема алкоголя, или радиационно-химических воздействий) адаптационный механизм «сбоит» и создает лишь дополнительные «машины трансляции», осуществляющие плохо контролируемый рост клеток, что приводит к избыточной массе организма, а по некоторым данным – к росту канцерогенных опухолей. 7.5.2. Межклеточный обмен веществами В настоящее время ещѐ не все детали поразительного по совершенству механизма воспроизводства генетической информации и молекулярного биологического синтеза установлены. Понято хотя бы главное, в том числе то, что каждая клетка в организме не создает всех нужных ей веществ, хотя генетической информацией обладает. Более эффективным оказывается путь специализации функций клеток, это приводит к совершенствованию организма в целом. Следовательно, между «элементалями» организма (клетками) должен непрерывно поддерживаться обмен, – клетки и поставщики, и потребители потоков веществ. У простейших одноклеточных организмов процесс обмена веществами между клеткой и окружающей средой является процессом пищеварения, в результате которого происходит ассимиляция полезных веществ и удаление шлаков, остающихся после утилизации продуктов питания. За последние 10–15 лет удалось установить, что все разнообразие процессов ассимиляции полезных для клетки продуктов, свойственных живым организмам (от одноклеточных бактерий до млекопитающих), сводится к трем основным типам: внеклеточному, внутриклеточному и мембранному. Схема соответствующих процессов приведена на рис. 121 [15]. Рис. 121. Схема процессов ассимиляции: А – мембранный; В – внеклеточный; С – внутриклеточный При внутриклеточной ассимиляции ферменты цитоплазмы гидролизуют (разлагают) небольшие молекулы питательных веществ (главным образом димеры: дисахариды, дипептиды и т. д.), проникшие в клетку путем диффузии или путем специального транспорта (эндоцитоза). Внеклеточное пищеварение осуществляется ферментами, которые выходят из цитоплазмы наружу. Здесь ферменты, как говорят биохимики, атакуют поглощенные организмом субстраты (крупные молекулярные комплексы), разрушают их до димерных или мономерных форм, которые уже способны затем проникать в клетку. У высших животных и человека этот процесс начинается в ротовой полости и продолжается в полости желудка, сочетаясь с внутриклеточным. Мембранная деполимеризация субстрата происходит на границе и имеет черты как внеклеточного, так и внутриклеточного процессов. Она малоэффективна в отношении крупных надмолекулярных комплексов. Поэтому для таких «лакомых кусочков» многие клетки используют цикл эндоцитоза. Эндоцитоз (процесс обратный экзоцитозу) начинается с того, что макромолекула питательного вещества прикрепляется к специальному мембранному белку, называемому рецептором. Рецепторы могут перемещаться по плазматической (полужидкой) мембране клетки, перенося с собой лиганды – прикрепленные к ним большие молекулы. Такой перенос оказывается более эффективным, чем случайная диффузия субстрата по мембране. За одну минуту циркулирующий белок может пройти расстояние около 10 мкм, что сравнимо с размерами некоторых клеток. Когда в одном месте собираются до тысячи рецепторов с лигандами, такой участок мембраны начинает впячиваться внутрь клетки и образует сначала ямку, а затем пузырек (везикулу), как это схематично показано на рис. 122. Везикула отпочковывается от мембраны и перемещается в цитоплазму, где с ней соединяется лизосома с ферментами. Оболочка лизосомы предохраняет содержимое цитоплазмы от химического действия ферментов. Когда две оболочки входят в контакт и объединяются, ферменты переходят в везикулу и расщепляют пищевой субстрат, который поступает в цитоплазму, а белки оболочки везикулы возвращаются в мембрану клетки. Весь этот цикл происходит довольно быстро, за одну-две минуты. Рис. 122. Схема процесса эндоцитоза Клетки различных организмов используют тот или другой тип ассимиляции, в зависимости от их эволюционного пути. Эндоцитоз и внутреннее пищеварение характерно для низших организмов, у высших животных и человека основные роли играют процессы полостного гидролиза и мембранного всасывания. Между ними существует функциональная связь, поскольку конечные продукты полостной деполимеризации служат исходным сырьем для мембранных процессов. В любом случае именно через мембрану клетки проходят встречные потоки веществ. Оценка роли мембран возросла в последние годы, когда были начаты исследования механизма гормонального управления межклеточным обменом веществ. Например, известно, что клетки печени вырабатывают глюкозу в ответ на появление в крови гормона адреналина. Каким образом внешнее (по отношению к клетке) химическое воздействие запускает процесс выработки глюкозы? Было предложено несколько моделей строения плазматической мембраны клеток, наиболее полной является твердокаркасная жидкокристаллическая модель (рис. 123). Рис. 123. Модель строения мембраны клеток По ней основу всякой клеточной мембраны составляет двойной слой липидов (жирных кислот). Головные части молекул липидов гидрофильны, т. е. хорошо смачиваются водой и водными растворами. Хвостовые цепи, наоборот, водоотталкивающие, гидрофобны, энергия их взаимодействия между собой превосходит энергию их взаимодействия с молекулами воды. Головные части формируют внешние поверхности мембран, а гидрофобные концы обращены внутрь. Бислой весьма стабилен и, в то же время, имеет свойства жидкости. В одну или сразу обе поверхности бислоя встраиваются крупные молекулы белков различного назначения: циркулирующие (переносчики лигандов), коммутационные, рецепторы и эффекторы. С внутренней стороны мембраны имеется ажур- ный каркас с элементами дальнего порядка (свойственного кристаллам), он построен из микронитей (микрофиламент) спектрина, которые закреплены за некоторые коммутационные белки, встроенные в бислой мембраны. Такая жидко-твердая структура допускает локальные и общие перестройки с различной степенью кооперативности. При этом структурное возмущение, распространяющееся по мембране после посадки гормона или медиатора (химического передатчика сигнала) на соответствующий только ему рецептор, приводит к изменению координации и каталитической активности других мембранно-связанных ферментов. По такому механизму передаются межрецепторные сигналы (взаимодействия). Например, инсулин через свой рецептор изменяет свойства совершенно другой белковой молекулы – адренорецептора. В мембране имеются каналы различного диаметра, стенками которых служат молекулы белков. Через эти каналы свободно могут проходить в обе стороны молекулы воды, некоторые ионы (натрия и калия) и некоторые кислотные остатки (фосфорных кислот, аминокислоты). Часть каналов открыта постоянно (рис. 124), другие открываются только тогда, когда связанные с ними ферменты расщепляют молекулы субстрата (при мембранном пищеварении). Рис. 124. Схема ионного канала и рецептора В результате реакции конформация фермента заметно изменяется, так что канал открывается и отщепленные частицы могут войти в цитоплазму клетки (пример конформационного перехода). Сигнал на фермент натриевого канала может быть передан также от конформационного перехода на соседнем рецепторе. Более сложные процессы передачи информации на уровне клетки происходят с участием мессенджеров (белков-посланников). В середине 80-х гг. прошлого века выяснилось, что центральное место в передаче межклеточных управляющих сигналов занимают G-белки, такое название они получили из-за приспособленности для связи с гуаниновыми нуклеотидами ГТФ и ГДФ. G-белки прикреплены к внутреннему слою мембраны и могут передвигаться по нему от рецептора к эффектору (см. рис. 125). Мембранные процессы с участием G-белков происходят по общей, универсальной схеме. После того как адреналин (или другой гормон) прикрепляется к наружнему концу своего рецептора, выделяющаяся энергия связи передается на другом конце рецептора Gбелку, это стимулирует обмен белка с присоединенным к нему гуаниндифосфатом. Обмен происходит с выделением энергии, и G-белок диссоциирует, от него отделяется его компонент -субчастица (она несет ГТФ) и быстро мигрирует к белку-эффектору. Это первый этап процесса. Рис. 125. Схема процессов с участием G-белка Второй этап начинается после того, как связывание -субчастицы с эффектором переводит в возбужденное состояние его электронную оболочку. В возбужденном состоянии химическая активность молекул повышается и становятся возможными новые реакции, в обычных условиях не протекающие. В рассматриваемом случае эффектор становится катализатором превращения аденозинтрифосфата (АТФ) в циклический аденозинметафосфат, обозначенный как сАМФ (см. рис. 122). Активное состояние сохраняется до тех пор, пока не произойдет гидролиз (отщепление одной фосфатной группы): ГТФ ГДФ (трифосфат дифосфат). Тогда -субчастица возвращается назад, возбужденное состояние эффектора снимается, и он прекращает создавать сАМФ. Таким образом, время «включенного» состояния эффектора задается временем протекания реакции гидролиза фосфатной цепи гуанинового нуклеотида в составе субчастицы G-белка. Можно говорить о том, что обнаружен механизм таймера, или своеобразного реле времени, на молекулярном клеточном уровне. По-видимому, организм человека воспринимает течение времени благодаря этой реакции, которая длится от 0,1 до 0,5 с. Наработанные за время активного состояния эффектора молекулы сАМФ запускают каскад ферментативных реакций образования глюкозы из животного крахмала гликогена. Такие реакции давно изучены и хорошо воспроизводятся в лабораторных условиях. Образованная глюкоза выходит через мембранные каналы в межклеточное пространство или в кровяное русло. Это ответ клетки на внешнее «послание» о необходимости для организма некоторого количества глюкозы. В месте ее использования (например в мышцах) происходит потребление энергии глюкозы (см. рис. 109). Зачем природе потребовался такой (на первый взгляд усложненный) вариант передачи информации? Дело в том, что при таком механизме действия происходит большое усиление начального сигнала. Будучи в возбужденном состоянии, эффектор преобразует сотни молекул АТФ на одну молекулу первичного, внешнего для клетки, мессенджера (в данном случае молекулы адреналина), появляются сотни мессенджеров вторичных (до 500 в нашем случае) в цитоплазме клетки. За сопоставимое время через открытый канал мембраны успели бы пройти всего один или два иона и эффективность управления была бы низкой. Процессы передачи межклеточного взаимодействия с участием G-белков имеют большое распространение в живых организмах. Считают, что они играют роль в различении запахов, когда количество воспринимаемых первичных ароматических молекул чрезвычайно мало. Эти белки могут регулировать работу ионных каналов в мембранах. Например, циклический сГМФ поддерживает в открытом состоянии натрие- вый канал. Gт-белок включает эффектор, который превращает сГМФ в нециклический ГМФ. После этого канал для ионов натрия закрывается и клетка в целом приобретает электрический заряд. диски Рис. 126. Молекула родопсина в мембране диска Дополним теперь описание механизма зрения человека. В молекуле родопсина присутствует Gт-белок трансдуцин (рис. 126). Он контролирует белокэффектор фосфордиэстеразу, которая превращает сГМФ в ГМФ. Процесс идет с усилением начального сигнала (фотовозбуждения одной молекулы ретиналя, описанного ранее в п. 5.4.1) в 500 раз! Кроме того G-белки служат своеобразными часовыми механизмами в организмах, время гидролиза ГТФ ГДФ оказывается на уровне интервалов, вполне различаемых человеком. Человек «чувствует» время потому, что в его клетках имеется такое важное соединение, как гуанинтрифосфат! 