Автор работы: Пользователь скрыл имя, 13 Февраля 2013 в 14:06, реферат
В последние десятилетия в биологической науке произошли поистине революционные изменения, благодаря чему она выдвинулась на передний план естествознания, начала активно способствовать и, частично, задавать направление научно-техническому прогрессу. Биология превратилась в точную науку с хорошо развитой системой строгих понятий, позволяющих делать широкие теоретические обобщения и предсказания.
Можно говорить о происшедшей в ХVII в. Научной революции, в результате которой возникла классическая физика (и не только физика) в той форме и с теми методами познания, какой мы ее сегодня знаем. Наряду с индуктивным методом познания в современной науке находит широкое применение дедуктивный метод, когда из небольшого числа общих принципов выводятся и прослеживаются в деталях частные следствия. Так, классическая механика развивается из законов Ньютона или из вариационных принципов динамики, макроскопическая электродинамика – из уравнений Максвелла и т.д.
Метод дедукции был обоснован вскоре после Бэкона французским философом Рене Декартом (1596 – 1650) в книге "Рассуждение о методе", которая вышла в свет в 1637 г. Но ни Декарт, ни Бэкон не являются основателями дедуктивного и индуктивного метода, соответственно. Оба метода зародились еще в Древней Греции, и Бэкон и Декарт лишь развили их применительно к естествознанию. При этом ни Бэкон не отрицал значения дедукции, ни Декарт не отрицал значения опыта и индукции. Научный метод основан на диалектическом сочетании индукции и дедукции, и это понимали оба великих философа.
Механическая картина мира, долго использовалась для объяснения практически всех явлений природы, даже биологических. Однако ко второй половине XIX столетия на смену этой концепции постепенно приходит новая – электромагнитная. Электричество и магнетизм были известны еще в глубокой древности. Свойство янтаря, потертого о шерсть, притягивать легкие предметы или способность природных магнитов притягиваться друг к другу было известно еще в античные времена.
Открытие электрического тока принадлежит итальянскому анатому Луиджи Гальвани (1737 – 1798). Он препарировал лягушку, когда один из его помощников случайно коснулся скальпелем ее бедренных нервов. Немедленно все мышцы лягушки начали сильно сокращаться. Гальвани очень заинтересовало это явление. Проведя многочисленные опыты, отвлекаясь от второстепенных причин, Гальвани заключил, что эти опыты "возбуждают в нас подозрение об электричестве, свойственном самому животному".
Его соотечественник Вольта (1745 – 1827) повторил опыты Гальвани и пришел к выводу, что причиной сокращения мышц служит не "животное электричество", а контакт разнородных металлов. Между учеными разгорелась полемика. Каждый из них ставил опыты, чтобы доказать правильность своих взглядов, и каждый из них был прав. История отдала должное им обоим. Гальвани открыл "животное электричество", