ТЕМА 2 Основные концепции естествознания Понятие материи в

ТЕМА 2. Основные концепции естествознания. Понятие материи в естествознании. Различные формы движения и взаимодействия материи. Фундаментальные взаимодействия, их природа. Современные концепции пространства и времени. Недостатки общей теории относительности и границы ее применимости. Теория одиннадцатимерной супергравитации и ее недостатки. Концепция Большого взрыва. Модель инфляционной Вселенной. Сценарии будущего Вселенной. Тёмная материя и тёмная энергия. Множественность вселенных. Основные концепции возникновения жизни. Живое вещество: критерии жизни и уровни организации. Эволюция химических соединений на Земле. Образование биологических мономеров и полимеров. Технологии генетической модификации. Генная инженерия. Основы селекции. Клонирование. 1

Эволюция представлений о материи НАТУРФИЛОСОФСКАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКАЯ I. Концепция созерцательного материализма: Концепция дискретного строения материи: Концепция континуального (непрерывного) строения материи Материя есть конкретное вещество (Фалес – вода, Анаксимен – воздух, Гераклит – огонь, ……. ) «Материя есть субстанция, состоящая из отдельных частиц – атомов (или корпускул). Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы» (Ньютон) Материя существует в двух видах – вещество и поле, вещество и поле. Они однако как строго разделены и их физическая превращение друг в реальность едина. друга невозможно. (Планк, Гейзенберг, Шрёдингер, Бор) Физический вакуум – это первичная субстанция, базовая форма материи, среда, охватывающая всю Вселенную, среда с очень низким (но ненулевым!) энергосодержанием. XVII век XIX век Конец XX века II. Концепция атомистического материализма: Материя состоит из атомов и пустоты (Демокрит) VI в. до н. э. Концепция корпускулярноволнового дуализма. СОВРЕМЕННАЯ (ЭВОЛЮЦИОННАЯ) Начало XX века Материя: вещество, поле, физический вакуум. 2

Передача взаимодействий Концепция близкодействия: взаимодействия передаются с помощью особых материальных посредников и с конечной скоростью. Концепция дальнодействия: взаимодействия передаются без материальных посредников через пустоту и на любые расстояния, причем с бесконечно большой скоростью. 3

Взаимодействие в современной научной картине мира ü четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое) ü квантово-полевой механизм передачи взаимодействий (заряд испускает виртуальные частицы-переносчики соответствующего взаимодействия, поглощаемые другими аналогичными зарядами) Виртуальные частицы – это элементарные частицы, о существовании которых можно судить лишь опосредованно, по некоторым их проявлениям через какие-то вторичные эффекты. 4

Фундаментальные взаимодействия Гравитационное: определяет глобальные процессы консолидации материи в макро- и мегамире. Электромагнитное: определяет силы давления, трения, сопротивления, упругости, химические силы, свойства вещества и электромагнитных излучений. Сильное: определяет структуру адронов, связь нейтронов и протонов в атомных ядрах, ядерные реакции. Слабое: определяет распад и превращение элементарных частиц. 5

Гравитационное взаимодействие Сила гравитационного притяжения (закон всемирного тяготения): ОТО: гравитационному взаимодействию подвержены объекты, не имеющие массы покоя (например, два луча света). Обменная частица – гравитон (экспериментально не обнаружена) 6

Электромагнитное взаимодействие Существует между любыми объектами, обладающими ненулевыми электрическими зарядами. Подчиняется закону Кулона: Переносчик – виртуальный фотон (квант электромагнитного поля) Магнитные силы порождаются электрическими токами – движением электрических зарядов. Электродинамика Максвелла – классическая теория электромагнетизма. Квантовая электродинамика (КЭД) – учет квантово-полевых эффектов. 7

Слабое взаимодействие Превращение одних частиц-фермионов в другие. Слабый заряд существует в трех видах, что создает три разновидности слабого поля с тремя тяжелыми обменными векторными бозонами: Бета-распад: С. Вайнберг, А. Салам: объединение слабого и электромагнитного взаимодействия (переносчик – безмассовая бозонная частица с бесконечным радиусом действия). 8

Сильное взаимодействие Соединение кварков и антикварков в адроны, а разновидности адронов – нуклоны (протоны, нейтроны) в ядра. Препятствует распаду атомных ядер (не будь его, ядра распались бы из-за сил электрического отталкивания протонов). Взаимодействие кварков обусловлено их цветом, обменные частицы взаимодействия – глюоны. Глюоны также обладают цветовым зарядом. С сильным взаимодействием связаны энергия, выделяемая Солнцем и звездами, превращения в ядерных реакторах и освобождение энергии. 9

Гравитационное Относительная сила Участники взаимодействий Характер взаимодействия Частица-переносчик взаимодействия Сильное Электромагнитное Слабое 10 -39 1 -15 все адроны и их компоненты частицы с q≠ 0 Фермионы с фермионами притяжение, отталкивание меняет тип частиц гравитон глюоны фотон Промежуточные векторные бозоны 10 -17 W+, W- - 160000 me, Масса обменной частицы 0 0 0 Расстояние взаимодействия, м ∞ 10 -15 ∞ 10 -18 Время взаимодействия, с ? 10 -22 – 10 -24 10 -18 – 10 -21 10 -8 – 10 -10 Теория Взаимодействие определяет Z 0 - 180000 me классической и квантовой электро- квантовой теории поля динамики силы давления, распад и превращение структуру трения, элементарных частиц с адронов, связь сопротивления, глобальные процессы участием нейтрино, нейтронов и упругости, консолидации материи безнейтринный распад протонов в химические силы, в макро- и мегамире с большим временем атомных ядрах, свойства вещества и жизни распадающейся ядерные реакции электро-магнитных частицы излучений всемирного тяготения, квантовой относительности хромодинамики Примеры 10

Пространство и время. Классические воззрения Пространство выражает порядок расположения одновременно существующих объектов. Время показывает последовательность событий и сменяющих друга состояний материи. ПРОСТРАНСТВО: - однородно, изотропно, трехмерно, безгранично, непрерывно, без центра, абсолютно ВРЕМЯ: - однородно , необратимо, одномерно, бесконечно, непрерывно, абсолютно 11

Абсолютное пространство и Абсолютное время. Абсолютное пространство: универсальное вместилище себя и всего существующего в мире. Абсолютное время: универсальная длительность любых процессов во Вселенной. Абсолютные пространство, время и материя представляют три независимые друг от друга сущности. 12

Системы отсчета Система отсчета = Тело отсчета + Хронометр (часы) СИСТЕМЫ ОТСЧЕТА: - ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ - НЕИНЕРЦИАЛЬНЫЕ ИСО Ø Тело отсчета – свободно, т. е. на него не действуют никакие силы. Ø В ИСО другие свободные тела движутся прямолинейно и равномерно или покоятся (закон инерции, он же 1 -ый закон Ньютона) Ø Для ИСО справедливы все законы механики Ньютона. Ø Все ИСО равноправны! Ø Но: в каждой ИСО свои значения характеристик движения 13

Преобразования Галилея x’=x-vt y’=y z’=z t’=t Относительно этих преобразований законы механики остаются неизменными во всех инерциальных системах отсчета. 14

Пространство и время. Релятивистская механика (V ~ c) Постулаты СТО: Ø принцип постоянства скорости света (с=const. ) Ø принцип относительности А. Эйнштейна (все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения) • ЧЕМ ЖЕ ЗАМЕНИТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГАЛИЛЕЯ, ЧТОБЫ УДОВЛЕТВОРИТЬ СОВОКУПНОСТИ ПОСТУЛАТОВ СТО? 15

Преобразования Лоренца q y’=y; z’=z; Связывают координаты и времена одних и тех же событий, наблюдаемых из различных ИСО q В СТО заменяют преобразования Галилея для классической механики 16

Следствия СТО: Замедление времени Световые часы 17

Следствия СТО: Лоренцево сокращение • уменьшение размеров тела l' в подвижной системе S' по отношению к размерам тела в неподвижной системе S 18

Следствия СТО Наше пространство – четырехмерно! Для характеристики событий используют пространственно-временной интервал S, который связывает начальные и конечные условия события х1, y 1, z 1; х2, y 2, z 2 – начальные и конечные пространственные координаты события t 1 и t 2 – соответствующие моменты времени начала и конца события 19