7.5.3. Взаимодействие нервных клеток Мозг человека содержит большое количество нервных клеток (нейронов), их число сопоставимо с количеством звезд в галактике. В среднем каждый из 1012 нейронов имеет до 10 000 контактов с другими, поэтому мозг представляет собой огромную сеть взаимосвязей. Функционирование мозга изучают с различных точек зрения: как орган психической деятельности, как информационную сеть, как систему управления жизнедеятельностью человека. При этом используют как физические методы исследования (например томографию, термографию, энцефалографию), так и методы биохимии. Если первая группа методов дает сравнительно интегральную картину тепловых или электромагнитных полей, генерируемых мозгом, то вторая группа методов направлена на изучение внутриклеточных и межклеточных процессов. В частности, в последние годы были предприняты попытки сранения энцефалограмм ребенка, еще не умеющего как следует управлять своими эмоциями, и далай-ламы, способного мысленными усилиями влиять на жизнедеятельность своего организма (рис. 127). Рис. 127. Исследование электромагнитной активности мозга Работы в области биохимии мозга в последние годы привели к изменению концепции памяти человека. Если в прошлом развитие памяти связывали с наличием извилин в неокортексе (новая кора мозга), суть современной концепции можно выразить лозунгом: «Память человека заключена в синапсах!». Чтобы подойти к этому заключению, необходимо предварительно рассмотреть общие процессы взаимодействия нервных клеток. Оказалось, что и здесь не обходится без участия G-белков. На рис. 128 показана форма отдельного нейрона и его партнеров – глиальных клеток: астроцита и олигодендроцита. Это основные типы клеток, в разных количественных пропорциях составляющие все отделы головного мозга человека. Считают, что олигодендроциты выполняют в основном конструкционную функцию, скрепляя и поддерживая форму того или другого отдела Рис. 128. Три основных типа мозга. Астроциты не только создают имунный барьер клеток мозга между плазмой крови и нейронами, но и участвуют в управлении передачей сигналов. Основными элементами нейрона являются цитозоль клетки с ядром и аппаратом синтеза белков-нейромедиаторов, аксоны и дендриты. Ветвистые дендриты собирают входные сигналы от соседей, аксон проводит выходной сигнал к другим клеткам, с которыми он соединяется контактами-синапсами. По аксону (его длина от 1 мм до 1 м и более) распространяется электрический сигнал, скорость которого зависит от толщины слоя миелина на аксоне. При этом сигнал распространяется «прыжками» от одного перехвата Ренье к другому и его скорость достигает 100 м/с (рис. 129). Рис. 129. Распространение электрического потенциала по аксону Вдоль аксона, внутри его, движутся также везикулы с нейромедиаторами (синтезированными в цитозоле), но их скорость составляет всего 6–7 см/ч.Синапс, место контакта разветвлений аксона с мембраной других нейронов, является местом передачи и усиления сигнала. При этом определенную управляющую роль, как оказалось, играют и астроциты. Характерной чертой синаптической связи является ее односторонняя проводимость. Рассмотрим последовательность процессов, которые происходят в синаптической щели, т. е. в промежутке между пресинаптическим нейроном и постсинаптическим нейроном. На рис. 130 щель охватывается еще и отростком астроцита. На поверхности мембран всех клеток имеются рецепторы и управляемые ионные каналы, в пресинаптическом нейроне имеется запас везикул с нейромедиатором. Когда по аксону к синаптической щели поступит сигнал (потенциал действия), он будет уловлен отростком астРис. 130. Процессы роцита (см. стрелку в правой части рис. 130). Под действив синаптической щели ем этого сигнала из астроцита выходят ионы двухвалентного кальция Са2+, проходящие через ионные каналы в пресинаптическое окончание. Было установлено, что четыре иона Са2+ стимулируют выход везикулы на поверхность мембраны, где происходит экзоцитоз, т. е. выброс молекул нейромедиатора в синаптическую щель. В частности, это могут быть молекулы дофамина, глютамата и др. Они «высаживаются» на соответствующие рецепторы на поверхности мембраны постсинаптического окончания. Это запускает процесс с участием G-белков. Как это было описано выше, часть G-белка переходит к белку-эффектору и начинается цикл выработки вторичного медиатора сАМФ с большим усилением сигнала, при этом длительность цикла контролируется гидролизом ГТФ. Если бы не было механизма отключения производства сАМФ, то процесс мог бы пойти неконтролируемо, с быстрым расходом всех запасов. Вторичные медиаторы запускают, в свою очередь, цепь последующих реакций, которые могут сопровождаться психическим «эффектом вознаграждения». Дофаминсодержащие клетки находятся в самой глубине мозга, в верхней части ствола мозга. Одна дофаминовая клетка может иметь синаптическую связь с 5 млн других нейронов! Отсюда возбуждение передается в лимбическую систему и в лобную часть неокортекса. Установлено, что лимбическая система контролирует непроизвольное поведение и наследственные реакции, т. е. врожденную основу эмоций. При этом циркуляция возбуждений по сети нейронов охватывает сферу не только эмоций, но и памяти и области прогноза развития событий. Следует сказать, что дофамин является предшественником норадреналина и адренолина. Эти нейромедиаторы образуются из тирозина, – аминокислоты, которая поступает в организм человека только с пищей. Это одна из так называемых незаменимых аминокислот. Названные вещества участвуют: в активации бодрствования центральной нервной системы; регуляции центров биологических потребностей; регуляции эмоций (азарта, любопытства, удовольствия и т. д.). Не случайно, что через них проявляется действие на человека психотропных препаратов или наркотиков. Так, например, под действием героина происходит обильный неконтролируемый выброс дофамина в синаптическую щель. Это приводит к усиленному возбуждению лимбической системы, и наблюдается кратковременная эйфория измененного сознания, причем превалирует активация биологических, подсознательных реакций, тех, что остались в человеке от животного. Затем вступает в действие обратная связь. Она осуществляется двумя путями. Вопервых, на мембране пресинаптического окончания есть белки-переносчики, которые переносят избыточные молекулы дофамина на внешнюю сторону синапса, где они запускают реакцию торможения выброса медиатора из везикул. В частности, вырабатывается динорфин, который в конечном счете блокирует работу «системы вознаграждения». Во-вторых, отросток астроцита выбрасывает молекулы, которые «перехватывают» дофамин, не позволяя ему осуществить посадку на дофаминовые рецепторы (рис. 130, левая часть). Таким образом мозг подстраивается к избытку нейромедиатора в синапсах. Поэтому для достижения прежнего психического эффекта требуется бóльшая доза наркотика, поскольку организм человека оказывается в определенной мере подготовленным к нейтрализации его действия. Механизм влияния кокаина несколько другой: он блокирует работу обратных переносчиков дофамина, тем самым увеличивая во много раз время присутствия дофамина в синаптической щели. В результате многократного приема психотропных веществ нейроны мозга человека погибают (рис. 131, правая часть). Рис. 131. Нормальный нейрон (слева) и погибший (справа) В нормальном нейроне хорошо различим аппарат синтеза необходимых нейрону белков, под действием наркотиков эти структуры в цитозоле оказываются полностью разрушенными. А ведь нервные клетки не делятся и не восстанавливаются. 7.6. Физические способы ускорения обмена веществ В процессе эволюции из простейших одноклеточных организмов образовались многоклеточные. При этом размеры клеток остались в пределах одного порядка величин. Почему размеры клеток так малы (1–20 мкм)? В чем выгода деления клеток вместо роста их размеров? Во многом причины чисто физические, обусловленные объективным действием физических законов. Все живые организмы стремятся ускорить обмен веществ – это способствует быстрому росту, достижению половой зрелости и воспроизводству, т. е. выживанию вида в целом. Обмен веществ зависит от двух факторов: от скорости подхода питательных веществ к клетке и от скорости химических реакций в клетке. Эксперимент показывает, что скорость реакций внутри клетки обычно выше скорости подхода питательных веществ. Каким образом одноклеточные организмы могут увеличить скорость подхода необходимых продуктов питания? Рассмотрим простую модель неподвижного одноклеточного организма в виде закрепленной сферы (рис. 132). Если клетка неподвижна, то основным процессом транспорта является диффузия. По определению это направленный поток молекул данного сорта, вызванный градиентом их концентрации. В отличие от упорядоченного механического перемещения, диффузия поддерживается тепловым хаотическим движением всех молекул окружающей среды. Пока есть различие концентраций внутри организма и вне его, диффузионный трансРис. 132. Схема встречной диффузии веществ порт питательного вещества (например сахара) к клетке происходит. В результате частичного усвоения образуются отходы (шлаки), это может быть просто вода и углекислый газ (как при окислении сахара или глюкозы), аммиак, мочевина, угольная кислота Н2СО3, продукты распада гемоглобина (урохром) и других белков. В окружающей клетку среде концентрация таких веществ мала и возникает встречная диффузия шлаков из объема клетки. Что будет происходить вокруг неподвижной клетки? Во-первых, обеднение слоя питательных веществ, во-вторых, накопление в приповерхностном (наружном) слое молекул отходов. Это приводит к уменьшению соответствующих градиентов концентраций, и потоки веществ уменьшаются. Клетка начинает голодать и отравляться шлаками. Простейший способ избежать подобной ситуации – использование механического перемещения. Некоторые простейшие организмы «предпочли» двигаться сами в окружающей их среде, другие выработали приспособления для активного влияния на среду: реснички, ворсинки, жгутики, с их помощью создается движение среды в приповерхностном слое, вызывающее приток питательных и рассеяние отработанных веществ. У многих простейших организмов имеются жгутики, окончания которых вращаются с угловой скоростью 50 оборотов за секунду (рис. 133). Эта величина сопоставима со скоростью вращения валов макроскопических моторов – 3000 оборотов в минуту! Так как масса клетки мала, жгутик может создавать значительное ускорение при небольшой силе тяги. H H Бактериальные жгутики представляют собой тонкие полые нити длиной 15–20 нм, стенки которых образованы молекулами белка флагелина, жгутик прикреплен к базальному тельцу в мембране клетки. Считают, что оно приводит жгутик во вращение за счет разности потенциалов на поверхности мембраны. Если диффузию можно назвать пассивным видом транспорта веществ, то механическое движение создает транспорт активный. Необходимость движения диктуется ещѐ одним обстоятельством – энерговыделением клетки. Оно может быть значительным, если сравнивать удельные величины. ПодсчитаРис. 133. Бактерия но, что на единицу объема бактерия выделяет больше энерсо жгутиком гии, чем Солнце! Этот результат получается просто потому, что объем бактерии очень мал, при делении на малую величину результат получается значительным, даже от выделения небольшой энергии химических реакций. Законы термодинамики едины для неживого и живого, и коэффициент полезного действия биологической машины не может достигать единицы. Часть энергии обязатель- но преобразуется в тепловыделение, без достаточного теплообмена с внешней средой клетка будет перегреваться до такой степени, что это будет несовместимо с еѐ жизнью (из-за денатурации белков например). Механическое движение в среде усиливает теплообмен и снижает температуру одноклеточных организмов. Однако для процессов теплообмена критическим параметром является отношение объема (в котором находятся источники тепла) к поверхности теплообмена. Мы приняли сферическую модель простейшего организма, для неѐ это отношение равно максимально возможному (наибольший объем к наименьшей поверхности). С точки зрения теплообмена это самый плохой вариант (из-за малости площади обмена). Для цилиндра ситуация становится лучше – при равных объемах поверхность цилиндра в 1,6 раз больше. Поэтому форма клеток эритроцитов (красных кровяных телец) ближе к цилиндрической, чем к сферической. Эритроциты имеют форму круглой «лепешечки», несколько вдавленной в средней еѐ части. При любой геометрической форме тел их объемы растут пропорционально кубу характеристического размера, а поверхность растет пропорционально его квадрату. Можно сказать, что поверхность «не успевает» за ростом объема, когда с течением времени масса одноклеточного организма возрастает (особенно при хорошем питании). К чему это приводит? Как теплообмен, так и обмен потоками веществ происходит через поверхность клетки. Если величина поверхности отстает от оптимального размера, то клетка начинает голодать. Кроме того, будет затруднен вывод шлаков, некоторые из них в большом количестве действуют как отравляющие вещества (к примеру аммиак). Выход из кризисного состояния подсказывают законы природы: чтобы продолжался процесс накопления массы живого вещества, клетка должна радикально изменить форму, т. е. разделиться. Простые арифметические расчеты покажут Вам, что при условии М = М1 + М2 отношение суммарной площади двух капель к суммарному их объему будет больше, чем для одной большой капли. Так что можно сказать, что ограничение характеристических размеров клеток микронным уровнем является объективным требованием законов физики, химии и геометрии. Они должны действовать как на Земле, так и на других планетах, где созданы подходящие для жизни условия. В качестве иллюстрации к сказанному на рис. 134 показана форма простейших бактерий. Сначала это сферы – кокки, затем происходит удвоение до диплококков, потом появляются стрептококки и далее – бациллы, вибрионы, спирохеты. Рис. 134. Форма простейших организмов – бактерий. Слева направо: кокки, диплококки, стрептококки, бациллы, диплобациллы, вибрионы, спириллы, спирохеты Задания для самостоятельной работы 1. Перечислите названия планет Солнечной системы, начиная от Солнца. Знаете ли Вы об исключении Плутона из числа планет Солнечной системы (переведен в группу малых планет, куда входят Сесна, Куазуоар и другие малые небесные тела)? 