Перспективные виды топлива. Альтернативные источники энергии

33. Перспективные виды топлива. Альтернативные источники энергии.

Человек в своей деятельности интенсивно потребляет ископаемые виды топлива, запасы которого очень быстро иссякают. Перспектива за возобновляемыми видами энергии: энергии воды (приливные станции, так как ГЭС приносят большой урон природе), энергии ветра, геотермальной энергии, солнечной энергии, атомной энергии. Альтернативные источники энергии – биотопливо, получаемое из отходов сельскохозяйственной деятельности, управляемые термоядерные реакции (разработка еще не завершена).

Лекция 12. Особенности биологического уровня организации материи

Важнейшие открытия 19 –20 веков в области биологии, которые легли в основу современной биологии.

Биология возникла и долгое время существовала как описательная наука, осуществлявшая анализ и классификацию огромного эмпирического материала. Современная биология использует генетический и системно-структурный подходы. Особенностью современной биологии является ее тесная связь с другими науками, с практическими нуждами решения экологических, медицинских, социальных, экономических и др. проблем.

Величайшим открытием является предложенная Ч. Дарвиным теория эволюции живой природы (1859 г. «Происхождение видов путем естественного отбора»).

Грегор Мендель в XIX веке открыл закон наследственности, показал, что наследование признаков происходит дискретно и что рецессивные мутации не исчезают, а сохраняются в генофонде популяции и проявляются через поколение.

В 1900 г. законы наследственности были вновь открыты Х.де Фризом (Голландия), К. Корренсом (Германия) и Э.Чермаком (Австрия). Х. де Фриз предложил теорию мутаций.

В 1920-е гг. А. Вейсманом, Т.Х. Морганом, А. Стертевантом, Г.Дж. Меллером была разработана хромосомная теория наследственности.

В 1940-е гг. была открыта нуклеиновая природа гена. В 1944 г. американец О. Эвери и его сотрудники установили, что носителем наследственной информации является ДНК, а в 1953 г. Д.Уотсон и Ф.Крик расшифровали ее структуру- двойную спираль. Выяснилось, что свойство самоудвоения молекул ДНК является основой механизма наследственности.

В последующие годы была установлена зависимость синтеза белков от состояния генов, расшифрована аминокислотная последовательность многих белков.

В 1970-е г. сложилась генная инженерия (технология рекомбинантных ДНК) - на основе синтеза методов молекулярной биологии и генетики. В 1978г. методами генной инженерии был синтезирован инсулин - белок, позволяющий бороться с диабетом.

С 1980-х гг. проводятся успешные опыты по клонированию животных (от греческого klon – побег, ветка) – точному воспроизведению организма.

В 1997 г. появилась овечка Долли. Клонирование человека законодательно запрещено во многих странах. (Время от времени появляются публикации, свидетельствующие о нарушении этого запрета).

ДНК, геном человека.

Молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) находятся в хромосомах ядер клеток и являются носителями наследственной информации. ДНК состоит из двух спаренных полинуклеотидных цепочек, закрученных в спираль. Звеньями ДНК являются нуклеотиды (соединения азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты). Азотистые основания аденин (А), тимин (Т), цитозин (Ц), гуанин (Г) цепочек связаны комплементарно: А-Т, Ц-Г. Ген - участок ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка.

В 1988 г. была создана международная организация «Геном человека», задачей которой была расшифровка генома – совокупности генов, сосредоточенных в единичном наборе хромосом данного организма. В 2003 г. эта программа была практически завершена. Оказалось, что в геноме человека от 30 до 40 тыс.генов (вместо предполагавшихся ранее 80 – 100 тыс.). Это ненамного больше, чем у червяка (19 тыс. генов) или мухи-дрозофилы (13,5тыс.).

Для использования новых знаний в фармакологии нужны новые технологии, которые появятся в ближайшие десятилетия.

Особенности биологического уровня организации материи.

Одно из определений жизни (М.В.Волькенштейн): «Жизнь есть форма существования макроскопических гетерогенных открытых сильнонеравновесных систем, способных к самоорганизации и самовоспроизведению».

Свойства живых систем:

a) макроскопичность (состоят из большого числа атомов);

b) гетерогенность (образованы из множества разных веществ);

c) открытость – происходит непрерывный обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой;

d) сходство химического состава, 6 органогенов: C, O, H, N, P, S;

e) живые системы содержат совокупность биополимеров, не характерных для неживых систем;

f) раздражимость - реакции на информацию, воздействие извне;

g) дискретность – состоят из отдельных взаимодействующих элементов;

h) цельность – все элементы функционируют вместе со всей системой.

