Аморфные тела

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание:

1. Какие тела называются аморфными, в чем состоит их особенность?    3

2. Каким образом можно описать взаимодействие между компонентами экосистем? Какой характер носит это взаимодействие? Приведите примеры.                                                                                                         5

3. Каким образом время жизни связано с ее массой?                                    9

4. Что такое элементарные частицы? Какими свойствами они обладают и чем характеризуются?                                                                                11

5. Генная инженерия. Новые возможности и проблемы.                            16

6. Поле и вещество.                                                                                         23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Какие тела называются аморфными, в чем состоит их особенность?

Ам́орфные (тела) (от др.-греч. ἀ «не-» и μορφή «вид, форма») - конденсированное состояние вещества, атомарная структура которых имеет ближний порядок и не имеет дальнего порядка, характерный для кристаллических структур. В отличие от кристаллов не расщепляются с образованием кристаллических граней, как правило обладают изотропиейсвойств, то есть не обнаруживают различных свойств в разных направлениях, не имеют определённой точки плавления: при повышении температуры аморфные тела постепенно размягчаются и выше температуры стеклования (Tg) переходят в жидкое состояние.

К аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы, клеи и др. Стекло — твердотельное состояние аморфных веществ. Аморфные вещества могут находиться либо в стеклообразном состоянии (при низких температурах), либо в состоянии расплава (при высоких температурах). Аморфные вещества переходят в стеклообразное состояние при температурах ниже температуры стеклования T. При температурах свыше Tg, аморфные вещества ведут себя как расплавы, то есть находятся в расплавленном состоянии. Вязкость аморфных материалов — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества.

 

 

Структура

Исследования показали, что структуры жидкостей и аморфных тел имеют много общего. В аморфных и жидких телах наблюдается ближний порядок в упаковке частиц (атомов или молекул). По этой причине принято считать аморфные тела очень густыми/вязкими (застывшими) жидкостями.

Свойства

При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно кристаллическим твердым телам, и текучесть, подобно жидкости. Так, при кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твёрдые тела и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии (например растяжении) аморфные тела текут. В этом можно убедиться в домашних условиях, если запастись терпением. Например, аморфным телом также является смола (или гудрон, битум). Если раздробить её на мелкие части и получившейся массой заполнить сосуд, то через некоторое время смола сольётся в единое целое и примет форму сосуда.

В зависимости от электрических свойств, разделяют аморфные металлы, аморфные неметаллы, и аморфные полупроводники.

аморфные (стеклообразные) твердые тела, которые по своим свойствам мало отличаются от жидкостей, к их числу относятся стекла, различные смолы, пластмассы. По мере повышения температуры они переходят в жидкое состояние – становятся как бы все более мягкими и приобретают обычную для жидкости способность течь. Их называют иногда переохлажденными жидкостями, поскольку в обычном состоянии такие вещества можно рассматривать как жидкости с аномально большой вязкостью.

Аморфные тела по своим свойствам отличаются от кристаллических тел и жидкостей.

Молекулы в аморфных телах, как и в жидкостях, движутся беспорядочно и непрерывно

Кристаллические тела имеют кристаллическую решетку, а аморфные тела не имеют кристаллической решетки.

Кристаллические тела имеют строго заданную температуру плавления, аморфные тела на имеют строго заданной температуры плавления.

 

 

 

 

 

 

 

2. Каким образом можно описать взаимодействие между компонентами экосистем? Какой характер носит это взаимодействие? Приведите примеры.

Экосистема – это совокупность сообществ, взаимодействующих с химическими и физическими факторами, создающими неживую окружающую среду. Другими словами, экосистема - это система, образуемая биотическим сообществом и абиотической средой.

Переходная область между двумя смежными экосистемами называется экотон .

I. Абиотические компоненты экосистем.

Экосистема состоит из различных живых и неживых компонентов. Неживые, или абиотические, компоненты экосистемы включают различные физические и химические факторы. К важным физическим факторам относятся:

a.       солнечный свет;

b.       тень;

c.       испарение;

d.       ветер;

e.       температура;

f.        водные течения.

II. Биотические компоненты экосистем.

Основные типы организмов, которые формируют живые, или биотические, компоненты экосистемы, принято подразделять по преобладающему способу питания на продуцентов, консументов и редуцентов.

Продуценты - это организмы, производящие органические соединения из неорганических. Продуценты (в большинстве своем зеленые растения) создают органические вещества в процессе фотосинтеза или хемосинтеза. Эти органические вещества используются продуцентами как источник энергии и как строительный материал для клеток и тканей организма. 

Редуценты – организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию питаясь останками мертвых организмов (животных, растений).

