Концепции современного естествознания

"Истина скрыта в глубине (лежит на дне морском)" Великий философ древности Демокрит V в. до н. э. Часто встречающееся утверждение: главная цель естествознания - ус-тановление законов природы, открытие скрытых истин - явно или неявно предполагает, что истина где-то уже есть и существует в готовом виде, ее на-до только найти, отыскать как некое сокровище. Приведенное выше утверждение имеет два аспекта. Первый в какой мере можно доверять научным результатам, т. е. вопрос о качестве работы ученого.Второй аспект - философский - гораздо более тонкий и связан с во-просом о том, что же называть истиной.

Начнем с первого. Приходится констатировать, что научная продукция на своем пути к научной истине переполнена ошибочными результатами.Ошибочными не в том объективном смысле, что некоторые теории и пред-ставления со временем отмирают, уступая место новым, или результаты экс-перимента всегда сопровождаются вполне определенной абсолютной ошиб-кой, а в гораздо более простом смысле, когда предлагаемый результат не вы-держивает проверки на соответствие актуальным критериям правильности.

Ошибочные формулы, неверные доказательства, неправильные условия, не-соответствие фундаментальным законам естествознания и тому подобные являются, к сожалению, не исключением, а правилом. Для определения со-стоятельности или несостоятельности научных результатов проводятся их экспертная оценка, оппонирование и рецензирование. Эффективна ли такая процедура? Приведем некоторые цифры.В годы Второй мировой войны на-циональный совет изобретений США рассмотрел 208975 заявок на изобрете-ния. Из них, не противоречащих здравому смыслу, оказалось 8615 (чуть больше 4%), а реализовано всего 106 (меньше 0,05%). До недавнего времени в отечественных академических журналах после рецензирования публиковалась примерно каждая пятая работа из всех пред-ставленных к публикации.

Добросовестное оппонирование позволяет суще-ственно сократить поток несостоятельных работ, представленных на соиска-ние ученой степени.

Естествознание тем или иным способом систематизирует наши наблю-дения над природой. При этом нельзя считать, например, теорию кривых второго порядка приближенной на том основании, что в природе в точности кривых второго порядка нет. В современном представлении истина - правильное, адекватное отра-жение предметов и явлений действительности познающим субъектом, вос-производящее их так, как они существуют вне и независимо от сознания.Ис-тина объективна по содержанию, но субъективна по форме как результат деятельности человеческого мышления.

Можно говорить об относительной истине как отражающей предмет не полностью, а в объективно обусловлен-ных пределах. Абсолютная истина полностью исчерпывает предмет позна-ния. Всякая относительная истина содержит элемент абсолютного знания. Абсолютная истина складывается из суммы относительных истин. Истина всегда конкретна.Как бы ни представлялось содержание истины, занимающее умы вели-ких ученых с древних времен, и как бы ни решался весьма сложный вопрос о предмете науки в целом и естествознании в частности, одно очевидно: есте-ствознание есть чрезвычайно эффективный, мощный инструмент, не только позволяющий познать окружающий мир, но и приносящий громадную поль-зу. Вряд ли вызывает сомнение утверждение: математика нужна всем вне зависимости от рода занятий и профессии.

Однако для различных людей нужна и различная математика: для продавца может быть достаточно знаний простейших арифметических операций, а для истинного естествоиспытателя обязательно нужны глубокие знания современной математики - только на их основе возможны открытие законов природы и познание ее гармонического развития.

Иногда к познанию математики влекут и субъективные побужде-ния. Об одном из них Луций Анней Сенека (4 до н. э 65 н. э.), римский пи-сатель и философ, писал: Александр, царь Македонский, принялся изучать геометрию — несчастный! — только с тем, чтобы узнать, как мала земля, чью ничтожную часть он захватил.

Несчастным я называю его потому, что он должен был понять ложность своего прозвища, ибо можно ли быть великим на ничтожном пространстве». Возникает вопрос: может ли серьезный естест-воиспытатель обойтись без глубокого познания математики? Да, может.На-пример, Чарльз Дарвин, обобщая результаты собственных наблюдений и достижения современной ему биологии, вскрыл основные факторы эволюции органического мира. Причем он это сделал, не опираясь на хорошо разрабо-танный к тому времени математический аппарат, хотя и высоко ценил мате-матику.

