Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

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

Современная химия  предстает перед нами как исключительно многогранная и разветвленная система знаний, для которой характерно интенсивное развитие. Важнейшим стратегическим ориентиром этого процесса является все более тесный синтез химии как науки и химии как технологии промышленного производства.

3. Достижения в области биологии

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

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

Утвердилось понятие  хромосомы как структурного ядра клетки, содержащего дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК)

— высокомолекулярное соединение, носитель наследственных признаков.

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

Развитию генетики способствовали в большой мере исследования известного американского биолога, одного из основоположников этой науки, Томаса Ханта Моргана (1866— 1945). Он сформулировал хромосомную теорию наследственности.  Хромосомная теория наследственности сделала более понятными явления расщепления в наследовании признаков.

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

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

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

3.1.Молекулярная  биология

Прогресс в  области изучения макромолекул до второй половины нашего века был сравнительно медленным, но благодаря технике  физических методов анализа, скорость его резко возросла.

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

Расшифровку молекулы ДНК произвели в 1953 г. Ф. Крик (Англия) и Д. Уотсон (США). Уотсону и Крику  удалось построить модель молекулы ДНК, напоминающую двойную спираль. Наряду с изучением нуклеиновых  кислот и процессом синтеза белка  в молекулярной биологии большое  значение с самого начала имели исследования структуры и свойств самих  белков. Параллельно с расшифровкой аминокислотного состава белков проводились исследования их пространственной структуры. Несмотря на молодость молекулярной биологии, успехи, достигнутые ею в  этой области, ошеломляющи. За сравнительно короткий срок были установлены природа гена и основные принципы его организации, воспроизведения и функционирования. Полностью расшифрован генетический код, выявлены и исследованы механизмы и главные пути образования белка в клетке. Полностью определена первичная структура многих транспортных РНК. Установлены основные принципы организации разных субклеточных частиц, многих вирусов, и разгаданы пути их биогенеза в клетке. Другое направление молекулярной генетики — исследование мутации генов. Современный уровень знаний позволяет не только понять эти тонкие процессы, но и использовать их в своих целях. Разрабатываются методы генной инженерии, позволяющие внедрить в клетку, желаемую генетическую информацию. В 70-е гг. появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помощью электрофореза.

В 1981 г. процесс  выделения генов и получения  из них различных цепей был  автоматизирован. Генная инженерия  в сочетании с микроэлектроникой  предвещают возможности управлять  живой материей почти так же, как  неживой. В последнее время в  средствах массовой информации активно  обсуждаются опыты по клонированию и связанные с этим нравственные, правовые и религиозные проблемы. Еще в 1943 году журнал «Сайенс» сообщил  об успешном оплодотворении яйцеклетки в «пробирке». Далее события развивались  следующим образом:1973 г. — профессор  Л. Шетлз из Колумбийского университета в Нью-Йорке заявил, что он готов  произвести на свет первого «бэби  из пробирки», после чего последовали  категорические запреты Ватикана и пресвитерианской церкви США; 1978 г. — рождение в Англии Луизы Браун, первого ребенка «из пробирки»; 1997 г. - 27 февраля «Нейчур» поместил на своей обложке — на фоне микрофотографии яйцеклетки — знаменитую овечку Долли, родившуюся в институте Рослин в Эдинбурге.

1997 г. — в  самом конце декабря журнал  «Сайенс» сообщил о рождении  шести овец, полученных по рослинскому  методу. Три из них, в том  числе и овечка Долли, несли  человеческий ген «фактора IX», или кровоостанавливающего белка, который необходим людям, страдающим гемофилией, то есть несвертываемостью крови; 1998 г.- начало марта — французские ученые объявили о рождении клонированной телочки.

Все это открывает  уникальные перспективы для человечества. Клонирование органов и тканей —  это задача номер один в области  трансплантологии, травматологии и  в других областях медицины и биологии. При пересадке клонированного органа не надо думать о подавлении реакции  отторжения и возможных последствиях в виде рака, развившегося на фоне иммунодефицита. Клонированные органы станут спасением  для людей, попавших в автомобильные  аварии или какие-нибудь иные катастрофы, или для людей, которым нужна  радикальная помощь из-за заболеваний  пожилого возраста (изношенное сердце, больная печень и т. д.).

3.2. Расшифровка генома  человека

Первоначально (в 1988 г.) средства на изучение генома человека выделило министерство энергетики США, и одним из руководителей программы  «Геном человека» стал профессор  Чарлз Кэнтор.