Существует два основных класса редуцентов:

1.       Детритофаги – напрямую потребляют мертвые организмы или органические остатки. (пример: шакалы, грифы, дождевые черви).

2.       Деструкторы – разлагают мертвую органическую материю на простые неорганические соединения (процесс гниения и разложения). Примером могут служить грибы .

Консументы – организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь живыми организмами - продуцентами или другими консументами.

 

 В зависимости от источников питания консументы подразделяются на три основных класса:

 

 - фитофаги (растительноядные) – это консументы 1-го порядка, питающиеся исключительно живыми растениями. Например, птицы едят семена, почки и листву.

- хищники (плотоядные) – консументы 2-го порядка, которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консументы 3-го порядка, питающиеся только плотоядными животными.

- эврифаги (всеядные), которые могут поедать как растительную, так и животную пищу. Примерами являются свиньи, крысы, лисы, тараканы, а также человек

 Для естественной экосистемы характерны три признака:

1.      экосистема обязательно представляет собой совокупность живых и неживых компонентов;

2.      в рамках экосистемы осуществляется полный цикл, начиная с создания органического вещества и заканчивая его разложением на неорганические составляющие;

3.      экосистема сохраняет устойчивость в течение некоторого времени, что обеспечивается определенной структурой биотических и абиотических компонентов

Примерами природных экосистем являются озеро, лес, пустыня, тундра, суша, океан, биосфера.

Как видно из примеров, более простые экосистемы входят в более сложно организованные. При этом реализуется иерархия организации систем.

Несмотря на многообразие экосистем, все они обладают структурным сходством. В каждой из них можно выделить фотосинтезирующие растения - продуценты, различные уровни консументов, детритофагов и редуцентов. Они и составляют биотическую структуру экосистем.

Совокупности природных факторов, в свою очередь, определяют и лимитируют развитие экосистем. Таким образом, абиотические компоненты в совокупности с биотическими и природными факторами составляют экологические условия жизнеобитания.

Основой формирования и функционирования биогеоценозов, а следовательно, и экосистем являются продуценты - растения и микроорганизмы, способные производить из неорганического вещества органическое, используя энергию света или химические реакции.

Продуценты, использующие для продуцирования органического вещества солнечную энергию, называются автотрофами (от греч. avtos «сам», trof «питаться»), а использующие химическую энергию - хемотрофами.

Главное свойство экосистемы – взаимосвязь и взаимозависимость всех ее компонентов. Рассмотрим на примере лесной экосистемы взаимосвязь составляющих ее компонентов.

От климата зависит водный, воздушный, температурный режимы почв, тип растительности, темпы создания органического вещества, активность микроорганизмов.

Почва оказывает влияние на климат; в атмосферу из почвы выделяется углекислый газ, азот, соединения серы, метан, сероводород и другие газы.

Растительность из почвы берет воду, биогенные вещества, гумус; из атмосферы – углекислый газ, солнечную энергию, выделяет в атмосферу кислород, а после ее отмирания в почву поступает детрит.

Растительность является питанием для животных; почва – местообитанием; продукты жизнедеятельности животных поступают в почву, почвенные микроорганизмы перерабатывают их до исходных углекислого газа, воды, гумуса и других минеральных соединений.

Экосистема – это целостная, функционирующая, саморегулирующаяся система.

Для специалиста существует не природа, а экосистема, человек вырубает не лес, а экосистему, выбрасывает отходы не в окружающую среду, а в экосистемы.

На первый взгляд может показаться, что между разными экосистемами нет связи, например между лугом, лесом и прудом. Но если внимательно посмотреть, можно отметить следующее: поверхностным стоком осадков с соседнего луга в пруд вымываются частички почв, гумус, отмершая растительность; осенью часть опавших листьев из леса ветром переносится в пруд; где она разлагается и является пищей для некоторых водных организмов. В пруду живут личинки насекомых, но взрослые особи покидают водную среду и поселяются на лугу или в лесу.

Крупные наземные экосистемы называют биомами (тундра, тайга, дождевые тропические леса, саванны и др.). Каждый биом состоит из множества экосистем, связанных между собой.

Глобальная экосистема Земли – биосфера.

Живые организмы в экосистемах неодинаковы с точки зрения создания собственного тела.

Животные в отличие от растительности не способны к фотосинтезу

(т. е. не могут строить  собственное тело из минеральных  веществ и напрямую использовать  солнечную энергию), а используют  органическое вещество, созданное  растительностью. Травоядные питаются  растительностью, хищники – травоядными, эти животные могут быть съедены  другими животными и т. д.

Цепь передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим называется трофической или пищевой.

 

 

Вопрос 3. Каким образом время жизни связано с ее массой?

