Доклад: Эволюция и самоорганизация химических систем. Макромолекулы и зарождение органической жизни

Понятие самоорганизация означает упорядоченность существования материальных динамических, то есть качественно изменяющихся систем. Оно отражает особенности существования таких систем, которые сопровождаются их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности или материальной организации.

Картина химического мира  весьма отчетливо свидетельствует об отборе элементов. Сейчас известно около 8 млн химических соединений. 96% из них созданы природой из 6-18 основных элементов (Na,K,Ca,Mg,Fe,Si,Al,Cl,Cu,Zn),  а из оставшихся 95 элементов таблицы Менделеева природа создала лишь 300000 неорганических соединений.

Определяющими факторами в отборе являются требования соответствия между строительным материалом и объектами с высокоорганизованной структурой. С химической точки зрения такие требования сводились к отбору элементов, способных к образованию прочных и энергоемких химических связей и лабильных, то есть легко подвергающихся гомолизу, гетеролизу или циклическому распределению. Поэтому углерод - органоген номер 1.

В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп.

На ранних стадиях химической эволюции катализ вообще отсутствовал. Условия высоких температур, электрических разрядов и радиации препятствовали образованию конденсированного состояния. Первые проявления катализа начинались при смягчении условий и образовании первичных тел. Роль катализатора возросла по мере того, как физические условия приблизились к земным. Но роль катализатора вплоть до образования более или менее сложных органических молекул оставалась несущественной. Появление таких относительно несложных систем, как СНОН а тем более аминокислот и первичных сахаров было своеобразной некаталитической подготовкой старта для большого катализа. Роль катализа в развитии химических систем после достижения стартового состояния начала возрастать сравнительно быстро. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получались относительно большим числом химических способов и обладали широким каталитическим спектром.

Химические процессы и процессы жизнедеятельности. Катализ. Ферменты. Освоение каталитического опыта живой природы.

Роль ферментов в процессе жизнедеятельности - ведущая (ферментология – стержневая отрасль знаний о процессах жизнедеятельности, основной предмет которой составляет исследование брожения). Эта идея впервые была предложена Луи Пастером. Установлено, что одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизнедеятельности. С другой стороны,  доказана исключительная специфичность живого, которая (на молекулярном уровне) заключается в существенном различии принципов действия катализаторов и ферментов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров.

Катализ – увеличение скорости химич. реакции в присутствии катализаторов. Большинство процессов, происходящих в живых организмах – каталитические.

Ферменты – биол. катализаторы, присутствующие во всех живых клетках. Осуществляют превращения веществ в организме, регулируя тем самым его обмен веществ. По хим. природе- белки. Каждый вид ферментов катализирует превращение определенных вещ-в.

1-й путь освоения каталитич. опыта  живой природы – развитие исследований в области металлокомплексного катализа с постоянной ориентацией на соответствующие объекты живой природы ( К. Циглер)

2-й путь – моделирование биокатализаторов (ферментов).

3-й путь – сопряжен с химией иммобилизованных систем. Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности путем адсорбции.

4-й путь – изучение всего кат. опыта живой природы, в т. ч. и опыта формирования самого фермента, клетки и даже организма.

Возможности современных биотехнологий. Клонирование и проблемы воспроизведения живых организмов.

Современные биотехнологии дают возможность получить белок, ранее не существовавший в природе, любой желаемой структуры ( процесс получил название мутагенеза),путем ввода отрезка ДНК в микроорганизм. Кроме того, ученые научились соединять ДНК из разных организмов, определять и выделять сегменты ДНК, кодирующие нужный белок, определять нуклеотидные последовательности в больших фрагментах ДНК.

Клонирование – искусственное выращивание нового животного из соматической клетки, создание генетически тождественного существа. В 1997 г. клонировали овцу. Но остается открытым вопрос о нравственных, социальных, биологических и других последствиях таких экспериментов.