В 1990 г. Нобелевский  лауреат Джеймс Уотсон начал лоббирование конгресса США, и вскоре конгресс распорядился выделить сразу сотни  миллионов долларов на изучение генома человека. Эти средства были добавлены  к бюджету министерства здравоохранения, оттуда они перетекли в ведение  дирекции сети институтов, объединенных под общим названием — Национальные институты здоровья (National Institutes of Health, сокращенно NIH). В составе NIH появился новый институт — Национальный институт исследования генома человека (NHGRI, директор Фрэнсис Коллинз).

В мае 1992 г. ведущий  сотрудник NIH Крэйг Вентер подал заявление об уходе и объявил, о создании нового, частного исследовательского учреждения — Института геномных исследований (The Institute for Genomic Research, сокращенно - TIGR, или ТИГР).При первоначальном объявлении сроков завершения проекта в 2003 г. предполагалось, что точность исследования генома составит 99,99%. Потом сроки подвинули, основываясь на том, что для биологов и медиков хватит и 90% -ой точности, зато отрапортовать о завершении генома можно будет к концу 2000 г.

2 декабря 1999 г. журнал «Nature» обнародовал данные, касающиеся крупного прорыва в исследовании генома человека: в основном усилиями английских ученых при активном участии других европейских, японских и американских лабораторий был завершен полный анализ одной из хромосом человека (правда, одной из самых маленьких) — хромосомы 22. Описание генома человека ученым удалось получить значительно раньше планировавшихся сроков (2005—2010 гг.). Уже в канун нового, XXI в. были достигнуты сенсационные результаты в деле реализации указанного проекта. Оказалось, что в геноме человека — от 30 до 40 тысяч генов (вместо предполагавшихся ранее 80—100 тысяч). Это ненамного больше, чем у червяка (19 тысяч генов) или мухи-дрозофилы (13,5 тысячи).

Расшифровка генома человека дала огромную, качественно  новую научную информацию для  фармацевтической промышленности. Вместе с тем оказалось, что использовать это научное богатство фармацевтической индустрии сегодня не по силам. Нужны  новые технологии, которые появятся, как предполагается, в ближайшие 10-15 лет. Именно тогда станут реальностью  лекарства, поступающие непосредственно  к больному органу, минуя все побочные эффекты. Выйдет на качественно новый  уровень трансплантология, получат  развитие клеточная и генная терапия, радикально изменится медицинская  диагностика и т. д.

4. Звезды и их эволюция

Звезда начинает свое существование как сжимающийся  под действием собственного тяготения  сгусток вещества. В ходе сжатия давление, температура и плотность  в центральной области звезды достигают больших значений, и  возникает термоядерная реакция, которая  является источником энергии, излучаемой звездой. После того как ядерные  источники энергии в ней оказываются  исчерпанными, в зависимости от массы  звезды (точнее массы ее ядра т₃) существует три возможности ее дальнейшей эволюции.

Если т₃ < 1,4111с (тс - масса Солнца), то сжатие звезды прекращается, когда ее плотность достигает 10⁹ кг/м³ и возникает белый карлик - звезда размером с Землю и светимостью в тысячу и более раз, ниже светимости Солнца.,

Если 1,4П1с < т₃ < 2 т_с, то сжатие звезды прекращается, когда ее плотность достигает 10¹⁸ кг/м³ и возникает нейтронная звезда - звезда диаметром около 20 км и состоящая в основном из нейтронов.