Три этапа жизни звезды

• Жизнь звезды начинается с гравитационного сжатия протозвездного облака. При этом вещество звезды уплотняется и нагревается, пока в ее недрах не начинаются термоядерные реакции.

• Выделяющаяся в термоядерных реакция энергия увеличивает температуру и давление газа и останавливает сжатие — звезда входит в длительный стабильный период жизни, про который говорят, что она «находится на стадии главной последовательности».

• Когда в ядре звезды истощаются запасы водорода (основного ядерного топлива), ядро сильно сжимается, а термоядерные реакции в участием водорода продолжаются в окружающем его тонком слое. При этом оболочка звезды сильно раздувается и охлаждается — наступает стадия красного гиганта.

По длительности у большинства звезд стадия сжатия составляет около 1% от времени пребывания на главной последовательности, а стадия красного гиганта — до нескольких процентов от этого времени. Поэтому в первом приближении время жизни звезды можно приравнять ко времени пребывания на главной последовательности, то есть, ко времени устойчивого горения водорода в ядре звезды. Длительность этого состояния напрямую связана с массой и спектральным классом звезды. Чем больше масса, тем выше плотность и температура в ядре звезды, тем быстрее идут там термоядерные реакции, тем выше светимость звезды и быстрее закначиваются запасы топлива. Поэтому жизнь массивных звезд значительно короче, чем маломассивных.

 

 

Спектральный класс	Масса (МСолнца=1)	Светимость (LСолнца=1)	Время на главной последовательности, лет
B0	17	30000	8·106
B5	6,3	1000	8·107
A0	3,2	100	4·108
A5	1,9	12	2·109
F0	1,5	4,8	4·109
F5	1,3	2,7	6·109
G0	1,02	1,2	1,1·1010
G2*	1,00	1,0	1,3·1010
G5	0,91	0,72	1,7·1010
K0	0,74	0,35	2,8·1010
K5	0,54	0,1	7,0·1010

 

* Класс G2 соответствует Солнцу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Что такое элементарные частицы? Какими свойствами они обладают и чем характеризуются?

ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЧАСТИЦА, хотя в узком смысле данный термин означает, что эти частицы нельзя более разделить на составные компоненты, его употребляют в более широком смысле. Элементарные частицы отличаются друг от друга МАССОЙ (которую обычно выражают в эквивалентных единицах энергии) и набором характеристик, к которым относятся, в частности, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД и СПИН. По типу взаимодействия элементарные частицы классифицируют на ЛЕПТОНЫ, которые не вступают в сильные ядерные взаимодействия, и АДРОНЫ (МЕЗОНЫ либо БАРИОНЫ), которые таким взаимодействиям подвержены. Мезоны состоят из двух КВАРКОВ, а барионы - из трех (к барионам относятся ПРОТОНЫ и НЕЙТРОНЫ). По другому принципу классификации элементарные частицы делятся на БОЗОНЫ (имеющие нулевой или целочисленный спин) и ФЕРМИОНЫ (обладающие полуцелым спином). Многие частицы вступают также в электромагнитные взаимодействия. У всех элементарных частиц имеются античастицы с той же массой, но с противоположным набором характеристик. Из всего немалого количества известных элементарных частиц устойчивыми являются только лептоны, протон и нейтрон с их античастицами, а также Фотон. Все остальные частицы в определенные сроки подвергаются распаду и превращаются в более стабильные частицы. Когда элементарная частица сталкивается со своей античастицей, происходит взаимная аннигиляция (уничтожение) с образованием энергии излучения (РАДИАЦИИ). Пары частиц с античастицами могут возникать также при взаимодействиях на высоких уровнях энергии

Первой из элементарных частиц был открыт электрон В конце XIX в. было известно, что так называемые «катодные лучи» (1) можно получить, создав напряжение в несколько тысяч вольт в вакууме. То, что эти лучи имеют электрический заряд, было установлено в 1890-е гг., когда было продемонстрировано, что они искривляются в электрическом поле (2) Поскольку электроны притягивались к положительно заряженной пластине, был сделан вывод, что они имеют отрицательный заряд. В той же испытательной трубке, но при неполном вакууме, были замечены также положительно заряженные частицы, в том числе и второй вид элементарных частиц, протоны После этого вплоть до 1932 г. ни одна другая элементарная частица не была открыта. За этот период физики выработали эффективные методики измерения энергии движущихся электронов, протонов и альфа-частиц (ядер гелия).

Характеристики элементарных частиц и их классификация

Элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. На основании некоторых из них можно дать классификацию элементарных частиц.