Кто знает - может быть, обладание математическим чувством позво-лило бы Дарвину внести еще больший вклад в познание гармонии природы. Известно, что еще в древние времена математике придавалось большое значение.Девиз первой Академии - платоновской Академии - "Не знающие математики сюда не входят" - ярко свидетельствует о том, насколько высоко ценили математику на заре развития науки, хотя в те времена основным предметом науки была философия. Академия Платона (428/427 - 348/347 до н. э.), одного из основоположников древнегреческой философии первая философская школа, имевшая на первый взгляд весьма косвенное отношение к математике.

Простейшие в современном понимании математические начала, вклю-чающие элементарный арифметический счет и простейшие геометрические измерения, служат отправной точкой естествознания.Тот, кто хочет решить вопросы естественных наук без помощи матема-тики, ставит неразрешимую задачу. Следует измерять то, что измеримо, и де-лать измеримым то, что таковым не является.

Химией называют науку о химических элементах и их соединениях. Любое вещество состоит из химических элементов и их соединений. Свойст-ва вещества определяются: • его элементным и молекулярным составом; • структурой его молекул; • термодинамическими и кинетическими условиями, в кото-рых вещество находится в процессе химической реакции; • уровнем химической организации вещества.История развития химических концепций начинается с древних вре-мен. Демокрит, Эпикур и другие представители древней натурфилософии высказывали гениальные мысли о том, что все тела состоят из атомов раз-личной величины и разной формы, что и обусловливает их качественное раз-личие.

Аристотель и Эмпедокл объясняли все видимое разнообразие тел при-роды с антиатомистических позиций: они считали, что в телах сочетаются различные элементы-стихии или элементы-свойства: тепло и холод, сухость и влажность.Подобное учение об элементах-свойствах было развито в алхи-мии, которая изобиловала такими, например, рецептами приготовления не-обходимых веществ: " возьмите немного горючести, прибавьте к нему теку-чести, отнимите влажность " и т.п. Однако ни идеи Демокрита об атомах, ни представления Эмпедокла об элементах-стихиях не нашли применения ни в металлургии, ни в стеклоделии, ни в гончарном ремесле.

Первый, по-настоящему действенный, способ определения свойств вещества был предложен во второй половине XVII в. английским ученым Р. Бойлем (1627- 1691). Результаты экспериментальных исследований Р. Бойля показали, что качества и свойства тел зависят от того, из каких материальных элементов они состоят. Возникшее таким образом учение о составе вещества существу-ет и сегодня и продолжает развиваться на качественно новом уровне.

Учение о составе занимало монопольное положение вплоть до 30-40-х годов прошлого века. К тому времени мануфактурная стадия производства с ручной техникой и ограниченным ассортиментом сырья сменялась фабрич-ной стадией с машинной техникой и широкой сырьевой базой.

В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс веществ расти-тельного и животного происхождения, качественные разнообразия которых потрясающе велики - сотни тысяч химических соединений, а состав крайне однообразен - лишь несколько элементов-органогенов: углерод, водород, ки-слород, сера, фосфор.Объяснения необычайно широкому разнообразию ор-ганических соединений при столь многообразном их элементном составе стали искать не только в их составе, но и в структуре молекул.

В 1860 г. выдающимся русским химиком А.М. Бутлеровым (1828- 1886) была создана теория химического строения вещества - возник более высокий уровень развития химических знаний - структурная химия. Период становления структурной химии иногда называют, "триум-фальным маршем органического синтеза". В этот период зарождалась техно-логия органических веществ.Были получены всевозможные красители для тканей, искусственный шелк и т.п. Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в первой половине XX в. выдвинуло новые требования к производству материалов.

Необходимо было получать высоко-октановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмас-сы, высоко стойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения таких материалов знаний о со-ставе и структуре вещества было недостаточно.Под влиянием новых требований производства возникло учение о хи-мических процессах, в котором учитывалось изменение свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов.

Та-кое учение способствовало организации много тоннажного производства синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных ра-ботах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и сма-зочных материалов.Производство искусственных волокон, каучуков, этило-вого спирта и многих растворителей стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений - на основе азота воздуха. Появилась тех-нология нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспе-чивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.

В 1960- 1970 гг. появился следующий, более высокий, уровень химиче-ских знаний - эволюционная химия.В основе ее лежит принцип самооргани-зации химических систем, т. е. принцип применения химического опыта вы-сокоорганизованной живой природы.