Эквивалентность массы и энергии Масса – форма существования энергии 20

Комментарии к СТО • Несмотря на то, что многие предсказания СТО на уровне интуиции кажутся невероятными, СТО – верна на строго математическом уровне и верна при любых скоростях перемещения тела в ИСО! • В большинстве случаев практики поправки в расчеты кинематики и динамики движения тел потребны при v~(0, 1 -0, 2)c, что соответствует 30000 -60000 км/с! 21

Необходимость релятивистской теории гравитации СТО: Существует абсолютный барьер для скорости –скорость света. Это ограничение противоречит теории тяготения Ньютона. Согласно Ньютону гравитационное притяжение распространяется мгновенно. противоречие Но! вспышка света от Солнца до Земли идет 8 мин 22

Постулаты ОТО • ОБЩИЙ ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (все законы природы в любых системах отсчета одинаковы). • ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ (поля тяготения можно создавать или уничтожать за счет движения с ускорением). Замечание: При отсутствии поля тяготения справедлива СТО 23

Принцип эквивалентности q Инертная масса: F = mиa q Гравитационная масса: F = Gmг mз /r 2 Эйнштейн: Инертная и гравитационная массы равны другу, mи = mг. Сила инерции - настоящая природная сила, эквивалентная силе тяжести. Равенство mи = mг доказано с точностью 0, 999999 12 штук 24

25

26

27

28

29

Основные выводы Существуют истинные поля тяготения, создаваемые массивными телами (планеты, звезды, галактики и т. д. ). Существуют фиктивные поля тяготения, создаваемые за счет движения с ускорением (движущийся лифт, ракета и т. д. ). Истинные поля тяготения можно компенсировать переходом из одной системы отсчета в другую. 30

Искривление пространства и времени Эйнштейн: В отсутствии материи и энергии пространство будет плоским. Присутствие массивного тела искривляет пространство. 31

Черные дыры 32

Основные выводы СКОРОСТЬ СВЕТА В ОБЛАСТЯХ, БЛИЗКИХ К ИСТОЧНИКУ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ, МЕНЬШЕ СКОРОСТИ СВЕТА В ОБЛАСТЯХ, УДАЛЁННЫХ ОТ ИСТОЧНИКА ТЯЖЕСТИ. ЧЕМ СИЛЬНЕЕ ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ НА ПУТИ СВЕТА, ТЕМ МЕДЛЕННЕЕ РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ СВЕТ. 33

Основные выводы СТО: В ИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ОТСЧЕТА ВСЕ ЗАКОНЫ (у Ньютона – законы механики) НЕИЗМЕННЫ Пространство + время замедляется длина сокращается ОТО: ВСЕ ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ В ЛЮБЫХ СИСТЕМАХ ОТСЧЕТА ОДИНАКОВЫ Под действием гравитации: пространство искривляется время замедляется 34

Эмпирические доказательства ОТО: - отклонение световых лучей вблизи Солнца - замедление времени в гравитационном поле - смещение (Меркурия) перигелиев планетных орбит 35

Верна ли общая теория относительности? Эксперименты на современном оборудовании не выявили отклонений от ОТО. С другой стороны, несовместимость с другой тщательно проверенной теорией – квантовой механикой. Центральная проблема современной теоретической физики. 36

ДИНАМИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ • однозначно связывают между собой значения физических величин, характеризующих состояние системы. ПРИМЕРЫ: - механика, - электродинамика, - термодинамика, - теория относительности, - эволюционная теория Ламарка, - теория химического строения. 37

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ • однозначно связывают между собой вероятности тех или иных значений физических величин. ПРИМЕРЫ: - молекулярно-кинетическая теория, - квантовая механика, - эволюционная теория Дарвина, - молекулярная генетика. 38

Концепции квантовой механики невозможность точной локализации движущейся частицы в определенной точке пространства. Отсутствие понятия «траектория» 39

График вероятности обнаружения электрона на разном расстоянии от ядра 40

Соотношение неопределенностей Вернегер Гейзенберг, 1927 г. чем точнее определена какая-либо из координат частицы (т. е. чем меньше неопределенность x-координаты), тем больше неопределенность составляющей импульса рх в том же направлении, и наоборот. x· px 41