Так, одной из важных характеристик частиц является их масса. Причем во внимание берется масса покоя частиц, так как при движении частиц с большими скоростями их масса сильно возрастает. Это заставляло ученых некоторое время ошибочно считать, что они открыли новые частицы. За единицу отсчета берется масса покоя электрона. Он считается самой легкой из всех частиц. В зависимости от массы покоя все частицы можно разделить на:

-  частицы, не имеющие массы покоя. Это фотоны, движущиеся со скоростью света;

-  лептоны – легкие частицы. К ним относятся электрон и нейтрино;

-    мезоны – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;

-   барионы – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона. К ним относятся протоны, нейтроны, гипероны.

Другой важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона (–1). Заряд может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Должны существовать также частицы с дробным электрическим зарядом – кварки.

Время жизни – еще одна характеристика частиц. При этом различают стабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относятся фотон, электрон, протон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома. Свободный нейтрон распадается в среднем  
за 15 минут. Все остальные частицы – нестабильные, они существуют 10-10 – 10-24 с. Самые короткоживущие частицы называются резонансами. Эти частицы распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Их время жизни – 10-25 – 10-26 с. Существование этих частиц вычислено теоретически, в реальных экспериментах они не фиксируются. Разумеется, наиболее важная роль в мире принадлежит стабильным частицам, из которых и состоят все макротела.

По типу взаимодействия (см. раздел 2), в котором участвуют элементарные частицы, все они подразделяются:

- на лептоны, участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях;

-   адроны, участвующие также и в сильном взаимодействии;

-    частицы – переносчики взаимодействий.

Но самой важной характеристикой частиц является спин - собственный момент количества движения (импульса) частицы.

В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только положительные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности называется спиновым квантовым числом. У одних частиц он имеет целочисленные значения (0, 1, 2), а у других – полуцелые значения (1/2, 3/2). Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частица со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360°, а частица со спином 2 – после оборота на 180°. Чтобы легче представить себе частицы с различными спинами, можно провести аналогию и сравнить частицу со спином 0 с точкой, со спином 1 – со стрелой, а со спином 2 – со стрелой, заточенной с обеих сторон. Частицы со спином 1/2 принимают тот же вид при повороте на 720°.

Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Исходя из этого значения, можно систематизировать и классифицировать данные обо всех элементарных частицах, разделив их на частицы вещества и частицы полей.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами (в честь известного физика Э. Ферми). Это не что иное, как частицы вещества, которые, хотя и обладают волновыми свойствами, в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2 – омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона,– частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т.е. совокупность характеризующих частицу параметров, не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества слиплись бы и превратились в более или менее однородное «желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.

Частицы с целочисленным спином называются бозонами (в честь индийского физика Ч. Бозе). Бозоны – это кванты полей, которые, хотя и обладают корпускулярными свойствами, в классичес-ком пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется. Примером бозонов служат фотоны, спин которых равен 1, и мезоны, спин которых равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 – гравитоны.

Лептоны. Это легкие элементарные частицы, спин которых равен 1/2. Наиболее известен из этой группы электрон – первая открытая элементарная частица. Другой хорошо известный лептон, но уже без электрического заряда, это нейтрино – практически неуловимая частица, обладающая очень высокой проникающей способностью. Нейтрино являются самыми распространенными частицами во Вселенной. Их существование получило экспериментальное подтверждение через тридцать лет после того, как они были предсказаны. Для этого физикам пришлось ждать создания ядерных реакторов, при работе которых испускается огромное количество нейтрино. Только тогда удалось зафиксировать лобовое столкновение одной частицы с ядром и тем самым доказать, что она действительно существует. Согласно некоторым данным, нейтрино обладает крохотной, но не нулевой массой в одну десятитысячную массы электрона. Если это так, то при преобладании нейтрино во Вселенной (их больше протонов и нейтронов в миллиард раз) в будущем наш мир может ждать коллапс, стягивание Вселенной в маленькую точку.

Среди прочих лептонов следует назвать мюон, открытый в 1936 г. в продуктах взаимодейст-вия космических лучей. Он оказался одной из первых открытых нестабильных частиц. Во всех других отношениях, кроме стабильности, он напоминает электрон – имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу. Мюоны широко распространены в природе, на их долю приходится значительная часть фонового космического излучения, регистри-рующегося на поверхности Земли.

В конце 70-х годов был обнаружен еще один лептон, названный тау-лептоном. Он тяжелее мюона, в остальном же похож на него и на электрон.

В 60-е годы было установлено, что существует несколько видов нейтрино – в паре с каждым заряженным лептоном. Таким образом, есть электронное, мюонное и тау-лептонное нейтрино.