Молекула – наименьшая структурная единица химического соедине-ния, обладающая его главными химическими свойствами. Молекулы про-стых веществ состоят из одинаковых атомов, сложных – из разных атомов. Инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон) находятся в од-ноатомном состоянии. Существует большое количество соединений, молеку-лы которых состоят из многих тысяч атомов (искусственные полимеры, бел-ки, целлюлоза). Такие молекулы называются макромолекулами.Как известно, химия изучает процессы превращения молекул при взаи-модействиях и при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи.

Под химической связью понимается результат взаимодей-ствия между атомами, выражающийся в создании определенной конфигура-ции атомов, отличающих один тип молекулы от другого.Рис. 1а «Ионная вязь» Рис. 1б «Ковалентная связь» В молекуле выделяют два основных типа связей: ионную и ковалент-ную, а также водородную. При ионной связи один атом отдает другому один или несколько элек-тронов, и так каждый атом становится обладателем стабильного числа элек-тронов.

Например, у атома хлора для стабильности недостает одного элек-трона, а у атома натрия во внешней оболочке - только один электрон. Его принимает атом хлора, и тогда у натрия протонов становится больше, чем электронов.Атомы натрия и хлора, превратившись в положительно и отри-цательно заряженные ионы, притягиваются друг к другу и образуют пова-ренную соль. При ковалентной связи двух атомов возникает обобществленная пара электронов, по одному от каждого атома (пример – молекула водорода). Оба атома притягивают эту пару электронов с одинаковой силой, и электроны (или электронное облако) находятся большее время между ними. Если кова-лентная связь образуется между атомами разных элементов, то электронное облако оказывается смещенным, т.е. большее время находится ближе к более притягивающему атому.

Такую связь называют полярной, или электрически несимметричной (в последнем случае одна приближается к ионной). Водородная связь названа так из-за атома водорода, который соединен ковалентной связью с другим атомом (например, кислорода или азота) так, что положительной оказывается водородная часть молекулы.

Этот частично положительный водородный «край» притягивается третьим, отрицательно заряженным атомом (опять же кислорода или азота). Эта связь слабее, чем две предыдущие, но широко распространена в живой материи.

Практически, можно сказать, что на ней держится мир живого. Силы взаимодействия между атомами являются короткодействующими (радиус действия r ~10-9 м, размер атома ~ 10-10м). Причем одновременно действуют как силы притяжения, так и силы отталкивания, но они по-разному зависят от расстояния. При r = r0 – состояние устойчивого равнове-сия, на этом расстоянии и находятся атомы, образующие молекулу.Если увеличить r - увеличиваются силы притяжения и возвращают систему в ис-ходное состояние.

При r < r0 силы отталкивания также возвращают систему в состояние устойчивого равновесия. Химические связи можно рассматривать с точки зрения превращения энергии: если при создании молекулы ее энергия меньше, чем сумма энергий составляющих ее атомов, то она может существовать, т.е. ее связь устойчива.Устойчивым считается состояние, в котором потенциальная энергия мини-мальна, поэтому при образовании молекулы атомы находятся в потенциаль-ной яме, совершая небольшие тепловые колебания около положения равно-весия (см. рис.2). Расстояние от вертикальной оси до дна ямы соответствует равновесию – на этом расстоянии находились бы молекулы, если бы прекра-тилось тепловое движение.

Точки левее дна соответствуют отталкиванию, правые – притяжению. Крутизна кривой выражает силу взаимодействия ме-жду атомами: чем круче кривая, тем больше сила взаимодействия.Для разных пар атомов различны не только расстояния от вертикаль-ной оси до дна ямы, но и глубина ям. Действительно, для того, чтобы вы-браться из ямы, нужна энергия, соответствующая глубине ямы. Поэтому глу-бину ямы можно назвать энергией связи частиц, или энергией ассоциации.

Энергия, необходимая для разложения молекулы на атомы, называется энер-гией диссоциации. Она равна энергии ассоциации.Насыщаемость молекул, т.е. способность присоединять атомы, опреде-ляет их постоянный состав для данного вещества и связана с валентностью – свойством атомов (или группы атомов) соединяться с некоторым числом других атомов.

Величина валентности определяется числом атомов водорода (или другого одновалентного элемента), с которыми соединяется атом данно-го элемента. Химические реакции – это основа химии.Одни реакции идут в обе стороны (тогда и стрелки в уравнении реакции рисуют в обе стороны), т.е. являются обратимыми, другие только в одну, третьи – вообще не идут. Здесь важно представлять, от чего зависит возможность осуществления реакции, т.е. перестройки химических связей.