Структурные уровни организации живых систем (концепция структурных уровней живого включает представление об их иерархической соподчиненности):

1) молекулярно-генетический (здесь совершается скачок от неживой материи к живой; вирусы - мельчайшие бесклеточные организмы - на границе живой и неживой материи);

2) клеточный (клетка - мельчайшая элементарная живая система - первооснова строения, жизнедеятельности и размножения организмов; клетки без ядер – прокариоты, с ядрами - эукариоты);

3) тканевый (совокупность клеток с одинаковым уровнем организации образует живую ткань);

4) онтогенетический или организменный (система совместно функционирующих органов образует организм; на этом уровне проявляется большое разнообразие живых систем);

5) популяционно-видовой (образован совокупностью видов и популяций; популяция - совокупность организмов одного вида, обладающих единым генофондом; вид – совокупность скрещивающихся организмов; на этом уровне реализуется биологический эволюционный процесс);

6) биогеоценотический (биогеоценоз - исторически сложившееся устойчивое сообщество популяций, связанных между собой и с окружающей средой обменом веществ);

7) биосферный (совокупность биогеоценозов составляет биосферу Земли).

Лекция 13. Концепция биосферы

Биосфера.

Сфера жизни, совокупность биогеоценозов. Жизнь существует почти везде в гидросфере, в верхней части литосферы и в атмосфере- до стратосферы.

Все живые существа обладают колоссальным биотическим потенциалом, то есть способны размножаться очень быстро. Однако сопротивление среды (голод, стихийные бедствия, болезни и т.д.) позволяет поддерживать численность популяций. В результате естественного отбора возникла адаптация - приспособленность к окружающим условиям (структурная, физиологическая или поведенческая).

История биосферы длится около 4,1 млрд.лет, человеческий род существует – менее 3 млн. лет, Homo sapiens ~ 40 тыс. лет. Следовательно, инерционность биосферы выше человеческой ~ в 100 тыс.раз.

Организмы-автотрофы (растения и некоторые бактерии) синтезируют органические вещества из неорганических с помощью энергии света или окислительных реакций (фото- или хемосинтез).

Организмы-гетеротрофы (грибы, бактерии, животные) приспособились к потреблению энергии из готовых органических веществ, синтезированных автотрофами. Живые системы образуют трофические (пищевые) цепочки, заключительным звеном которых являются микроорганизмы. Таким образом, в биосфере осуществляется глобальный круговорот веществ, обусловленный биогеохимическими циклами.

В глобальном энергетическом балансе важно, что энтропия поступающего на Землю коротковолнового излучения меньше, чем энтропия длинноволнового излучения, переизлучаемого нашей планетой. Вся биосфера Земли представляет собой высокоорганизованную систему, упорядоченность которой поддерживается за счет отрицательного энтропийного баланса.

Основы целостного учения Вернадского о биосфере.

Постулаты Владимира Ивановича Вернадского о биосфере:

1. первобытная биосфера была функционально разнообразной;

2. сразу появились биогеоценозы;

3. биогеоценозы – главная движущая сила геохимических преобразований;

4. живые организмы порождают миграцию химических элементов в биосфере;

5. все функции живого в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами.

Согласно концепции биосферы В.И.Вернадского:

Жизнь - могучая геологическая сила, формирующая облик Земли.

Геохимические функции живого (по В.И.Вернадскому):

- энергетическая;

- деструктивная;

- средообразующая;

- транспортная.

Биохимические принципы В.И.Вернадского:

1. биогенная миграция атомов и обмен веществ стремятся к максимальному проявлению;

2. выживают организмы, увеличивающие биогенную миграцию атомов биосферы.

39. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем.

Чарльз Дарвин - основоположник теории эволюции.

Факторы эволюции по Дарвину:

• изменчивость,

• наследственность,

• естественный отбор (борьба за существование - внутривидовая, межвидовая, с окружающей средой).

Сущность эволюции проявляется в непрерывном приспособлении биологических видов к разнообразным условиям окружающей среды и в появлении все более сложных организмов.

(Вначале организмы были гетеротрофами, т.е. питались органическими молекулами первичного океана или другими организмами, затем появились автотрофы и живой мир перестал зависеть только от органических веществ, которые медленно образовывались на Земле.)

Принципы эволюции:

- неравномерность темпов;

- прерывистый характер распространения животных и растений;

- случайность и необратимость, так как проходит через точки бифуркации;

- сохранение тех организмов, которые увеличивают свободную химическую энергию в биосфере (уменьшают энтропию).

Уровни эволюции: микроэволюция (на популяционно-видовом уровне, время мало, завершается видообразованием; генотипическая - изменение генов, фенотипическая - изменение признаков, элементарной единицей эволюции является популяция, а не особь, как у Ламарка), макроэволюция (на надвидовом уровне, время велико).

Все живые системы являются открытыми неравновесными системами, которые поддерживаются в стационарном состоянии.

Процесс видообразования похож на фазовый переход.

Вид - группа скрещивающихся организмов (и дающих потомство).