В таком случае, общее число лептонов равно шести. С учетом того, что у каждого лептона есть античастица, общее число этих частиц – 12.

Адроны. Этих частиц известно сотни. Они также являются фермионами. Наиболее известными адронами являются протоны и нейтроны, их еще называют барионами. Остальные частицы этого класса нестабильны и быстро распадаются. Помимо барионов, к адронам также относятся тяжелые частицы – гипероны, мезоны и большое количество резонансов. Исследования 50-х годов показали, что, скорее всего, адроны не являются элементарными частицами, а построены из более мелких составляющих. Тайна адронов была открыта в 60-е годы, когда была создана кварковая модель адронов.

Частицы – переносчики взаимодействия. Лептоны и адроны, являющиеся фермионами, представляют собой вещество нашего мира. Но есть еще один тип частиц, которые не являются веществом, а обеспечивают только соединение, взаимодействие частиц вещества между собой, не позволяя миру распадаться на части. Эти частицы являются бозонами.

Существует четыре типа фундаментальных физических взаимодействий. У каждого из них – свои частицы-переносчики. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, гравитационного взаимодействия – гравитон, слабого взаимодействия – три тяжелых векторных бозона, сильного взаимодействия – глюоны.

 

 

 

 

5. Генная инженерия. Новые возможности и проблемы.