Ответ на этот вопрос дает термодинами-ка. Рассмотрим условия самопроизвольного развития химической реакции и условия ее возникновения. Допустим, вы прижгли ранку перекисью водорода (неустойчивое соединение), но обратной реакции не будет.Термодинамика объясняет это так: реакция пойдет только при уменьшении энергии веществ и увеличении энтропии1. В самом деле, энтропия растет, так как в малой мо-лекуле воды (она меньше, чем молекула перекиси водорода) расположение атомов менее упорядочено, чем в большой. Реакция возможна, если она со-провождается уменьшением величины свободной энергии F = E – TS. (Пример с камнем: когда он падает в поле сил тяготения, его потенциальная энергия уменьшается – обратно он самопроизвольно не поднимется). В химических реакциях обязателен и учет изменения энтропии, так как возможность реакции еще не означает, что она самопроизвольно пой-дет. Развитие квантовой химии позволило рассмотреть на микро уровне протекание реакций, отдельные молекулы и их электронные структуры.

Ис-пользование термодинамического подхода, описывающего не отдельные объекты, а систему в целом, позволяет глубже понять тенденции протекания реакций.

Свободные радикалы. В прошлом столетии только два типа частиц считали участвующими в химических реакциях: атомы и молекулы. В 1900 г. Мозес Гомберг (Украина) обнаружил третью – свободный радикал.Он выделил неко-торое соединение, способное вступать в реакции, и доказал, что оно пред-ставляет из себя половину молекулы (обозначается точкой над символом, на-пример). Подводя некоторый итог, можно сказать, что при химических превра-щениях на первый план выступают реакционная способность, энергетические и энтропийные возможности, каталитические и кинетические закономерно-сти. 1Понятие энтропии первоначально возникло в термодинамике.

Это сло-во ввел еще в 19-м веке Клаузис для определения термодинамических цик-лов. В 1945 году Клод Шеннон ввел энтропию в теорию информации, став-шую основой кибернетики.

Энтропия у него означала меру информации. Статистическая физика рассматривала энтропию как меру вероятности пре-бывания системы в данном состоянии В общем случае, в химической системе имеют место как прямые, так и обратные реакции, причем большинство химических реакций не идут до конца.Здесь становится важным понятие равновесия между прямой и обрат-ной реакциями. В какой-то момент их скорости сравняются, и в данной сис-теме при данных условиях установится динамическое равновесие.

Вывести систему из равновесия можно, только изменив условия согласно принципу, предложенному в 1884 г. Анри Луи Ле Шателье (1850-1936): «если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия. Напри-мер, увеличить давление, то произойдет реакция, сопровождающаяся умень-шением объема, и наоборот.Если же такие реакции происходят без измене-ния объема, то изменение давления не будет влиять на равновесие». Другая, современная формулировка этого принципа следующая: Внешнее воздействие, которое выводит систему из термодинамическо-го равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление ре-зультатов такого воздействия.

Ле Шателье применял этот закон в промышленных условиях для опти-мизации синтеза аммиака, производства стекла и цемента, выплавки метал-лов, получения взрывчатых веществ. Как оказалось, катализаторы не влияют на положение равновесия: они одинаково влияют на прямую и обратную ре-акции, ускоряют достижение равновесия, но не сдвигают его. В настоящее время принцип Ле Шателье рассматривается как общий принцип стабильности, согласующий взаимосвязи между элементами Все-ленной (Универсума), в своей расширенной трактовке он может быть рас-пространен на живые системы, на социальные системы.

Так, с появлением жизни возникает принцип отбора, основанный на стремлении живого сохра-нить свой гомеостаз, т.е. целостность и равновесие, как самого организма, так и популяции.Принцип Ле Шателье, таким образом, связан с глубокими основами мироздания.

Эволюционная химия вошла в науку и практику сравнительно недавно - в 50-60-х годах. Если биологи к тому времени широко использовали эволю-ционную теорию Дарвина, то химики не проявляли активного интереса к происхождению видов, составляющему сущность эволюционной теории.Не без оснований считалось, что получение любого нового химического вещест-ва всегда было делом рук и достоянием разума человека: молекулы нового химического соединения конструировались по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание строится из кирпичей или блоков.