Найти единственно нужный сегмент ДНК, содержащийся всего в одном гене, очень трудно. Поэтому применяют рекомбинантные ДНК, встраивая фрагменты ДНК клетки в миллион быстро делящихся бактерий, применяя затем методы диагностики, чтобы найти бактерии с новым геном, и получая т.о. миллиарды одинаковых копий каждого гена.

Особенности биосферного уровня организации материи. Развитие традиционных принципов в биологии. Живое и неживое.

Все объекты природы(живой и неживой) можно представить в виде систем, обладающими особенностями, характеризующими их уровень организации. Концепция структурных уровней живой материи включает представления системности и связанной с ней  органической целостностью живых организмов. Живая материя дискретна, т. е. делится на составные части более низкой организации, имеющие определенные функции.

Биосфере присуща хиральность(сохранение только одной из двух возможных пространственных структур: L-, D-структуры). Две основополагающие жизненные системы: обмена вещества и воспроизводства материальных основ живой клетки. Жизнь – одна из самых высоких известных человеку форм упорядоченности вещества. Этапы перехода  от неживого к живому: 1.синтез исходных органических соединений из неорганических веществ. 2.формирование в первичных водоемах из органич.соединений биополимеров, липоидов, углеводородов.3.самоорганизация сложных органических соединений, затем образование простейшей клетки.

Биология – совокупность наук о живой природе – об огромном разнообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, распространении и развитии, связанных друг с другом и с неживой природой. На начальном этапе развития биология была традиционной, т.е. носила описательный характер. Объект ее изучения – живая природа в естественном состоянии и целостности. Большой вклад в традиц. биологию внес Карл Линней. Наиболее значительное ее достижение – классификация растительного и животного мира. Ее научный материал накапливается в результате непосредственного наблюдения объекта изучения – живой природы.

Структурные уровни организации материи в биологии. Принципы систематики простейших организмов, растений и животных.

С учетом уровня организации можно рассматривать иерархию структур организации материальных объектов живой и неживой природы. Такая иерархия структур начинается с элементарных частиц и заканчивается живыми сообществами. Концепция структурных уровней впервые была предложена в 20-х гг нашего столетия. В соответствии с ней структурные уровни различаются не только по классам сложности, но и по закономерностям функционирования. Концепция включает в себя иерархию структурных уровней, в которой каждый последующий уровень входит в предыдущий.

Линней создал систему растительного и животного мира и построил наиболее удачную классификацию, которая производилась по определенным признакам, отражающим закономерности, наблюдаемые в живой природе. По таким признакам растения объединились в группы, называемые таксонами. Линней ввел бинарную номенклатуру для обозначения рода и вида.

Мишель Адансон предложил принцип классификации растений по сходству максимального числа признаков с применением математических методов. Естественные системы создаются как правило в рамках какой-либо концепции, включающей принцип нахождения генеалогического родства и установления преемственности происхождения.

Строение и функции живой клетки. Основополагающие жизненные процессы в организмах.

Клетка – элементарная живая система, основа строения и жизнедеятельности всех животных и растений . Клетки существуют как самостоятельные организмы( простейшие, бактерии), так и в составе многоклеточных организмов, в которых имеются половые клетки, служащие для размножения, и клетки тела( соматические), различные по строению и функциям( нервные, костные, мышечные, секреторные). В каждой клетке различают две основные части: ядро и цитоплазму, в которых находятся органоиды( комплекс Гольджи, ядрышки(в ядре), эндоплазматическая сеть, митохондрии, клеточная мембрана). Клетки растений как правило, покрыты твердой оболочкой.

Существует два основных жизненных процесса в организме: обмен веществ и воспроизводство основ живой клетки. Назначение обмена веществ – поддерживать уровень упорядоченности организма и его частей. Система воспроизведения содержит в закодированном виде полную информацию, необходимую для построения из запасенного клеткой органического материала нужного в данный момент времени белка. Она же ведает механизмом извлечения и реализации соответствующей программной информации. Свои функции эта система осуществляет посредством ДНК и РНК.

При подготовке этой работы были использованы материалы с сайта http://www.studentu.ru