2. Перечислите, какие отдельные слои выделяют в атмосфере Земли в порядке их удаления от поверхности Земли. 3. В качестве антисептического мероприятия в операционных палатах производят их освещение ультафиолетовой лампой. Как Вы думаете, почему? 4. Запишите в рабочей тетради какую-либо фразу из 5–6 слов. Вставьте между ними «интроны» в виде – интрон № 1–интрон № 2 – и т. д. Затем имитируйте процедуру альтернативного сплайсинга, «вырезая» из текста интроны так, чтобы сшивались слова фразы по разным вариантам. Не переставляйте местами слова фразы, вырезайте все последующие слова вместе с «интронами». Сколько вариантов Вы сможете получить в итоге? ГЛОССАРИЙ Абиогенез (от а – означающее отрицание, био... и ... генез) –образование биологических структур вне организма без участия ферментов; одна из современных гипотез происхождения жизни из неживого (косного вещества). Абиотические факторы – факторы неорганической, или неживой, среды в группе экологических факторов адаптации, действующих среди биологических видов и их сообществ, подразделяющиеся на климатические (свет, температура воздуха, воды, почвы, влажность, ветер), почвенно-грунтовые, топографические, океанические и воздействия огня. Автотрофы – клетки или организмы, синтезирующие из неорганических веществ (воды, углекислого газа, соединений азота) все необходимые для них органические вещества, используя для этого фотосинтез или энергию химических реакций. Все зеленые растения и водоросли используют фотосинтез. Адаптация – приспособление живых организмов и их групп (популяций) к меняющимся условиям их существования. Адаптация может проявляться на уровне клеток, на уровне сосуществования хищников и их жертв, на уровне популяций – к условиям стресса. Аддитивность (от лат. аdditivus – прибавляемый, прибавленный) – свойство некоторых физических и геометрических величин, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям при любом разбиении объекта на части. Такими свойствами обладают длины линий, площади поверхностей, объемы тел, масса и вес тела. Адроны – элементарные частицы, состоящие из кварков, которые участвуют в сильных ядерных взаимодействиях. Это большая часть мира элементарных частиц, другую, меньшую часть образуют лептоны. Аллель (от греч. аllelon – друг друга, взаимно) (иначе аллеломорф или аллельный ген), один из пары (или нескольких) генов, определяющих развитие того или иного признака; альтернативная форма одного и того же гена, привнесенного одним из родителей. Хромосома может содержать только один аллель какого-либо гена. Некоторые гены могут иметь множественные аллели, например гены, которые определяют группу крови человека. Альтернативный сплайсинг – внутриклеточный процесс обработки матричной РНК белковыми энзимами в результате которого из нее вырезаются отдельные участки. Это приводит к появлению многих вариантов «зрелой» матричной РНК, определяющей состав белков, подлежащих синтезу на рибосоме. Аминокислоты – химические соединения, общая формула которых представлена на рисунке. Радикалом может быть атом водорода как в глицине (показаном на рисунке), или более сложное молекулярное соединение. Из примерно 60 природных аминокислот около 20 служат составными звеньями цепей белковых молекул (белков), входящих в состав организма человека. Аналогия – соответствие, сходство явлений, процессов, предметов, в некоторых (не обязательно всех) свойствах, закономерностях. Научный метод умозаключений по аналогии – это перенос знаний из более изученной области на менее изученную, на основании сходства по существенным свойствам и качествам. Не является строгим доказательством. Анаэробы, анаэробные организмы, анаэробионты, аноксибионты (от греч. ana – обратно, назад, против и аеr – воздух) – организм, способный жить в бескислородной среде; эта способность называется анаэробиозом и относится к бактериям, некоторым червям и моллюскам (противоположность – аэробы). Античастица, античастицы – «двойняшки» обычных микрочастиц. Имеют одинаковую с частицами массу, спин, время жизни, но отличаются знаком электрического заряда. В магнитном поле движутся в противоположных направлениях. На рисунке только симметричные «усы» (самые правые) показывают рождение пары электрон – позитрон. Симметрия обусловлена одинаковой массой «близнецов». Антропогенез (от греч. anthropos – человек и генез) – процесс историкоэволюционного формирования физического типа человека, первоначального развития его трудовой деятельности, речи. Учение об антропогенезе – раздел антропологии. Ареал (от лат. area – площадь, пространство) – область распространения на земной поверхности (в том числе в пространстве вблизи этой поверхности) какого-либо явления(й), тех или иных видов животных, растений, птиц, насекомых, полезных ископаемых и т. п. Асимметрия – отсутствие симметрии. Асимметричная фигура не имеет никаких элементов симметрии, т. е. не может совмещаться с собой никакими операции симметрии, кроме единичной операции – формальной операции оставления фигуры на месте. Примером асимметричных фигур может служить рука человека. Всякая асимметричная фигура может быть построена в двух модификациях – правой и левой, при этом нет никакого абсолютного критерия для отличия правизны от левизны, значение играет принятая условность. Атомизм (атомное учение, атомистика) – учение о том, что (согласно Левкиппу, Демокриту и Эпикуру) все вещи, в т. ч. душа, состоят из самостоятельных (дискретных) элементов (атомов) и что все совершающееся основывается на перемещении, соединении и разъединении этих элементов. Указанное положение об атомах и по сей день господствует в воззрениях на мир и природу там, где допускается механическое понимание причинных (детерминистских) связей. Аэробы (от греч. aеr – воздух и bios – жизнь), иначе оксибионты – большинство живых организмов, которые могут существовать только при наличии свободного молекулярного кислорода; к аэробам относятся практически все животные и растения, а также многие микроорганизмы. Противоположность – анаэробы. Бактерии – микроскопические, по преимуществу одноклеточные организмы. Имеют форму шаровидную (кокки), палочковидную (бациллы), извитую или спиральную (вибрионы, спириллы, спирохеты). Нитчатые бактерии достигают в длину 0,1 мм. Играют очень важную роль в живой природе: создают из неорганических веществ – органические (автотрофы), участвуют в формировании плодородия почв, в образовании и разрушении полезных ископаемых, в пищеварительных процессах в кишечнике человека. Белки – полимерные высокомолекулярные соединения, построенные из звеньев – аминокислотных остатков. В простых белках (протеинах) организма человека встречаются около 20 аминокислот, более сложные белки в своем составе могут содержать и небелковый компонент. Белки играют структурную роль (построение тканей и некоторых клеточных компонентов) и функциональную роль (гормоны, энзимы, переносчики кислорода). Белый карлик – это звезды с массами порядка массы Солнца и радиусами примерно в сто раз меньшими солнечного. Отличаются высокой плотностью протонэлектронной плазмы, в которой электронный компонент находится в вырожденном квантовом состоянии, препятствующем сжатию звезды. Многие белые карлики находятся в центрах планетарных туманностей. Биосфера – область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы Земли. В биосфере живое вещество и окружающая неорганическая среда взаимосвязаны и образуют целостную динамическую систему. В ней совокупная деятельность живых организмов (в особенности – человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. Биогенез: 1) процесс возникновения живого из неживого в процессе эволюции Земли; 2) образование органических соединений живыми организмами; 3) в широком смысле эмпирическое обобщение, утверждающее, что все живое происходит только от живого. Биогеосфера – оболочка земного шара (часть биосферы), в которой сконцентрирована основная масса живого вещества планеты; расположена на контакте поверхности литосферы, приземного слоя атмосферы и верхних слоев гидросферы. Биом (от biome – совокупность): 1) сочетание видов живого и окружающей их среды, составляющее экосистему географической зоны или сектора природного пояса (например степи, пустыни); 2) совокупность видов животных и растений, составляющих живое население к.-л. региона, территории любой размерности. Биота (от греч. biote – жизнь): 1) исторически сложившаяся совокупность растений и животных на определенной территории, в отличие от понятий биоценоз, биом биота не подразумевает экологических связей между видами; 2) совокупность организмов, населяющих к.-л. произ-вольно выбранный регион, вне зависимости от функциональной и исторической связи между ними; 3) любая совокупность живых организмов (биота скал, леса, степи и др.). Биоценоз – совокупность живой природы: растений, насекомых, животных, населяющих данную географическую и климатическую область, с установившимися взаимными отношениями и приспособившиеся к условиям окружающей среды. Бифуркация, в переводе означает раздвоение – в динамике нелинейных процессов проявляется как появление вместо одного уровня, характеризующего состояние системы, двух уровней. На последующих шагах во времени система попеременно переходит с более низкого уровня на более высокий и обратно. При росте величины управляющего параметра, каждый из уровней вновь разделяется на два, в момент достижения критического значения управляющего параметра и так далее. Вакуум (от лат. vaccuum – пустота): 1) пустое пространство, в котором отсутствуют реальные частицы, однако в нем могут существовать гравитационное, электромагнитное и др. физические поля; 2) состояние в некотором объеме, в котором находится газообразное вещество при очень малых давлениях; 3) в квантовой теории поля – основное, наинизшее энергетическое состояние квантового поля, при котором среднее число частиц (квантов поля) равно нулю, но в нем может происходить виртуальное рождение виртуальных частиц в соответствии с законом эквивалентности энергии и массы А. Эйнштейна. Вид: 1) в логическом смысле – понятие, которое образуется посредством выделения общих признаков в индивидуальных понятиях и само имеет общие признаки с др. видовыми понятиями; из понятия вида может быть образовано еще более широкое понятие –понятие рода; 2) в биологии – общность родственных между собой индивидов, известные признаки которых, остающиеся относительно неизменными, совпадают. Здесь вид – это качественно обособленная форма живого вещества, являющаяся основной единицей эволюционного процесса. Виртуальные частицы – теоретически возможные элементарные частицы, непрерывно возникающие и исчеза ющие в очень короткие, экспериментально не наблюдаемые, промежутки времени. Вирусы – мельчайшие внеклеточные образования, состоящие из белковой