Живые же организмы подобным образом собрать нельзя. Но, несмотря на это, назревали эволюционные проблемы и для химических объектов, связан-ные с самопроизвольным (без участия человека) синтезом новых химических соединений - более сложных и высокоорганизованных продуктов по сравне-нию с исходными веществами.В этой связи эволюционную химию считают предтечей биологии - наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

Истоки эволюционной химии уходят в далекое прошлое. Они связаны с давнишней мечтой химиков - освоить опыт лаборатории живого организма и понять, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь.Первым ученым, осознавшим важность исключительно высо-кой упорядоченности, организованности и эффективности процессов в жи-вых организмах, был один из основателей органической химии, шведский ученый Якоб Берцелиус (1779- 1848). Именно он впервые установил, что ос-новой лаборатории живого организма является катализ, а точнее, биокатализ.

Идеально совершенные превращения посредством катализа способна произ-водить лаборатория живого организма - так считали немецкий ученый Ю. Либих (1803- 1873), французский естествоиспытатель М. Бертло (1827-1907) и многие другие химики XIX в. Химический анализ живой природы остается актуальным и по сей день. Предполагается, что, используя принципы химии организмов, можно построить совершенно новую химию, основанную на необычном управлении химическими процессами.

Будут созданы аналогичные катализаторы, далеко превосходящие промышленные аналоги последнего времени. Тогда станет возможным преобразование солнечной энергии с большим коэффициентом полезного действия в другие виды энергии: химическую, электрическую, те-пловую.Возможно, сочетание биохимической энергетики с синтезом поли-мерных материалов приведет к созданию такой макромолекулы, которая по-добно нашим мышцам будет способна превратить химическую энергию в механическую. Такие задачи могут показаться фантазией.

Можно привести примеры, когда в науке многие проблемы вначале казались тоже фантастическими.В свое время это были проблемы строения атома и его ядра. Прошло около полстолетия экспериментальных и теоретических исследований - и первона-чальные идеи вылились в реальную возможность получения атомной энер-гии. Интенсивные исследования последнего времени направлены на выяс-нение как материального состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме.

Такие по содержанию исследования проводят и химики-органики, и биохимики, и даже медики.При этом, решая одни и те же задачи, они ставят разные цели. Химиков-органиков интересуют перспективы создания более сложных веществ путем конструирования их молекул для реализации возможностей синтеза аналогов органических соединений, образующихся в живых организмах. Биологи пре-следуют цель изучения субстратной и функциональной основ жизнедеятель-ности организмов.

Медики стремятся выяснить границы между нормой и па-тологией в организмах. Объединяет все эти исследования идея о ведущей ро-ли ферментов или, в более широком смысле, биорегуляторов в процессе жиз-недеятельности.Эта идея, впервые предложенная великим французским ес-тествоиспытателем Луи Пастером (1822- 1895), остается основополагающей и по сей день при изучении химии живой природы в рамках динамической биохимии, основной предмет которой - химические процессы, происходящие в живом организме.

В то же время изучением молекулярного состава и структуры ткани живого и неживого организма занимается статическая био-химия. Динамическая биохимия родилась на рубеже XVIII и XIX столетий, ко-гда начали различать процессы дыхания и брожения, ассимиляции и дисси-миляции как некие превращения веществ.История исследования брожения включает не только определенные этапы познания действительности, но и трудности проникновения в тайны живого: веру в жизненную силу, надежды Берцелиуса на особые функции катализа в жизнедеятельности организмов, упрощенные представления "чистых химиков" - Либиха и Бертло о брожении как действии обычных химических сил, гениальные предвидения Пастера о различиях между бесклеточным брожениям и ферментом живой деятельно-сти дрожжевых клеток и, наконец, открытие белковой основы ферментов и их глубокой дифференциации, а вслед за этим участия на различных стадиях брожения различных ферментов.

Исследование брожения составляет основной предмет ферментологии - стержневой отрасли знаний о процессах жизнедеятельности.

На протяжении весьма длительной истории исследования процесс биокатализа рассматри-вался с двух разных точек зрения. Одной из них, условно названной химиче-ской, придерживались Ю. Либих и М. Бертло, а другой - биологической - Л. Пастер. В химической концепции весь катализ сводился к обычному химиче-скому катализу.Несмотря на упрощенный подход в рамках концепции были установлены важные положения: аналогия между биокатализом и катализом, между ферментами и катализаторами; наличие в ферментах двух неравно-ценных компонентов - активных центров и носителей; заключение о важной роли ионов переходных металлов и активных центров многих ферментов; вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики; све-дение в отдельных случаях биокатализа к катализу неорганическими агента-ми. В начале развития биологическая концепция не располагала столь об-ширными экспериментальными подтверждениями.

Ее основной опорой были труды Л. Пастера и, в частности, его прямые наблюдения за деятельностью молочнокислых бактерий, которые позволили выявить брожение и способ-ность микроорганизмов получать необходимую им энергию для жизнедея-тельности путем брожения.

Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне материальной организации ферментов.Однако все его дово-ды, если и были не опровергнуты, то, по крайней мере, отодвинуты на зад-ний план после открытия внеклеточного брожения.

Однако с течением времени концепция Пастера победила. О перспек-тивности данной концепции свидетельствуют современные эволюционный катализ и молекулярная биология.С одной стороны, установлено, что состав и структура биополимерных молекул представляют собой единый набор для всех живых существ, вполне доступный для исследования физических и хи-мических свойств - одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизнедеятельности.

С дру-гой стороны, доказана исключительная специфичность живого, проявляю-щаяся не только в высших уровнях организации клетки, но и в поведении фрагментов живых систем на молекулярном уровне, на котором отражаются закономерности других уровней. Специфичность молекулярного уровня жи-вого заключается в существенном различии принципов действия катализато-ров и ферментов, в различии механизмов образования полимеров и биополи-меров, структура которых определяется только генетическим кодом и, нако-нец, в своем необычном факте: многие химические реакции окисления-восстановления в живой клетке могут происходить без непосредственного контакта между реагирующими молекулами.

А это означает, что в живых системах могут происходить такие химические превращения, которые не об- наруживались в неживом мире. Генная инженерия появилась благодаря работам многих исследовате-лей в разных отраслях биохимии и молекулярной генетики.На протяжении многих лет главным классом макромолекул считали белки.

Существовало даже предположение, что гены имеют белковую природу. Лишь в 1944 году Эйвери, Мак Леод и Мак Карти показали, что носителем наследственной ин-формации является ДНК. С этого времени начинается интенсивное изучение нуклеиновых кислот. Спустя десятилетие, в 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик создали двуспиральную модель ДНК. Именно этот год принято считать го-дом рождения молекулярной биологии.На рубеже 50 - 60-х годов были выяснены свойства генетического кода, а к концу 60-х годов его универсальность была подтверждена эксперимен-тально.

Шло интенсивное развитие молекулярной генетики, объектами кото-рой стали E. coli, ее вирусы и плазмиды. Были разработаны методы выделе-ния высокоочищенных препаратов неповрежденных молекул ДНК, плазмид и вирусов.ДНК вирусов и плазмид вводили в клетки в биологически актив-ной форме, обеспечивая ее репликацию и экспрессию соответствующих ге-нов. В 70-х годах был открыт ряд ферментов, катализирующих реакции пре-вращения ДНК. Особая роль в развитии методов генной инженерии принад-лежит рестриктазам и ДНК-лигазам.

Историю развития генетической инженерии можно условно разделить на три этапа: 1. Первый этап связан с доказательством принципиальной возможности получения рекомбинантных молекул ДНК in vitro. Эти работы касаются получения гибридов между различными плазмидами.Была доказана возможность создания рекомбинантных молекул с ис-пользованием исходных молекул ДНК из различных видов и штаммов бактерий, их жизнеспособность, стабильность и функционирование. 2. Второй этап связан с началом работ по получению реком-бинантных молекул ДНК между хромосомными генами прокариот и различными плазмидами, доказательством их стабильности и жизне-способности. 3. Третий этап - начало работ по включению в векторные мо-лекулы ДНК (ДНК, используемые для переноса генов и способные встраиваться в генетический аппарат клетки-рецепиента) генов эукари-от, главным образом, животных.

Формально датой рождения генетической инженерии следует считать 1972 год, когда в Стенфордском университете П. Берг, С. Коэн с сотрудни-ками создали первую рекомбинантную ДНК, содержавшую фрагменты ДНК вируса SV40, бактериофага и E. coli. Накануне открытия Уотсона и Крика биологи считали, что вторгнуться в наследственный аппарат, а тем более манипулировать с ним наука будет в состоянии лишь в XXI в. Так порой непредсказуемы в науке ее основопола-гающие открытия, дающие человечеству совершенно новые возможности и в познании, и в практике.

Но здесь в дело вступили предельная четкость строе-ния ДНК, ее некапризный характер, которые в соединении с неистощаемой выдумкой исследователей породили новый вид исследования: генную инже-нерию - искусство манипулирования этой удивительной молекулой.