Принцип дополнительности • - невозможны невозмущающие измерения (измерение одной величины делает невозможным или неточным измерение другой, дополнительной к ней величины) • - полное понимание природы микрообъекта требует учёта как его корпускулярных, так и волновых свойств, хотя они не могут проявляться в одном и том же эксперименте • - (в широком смысле) для полного понимания любого предмета или процесса необходимы несовместимые, но взаимодополняющие точки зрения на него 42

Волновая функция d. P=|Ψ|2·d. V Коэффициент пропорциональности |Ψ|2 – это квадрат амплитуды волновой функции – вероятность d. P обнаружения частицы в объеме d. V. Волновая функция это величина, которая в квантовой механике полностью описывает состояние микрообъекта (электрона, протона, атома и т. п. ) и вообще любой квантовой системы. Поведение элементарных частиц носит вероятностный характер, описываемый волновой функцией. 43

Уравнение Шрёдингера (1926) m – масса частицы; ћ – постоянная Планка; U – потенциальная энергия сил внешнего поля. Для квантового мира уравнение Шрёдингера играет ту же роль, что законы Ньютона для мира классического. 44

45

Тёмная материя и тёмная энергия 46

ТЁМНАЯ ЭНЕРГИЯ гипотетическая форма энергии, позволяющая объяснить факт расширения Вселенной с ускорением. ТЁМНАЯ МАТЕРИЯ гипотетическая форма материи, позволяющая решить проблему скрытой массы. 47

Тёмная материя — форма материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним. Существование темной материи основывается на: ü наблюдениях сверхновых типа Ia, ü исследованиях флуктуаций реликтового излучения, ü корреляционных функциях и спектрах пространственного распределения галактик, ü данных о гравитационном линзировании скоплениями галактик. Эксперименты по поиску гравитационного линзирования света звёзд нашей Галактики показывают, что достаточной концентрации крупных гравитирующих объектов типа планет или чёрных дыр для объяснения массы гало нашей Галактики не наблюдается, а мелкие объекты достаточной концентрации должны слишком сильно поглощать свет звёзд.

Кандидаты на роль темной материи Барионная тёмная материя: • тёмные галактические гало, • коричневые карлики и массивные планеты, • белые карлики, • нейтронные звёзды, • чёрные дыры. Небарионная тёмная материя: • легкие нейтрино, • тяжелые нейтрино, • суперсимметричные частицы, • космионы, • топологические дефекты пространства-времени. ВИМП (WIMP - weakly interacting massive particle) Эксперименты EDELWEISS, CDMS, CRESST, EURECA направлены на прямое обнаружение частиц WIMP. В качестве мишени служат полупроводниковые детекторы, охлаждённые до температуры в несколько м. К.

Самая большая ошибка Эйнштейна Назначение лямбда-члена (космологической постоянной) – сделать Вселенную стационарной, то есть неизменной и вечной. 1922 -1924 гг. А. Фридман: нестационарные решения уравнений Эйнштейна. 1929 год: открытие разбегания галактик. v=H·R

Красное смещение Чем дальше от Земли находится та или иная галактика, тем выше скорость ее удаления от нас и, соответственно, тем сильнее смещены к красному концу линии ее спектра. А. В. Попов "НКМ", Алт. ГТУ 51

Тёмная энергия — нечто, что заставляет расширяться Вселенную с ускорением. Темная энергия не собирается в сгустки, как темная материя, а равномерно «размазана» по Вселенной. Темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Кандидаты на роль темной энергии: ü «Космологический вакуум» - неизменная энергетическая плотность, равномерно заполняющая пространство Вселенной ü «Квинтэссенция» - динамическое поле, энергетическая плотность которого может меняться в пространстве и времени.