оболочки (капсида), цепей ДНК или РНК (у ретровирусов) и некоторых ферментов (в частности – ревертразы). Внедряясь в клетку, вирус оставляет в ней свою ДНК, которая использует биосинтезирующий аппарат клетки для своего расширенного воспроизводства и производства белковой оболочки. Ферменты способствуют внедрению вирусной ДНК в соответствующие капсиды и выходу зрелых вирусов из клетки. Клетка – хозяин при этом, как правило, погибает, что вызывает заболевание организмов. Капсид вируса желтой мозаики. Витализм (от лат. vitalis – жизненный) – концепция в биологии, основывающаяся на якобы присутствующем в организме особом нематериальном начале, некоторой «жизненной силе», направляющей жизненные явления, развитие организма. Волны материи – термин, закрепленный за волнами Дебройля. На основании корпускулярно-волнового дуализма материи они интерпретируются как волны вероятности, задаваемые волновой функцией. Вселенная – весь существующий материальный мир. Вселенная, изучаемая астрономией, – часть материального мира, которая доступна наблюдениям астрономическими средствами; эту часть Вселенной часто называют Метагалактикой. Галактика Млечный Путь – наша звездная система, включающая в свой состав не менее 100 млрд звезд, в том числе и Солнце со всеми планетами. Относится к спиральным галактикам с пересечением (баром). Характерной особенностью спиральных галактик являются рукава, в одном из которых в нашей Галактике находится Солнце. Центр Галактики находится в направлении от Земли к созвездию Стрельца. Галактики – гигантские звездные скопления во вселенной, насчитывающие сотни миллиардов звезд, движущихся совместно. Рукава галактик представляют собой гигантские спиральные волны в газопылевых дисках многих звездных «островов». В последние годы обнаружены многочисленные столкновения и слияние галактик. Гелиобиология (от греч. Helios – Солнце и биология) – раздел биофизики, исследующий влияние солнечной активности на земные организмы и их сообщества, включая человека. Солнечные циклы в 11,5; 88; 400 и 600 лет влияют на многие эволюционные и экологические процессы (кратко- и долговременные изменения численности организмов, периодичность эпидемий, обострение психических расстройств и заболеваний и др.). Основоположник гелиобиологии – русский биолог А.Л. Чижевский. Ген – единица наследственного материала, ответственного за формирование какоголибо элементарного признака живого организма. У высших организмов входит в состав хромосом. Совокупность всех генов организма составляет его генотип. Генотип человека составляет около 3000 генов. Ген является участком ДНК и содержит определенную только для него последовательность нуклеотидов. Отдельный ген является базой для синтеза (в результате альтернативного сплайсинга) многих белков. Расшифровка генетического кода была сделана в 1961 г Маршаллом Ниренбергом. Генетика – наука о наследственности и методах ее изменения. Основы генетики заложены Г. Менделем и Т.Х. Морганом, обосновавшим хромосомную теорию наследственности. Тесно связана с учением об эволюции живого вещества на Земле. Генная инженерия – междисциплинарная научная дисциплина, ставящая своей целью конструирование новых, не существующих в природе сочетаний генов. Основана на извлечении из клеток организма гена или группы генов и на последующем соединении их со специальными молекулами ДНК (плазмидами), способными проникнуть в клетки другого организма (главным образом микроорганизмов) и размножаться в них. Служит основой современных биотехнологий, Геном (от англ. genome, греч. genos – происхождение): 1) совокупность генов, содержащихся в одинарном (гаплоидном) наборе хромосом данной растительной или животной клетки; 2) совокупность наследственных признаков, локализованных в ядре клетки. Генотип – совокупность всех наследственных свойств особи, локализованных в ее хромосомах; наследственная основа организма, составленная совокупностью генов (геномом) и неядерных (цитпоплазматпических) и пластпидных (плазмоном) носителей. Генотип – это сложно взаимодействующая система наследственных задатков, носитель наследственной информации, передаваемой из поколения в поколение, контролирующий развитие, строение и жизнедеятельность организма, совокупность всех признаков организма – его фенотип. Генофонд: 1) совокупность генов (аллелей) группы особей популяций, группы популяций или вида, в пределах которых они характеризуются определенной частотой встречаемости (относительной численностью); 2) вся совокупность видов живых организмов с проявившимися и потенциальными наследственными задатками. Гипотеза – научное предположение, выдвигаемое в форме научных понятий с целью восполнить пробелы эмпирического познания или связать различные эмпирические знания в единое целое, либо выдвигаемое для объяснения какого-либо явления, фактов и требующее проверки на опыте и теоретического обоснования для того, чтобы стать достоверной научной теорией. Глюоны (от англ. glue – клей) – частицы поля с нулевой массой и спином, равным единице. В отличие от фотонов, переносят свойство, названное цветовым зарядом. Поэтому их иногда образно называют «окрашенными фотонами». Глюоны являются переносчиками самых мощных цветовых сил взаимодействий между кварками. Гомеостаз – состояние подвижного динамического равновесия природной системы (в частности, отдельной клетки), направленное на максимальное ограничение воздействий внешних факторов и среды, на сохранение относительного постоянства структуры и функций в системе. Гомеостаз рализуется комплексом сложных приспособительных реакций, регулирующих возобновление основных ее структур, вещественно-энергетического состава и внутренних свойств. Гормоны (от греч. hormao – привожу в движение, побуждаю) –биологически активные вещества, продукт желез внутренней секреции, оказывающих целенаправленное воздействие на клетки, органы и ткани организма; участвуют во всех процессах роста, развития, размножения и обмена веществ. Гормоны по химической структуре относятся к белкам, производным аминокислот, стероидам, липидам и т. д. Гравитон – квант поля тяготения, имеющий нулевую массу покоя, нулевой электрический заряд и целочисленный спин, равный 2. Гуманитарный – имеющий отношение к сознанию человека и человеческому обществу; обращенный к человеческой личности. Различие между естественнонаучными и гуманитарными знаниями заключается в том, что первые основаны на разделении субъекта (человека) и объекта (природы), при преимущественном внимании к объекту со стороны субъекта (человека), тогда как вторые имеют отношение прежде всего к самому субъекту. Дайсер (от англ. to dice – нарезать кубиками) белковый ферментативный комплекс, разделяющий двойные цепочки РНК на короткие участки, содержащие 21–23 нуклеотида (так называемые siRNA), которые принимают участие в РНКинтерференции. Дарвинская триада – три основных понятия учения Ч. Дарвина о происхождении видов, введенные в науку его немецким последователем Э. Геккелем. Это следующие понятия: 1) наследственность, 2) изменчивость, 3) естественный отбор. Дискретность – прерывность, раздельность; в физике и химии означает зернистость строения материи, ее атомистичность; в биологии дискретность наследственности – это возможность независимого наследования, развития и изменения разных свойств и признаков организма. Дискурсивный (от лат. diseursus – рассуждение, довод) –рассудочный, логический, понятийный, опосредствованный в отличие от чувственного, созерцательного, непосредственного. Дифракция – явление огибания волнами таких препятствий, размеры которых сопоставимы с длиной волны. Характерное свойство не только звуковых волн или волн на поверхности жидкостей, но электромагнитных волн. Обнаружена так же дифракция электронов и других микрочастиц на кристаллах, свидетельствующая о наличии у них волновых свойств. ДНК – аббревиатура дезоксирибонуклеиновой кислоты. Длинные цепи ДНК построены из элементарных звеньев – нуклеотидов. Последовательности кодонов, разделенных интронами, составляют единицы наследственной информации – гены. В ядрах клеток двойные цепи ДНК навиты на нуклеосомы. Дуализм свойств материи – свойство микрочастиц вещества (элетронов, нейтронов, атомов водорода) образовывать картины дифракции при рассеянии на кристаллах, вместе со свойством частиц полей обнаруживать корпускулярные свойства (в прямом и обратном эффектах Комптона, в тепловом электромагнитном излучении, в фотоэлектрическом эффекте). Естественные науки – в эпоху Просвещения (XVIII в.) так стали называться науки, занимающиеся исследованием природы. Начало исследованиям в этом направлении положили античные натурфилософы, включая природу в круг своей мыслительной деятельности. Со временем произошло дифференцирование (расчленение) единой науки о природе на отдельные ее отрасли – в зависимости от предмета исследования. В настоящее время под естественнонаучными дисциплинами понимают, прежде всего, физику, химию, астрономию, биологию, медицину и некоторые другие, противопоставляя их с одной стороны гуманитарным (общественным) наукам, с другой – техническим. Естественный отбор – процесс выживания и воспроизведения организмов, наиболее приспособленных к условиям среды, и гибели в ходе эволюции неприспособленных; следствие борьбы за существование. Понятие о естественном отборе как основном движущем факторе исторического (эволюционного) развития живой природы введено в науку Ч. Дарвиным. В настоящее время данный фактор рассматривается наряду с другими. Законы Бэра в биологии – обобщение закономерностей зародышевой организации и эмбрионального развития различных классов позвоночных животных: общее образуется в зародыше раньше, чем специальное; из более общего образуется менее общее, пока не возникнет самое специальное, т. е. по цепочке признаков «тип, класс, отряд и т. д.» до появления индивидуальных признаков особи; зародыши разных классов вначале сходны, а затем отклоняются в своем развитии друг от друга; «...зародыш высшей животной формы никогда не бывает похож на другую животную форму, а лишь на ее зародыша». Приведенные законы сформулированы русским эмбриологом Карлом Максимовичем Бэром в 1828 году. Дарвин назвал это обобщение «законом зародышевого сходства» и использовал его для доказательства биологической эволюции. Закон природы – объективный, часто математически выраженный закон природного явления, который совершается при известных обстоятельствах всегда и всюду с одинаковой необходимостью. Законы Менделя: 1) первый закон доминирования, он же закон единообразия гибридов первого поколения – первое поколение гибридов, в силу проявления у них лишь доминантных признаков, всегда единообразно; 2) второй закон расщепления гибридов второго поколения – во втором поколении гибридов соотношение особей с доминантными и рецессивными признаками статистически равно 3:1; 3) третий закон независимого комбинирования признаков – гены одной аллельной пары распределяются в мейозе независимо от генов других пар и комбинируются в процессе образования гамет случайно, что ведет к разнообразию вариантов их соединений. Знание: 1) проверенный практикой результат познания действительности, верное ее отражение в мышлении человека, обладание опытом и пониманием, которые являются правильными и в субъективном и объективном отношении и на основании которых можно построить суждения и выводы; 2) достоверное, истинное представление о чем-либо в отличие от вероятностного мнения. Идеализация: 1) мыслительное конструирование понятий об объектах, процессах и явлениях, не существующих в реальности, в природе, но для которых есть исходные прообразы в реальном мире (например точка, плоскость – идеально гладкая и абсолютно ровная поверхность, абсолютно твердое (упругое) тело, идеальная жидкость, идеальный газ и т. д.). Идеализация физических тел и понятий пространства, времени и пр. послужила началом возникновения классической науки Галилея – Ньютона, так как позволяет формулировать законы, строить абстрактные схемы реальных процессов и т.