Тилацина, тасманийского сумчатого волка (тигра), вымершего в 1936 году, клонируют в Австралии              Генная инженерия — это область биотехнологий, включающая в себя действия по перестройке генотипов. Уже сегодня генная инженерия позволяет включать и выключать отдельные гены, контролируя таким образом деятельность организмов, а также — переносить генетические инструкции из одного организма в другой, в том числе – организмы другого вида. По мере того, как генетики всё больше узнают о работе генов и белков, всё более реальной становится возможность произвольным образом программировать генотип (прежде всего, человеческий), с лёгкостью достигая любых результатов: таких, как устойчивость к радиации, способность жить под водой, способность к регенерации повреждённых органов и даже бессмертие. Генетическая информация           Генетическая информация (геном) содержится в клетке в хромосомах (у человека их 46), состоящих из молекулы ДНК и упаковывающих её белков, а также в митохондриях. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) является последовательностью нуклеотидов, каждый из которых содержит одно из четырех азотистых оснований — гуанин (G), аденин (A) (пурины), тимин (T) и цитозин (C). С функциональной точки зрения ДНК состоит из множества блоков (последовательностей нуклеотидов), хранящих определенный объем информации — генов.           Ген — участок молекулы ДНК, в котором находится информация о первичной структуре какого-либо одного белка (один ген — один белок). Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, существуют и десятки тысяч генов (в организме человека их примерно 20-25 тысяч).       Совокупность всех генов организма составляет его генотип. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная часть хранимой информации. Лишь те гены активны, которые необходимы для функционирования данной клетки, поэтому, например, нейроны и по структурно-функциональным, и по биологическим особенностям отличаются от клеток печени. Роль белков в организме            Белки являются наиболее важными молекулами в каждом живом организме, химической основой живой материи. По определению Энгельса "жизнь есть способ существования белковых тел". Белки осуществляют обмен веществ (перенос веществ в организме) и энергетические превращения, обеспечивают структурную основу тканей, служат катализаторами химических реакций, защищают организмы от патогенов, переносят сообщения, регулирующие деятельность организма. Химически белки представляют собой цепочку аминокислот, свёрнутую в пространстве особым образом.             Информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи белка содержится в генах в форме последовательности нуклеотидов. Например, последовательность CAA (цитозин, аденин, аденин) или CAG (цитозин, аденин, гуанин) кодирует аминокислоту глутамин. Эта информация копируется на молекулы РНК, которые передают в рибосомы (которые тоже состоят из белков) инструкции для синтеза белков. Синтезируемые белки начинают выполнять свои функции, обеспечивая работу клетки и всего организма.             Одна из функций белков - активация генов. Некоторые гены содержат фрагменты, притягивающие к себе определённые белки. Если такие белки содержатся в клетке, они присоединяются к этому участку гена и может разрешать или запрещать его копирование на РНК. Наличие или отсутствие в клетке подобных регулирующих белков определяет, какие гены активируются, а значит, какие новые белки синтезируются. Именно этот регулирующий механизм определяет, должна ли клетка функционировать как мышечная или как нервная клетка или какая часть тела должна развиваться в этой части эмбриона. Каждая клетка руководствуется подобными простыми инструкциями ("если имеется белок X и Y, синтезируй белки Z, W и U, но не синтезируй белок V"). Однако в целом процесс развития организма из одной клетки до 100 триллионов клеток (у человека) - это очень сложный процесс. Чтобы разобраться в нём до конца учёным может потребоваться 10-20 лет. Генная инженерия            Если внести в организм (растение, микроорганизм, животное или даже человек) новые гены, то можно наделить его новой желательной характеристикой, которой до этого он никогда не обладал. Изменения генов прежде всего связано с преобразованием химической структуры ДНК: изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК, выпадение одних и включение других нуклеотидов меняют состав образующихся на ДНК молекулы РНК, а это, в свою очередь, обуславливает новую последовательность аминокислот при синтезе. В результате в клетке начинает синтезироваться новый белок, что приводит к появлению у организма новых свойств.            Генная инженерия берет свое начало в 1973 году, когда генетики Стэнли Кохен и Герберт Бойер внедрили новый ген в бактерию кишечной палочки (E. coli).           Начиная с 1982 года фирмы США, Японии, Великобритании и других стран производят генно-инженерный инсулин. Клонированные гены человеческого инсулина были введены в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали.            Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находится на стадии клинического изучения. Среди них лекарства, излечивающие артрозы, сердечно-сосудистые заболевания, некоторые опухолевые процессы и, возможно, даже СПИД. Среди нескольких сотен генно-инженерных фирм 60% работают над производством лекарственных и диагностических препаратов. Генная инженерия в сельском хозяйстве             К концу 1980-х удалось успешно внедрить новые гены в десятки видов растений и животных — создать растения табака со светящимися листьями, томаты, легко переносящие заморозки, кукурузу, устойчивую к воздействию пестицидов.            Одна из важных задач - получение растений, устойчивых к вирусам, так как в настоящее время не существует других способов борьбы с вирусными инфекциями сельскохозяйственных культур. Введение в растительные клетки генов белка оболочки вируса, делает растения устойчивыми к данному вирусу. В настоящее время получены трансгенные растения, способные противостоять воздействию более десятка различных вирусных инфекций.            Еще одна задача связана с защитой растений от насекомых-вредителей. Применение инсектицидов не вполне эффективно, во-первых, из-за их токсичности, во-вторых, потому, что дождевой водой они смываются с растений. В генно-инженерных лабораториях Бельгии и США были успешно проведены работы по внедрению в растительную клетку генов земляной бактерии Bacillus thuringiensis, позволяющих синтезировать инсектициды бактериального происхождения. Эти гены ввели в клетки картофеля, томатов и хлопчатника. Трансгенные растения картофеля и томатов стали устойчивы к непобедимому колорадскому жуку, растения хлопчатника оказались устойчивыми к разным насекомым, в том числе к хлопковой совке. Использование генной инженерии позволило сократить применение инсектицидов на 40 - 60%.              