Основные эпохи эволюции Вселенной

Концепция Большого взрыва -Модель горячей Вселенной -Реликтовое фоновое излучение Т=2, 7 К, n=500 1/см 3, λ = 7, 5 см 54

Стадии (эры) Большого взрыва -адронная (Т>1012 К, ρ>1014 г/см 3, t<10 -4 с) - лептонная (1010

А. В. Попов "НКМ", Алт. ГТУ 56

А. В. Попов "НКМ", Алт. ГТУ 57

Сценарии будущего Вселенной «Закрытые» модели: расширение Вселенной сменится сжатием и достигнет новой сингулярности. «Открытые» модели: Звезды остынут (1014 лет), планеты покинут звезды, а звезды – галактики (1019 лет), галактики проколлапсируют в черные дыры, которые испарятся и во Вселенной останется лишь постепенно остывающая электрон-позитронная плазма ничтожной плотности. 58

Теория струн http: //stringworld. ru/ 59

60

Происхождение жизни Гипотезы происхождения жизни на Земле ØТеория креационизма ØТеория самозарождения ØТеория стационарного состояния ØТеория панспермии ØТеория биохимической эволюции 61

Креационизм Жизнь намеренно создана неким сверхсуществом или божеством. 62

Самозарождение жизни определенные «частицы» вещества содержат некое «активное начало» , которое при подходящих условиях может создать живой организм. Факты, опровергающие данную теорию: - концепция биогенеза ( «ЖИВОЕ ОТ ЖИВОГО» ) - опыты Луи Пастера (1860) 63

Гипотеза стационарного состояния • ЖИЗНЬ ВЕЧНА КАК И САМА ЗЕМЛЯ УСПЕХИ ГЕОЛОГИИ, АРХЕОЛОГИИ, АСТРОФИЗИКИ, БИОЛОГИИ ОПРОВЕРГЛИ ГИПОТЕЗУ 64

Панспермия Г. Рихтер (1865) – панспермия – гипотеза о появлении жизни на Земле в результате переноса с других планет неких «зародышей жизни» . - Перенос проблемы в пространстве. 65

Теория Опарина (1924) - жизнь на Земле постепенно возникла из неорганических веществ путем длительной абиогенной (небиологической) молекулярной эволюции. 66

КОНЦЕПЦИЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ • АВТОРЫ: А. ОПАРИН – ДЖ. ХОЛДЕЙН - (1 -й ЭТАП) - АБИОГЕННЫЙ СИНТЕЗ : образование органических соединений, характерных для живой природы, вне организмов и без участия ферментов, в результате химических реакций между неорганическими веществами. 67

КОНЦЕПЦИЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ • (2 -Й ЭТАП)- ФОРМИРОВАНИЕ КОАЦЕРВАТОВ • ПОЛЯРНЫЕ МОЛЕКУЛЫ + ГИДРАТНЫЕ ОБОЛОЧКИ = КОАЦЕРВАТЫ • «ПЕРВИЧНЫЙ БУЛЬОН» : КОАЦЕРВАТЫ, ПОЛИНУКЛЕОТИДЫ, ПОЛИПЕПТИДЫ, КАТАЛИЗАТОРЫ • (3 -Й ЭТАП) – ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ РНК-ДНК-БЕЛКИ • ПОЯВЛЕНИЕ КЛЕТКИ 68

КОНЦЕПЦИЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ • САМЫЕ РАННИЕ СЛЕДЫ ЖИЗНИ: 3, 2 – 3, 5 МЛРД ЛЕТ В АВСТРАЛИИ БАКТЕРИИ И МИКРОВОДОРОСЛИ – УЖЕ АВТОТРОФЫ, АНАЭРОБЫ, ПРОКАРИОТЫ Автотрофный — питающийся неорганическими веществами. Анаэробы — организмы, способные жить в бескислородной среде 69

КОНЦЕПЦИЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ - СВОБОДНЫЙ КИСЛОРОД: 3 млрд. лет – 0% 1, 2 млрд. лет – 0, 02% 400 млн. лет – 2% (ОЗОНОВЫЙ СЛОЙ) – ЖИЗНЬ ВЫШЛА НА СУШУ 300 млн. лет – 21% - КИСЛОРОДНОЕ РАВНОВЕСИЕ СЕЙЧАС – 21% 70

КОНЦЕПЦИЯ БИОХИМИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ • 300 МЛН ЛЕТ: ПАПОРТНИКИ, ХВОЩИ, ПОЧВА • ЖИВОТНЫЕ ВЫШЛИ НА СУШУ, ВОЗНИКЛИ ЛЕСА, ПОЛНЫЕ ЖИЗНИ • 3 МЛН ПОЯВИЛСЯ ЧЕЛОВЕК • СЕЙЧАС: 1, 5 МЛН ВИДОВ ЖИВОТНЫХ (70 ТЫС. ПОЗВОНОЧНЫХ, 16 ТЫС. ПТИЦ, 12540 - МЛЕКОПИТАЮЩИХ) 71

ПРИЗНАКИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ • ОПРЕДЕЛЕННЫЙ ХИМ. СОСТАВ • КЛЕТОЧНОЕ СТРОЕНИЕ • ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГОЗАВИСИМОСТЬ (МЕТАБОЛИЗМ) • САМОРЕГУЛЯЦИЯ • РАЗДРАЖИМОСТЬ • РАЗМНОЖЕНИЕ И РЕПРОДУКЦИЯ • НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ • ИЗМЕНЧИВОСТЬ • ИНДИВИДУАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ (ОНТОГЕНЕЗ) • ЭВОЛЮЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ (ФИЛОГЕНЕЗ) • ЦЕЛОСТНОСТЬ И ДИСКРЕТНОСТЬ 72

УРОВНИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ (целостность и дискретность) • • МОЛЕКУЛЯРНЫЙ КЛЕТОЧНЫЙ ТКАНЕВЫЙ ОРГАННЫЙ ОРГАНИЗМЕННЫЙ ПОПУЛЯЦИОННО-ВИДОВОЙ БИОЦЕНОТИЧЕСКИЙ БИОСФЕРНЫЙ 73

КЛАССИФИКАЦИЯ ЖИВЫХ СУЩЕСТВ • ВНЕКЛЕТОЧНЫЕ ФОРМЫ (вирусы, фаги) • КЛЕТОЧНЫЕ ФОРМЫ - ПРОКАРИОТЫ (безъядерные) - ЭУКАРИОТЫ 74

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭУКАРИОТОВ ПО ЦАРСТВАМ • ПРОСТЕЙШИЕ • РАСТЕНИЯ (багрянки, настоящие водоросли, высшие) • ГРИБЫ (низшие, высшие) • ЖИВОТНЫЕ (простейшие, многоклеточные) 75

ТАКСОНЫ СОВРЕМЕННОЙ КЛАССИФИКАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ • СВЕРХЦАРСТВА • ТИПЫ • КЛАССЫ • ОТРЯДЫ • СЕМЕЙСТВА • РОДЫ • ВИДЫ • ПОПУЛЯЦИИ • ОСОБИ 76

В настоящее время классификация человека выглядит так: 77

Элементный состав живого • Основные (биогенные) элементы (или элементы-органогены) : C, O, N, H составляют 98% • Макроэлементы: Ca, Cl, K, S, P, Mg, Na, Fe • Микроэлементы: Zn, Co, Mn, Cu, I, F, … 78

Химический состав живого • Живой организм – гармоничное сочетание ОРГАНИЧЕСКИХ и НЕОРГАНИЧЕСКИХ веществ • НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА: - ВОДА; - МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЛИ; • - ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА: ЛИПИДЫ; УГЛЕВОДЫ; БЕЛКИ; НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ 79

ВОДА и ее свойства - высокая полярность молекул воды и как следствие – ее химическая активность и высокая растворяющая способность - высокие теплоемкость, теплота испарения и теплота плавления – основа поддержания температурного гомеостаза живых организмов и регулирования климата планеты - аномальная плотность в твердом состоянии – причина существования жизни в замерзающих водоемах - высокое поверхностное натяжение – жизнь на поверхности гидросферы, передвижение растворов по сосудам растений 80

МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЛИ • МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЛИ (К+, Са++, Мg++, Na+, Сl-, SO 4 --, НРО 4 -, …. ) - сохранение кислотно-щелочного равновесия; - активация ферментов; - участие в создании мембранных потенциалов клеток; - создание осмотического давления в клетке; - образование внутреннего и наружного скелета организмов (например, раковин моллюсков). 81

БИОПОЛИМЕРЫ § высокомолекулярные соединения (белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры). ОСОБЕННОСТИ • высокая молекулярная масса, • способность образовывать пространственные и надмолекулярные структуры • разнообразие строения и свойств 82

Белки • Белки - сложные органические соединения (биологические полимеры), мономерами которых являются аминокислоты. • 50 – 80 % сухой массы клеток. • жизнь на планете Земля часто называют белковой. • У ЧЕЛОВЕКА ~ 30 000 БЕЛКОВ 83