д.; 2) представление кого-либо или чего-либо лучшим, чем есть на самом деле, в действительности; наделение качествами, соответствующими идеалу. Иерархия (греч. hieros – священный + arche – власть): 1) в буквальном смысле слова – господство святых, субординация священников; 2) в переносном смысле слова – расположение частей или элементов целого в порядке от высшего к низшему (например иерархия наук, иерархия ценностей). Изменение – превращение в другое, переход из одного качественного состояния в другое, из одного определенного бытия в качественно другое бытие. Аристотель рассматривал четыре вида изменений: изменение места, качества, количества и субстанции. Интеллект (от лат. intellectus – познание, понимание, рассудок) – разум, способность мышления (мыслить), совокупность тех умственных функций (сравнения, абстракции, образования понятий, суждения, заключения и т. д.), которые превращают восприятия в знания или критически пересматривают и анализируют уже имеющиеся знания. Интерференция – физическое явление, общее для волн различной природы, от радиоволн до рентгеновских лучей. Характеризуется периодическим чередованием минимумов и максимумов интенсивности результирующего волнового поля, если выполнены условия когерентности волн. Интуиция – непосредственное постижение истины без обоснования с помощью логических, математических или др. доказательств, чутье, проницательность. Информация: 1) в широком смысле – сведения, передаваемые людьми устно, с помощью письменности, другим символьным образом; сообщение о чем-либо; 2) в кибернетике количественная мера устранения неопределенности, мера организованности системы; 3) совокупность знаний, фактов, сведений, представляющих интерес и подлежащих хранению и обработке в вычислительных машинах. Исследование научное – процесс получения новых знаний, один из видов познавательной деятельности, характеризующийся определенными критериями научности (повторяемостью, доказательностью, системностью, полнотой и др.), объективностью, точностью. Имеет два уровня – эмпирический и теоретический, возможна классификация исследований на фундаментальные (присущие, в основном, естественным наукам), прикладные, количественные, качественные и т. п. Кайнозой (от греч. kainos – новый + zоз – жизнь) – новейшая эра геологической истории Земли, охватывающая последние 60–70 млн лет, и соответствующая ей группа отложений горных пород. Характеризуется интенсивными тектоническими (горообразовательными) движениями, мощным оледенением материкового типа. В органическом мире господствующее положение занимают млекопитающие; животные и растения близки к современным, в конце эры появляется человек. Подразделяется на палеоген, неоген и антропоген (он же четвертичный период). Картина мира (образ мира) – совокупность мировоззренческих знаний о мире; совокупность предметного содержания, которым обладает человек. Различают чувственно-пространственную, духовно-культурную и метафизическую картины мира, а также физическую, биологическую, философскую картины мира. Катализ – возбуждение химических реакций или изменение скорости их протекания посредством добавления особых веществ – катализаторов, не участвующих непосредственно в реакции, но изменяющих ход ее протекания. Катализаторы не смещают равновесие, а изменяют скорости прямой и обратной реакций, способствуют скорейшему достижению равновесия. Биологические катализаторы называют энзиммами (ферментами). Кванты энергии электромагнитных полей – дискретные порции энергии, величина которых определяется простой формулой Планка: Е = hν, где ν – частота, h – постоянная Планка. Кварки – фундаментальные микрочастицы вещества из которых состоят элементарные частицы – адроны. Характеризуются дробной величиной электрического заряда, если его выражать в единицах заряда электрона: плюс две трети и минус одна треть. Обладают свойством, названным цветовым зарядом, трех категорий: красный, синий, зеленый. Цвет кварка изменяется при поглощении или испускании кванта глюонного поля (глюона). Притяжение между кварками резко возрастает при их расхождении друг от друга. Поэтому свободные кварки в экспериментах не зафиксированы. Протоны и нейтроны содержат по три кварка, мезоны содержат комбинации пар кварк – антикварк. Классическая физика – часть естествознания, объединяющая изучение объектов, явлений и процессов на основании следующих представлений: 1). Объекты делятся на два вида – вещество (тела) и (силовое) поле. Основной признак вещества – корпускулярность (дискретность), поля – континуальность (сплошность) и осуществление взаимодействия между веществами (телами). 2). Свойства тел сводимы к свойствам их составных частей; корпускулы вещества обладают только (инертной) массой т и электрическим зарядом q. 3). В каждый момент времени физический объект находится в строго определенном состоянии, и дальнейшее изменение его состояния во времени происходит непрерывно. 4). Законы физики позволяют однозначно определить будущее состояние объектов по их состоянию в данный момент времени. Клетка – элементарная единица живого вещества, основа строения и жизнедеятельности водорослей, растений и животных. Клетки существуют как отдельные микроорганизмы и в составе многоклеточных организмов. В последнем случае клетки специализированы по функциям и имеют различное строение. Размеры клеток варьируют от 0,1 – 0,25 мкм до 155 мм – это яйцо страуса в скорлупе. Клонирование – получение генетических копий организмов с помощью методов молекулярной генетики (генной инженерии), как правило при бесполом размножении. Коацерваты (от лат. coacervatus – накопленный, собранный) в коллоидном растворе капельки или слои с большей концентрацией коллоида, чем окружающий раствор. В гипотезе происхождения жизни Александра Опарина коацерваты предшествуют клеткам. Код генетический – свойственная живым организмам единая система кодирования, молекулярной «записи» информации в молекулах нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Реализуется в виде кодонов. Каждый кодон определяет «запись» одной и только одной аминокислоты (свойство однозначности). Однако несколько кодонов могут «обозначать» одну и ту же аминокислоту (вырожденность кода). Использование троек нуклеотидов в генетическом коде предсказал Д.A.Г амов. Из 64 кодонов три кодона «белые», не обозначающие какую-либо аминокислоту. Их роль – показать начало и конец гена (стоп-кодоны). Символами генетического кода выступают начальные заглавные буквы русского или латинского алфавита названий четырех азотистых оснований нуклеотидов: А (А) – аденин, Г (G) – гуанин, Ц (С) – цитозин, Т (Т) – тимин в молекулах ДНК и У (U) – урацил в молекулах РНК. Комплементарность (от лат. complementum – дополнение) –пространственная взаимодополняемость молекул или их частей, приводящая к образованию водородных связей. Особую роль комплементарность играет в молекулах нуклеиновых кислот – ДНК. Комплементарные структуры подходят друг к другу как ключ к замку. Комплементарный – значит дополняющий. Консументы – живые организмы, играющие в биосфере роль потребителей веществ, созданных или входящих с состав других организмов. Консументы первого порядка – растительноядные животные, рыбы, птицы, насекомые. Консументы второго и более высокого порядка – хищники. Концепция – вполне определенный способ понимания и объяснения, обобщенная основная идея или точка зрения на что-либо в мире вещей и идей. Выступает как ведущий замысел и конструктивный принцип в различных видах деятельности, в том числе – в науке и искусстве. Корпускулярно-волновой дуализм – наличие корпускулярных свойств у физических полей и волновых свойств у микрочастиц вещества, неотделимых одно от другого. Примером является корпускулярно-волновой дуализм у электромагнитного поля и у фотонов: в явлениях дифракции и интерференции проявляются волновые свойства этих микрообъектов, а в явлениях фотоэффекта, комптоновского рассеяния, выявляются их корпускулярные свойства. Космогония: 1) раздел астрономии и астрофизики о происхождении и развитии (эволюции) небесных тел, их систем, галактик, метагалактики и Вселенной в целом; 2) в религиозных учениях – мифы о сотворении и развитии мира. Космология – физическое учение о развитии Вселенной как единого целого; представление о мироздании с позиций его возникновения, через космогонию. Космос – мир, мыслимый как упорядоченное единство, целое (в противоположность хаосу как беспорядку); первоначальный смысл слова – порядок, гармония, построение, устроение. Коэволюция – параллельная, совместная эволюция, а точнее, историческая адаптация природы и человечества; взаимное приспособление в ходе эволюции: разных форм живого, обитающих совместно (насекомых и опыляемых растений); разных органов одной особи. Красный гигант – одна из стадий эволюции звезд главной последовательности, во время которой давление водородной плазмы превышает силы гравитации и размеры звезды увеличиваются в сотни раз. Наше Солнце на этой стадии поглотит Меркурийи и испарит океаны Земли, а близкие к современным земным условия будут созданы на Титане (спутнике Сатурна). Креативность (от лат. сrеаrе – создавать) – способность сделать или каким-либо иным способом осуществить нечто новое: новое решение проблемы, новый метод, новое произведение искусства; синоним слова «творческий». Креативность находится в постоянном противоречии с установившимся, общепризнанным, как дуализм интеллекта и интуиции, сознания и нетрадиционного, сложности и простоты. бессознательного, общепринятого и Культура (от лат. cultura): 1) в первом значении этого латинского слова – обработка и уход за землей, с тем чтобы сделать ее пригодной для человеческих потребностей; 2) в широком смысле культура – это совокупность проявлений жизни, достижений и творчества народа, этноса. Различие между культурой и цивилизацией состоит в том, что культура – это выражение и итог (результат) самоопределения воли народа, в то время как цивилизация – это совокупность достижений техники, технологий и связанного с ними комфорта. Ламаркизм – первое в истории биологии учение об эволюции живой природы, заключающееся в признании изменчивости видов, их усложнения главным образом под воздействием внешней среды и некоторого внутреннего стремления всех организмов к усовершенствованию. Концепция выдвинута французским естествоиспытателем Жаном Ламарком. Ле Шателье – Брауна принцип устанавливает, что внешнее воздействие, выводящее физико-химическую систему из состояния равновесия, вызывает в этой системе процессы, стремящиеся ослабить результат этого воздействия. Значение принципа в том, что он позволяет без особого конкретного анализа пред сказать направление в котором под влиянием внешнего воздействия изменится термодинамический процесс, протекающий в произвольной системе. Лептоны – не содержащие в себе других микрочастиц, действительно элементарные частицы вещества, имеющие отличную от нуля массу покоя: электрон, мюон, таон и соответствующие им три типа нейтрино (нейтральные лептоны). Электрон, мюон и таон имеют «близнецов» – противоположно заряженные античастицы, антинейтрино тождественны по массе, спину и заряду самим нейтрино. Липиды (от греч. lipos – жир) – обширная группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества. Литосфера Земли – ее каменная, твердая оболочка, толщина которой на дне океанов составляет 3–7 км, на суше 30–40 км. Ниже располагается вязкая астеносфера толщиной около 700 км. Магнитосфера Земли – область околопланетного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем планеты и его взаимодействием с потоками заряженных частиц солнечного и галактического происхождения. Макроэволюция в биологии – эволюционные преобразования, происходящие на надвидовом уровне и обусловливающие формирование все более крупных таксонов (от родов до типов и царств природы). Осуществляется в течение длительных промежутков времени, составляющих многие миллионы лет, через процессы микроэволюции. Максимон – гипотетическая микрочастица, масса покоя которой рассчитана на основании формулы размерности массы, выраженной через размерности фундаментальных постоянных: скорости света, гравитационной постоянной и hC m . Примерно равна величине 0,05 грамма. постоянной Планка: G Метаболизм (от греч. metabole – перемена, превращение) – обмен веществ, совокупность процессов ассимиляции и диссимиляции в растениях, животных, микроорганизмах. Метагалактика (от греч. meta – после, за, между) – изученная в настоящее время часть Вселенной со всеми находящимися в ней галактиками и другими