ДНК оказалась двойной спиралью, связанной двумя "базовыми парами": тимин-аденин и цитозин-гуанин.Число этих пар, например, у человека грандиозно: одни исследователи считали, что их 3 млрд другие - больше 3,5 млрд. Перед наукой открылась возможность не только изучать наследственный материал, но и влиять на саму наследственность: "оперировать" ДНК, сращивать участ-ки генов далеких друг от друга животных или растений иначе говоря, тво-рить неизвестных природе химер, подобных тем, которых с такой фантазией когда-то изображал на своих полотнах известный художник И. Босх. Первым с помощью генной инженерии был получен инсулин, затем интерферон, по-том гормон роста.

Позже сумели изменить наследственность свиньи, чтобы она не наращивала столько жира, коровы - чтобы ее молоко не скисало так быстро.

Благодаря вмешательству человека в конструкцию ДНК были улуч-шены или изменены качества десятков животных и растений. Но неожиданно генная инженерия предоставила возможность решать задачи, казалось бы, совсем далекие и от сельскохозяйственных полей, и от ферм, и от нужд чело-веческого здоровья. Стареет ли наследственный аппарат? Мать, отец, ребе-нок - современники.Сохранится ли действенность генного анализа, когда речь зайдет об ушедших из жизни людях? Лабораторные исследования под-тверждают силу анализа даже в том Случае, если ДНК принадлежат весьма далеким друг от друга поколениям.

История недавно предоставила возмож-ность проверить это. Необходимо было определить, кому принадлежат ске-леты, найденные в захоронении под Екатеринбургом. Царской ли семье, рас-стрелянной в этом городе в 1918 г Ведь в годы гражданской войны погибли многие миллионы.Образцы останков были отправлены в Англию, в центр судебно-медицинской экспертизы там уже накоплен большой опыт генного анализа.

Из костной ткани исследователи выделили молекулы- ДНК и прове-ли анализ. С точностью 99% установлено: в исследуемой группе находятся останки отца, матери и их трех дочерей.Но может быть, это не царская се-мья? Следовательно, надо было доказать родство этих останков с членами английского королевского дома, с которым Романовы связаны довольно близкими родственными узами.

В частности, муж ныне здравствующей ко-ролевы Англии принц Филипп – внучатый племянник русской императрицы Александры Федоровны (его мать доводилась племянницей последней рус-ской царицы). Анализ подтвердил родство погибших с английским королев-ским домом. Генеральный директор службы судебно-медицинской эксперти-зы британского Министерства внутренних, дел госпожа Джанет Томпсон официально объявила, что найденные под Екатеринбургом останки принад-лежат царской семье Романовых.Известно, что вся информация о строении и развитии живого организма "записана" в его геноме - совокупности генов.

Считается, что внутри одного вида геномные различия очень незначительны. Это значит, что ген, например, окраски глаз у человека отличается от гена окраски глаз у кролика, но у разных людей этот ген устроен одинаково и со-стоит из одинаковых последовательностей ДНК. Генетиков всего мира инте-ресуют сейчас прикладные аспекты генетической дактилоскопии.Обсужда-ются вопросы паспортизации по отпечаткам ДНК преступников-рецидивистов, введения в картотеки следственных органов данных об отпе-чатках ДНК наряду с описанием внешности, особых примет, отпечатков пальцев.

Важной составной частью биотехнологии является генетическая инженерия. Родившись в начале 70-х годов, она добилась сегодня больших успехов. Методы генной инженерии преобразуют клетки бактерий, дрожжей и млекопитающих в "фабрики" для масштабного производства любого белка.Это дает возможность детально анализировать структуру и функции белков и использовать их в качестве лекарственных средств.

В настоящее время ки-шечная палочка (E. coli) стала поставщиком таких важных гормонов как ин-сулин и соматотропин. Ранее инсулин получали из клеток поджелудочной железы животных, поэтому стоимость его была очень высока. Для получения 100 г кристаллического инсулина требуется 800-1000 кг поджелудочной же-лезы, а одна железа коровы весит 200 - 250 грамм.Это делало инсулин доро-гим и труднодоступным для широкого круга диабетиков.

В 1978 году иссле-дователи из компании "Генентек" впервые получили инсулин в специально сконструированном штамме кишечной палочки. Инсулин состоит из двух полипептидных цепей А и В длиной 20 и 30 аминокислот. При соединении их дисульфидными связями образуется нативный двухцепочечный инсулин.Было показано, что он не содержит белков E. coli, эндотоксинов и других примесей, не дает побочных эффектов, как инсулин животных, а по биологи-ческой активности от него не отличается.