Общая формула аминокислоты: аминная группа карбоксильная группа радикал Аминокислоты отличаются друг от друга только строением радикала. Известно около 200 аминокислот; в живом веществе на нашей планете использовано – 60 и только 20 канонических входят в состав белков: - 8 неполярных (аланин R = CH 3, метионин, валин, пролин, …); - 7 полярных незаряженных (глутамин, глицин R = H, …); - 5 полярных заряженных (гистидин, лизин R = (CH 2)4 NH 3+, …). 84

Структура белка 85

Функции белка • строительная (мембраны, органоиды и др. ) • каталитическая (ферменты) • сократительная, двигательная (реснички, мышцы и др. ) • транспортная (гемоглобин, геоглобин и др. ) • защитная (антитела, тромбин и др. ) • регуляторная (гормоны) • рецепторная (родопсин и др. ) • энергетическая (до 20 к. Дж на 1 грамм) 86

Углеводы Сm (Н 2 О)n • 1 -2% - в животной клетке, до 90% в растительной клетке. ГРУППЫ УГЛЕВОДОВ: -моносахариды m=n > 2 (3 -триозы, 4 - тетрозы, 5 -пентозы и т. д. ) -олигосахариды (2 -10 молекул моносах. ) -полисахариды ( >10 молекул моносах. ) 87

Функции углеводов • ОПОРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ (ЦЕЛЛЮЛОЗА – СТЕНКИ РАСТИТЕЛЬНЫХ КЛЕТОК, ХИТИН – СКЕЛЕТ ЧЛЕНИСТОНОГИХ) • ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ (1 Г – 20 КДЖ, КРАХМАЛ, ГЛИКОГЕН) • В СОСТАВЕ БИОХИМИЧЕСКИХ МОЛЕКУЛ (НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ) 88

Липиды (жиры) – СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ ЖИРНЫХ КИСЛОТ И КАКОГО-ТО СПИРТА • В КЛЕТКАХ 5 -15% СУХ. ОСТ. • ФУНКЦИИ: - ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ (1 Г – 40 КДЖ) - СТРОИТЕЛЬНАЯ ( МЕМБРАНЫ) - ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННАЯ - УЧАСТИЕ В МЕТАБОЛИЗМЕ, НАПРИМЕР, ПРОНИКНОВЕНИЕ ВИТАМИНОВ Д, Е, А - ГОРМОНАЛЬНАЯ (ТЕСТОСТЕРОН, …) 89

Нуклеиновые кислоты • ФОСФОРСОДЕРЖАЩИЕ БИОПОЛИМЕРЫ, обеспечивающие живому организму хранение, перенос и передачу по наследству информации о структуре его белковых молекул • ДВА ТИПА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ: - ДИЗОКСИРИБОНУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА (ДНК) - РИБОНУКЛЕИНОВАЯ КИСЛОТА (РНК) 90

Нуклеотиды – МОНОМЕРЫ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Типы нуклеотидов: для ДНК для РНК аденозин (А) аденин гуанозин (Г) гуанин гуанозин (Г) гуанин тимидин (Т) тимин уридин (У) урацил цитидин (Ц) цитозин 91

КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬ 92

Структура ДНК • ПЕРВИЧНАЯ (полимерная цепь нуклеотидов; нуклеотиды – гены - ДНК) • ВТОРИЧНАЯ (двойная комплементарная цепь; А-Т, Г-Ц) • ТРЕТИЧНАЯ (двойная спираль) • ЧЕТВЕРТИЧНАЯ (соединение с белками - гистонами) 93

Функции ДНК • хранение наследственной информации • передача наследственной информации из поколения в поколение (путем редупликации) • передача генетической информации из ядра в цитоплазму к месту сборки белка (путем репликации) 94

Типы РНК двухцепочечные (хранители генетической информации у ряда вирусов) одноцепочечные: - информационные (матричные) – и. РНК (м. РНК); - транспортные - т. РНК; - рибосомные (рибосомальные) – р. РНК. 95

Генетический код Гены – хранители информации о белке. Геном – совокупность генов белка. Триплет (кодон) – три последовательно включенные нуклеотида кодирующие определенную аминокислоту. 96