объектами. В состав Метагалактики по современным данным входит несколько миллиардов галактик, образующих однородную крупномасштабную ячеистую структуру. Метафизика – (так было названо Андроником Родосским сочинение Аристотеля по «первой философии», помещенное после его трактатов по физике, и предметом которой было «бытие как таковое»): 1) философское учение о сверхчувствительных (недоступных опыту) принципах бытия, в том числе принципов существования человека; 2) в марксистской философии – метод познания, противоположный диалектике, рассматривающий явления вне их взаимной связи и развития; 3) в некоторых философских школах то же, что онтология; 4) в широком смысле – что-то отвлеченное, умозрительное и поэтому малопонятное и туманное. Метод (от греч. methodos – путь исследования, путь к чему-либо) – совокупность приемов или операций, позволяющая решать определенный класс задач, проблем. Методология (метод + логия) – учение о структуре, логической организации, методах и средствах деятельности и познания. Моделирование – научный метод изучения объектов, явлений или процессов путем замены реального прототипа его моделью. Результаты, полученные на модели, переносятся и на прототип, при условии однозначной связи по исследуемому параметру прототипа и его модели. В широком смысле модель – это любое предметное или условное изображение (описание, схема, чертеж, план, описание и т. д.) объекта – прототипа. Мозг – основная часть нервной системы организмов, состоит из большого числа специализированных нервных клеток – нейронов. Левая часть головного мозга человека представлена на рисунке. Кроме головного, имеется так же спинной мозг. Нервная ткань мозга состоит из серого вещества (скопления главным образом нервных клеток) и белого вещества (состоящего в основном из нервных волокон). В левой части головного мозга расположены зоны, ответственные, преимущественно, за абстрактно-логическое мышление, в правой – за образно-эмоциональное. Мониторинг (от англ. monitoring, от лат. monitor – тот, кто напоминает, предупреждает) – слежение за какими-либо объектами или явлениями. В самом широком смысле – многоцелевая информационная система, основные задачи которой – наблюдение, оценка и прогноз состояния природной среды под влиянием антропологического воздействия с целью предупреждения о создающихся критических, катастрофических ситуациях, вредных для здоровья людей, животного и растительного мира и т. д. Мультиверсум – термин для обозначения гипотетического существования множества вселенных, с различными фундаментальными постоянными. Мутация (от лат. mutatio – изменение, перемена): внезапное изменение наследственных структур организма, вызванное естественным или искусственным путем; мутация является основой наследственной изменчивости в живой природе. Примером мутации будет перестановка одного или нескольких нуклеотидов в кодоне. Так как «считывание» информации происходит именно по тройкам нуклеотидов, смысл будет совсем другим: вместо «-жил-был-кот-» станет «-жил-был-кто-» или «жил-бык-тол-». Мутагенез – процесс возникновения мутаций. Основа мутагенеза – изменения в молекулах нуклеиновых кислот. Наблюдение – научный метод целенаправленного восприятия (в том числе и с помощью приборов), обусловленного поставленной задачей, как правило, не изменяющий состояния объекта, явления, процесса. Научное наблюдение отличается от поэтического созерцания или медитации объективностью, то есть возможностью повторения результатов наблюдения другими учеными или другими методами (например в эксперименте). Направленность эволюции – причинно-следственная цепь, ведущая кратчайшим путем к изменениям живого от простого к сложному, от менее приспособленных к более приспособленным, запрещающая другие направления развития. Наследственность – свойство организмов повторять в ряду поколений сходные признаки и свойства: типы обмена веществ, психологические особенности и типы индивидуального развития и т. д. Вместе с изменчивостью наследственность обеспечивает, согласно взглядам Дарвина, постоянство и многообразие форм жизни и лежит в основе эволюции живой природы. Натурфилософия (от лат. natura – природа) – понятие «phiiosophia naturalis» впервые встречается у римского философа Сенеки в I веке н. э., почти через VI веков после основания натурфилософии – философами милетской (ионийской) школы. По первоначальной сущности, это философия природы, умозрительное (теоретическое, так как «теория» с греческого –умозрение) истолкование природы, рассматриваемое в ее целостности, в основе которой был античный космоцентризм. В античности поставленные вопросы о материи и ее атомистической структуре, о математической гармонии Вселенной, о соотношении вещества и силы, органического и неорганического с естественнонаучных позиций начинает решать впервые Аристотель. Новые идеи были внесены в средние века Фомой Аквинским и Альбертом Великим, позднее, когда все более важную роль начинает играть наблюдение и опыт, то идеи таких мыслителей, как Роджер Бэкон, Николай Орезмский и др. Постепенно возникает натурфилософия неорганического (Леонардо да Винчи, Коперник, Кеплер, Декарт, Фрэнсис Бэкон, Галилей), завершившаяся созданием классической механики, фактически отвергшей натурфилософию в ее старом понимании. (цитируется по ….). Нейрон – нервная клетка с отростками (аксон и дендриты) проводящая нервные импульсы к органам. Взаимодействие нейронов между собой и с органами производится через синапсы. Основная структурная и функциональная единица нервной системы. Нейтрон – элементарная частица, состоящая из трех кварков: одного верхнего (с зарядом плюс две трерти) и двух нижних (с зарядом минус одна треть каждый) Нейтроны входят в состав ядер всех атомов, кроме водорода. В свободном состоянии нейтрон не стабилен, среднее время его жизни не превышает 17 минут. Нейтронная звезда – конечный продукт вспышки сверхновой звезды, если в исходном состоянии ее масса не превышала 2,5 масс Солнца. При образовании нейтронной звезды гравитационные силы, образно говоря, впрессовывают электроны в протоны, превращая их в электрически нейтральные частицы. Обладает сильным магнитным полем и обнаруживает себя по мощному импульсному радиоизлучению в качестве пульсара. Нелинейная среда – среда, свойства которой зависят от интенсивности взаимодействующих с ней физических полей, в первую очередь электромагнитного (например под воздействием лазерного излучения). В нелинейной среде нарушается суперпозиция волн и полей. Неравновесное состояние – состояние термодинамической системы, характеризующееся неоднородностью макроскопических величин (температуры, давления, концентрации и т. д.), что ведет к необратимым процессам, в результате которых изолированная (закрытая) система достигает равновесия. Ноосфера – такой этап развития биосферы, когда человеческий разум и направляемая им производственная деятельность всего человеческого общества, становится одним из факторов геологического и климатического состояния планеты. Иными словами ноосфера – это область преобразования природы сферой разумной жизни. Термин введен в научный обиход В.И. Вернадским (Научная мысль как планетарное явление, Биосфера и ноосфера и др. труды). Нуклеосома – комплекс специализированных белковых молекул (гистонов), вокруг которых обвиваются, как шнуры, двойные цепи ДНК. Это позволяет разместить в малом геометрическом объеме большое количество цепей ДНК без их запутывания между собой (гистоны играют роль своеобразной молекулярной «катушки»). Нуклеотиды – составные части нуклеиновых кислот. В общем виде построение молекул нуклеотидов показано на схеме. С одной стороны к пентозе присоединяется одно из 5 видов азотистых оснований, с другой – остаток фосфорной кислоты. Если в пентозе содержится две группы ОН, то это рибоза, такой нуклеотид входит в состав РНК. Если вместо ОН остается только атом кислорода О, то пентозу называют дезоксирибозой, такие нуклеотиды входят в состав ДНК. Индивидуальность нуклеотидам придает азотистое основание: аденин, гуанин, тимин, урацил и цитозин. Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные цепи, звеньями остатки нуклеотидов. При образовании цепи (полимеризации) одного нуклеотида присоединяется к свободному «уголку» нуклеотида так, что каждая пентоза оказывается «висящей» фосфорной кислоты. которых являются фосфатная группа пентозы другого на двух остатках Озон – химическая модификация кислорода, молекулы озона содержат три атома кислорода. Образуется в атмосфере при электрических разрядах (грозе) или под действием ионизирующих излучений. В том числе – под действием ультрафиолетового излучения Солнца, поглощая его при этом. Озоносфера – область атмосферы Земли, расположенная на высоте от 10 до 50 км от поверхности земли, с максимумом на высоте 20-25 км. Предохраняет поверхность Земли от избыточного освещения ее УФ излучением Солнца. Производство легко испаряющихся жидкостей типа фреонов и накопление их в атмосфере Земли приводит к образованию «озоновых дыр», что может иметь негативные последствия для живых организмов. Онтогенез – индивидуальное развитие организмов, охватывающее все изменения от его зарождения до смерти. Следует рассматривать в единстве с историческим развитием рода или вида (филогенезом). Организация: 1) соединение индивидов в единое целое для совместного труда, в котором они становятся взаимосвязанными «орудиями» (органами) целого; 2) совокупность процессов или действий, ведущих к образованию и совершенствованию взаимосвязей между частями целого; 3) внутренняя упорядоченность, взаимодействие более или менее дифференцированных и автономных частей целого, обусловленные его строением. Открытые системы – системы, способные к свободному обмену веществом с окружающей средой, к которым могут быть отнесены физические (термодинамические), химические, биологические системы, в том числе живые организмы, в которых наблюдается метаболизм. Состояния систем могут быть далекими от равновесных. Относительности принцип – фундаментальный физический принцип, утверждающий, что во всех инерциальных системах отсчета движение объектов и процессы, его сопровождающие, происходят по одинаковым законам, одинаковым образом. Принцип относительности лежит в основаниях классической механики, квантовой механики, электродинамики, теории относительности и теорий квантовых полей. Парадигма – научная теория, воплощенная в определенной системе понятий, или общая схема, алгоритм постановки новых научных проблем и способов их решения, преобладающая в данной науке или в обществе в течение определенного периода их развития. Смена парадигм происходит в ходе научных революций. Понятие парадигма введено в науку философом-позитивистом Г. Бергманом и было широко распространено американским физиком Томасом Куном, творцом теории научных революций. Плазма: 1) ионизованный электрически нейтральный газ, смесь ионов атомов и электронов, находящаяся, как правило, при высокой температуре. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзаездная среда. Наблюдается плазма также вблизи Земли в некоторых ее геосферах (магнитосфере, ионосфере). 2) плазма крови есть жидкая ее часть, в которой, собственно, и находятся форменные элементы крови: эритроциты, лейкоциты, тромбоциты. Поле физическое – пространство, в котором можно обнаружить какие-либо физические воздействия; употребляют термин поле и в других науках или сферах деятельности: поле чувств, поле восприятия, поле зрения, поле напряжений, поле алгебраическое, например, поле комплексных чисел и т. д. Популяция – совокупность всех особей одного биологического вида, длительное время живущая на определенной местности и там воспроизводящая себя в нескольких поколениях (т.