      Если  т, > (2 - 3) тс, то стремительное сжатие ведет к неограниченно большой  плотности и неограниченно малым  размером звезды и возникает черная дыра. Хотя по человеческой шкале времени  звезды и кажутся вечными, они, подобно  всему сущему в природе, рождаются, живут и умирают. Согласно общепринятой гипотезе газопылевого облака звезда зарождается в результате гравитационного сжатия межзвездного газопылевого облака. По мере уплотнения такого облака сначала образуется протозвезда, температура в ее центре неуклонно растет, пока не достигает предела, необходимого для того, чтобы скорость теплового движения частиц превысила порог, после которого протоны способны преодолеть макроскопические силы взаимного электростатического отталкивания и вступить в реакцию термоядерного синтеза. В результате многоступенчатой реакции термоядерного синтеза из четырех протонов в конечном итоге образуется ядро гелия (2 протона + 2 нейтрона) и выделяется целый фонтан разнообразных элементарных частиц. В конечном состоянии суммарная масса образовавшихся частиц меньше массы четырех исходных протонов, а значит, в процессе реакции выделяется свободная энергия. Из-за этого внутренне ядро новорожденной звезды быстро разогревается до сверхвысоких температур, и его избыточная энергия начинает выплескиваться по направлению к ее менее горячей поверхности — и наружу. Одновременно давление в центре звезды начинает расти. Таким образом, «сжигая» водород в процессе термоядерной реакции, звезда не дает силам гравитационного притяжения сжать себя до сверхплотного состояния, противопоставляя гравитационному коллапсу непрерывно возобновляемое внутреннее термическое давление, в результате чего возникает устойчивое энергетическое равновесие. О звездах на стадии активного сжигания водорода говорят, что они находятся на «основной фазе» своего жизненного цикла или эволюции. Превращение одних химических элементов в другие внутри звезды называют ядерным синтезом или  нуклеосинтезом. В частности, Солнце находится на активной стадии сжигания водорода в процессе активного нуклеосинтеза уже около 5 миллиардов лет, и запасов водорода в ядре для его продолжения нашему светилу должно хватить еще на 5,5 миллиарда лет. Чем массивнее звезда, тем большим запасом водородного топлива она располагает, но для противодействия силам гравитационного коллапса ей приходится сжигать водород с интенсивностью, превосходящей по темпу роста темп роста запасов водорода по мере увеличения массы звезды. Таким образом, чем массивнее звезда, тем короче время ее жизни, определяемое исчерпанием запасов водорода, и самые крупные звезды в буквальном смысле сгорают за «какие-то» десятки миллионов лет. Рано или поздно, однако, любая звезда израсходует весь пригодный для сжигания в своей термоядерной топке водород. Что дальше? Это также зависит от массы звезды. Солнце (и все звезды, не превышающие его по массе более чем в восемь раз) заканчиваю свою жизнь весьма банальным образом. По мере истощения запасов водорода в недрах звезды силы гравитационного сжатия, терпеливо ожидавшие этого часа с самого момента зарождения светила, начинают одерживать верх — и под их воздействием звезда начинает сжиматься и уплотняться. Этот процесс приводит к двоякому эффекту: Температура в слоях непосредственно вокруг ядра звезды повышается до уровня, при котором содержащийся там водород вступает, наконец, в реакцию термоядерного синтеза с образованием гелия. В то же время температура в самом ядре, состоящем теперь практически из одного гелия, повышается настолько, что уже сам гелий — своего рода «пепел» затухающей первичной реакции нуклеосинтеза — вступает в новую реакцию термоядерного синтеза: из трех ядер гелия образуется одно ядро углерода. Этот процесс вторичной реакции термоядерного синтеза, топливом для которого служат продукты первичной реакции, — один из ключевых моментов жизненного цикла звезд.   При вторичном сгорании гелия в ядре звезды выделяется так много энергии, что звезда начинает буквально раздуваться. В частности, оболочка Солнца на этой стадии жизни расширится за пределы орбиты Венеры. При этом совокупная энергия излучения звезды остается примерно на том же уровне, что и в течение основной фазы ее жизни, но, поскольку излучается эта энергия теперь через значительно большую площадь поверхности, внешний слой звезды остывает до красной части спектра. Звезда превращается в красный гигант.  Для звезд класса Солнца после истощения топлива, питающего вторичную реакцию нуклеосинтеза, снова наступает стадия гравитационного коллапса — на этот раз окончательного. Температура внутри ядра больше не способна подняться до уровня, необходимого для начала термоядерной реакции следующего уровня. Поэтому звезда сжимается до тех пор, пока силы гравитационного притяжения не будут уравновешены следующим силовым барьером. В его роли выступает давление вырожденного электронного газа. Электроны, до этой стадии игравшие роль безработных статистов в эволюции звезды, не участвуя в реакциях ядерного синтеза и свободно перемещаясь между ядрами, находящимися в процессе синтеза, на определенной стадии сжатия оказываются лишенными «жизненного пространства» и начинают «сопротивляться» дальнейшему гравитационному сжатию звезды. Состояние звезды стабилизируется, и она превращается в вырожденного белого карлика, который будет излучать в пространство остаточное тепло, пока не остынет окончательно.