В живых системах реализуется механизм самоуправления и самоорганизации. Самоуправление многоуровневое, с положительными и отрицательными обратными связями.

Цель первого порядка – обеспечить существование системы.

Метаболизм – обмен веществ системы с окружающей средой. Поддерживает определенный уровень организации системы и ее частей. Противодействует увеличению энтропии, обусловленному необратимыми процессами в живой природе.

Цель второго порядка - гомеостаз – поддержание постоянства параметров внутренней среды живой системы.

Цель третьего порядка – достижение оптимальных показателей существования живой системы (максимальной энергетической эффективности и надежности ее функционирования).

Воспроизводство осуществляется системой воспроизведения организма посредством ДНК и РНК. (ДНК хранит генетическую информацию, а РНК - рибонуклеиновая кислота способна ее считывать, переносить и строить из исходных материалов белковые молекулы).

Стадии процесса воспроизводства:

- репликация - удвоение молекулы ДНК;

- транскрипция – перенос кода ДНК путем образования одноцепочечной информационной РНК;

- трансляция – синтез белка на основе кода информационной РНК.

Лекция 14. Происхождение и сущность жизни

Основы синтетической теории эволюции.

Обоснование эволюции:

- палеонтология (изучает следы древней жизни в горных породах);

- сравнительная эмбриология (Рекапитуляция – по Геккелю «онтогенез повторяет филогенез» – явление: организм в своем индивидуальном развитии проходит стадии, повторяющие эволюцию всего вида).

- естественная классификация (основана на структурных свойствах организмов);

- селекция (модель эволюции).

В настоящее время приняты факторы эволюции:

- мутации (доминантные и рецессивные);

- флуктуации численности особей;

- изоляции;

- естественный отбор (движущий, стабилизирующий, дезруптивный – гибель при резком изменении условий).

Эволюция не всегда идет с усложнением. Например, бактерии сохраняются благодаря упрощению.

Этапы биохимической эволюции (по А.И.Опарину) (теория абиогенного происхождения жизни):

1) переход воды в жидкое состояние, образование атмосферы и гидросферы;

2) образование органических соединений в первичном океане;

3) образование белковых структур;

4) объединение коацерватов (при слиянии гидрофильных комплексов);

5) образование гидрофобных липидных границ;

6) появление механизма саморегуляции;

7) появление механизма самовоспроизведения при возникновении генетического кода.

По А.И. Опарину: «Переход к живому осуществляется, когда на смену соревнованию в скорости роста приходит борьба за существование».

Этапы космобиологической эволюции:

– большой взрыв;

– излучение + вещество;

– Галактики, Вселенная;

– планеты;

– первичная атмосфера;

– вторичная атмосфера, гидросфера;

– образование органических веществ, аминокислот;

– коацерватные капли;

– естественный отбор, мутации;

– ДНК, РНК;

– белок.

Концепции происхождения жизни.

1. Генобиотическая гипотеза - утверждает первичность возникновения молекулярной системы со свойствами генетического кода (вероятность самовозникновения 10–2000)

2. В рамках концепции биохимической эволюции - можно выделить три этапа перехода неживое-живое:

1) синтез исходных органических соединений из неорганических в условиях первичной атмосферы Земли; (В 1953 г. С.Миллер экспериментально доказал возможность такого синтеза).

2) синтез биополимеров из органических соединений;

3) самоорганизация сложных органических соединений, завершающаяся образованием клетки.

Согласно концепции биохимической эволюции основные условия возникновения жизни:

- наличие определенных химических элементов;

- наличие источников энергии;

- отсутствие газообразного кислорода (окислительной среды);

- бесконечно большое время.

Ежегодно растения образуют до 150 млрд.тонн органических веществ и запасают до 10 15 кДж энергии Солнца.

3. Коацерватная гипотеза (Опарина-Холдейна) - решающая роль принадлежит белкам. Из-за амфотерности (проявляют свойства и кислот и оснований) они способны притягивать молекулы воды, образуя гидрофильные коллоидные комплексы. При их слиянии образуются коацерваты, способные расти и делиться. В первичном океане происходили автокаталитические реакции (типа реакции Белоусова-Жаботинского).

4.Теории предбиологической эволюции:

- жизнь возникла на Земле из неживых (минеральных) форм;

- жизнь – направленный вектор эволюции от неживого к живому;

- грань неживое-живое очень резка, жизнь неустойчива;

- живое из неживого – событие маловероятное.

5. Панспермия - гипотезы внеземной природы жизни:

- жизнь является порождением Космоса и получила развитие на Земле;

- принцип Пастера-Реди «живое только от живого»;

- жизнь – не такое уж редкое событие во Вселенной;

- жизнь – устойчивое образование;

- Джеймс Джинс – «жизнь это плесень на поверхности небесных тел».