е. обладающая определенным генофондом). Рассматривается как элементарная единица эволюции. На изменения среды может реагировать перестройкой своего генофонда. Порядок: 1) ясная и четкая организация какой-либо сферы действительности (примеры: математический порядок, политический, в сфере психического и т. д.); порядок как метафизический принцип существовал уже в античной космологии (слово «космос» для греков и означало «порядок»); лучший пример порядка в целесообразном единстве многообразия; 2) в биологии таксономическая категория (ранг) в систематике растений, бактерий и грибов, где в порядок объединены родственные семейства, далее близкие порядки образуют класс. В систематике животных порядку соответствует отряд. Представление: 1) в узком смысле – появляющийся в сознании образ ранее воспринятого предмета или явления, после того как представляемое объективно уже не присутствует, а также образ, созданный продуктивным воображением; 2) в широком, более точном, смысле – предмет мышления, чувствования, волнения, фантазии или мечтания, когда он целиком является наглядным, когда индивиду удается как бы поставить его перед собой как нечто воспринимаемое. Принцип дополнительности Бора – одно из фундаментальных положений квантовой теории, состоящее в том, что в акте измерения могут быть установлены, с точностью, допускаемой соотношением неопределенностей Гейзенберга, либо энергия и импульс квантовой системы (микрообъекта), либо ее пространственные координаты и время (пространственно-временное поведение системы). Эти две картины не могут проявляться вместе, одновременно, но, как считал датский физик Нильс Бор, могут дополнять одна другую. Следует отметить, что они именно не одновременны, а потому не могут быть сопоставимы, так как каждая из этих картин «смазывает», «размывает» другую, дополнительную. Принцип соответствия – возникший в физике принцип, утверждающий, что каждая более глубокая теория содержит, при некотором предельном переходе, ранее ей предшествующую, не столь глубокую (например, релятивистская механика Эйнштейна при малых скоростях объектов переходит в классическую механику Ньютона). Принцип был введен датским физиком Нильсом Бором. Проблема – сложная теоретическая или практическая задача, требующая для своего решения новых знаний, подходов, методов. Протозвезды – начальный этап эволюции всех звезд, характерной чертой которого является реакция термоядерного синтеза ядер гелия из ядер дейтерия (состоящих из протона и одного нейтрона), а не из ядер водорода, как в обычных звездах. Являются мощными источниками инфракрасного излучения. Процесс: 1) последовательная смена явлений, состояний в развитии чего-нибудь; 2) совокупность последовательных действий для достижения какой-либо цели, результата. Портрет фазовый – семейство кривых, построенных в фазовом пространстве, координатами которого являются любые параметры, характеризующие состояние системы ( в том числе – временные и пространственные координаты Продуценты – микроорганизмы и растения, способные к фотосинтезу или хемосинтезу, являющиеся автотрофами и создающие органические вещества из неорганических за счет энергии Солнца или химических реакций. Первое и основное звено рециклинга органических веществ в природе. Протон – стабильная микрочастица, как элемент входящая в состав ядер атомов, и, в свою очередь, содержащая в себе три действительно фундаментальные частицы: два верхних кварка (с зарядом плюс две трети каждый) и одного нижнего кварка ( с отрицательным зарядом в одну треть от заряда электрона). u u d Развитие – закономерное изменение материи и сознания, их универсальное свойство; собственно развертывание до тех пор «свернутого», выявление, обнаружение вещей, частей, состояний, отношений, которые имелись и прежде, существовали в потенции, но не были доступны восприятию. Развитие бывает или экстенсивным (проявление и увеличение уже имевшегося) или интенсивным. Раса – исторически сложившаяся группа людей, в которой характерный внешний облик обусловлен общими наследственными признаками (цветом кожи, глаз, волос, формой черепа, ростом и т. д.). Основные человеческие расы – европеоидная, негроидная и монголоидная. К этим расам некоторые ученые добавляют еще две – американских индейцев (америндов) и австралоидов. Все расы абсолютно равноценны в биологическом и психическом отношениях и находятся на одном и том же уровне эволюционного развития. Редукционизм (от лат. reductio – возвращать, отодвигать назад) – методологический принцип, основывающийся на возможности объяснения сложного на основе законов простого (например, явления биологии объяснять законами физики и химии и т. п.). Редукция: 1) сведение сложного к простому, составного к элементарному; действия или процессы, приводящие к упрощению структуры какого-либо объекта, методологический прием сведения данных к исходным началам; 2) в биологии – уменьшение числа, размеров органов и тканей, упрощение их строения или утрата ими функций в процессе эволюционного или индивидуального развития организма, вплоть до полного исчезновения органа или ткани. Редуценты – микроорганизмы, разлагающие отмершее органическое вещество на исходные низкомолекулярные соединения, которые могут быть усвоены продуцентами. Реликтовое излучение (от лат. relicium – остаток) – космическое электромагнитное излучение, связанное с эволюцией Вселенной, начавшей свое развитие после «Большого взрыва»; фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с температурой 2,7 К. Теоретически было предсказано Г.А. Гамовым. Репликация – создание себе подобной структуры; в молекулярной генетике – синтез на каждой из нитей молекулы ДНК, иногда РНК, парной ей нити; репликация лежит в основании механизма передачи наследственной информации. Рибосомы – внутриклеточные «станки», на которых происходит сборка цепей белков. Содержат большую и малую субъединицы, каждая из которых состоит из белкового комплекса, обволакивающего центральную молекулу рРНК. РНК – сокращение от рибонуклеиновая кислота. В качестве пентозы содержит рибозу, в РНК входят четыре азотистых основания аденин, гуанин, цитозин и урацил. Самые длинные цепи имеют матричные мРНК, самые короткие – транспортные тРНК, рибосомные имеют промежуточные размеры. РНК-интерференция – явление подавления экспрессии генов (синтеза белка кодируемого геном) малыми (21–23 нуклеотида) РНК, комплементарными участку матричной РНК. РНК-переключатели (РНК-реле) – малые РНК, изменяющие свою конфигурацию при соединении с некоторыми молекулами и активирующие тем самым (или блокирующим) синтез специфических белков, альтернативный сплайсинг и другие внутриклеточные процессы. Самоорганизация – появление упорядоченности (цикличности во времени, периодичности в пространстве) и образование стабильных структур в неравновесных средах, обменивающихся с окружением потоками вещества, энергии и энтропии. Примерами самоорганизации могут служить периодические химические реакции, открытые Б.П. Белоусовым. Световой год – расстояние, проходимое светом за один календарный год, принимается часто в качестве единицы межзвездных и межгалактических расстояний; величина этого пути примерно равна 10 триллионов километров. Симбиоз (от греч. symbiosis – совместная жизнь, сожительство) – тесное совместное существование разных видов. В это понятие включают и паразитизм, когда один из организмов живет за счет другого. В более узком смысле под симбиозом понимают лишь случаи взаимно выгодного сожительства особей двух видов. В таких симбиотических отношениях могут быть растение с растением, растение с животным, животное с животным; растения и животные могут быть в симбиозе с микроорганизмами, а последние друг с другом. Сингулярность – область пространства с необычными, предельными свойствами по большинству физических параметров. Согласно модели «Большого взрыва» начало Вселенной произошло из сингулярной области, сингулярности. Синергетика – наука о самоорганизации химических, физических, биологических и социальных систем. Синергетика описывает процессы, в которых целое обладает такими свойствами, которых нет у его частей, она рассматривает окружающий мир как множество локализованных процессов различной сложности и ставит задачу отыскать единую (трансдисциплинарную) основу организации мира, как для простейших, так и для сложных его структур. Ключевые положения синергетики, сформулированные ее основателем немецким физиком Г. Хакеном, таковы: 1) исследуемые системы состоят из нескольких или многих, одинаковых или разнородных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом; 2) эти системы являются нелинейными; 3) при рассмотрении физических, химических и биологических систем речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия; 4) эти системы подвержены внешним и внутренним колебаниям; 5) системы могут стать нестабильными; 6) происходят качественные изменения; 7) в этих системах обнаруживаются эмерджентные (внезапно возникающие) новые качества; 8) возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры; 9) структуры могут быть упорядоченными или хаотическими; 10) во многих случаях возможна матема-тизация. Все рассматриваемые процессы в системах необратимы во времени. (цитируется по …). Система: 1) множество элементов, находящихся в соотношениях и связях друг с другом и образующих определенную целостность, единство; 2) совокупность какихлибо элементов, единиц, объединяемых по общему признаку; 3) совокупность тел (объектов), мысленно или реально выделенных из окружающего пространства (мира). Выделяют системы материальные (системы живой и неживой природы, задаваемые систематиками) и абстрактные (понятия, гипотезы, теории, научные знания о системах, формализованные, логические и пр.). Синтез белков – в клетке происходит в ее цитоплазме, где в растворе находятся аминокислоты. Их распознает соответствующая тРНК и доставляет к одной из рибосом. Из множества (более 20 типов) тРНК, с присоединенными к ним аминокислотами, в каждый данный момент с мРНк устанавливает связь только та, кодон которой соответствует антикодону мРНК. Поэтому цепь собираемого белка строго соответствует расположению кодонов в ДНК. Матричная мРНК собирается в процессе транскрипции, когда каждому кодону ДНК собирается его антипод – антикодон мРНК. В общем процессе информация проходит по этапам: кодон ДНК – антикодон мРНК – кодон тРНК. Состояние (природных объектов и систем) – качественная и количественная характеристика множества их функциональных и интегративных реальных и потенциальных возможностей, множества их признаков, параметров в пространстве и времени. Спектр – совокупность всех значений какой-либо физической величины, характеризующих систему или процесс. Это может быть, например, спектр энергий системы, тогда он нумеруется по их возрастанию, а каждая из энергий спектра называется уровнем энергии. Различают дискретный и непрерывный спектры, характеризуемые вспомогательными величинами. Статистические законы – законы средних величин, действующие в области массовых явлений, например, в микромире действуют статистические, а не каузальные (т. е. причинно обусловленные) законы. Структура – взаиморасположение и связь составных частей чего-либо; совокупность устойчивых связей объекта (с другими объектами), обеспечивающая его целостность. В физике и химии различают структуры атомов, молекул, жидкостей, твердых тел. Субстанция (от лат. substantia – сущность; то, что лежит в основе) – в обычном понимании синоним материи, вещества; в философском смысле – нечто неизменное, то, что существует благодаря себе и в самом себе; в естественнонаучном современном смысле – только формальное понятие, имеющее смысл носителя явления. Тезаурус (от греч. thesaurus – запас): 1) словарь, в котором наиболее полно представлены все слова языка с исчерпывающим перечнем примеров их употребления в текстах; 2) систематизированный набор данных о какой-либо области знания. Тектоника (от греч. tektonike – строительное искусство) – раздел геологии, изучающий структуру, динамику, деформации какого-либо участка земной коры и верхней мантии Земли. Теория – система основных идей той или иной отрасли знания. Форма научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и существующих связях действительности. Критерий истинности и основа развития теории – практика. Термодинамика – наука о физических свойствах объектов, которые состоят из очень большого числа беспорядочно движущихся частиц, об их различных состояниях и о процессах, в которых они участвуют. Термодинамическая система – физический объект из очень большого числа частиц (атомов, молекул), которые совершают хаотические тепловые движения, вследствие чего главной характеристикой ее состояния является температура. Простейшей термодинамической системой является идеальный газ, между частицами которого нет сил взаимодействий. Важнейшим