Генные инженеры вывели трансгенные растения с удлиненным сроком созревания плодов. Такие помидоры, например, можно снимать с куста красными, не боясь, что они перезреют при транспортировке.             Список растений, к которым успешно применены методы генной инженерии, составляет около пятидесяти видов, включая яблоню, сливу, виноград, капусту, баклажаны, огурец, пшеницу, сою, рис, рожь и много других сельскохозяйственных растений. Генная терапия человека              На людях технология генной инженерии была впервые применена для лечения Ашанти Де Сильвы, четырёхлетней девочки, страдавшей от тяжёлой формы иммунодефицита. Ген, содержащий инструкции для производства белка аденозиндезаминазы (ADA), был у неё повреждён. А без белка ADA белые клетки крови умирают, что делает организм беззащитным перед вирусами и бактериями.             Работающая копия гена ADA была введена в клетки крови Ашанти с помощью модифицированного вируса. Клетки получили возможность самостоятельно производить необходимый белок. Через 6 месяцев количество белых клеток в организме девочки поднялось до нормального уровня.             После этого область генной терапии получила толчок к дальнейшему развитию. С 1990-х годов сотни лабораторий ведут исследования по использованию генной терапии для лечения заболеваний. Сегодня мы знаем, что с помощью генной терапии можно лечить диабет, анемию, некоторые виды рака, болезнь Хантингтона и даже очищать артерии. Сейчас идёт более 500 клинических испытаний различных видов генной терапии.           Неблагоприятная экологическая обстановка и целый ряд других подобных причин приводят к тому, что все больше детей рождается с серьезными наследственными дефектами. В настоящее время известно 4000 наследственных заболеваний, для большинства из которых не найдено эффективных способов лечения.           Сегодня существует возможность диагностировать многие генетические заболевания ещё на стадии эмбриона или зародыша. Пока можно только прекратить беременность на самой ранней стадии в случае серьёзных генетических дефектов, но скоро станет возможным корректировать генетический код, исправляя и оптимизируя генотип будущего ребёнка. Это позволит полностью избежать генетических болезней и улучшить физические, психические и умственные характеристики детей.           Сегодня мы можем отметить, что за тридцать лет своего существования генная инженерия не причинила никакого вреда самим исследователям, не принесла ущерба ни природе, ни человеку. Свершения генной инженерии как в познании механизмов функционирования организмов, так и в прикладном плане весьма внушительны, а перспективы поистине фантастичны. Ближайшие задачи генетиков            Хотя генетика и генная инженерия уже играют огромную роль в медицине и сельском хозяйстве, основные результаты ещё впереди. Нам ещё очень многое предстоит узнать о том, как работает сложная генетическая система в нашем организме и у других видов живых существ.          Необходимо определить функции и назначение каждого гена, определить, каковы условия его активации, в какие периоды жизни, в каких частях тела и при каких обстоятельствах он включается и приводит к синтезу соответствующего белка. Далее, необходимо понять, какую роль играет в организме этот белок, выходит ли он за пределы клетки, какие сообщения несёт, какие реакции катализирует, как влияет на запуск биологических процессов в других частях организма, какие гены активирует. Отдельной сложной задачей является решение проблемы сворачивания белков - как, зная последовательность аминокислот, составляющих белок, определить его пространственную структуру и функции. Эта проблема требует новых теоретических знаний и более мощных суперкомпьютеров.           Но учёные не пасуют перед масштабом этой задачи. Расшифровка генома человека потребовала более десяти лет, решение проблемы сворачивания белков может занять чуть дольше, но когда она будет решена, человек сможет полностью контролировать жизненные процессы в любых организмах на всех уровнях. Перспективы контроля над генами           Развитие генной инженерии сделает возможным улучшение генотипа человека. Масштабные задачи, стоящие сегодня перед человечеством требуют людей талантливых во многих отраслях, совершенных и высокоразвитых личностей, обладающих идеальным здоровьем, высочайшими физическими и умственными способностями. Таких людей можно будет создать методами генной, генетической и клеточной инженерии. Эти методы будут применимы как к только появляющимся на свет детям, так и к уже взрослым людям. Человек сможет многократно усилить свои собственные способности, и увеличить способности своих детей. С объективной точки зрения в этом нет ничего плохого или не этичного. Уже сегодня многие всемирно известные учёные, такие как Уотсон, один из первооткрывателей ДНК, говорят о том, что человеческая глупость, например, является по сути своей генетическим заболеванием и в будущем будет излечима.            Будут полностью ликвидированы генетические причины заболеваний, все люди будут совершенно здоровыми. Старение будет остановлено и никому не придётся сталкиваться с увяданием, с упадком сил, с дряхлостью. Люди станут практически бессмертными - смерть будет становиться всё более редким явлением, перестав быть неизбежностью.            Известно, например, что одной из причин старения является сокращение теломер при каждом делении клетки. Теломеры - это копии фрагмента TTAGGG, расположенные на концах всех хромосом и защищающие ДНК как металлические наконечники шнурков. Обычно клетка умирает, пережив около 50 процессов деления, однако учёным удалось добиться неограниченного деления клеток. В конце 1990-х ученым удалось внедрить в клетки открытый ими ген, отвечающий за выработку белка теломеразы, восстанавливающего теломеры, и тем самым сделать их бессмертными.                                             6. Поле и вещество          Введение понятия электромагнитного поля расширило научное представление о формах материи, изучаемых в физике. Классическая, ньютоновская физика имела дело только с одной единственной формой физической материи — веществом, которое было построено из материальных частиц и представляло собой систему таких частиц, в качестве которых рассматривались либо материальные точки (механика), либо атомы (учение о теплоте).             