Впоследствии в клетках E. coli был осуществлен синтез проинсулина, для чего на матрице РНК с помощью об-ратной транскриптазы синтезировали ее ДНК-копию. После очистки полу-ченного проинсулина его расщепили и получили нативный инсулин, при этом этапы экстракции и выделения гормона были сведены к минимуму.Из 1000 литров культуральной жидкости можно получать до 200 граммов гор-мона, что эквивалентно количеству инсулина, выделяемого из 1600 кг под-желудочной железы свиньи или коровы.

Соматотропин – гормон роста человека, секретируемый гипофизом. Недостаток этого гормона приводит к гипофизарной карликовости. Если вводить соматотропин в дозах 10 мг на кг веса три раза в неделю, то за год ребенок, страдающий от его недостатка, может подрасти на 6 см. Ранее его получали из трупного материала, из одного трупа: 4 - 6 мг соматотропина в пересчете на конечный фармацевтический препарат.Таким образом, доступ-ные количества гормона были ограничены, кроме того, гормон, получаемый этим способом, был неоднороден и мог содержать медленно развивающиеся вирусы.

Компания "Genentec" в 1980 году разработала технологию производ-ства соматотропина с помощью бактерий, который был лишен перечислен-ных недостатков.В 1982 году гормон роста человека был получен в культуре E. coli и животных клеток в институте Пастера во Франции, а с 1984 года на-чато промышленное производство инсулина и в СССР. При производстве ин-терферона используют как E. coli, S. cerevisae (дрожжи), так и культуру фиб-робластов или трансформированных лейкоцитов.

Аналогичными методами получают также безопасные и дешевые вакцины. На технологии рекомби-нантных ДНК основано получение высокоспецифичных ДНК-зондов, с по-мощью которых изучают экспрессию генов в тканях, локализацию генов в хромосомах, выявляют гены, обладающие родственными функциями (на-пример, у человека и курицы). ДНК-зонды также используются в диагности-ке различных заболеваний.Технология рекомбинантных ДНК сделала воз-можным нетрадиционный подход "белок-ген", получивший название "обрат-ная генетика". При таком подходе из клетки выделяют белок, клонируют ген этого белка, модифицируют его, создавая мутантный ген, кодирующий изме-ненную форму белка. Полученный ген вводят в клетку.

Если он экспрессиру-ется, несущая его клетка и ее потомки будут синтезировать измененный бе-лок. Таким образом, можно исправлять дефектные гены и лечить наследст-венные заболевания.Если гибридную ДНК ввести в оплодотворенное яйце-клетку, могут быть получены трансгенные организмы, экспрессирующие му-тантный ген и передающие его потомками.

Генетическая трансформация жи-вотных позволяет установить роль отдельных генов и их белковых продук- тов, как в регуляции активности других генов, так и при различных патоло-гических процессах. С помощью генетической инженерии созданы линии животных, устойчивых к вирусным заболеваниям, а также породы животных с полезными для человека признаками.Например, микроинъекция рекомби-нантной ДНК, содержавшей ген соматотропина быка в зиготу кролика позво-лила получить трансгенное животное с гиперпродукцией этого гормона. По-лученные животные обладали ярко выраженной акромегалией2. В настоящее время даже трудно предсказать все возможности, которые будут реализованы в ближайшие несколько десятков лет. 2Акромегалия - эндокринное заболевание, обусловленное избыточной продукцией гормона роста, главным образом при аденоме гипофиза.

Заболе-вают чаще в возрасте 20-40 лет. Эктопическая продукция соматолиберина - основная причина акромегалии негипофизарного происхождения. В США описано всего около 100 случаев акромегалии, обусловленной эктопической продукцией соматолиберина или СТГ. На их долю приходится менее 1% всех случаев акромегалии.

Список используемой литературы Основная литература 1. Горохов В.Г «Концепции современного естествознания», М.: ИНФРА, 2003 г.; 2. Лихин А.Ф. «Концепции современного естествознания», М.: Проспект, 2004 г.; 3. Найденыш В.М. «Концепции современного естествознания», М.: ГАР-ДАРИКИ, 2003 г.; Дополнительная литература 1. Акимов О.Е «Естествознание», М.: ЮНИТИ, 2001г.; 2. Кедров Б.М «Предмет и взаимосвязь естественных наук», М 1992 г.; 3. Колгинский Э.И «Эволюция биосферы», Л 1990 г.; 4. Небель Б «Наука об окружающей среде.

Как устроен мир», М 1993 г.; Интернет – ресурсы 1. www.biotechnolog.ru; 2. www.gumer.info.