свойством рассматриваемых систем является самопроизвольный переход из различных неравновесных состояний в определенное равновесное состояние. Термоядерная реакция – реакция слияния (синтеза) легких ядер в более тяжелые, происходящие при температурах выше 10 млн градусов. Играют исключительно высокую роль в звездах, как источник энергии. Толерантность: 1) терпимость к иного рода взглядам, нравам, привычкам; 2) способность организма переносить неблагоприятное влияние некоторых экологических факторов; 3) полное или частичное отсутствие иммунологической реакции – потеря организмом способности вырабатывать антитела. Универсум (от лат. universum, summa rerum) – единая Вселенная; «мир как целое» или «все сущее». Фаза (от греч. phasis – появление): 1) ступень пазвития и изменения чего-либо, этап непрерывного процесса развития; 2) в биологии – одно из качественно различных состояний развивающейся природной системы, например, для насекомого череда превращений: яйцо, личинка, куколка, взрослое насекомое (имаго); 3) в физике – это состояние вещества, колебаний, сплава, электрического тока и т. д. Фазовое пространство – пространство (по существу математическое) всех координат и импульсов некоторой физической системы, такое, что определенное состояние этой системы в какой-то момент времени изображается в этом пространстве точкой, а последовательность меняющихся состояний – фазовой траекторией. Представления о фазовых пространствах служат хорошей основой для построения теорий систем многих частиц, будь то классических или квантовых. Фактор (от лат. factor – делающий, производящий) – причина, движущая сила какоголибо явления, процесса, определяющая его характер или его отдельные черты; момент, существенное обстоятельство в каком-либо процессе, явлении. Фальсификации принцип – критерий распознаваемости научной истины, предположенный английским философом Карлом Поппером. Критерием научности теории является ее фальсифицируемость или опровержимость. Если какое-либо учение построено так, что в состоянии истолковывать любые факты (астрология, теология и т. д.), т. е. учение неопровержимо в принципе, то оно не может претендовать на статус научного. Фенотип (от греч. phainon – являющийся + typos – отпечаток) – совокупность всех свойств и признаков организма, сформировавшихся в процессе его индивидуального развития (онтогенеза), в отличие от его наследственных свойств, его генотипа. Физическая картина мира – представление об универсуме, о мире и его процессах, выработанное физикой на основе эмпирического и теоретического познания. В физической картине мира отражается господствующая на тот или иной исторический момент физическая парадигма. Ферменты (другое название Энзимы) – белковые соединения, играющие роль катализаторов многих биохимических процессов в живых организмах или в искусственных средах (например в виноделии). Обладают очень высокой избирательностью к расщепляемым соединениям, механизм «узнавания» соединений на молекулярном уровне пока не известен. Филогенез – процесс исторического развития организмов, их видов, родов, семейств, отрядов, классов, типов. Филогенез следует рассматривать в единстве и взаимообусловленности с индивидуальным развитием организмов (онтогенезом). Флуктуации – случайные малые отклонения от равновесных значений параметров отдельных частиц в многочастичной системе, как правило, обусловлены хаотическим тепловым движением частиц. Фотон – квант электромагнитной энергии светового диапазона частот (по предложению Эйнштейна), в настоящее время так называют элементарные частицы с нулевой массой покоя, переносящие электромагнитные взаимодействия (силы) между заряженными частицами вещества. Фотосинтез – превращение зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами неорганических веществ и углекислого газа атмосферы в органические соединения за счет световой энергии Солнца. Включает большое число этапов преобразования химических связей. Фрактальная геометрия – геометрия объектов дробной (фрактальной) размерности (например, коры дерева, облака, береговой линии залива и пр.), предложенная и развитая бельгийским математиком Б. Мандельбротом в 1977 году. Хаос – в бытовом значении: полный беспорядок, неразбериха. В греческой мифологии – первоосновная неоформленная масса, из которой затем возникает все существующее в мире. С научной точки зрения – особое состояние многочастичной системы, удаленной от точек равновесия, при котором реализуется максимально высокие значения энтропии системы и разрушены все потенциально возможные связи и формы объединения отдельных частей. При «сбросе» части энтропии в окружающую среду, возможно возникновение упорядоченных связей и структур. Хиральность молекулярная – диссимметрия, отсутствие конгруэнтной симметрии (совпадения при наложении) у молекул живой материи, приводящее к отклонению (повороту, вращению) ими поляризованного луча света. Хищник – жертва (система) – взаимосвязь между жищником и жертовой, в результате которой эволюционно выигрывают оба; математическая модель их взаимоотношений была предложена А. Лотка и Ф. Вольтеррой в 1925-26 годах. Хозяин – паразит (система) – взаимосвязанная совокупность (иногда многовидовая) организмов, в которых или на которых паразит проходит свой цикл развития. Паразитическая ветвь развития всегда тупиковая, но формы приспособлений паразитов неисчерпаемы. Холизм (от греч. pholos – целое) – философское течение, которое рассматривает природу как иерархию «целостностей». Холизм Дж. Холдейна исходит из целостности мира как высшей и всерхватывающей целостности – и в качественном, и в организационном отношениях, в целостности, обнимающей собой области психологической, биологической, в том числе самой рациональной – физической реальности; все эти области представляют собой упрощение и обособление этой их охватывающей целостности. Хромосомы – специфические структуры в составе ядер клеток, в состав которых в линейной последовательности входят гены. Как правило, содержат две неравные по длине части. Хорошо различимы при начале деления клеток, когда они удваиваются, и начинают напоминать букву Х. У человека 22 хромосомы парные и одна – непарная, называемая Х и У–хромосомы. Наличие У–хромосомы определяет мужской пол организма человека. Царства природы – высшая, эволюционно обоснованная таксономическая категория: царства прокариот, грибов, растений и животных; царства грибов, растений и животных объединяют в надцарство эукариот; царство прокариот рассматривают и как надцарство, делимое на царства архй и бактерий. Целостность – завершенность, общее единство и взаимосогласованность элементов системы. Цитоплазма – вязкая жидкая среда (цитозоль) внутри клетки, окружающая ядро клетки и сама окруженная мембраной клетки. В ней расположены митохондрии, лизосомы, пластиды и другие органоиды. В цитозоли растворены аминокислоты, неорганические соли, ионы кальция, магния, натрия, глюкоза и другие органические соединения. В цитоплазме осуществляется синтез белков. Цепь пищевая (она же цепь питания или трофическая цепь) –последовательность групп организмов, каждая из которых (пищевое звено) служит пищей для последующей. Цикл(ы), цикличность (от греч. kyklos – круг): 1) совокупность взаимосвязанных явлений, процессов, образующих законченный круг развития в течение какого-то промежутка времени (например, в биологии циклы жизненные, развития у организмов, половой и др.); 2) определенная группа наук, дисциплин. Черная дыра – космические объекты, образующиеся при сжатии систем, масса которых превышает величину 2,5 масс Солнца. В таком случае нет сил, которые могли бы удержать вещество от гравитационного коллапса – неограниченного сжатия в бесконечно малый объем. Черные дыры могут быть образованы при взрывах сверхновых звезд или на начальной стадии эволюции вселенной. В центрах многих галактик предполагается наличие черных дыр с массами в миллионы масс Солнца. Гравитационное поле Черных дыр удерживает, как в ловушке, все излучения, однако можно обнаружить из по излучению газа и пыли, формирующих вокруг таких объектов вращающуюся воронку или диск падения вещества в бездонный колодец. Экосистема – целостный природный комплекс, образованный живыми организмами и средами их обитания, в котором живое и косное вещество обмениваются энергией и веществом Эксперимент – целенаправленное, планируемое и контролируемое воздействие на объект изучения с целью проверки гипотез или альтернативных точек зрения. Эволюция (от лат. evolution – развертывание, развитие): 1) непрерывное, постепенное количественное изменение, развитие, в отличие от революции как коренного, качественного изменения; 2) различного рода движения, связанные с перемещением, перестроением определенных элементов, единиц структуры, системы; 3) в биологии – основные характерные черты эволюции: во-первых, преемственность, во-вторых, возникновение в эволюционном процессе целесообразности (одно из наиболее уязвимых мест в теории эволюции), в-третьих, усложнение и совершенствование структур организмов от одной геологической эпохи к другой. Энтропия – многоаспектное понятие: однозначная термодинамическая функция состояния системы многих частиц, мера вероятности пребывания системы в данном состоянии, мера теплообмена при фазовых переходах в системе. В целом служит критерием направленности самопроизвольных процессов в природе – от состояния с малым значением энтропии к состояниям с большим ее значением. Эмерджентность (от англ. emergence – возникновение, появление нового) – появление нового свойства, качества в системе, которго не было у разделенных элементов системы; одно из ключевых положений синергетики. Ядро атома – центральная, положительно заряженная область атома малых размеров (примерно десять в минус пятнадцатой степени метра), состоящая из протонов и нейтронов. Ядро атома водорода содержит всего один протон. Масса ядра примерно в две тысячи раз превосходит массу электронной оболочки атома. Ядро клетки – ее важная часть, размерами от 3 до 10 микрометров. Окружена мембранной оболочкой с порами, через которые происходит обмен веществами с цитоплазмой: из ядра в нее поступают субчастицы рибосом и цепи матричной РНК, в обратном направлении поступают белки и ферменты. В объеме ядра располагаются нити хромосом, которые перед актом деления клетки скручиваются в плотную спираль, при этом укорачиваясь и утолщаясь. Возврат из справки Home Панель управления – содержит перечень разделов, а также кнопки навигации, управления программой просмотра и вызова функции поиска по тексту. Нажатие клавиши «Home» на клавиатуре вызывает переход к титульной странице документа. С титульной страницы можно осуществить переход к оглавлению (в локальной версии курса). PgUp Нажатие клавиши «PgUp» («PageUp») или показанных клавиш со стрелками на клавиатуре вызывает переход к просмотру предыдущей страницы относительно просматриваемой в настоящий момент согласно порядку их расположения в документе. PgDn Нажатие клавиши «PgDn» («PageDown») или показанных клавиш со стрелками на клавиатуре вызывает переход к просмотру следующей страницы относительно просматриваемой в настоящий момент согласно порядку их расположения в документе. Просматриваемый в данный момент раздел. Доступные разделы. Alt + F4 В зависимости от текущего активного раздела в перечне могут присутствовать подразделы этого раздела. Нажатие комбинации клавиш «Alt»+«F4» на клавиатуре вызывает завершение работы программы просмотра документа (в локальной версии курса). Кнопка переключения между полноэкранным и оконным режимом просмотра. Нажатие левой клавиши «мыши» или вращение колёсика в направлении «от себя» вызывает переход к просмотру следую щей страницы относительно просматриваемой в настоящий момент согласно порядку их расположения в документе. Кнопки последовательного перехода к предыдущей и следующей страницам. Кнопка возврата к предыдущему виду. Используйте её для обратного перехода из глоссария. Кнопка вызова функции поиска по тексту. Нажатие правой клавиши «мыши» или вращение колёсика в направлении «к себе» вызывает переход к просмотру предыдущей страницы относительно просматриваемой в настоящий момент согласно порядку их расположения в документе. Кнопка перехода к справочной (этой) странице. Кнопка завершения работы.