Если главной характеристикой вещества является масса, так как именно она фигурирует в основном законе механики       F = mа, то в электродинамике основным является понятие энергии поля. Другими словами, при изучении движения в механике в первую очередь обращают внимание на перемещение тел, обладающих массой, а при исследовании электромагнитного поля — на распространение электромагнитных волн в пространстве с течением времени. Другим отличием вещества от поля является также характер передачи воздействий. В механике такое воздействие передается с помощью силы, причем оно может быть осуществлено в принципе на какое угодно расстояние, в то время как в электродинамике энергетическое воздействие поля передается от одной точки к другой.               Наконец, нельзя не отметить также тот немаловажный факт, что, после того как источник электромагнитных волн прекращает свое действие, возникшие электромагнитные волны продолжают распространяться в пространстве. Выходит, что электромагнитные волны могут существовать автономно, без непосредственной связи с источником энергии.  Исторически подход к изучению природы с точки зрения вещества и связанной с ним массы нашел отчетливое выражение в механистической картине мира, которая пыталась объяснить другие, немеханические явления с помощью понятий и принципов механики. В его основе лежит представление о дискретной природе вещества, которое в механике рассматривалось как система материальных частиц, а в других науках — совокупность атомов или молекул. Таким образом, дискретность можно рассматривать как конечную делимость материи на отдельные, все уменьшающиеся части. Еще античные греки поняли, что такая делимость не может продолжаться бесконечно, ибо тогда исчезнет сама материя. Поэтому они выдвинули предположение, что последними неделимыми частицами материи являются атомы.  С дискретной точки зрения строение материи можно представить в виде такой структуры, которая предполагает возможность ее конечного деления на все уменьшающиеся отдельные части, начиная от молекул и атомов и кончая элементарными частицами и кварками.  С точки зрения непрерывности материя представляется в виде определенной целостности и единства. Наглядным образом такой непрерывности является любая сплошная среда, которая заполняет определенное пространство. Свойства такой среды, например жидкости, изменяются от одной точки к другой непрерывно, без перерыва постепенности и скачков. На примере электромагнитного поля мы убедились, что силовое воздействие такого поля передается от близлежащей предшествующей точки к последующей, т.е. непрерывно.             В классической теории существовало явное противопоставление дискретности и непрерывности, когда исключалось всякое их взаимодействие при изучении вещества и поля. В современной же физике, как мы убедимся в дальнейшем, именно взаимосвязь и взаимодействие дискретности и непрерывности, корпускулярных и волновых свойств материи при исследовании свойств и закономерностей движения ее мельчайших частиц служит основой адекватного описания изучаемых явлений и процессов. Таким микрочастицам материи присущ корпускулярно-волновой дуализм, т.е. они одновременно обладают как свойствами корпускул (вещества), так и волн (поля).  Подобное представление совершенно чуждо классической физике, в которой дискретный и корпускулярный подход применялся при изучении одних явлений, а непрерывный и полевой — при исследовании других. Более того, мы знаем теперь, что механистическая трактовка явлений электричества и магнетизма основывалась в конечном счете на дискретной и корпускулярной их интерпретации, когда они рассматривались как особые субстанции, т.е. когда отождествлялись с разновидностью вещества.  Более универсальный подход к единому объяснению всех физических явлений с точки зрения единой теории поля был выдвинут в качестве грандиозной программы создателем теории относительности А. Эйнштейном, но так и остался нереализованным. Основные его идеи станут понятными после того, как мы познакомимся с теорией относительности.  Диалектическое взаимодействие дискретности и непрерывности находит свое яркое воплощение в современных квантовых теориях полей. Действительно, взаимодействие в квантовой теории электромагнитного поля происходит в результате взаимного обмена фотонами, квантами этого поля. То же самое можно сказать о гравитационном поле, где такое взаимодействие осуществляется с помощью гравитонов, гипотетических частиц такого поля. Частицы, или кванты, поля в каждой точке пространства создают поле сил, которое оказывает свое воздействие на другие частицы.  Само же поле в истории физики интерпретировалось по-разному. В первых представлениях об электромагнетизме поле рассматривалось чисто механически, а именно как натяжение силовых линий между зарядами, а в оптике как упругое колебание особой, все проникающей среды — мирового эфира. После отказа от такого допущения сначала в теории электромагнитного поля, а затем в теории относительности на роль своеобразного эфира в современной физике претендует, по-видимому, физический вакуум. В квантовой теории поля он рассматривается как низшее энергетическое состояние квантованных полей, в котором отсутствуют какие-либо реальные частицы. Однако возможность виртуальных процессов в вакууме приводит к определенным эффектам при взаимодействии его с реальными частицами. В квантовой теории поля понятие физического вакуума считается основным, поскольку его свойствами определяются свойства всех других состояний системы.  Таким образом, с развитием физики представления о веществе и поле в корне изменились. Прежнее их противопоставление в классической физике уступило место пониманию их взаимосвязи и взаимодействия в современной физике. С одной стороны, вещество рассматривается как определенная дискретная система взаимодействующих элементарных частиц. С другой стороны, поле как непрерывная целостность состоит из квантов поля, которые обмениваются друг с другом энергией и тем самым обеспечивают существование и движение самой системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

1. Концепция современного естествознания: учебное пособие/ Грушевицкая Т.Г. Садохин А,П. М., 1998
2. Концепция современного естествознания / под ред. Самыгина С.И. изд.3. Ростов н./Д., 2001
3. Концепция современного естествознания /  Канке В.А. Н.: Логус , 2002
4. Новое в современной гинетике Дубинин Н.П. М.: «Наука»,1989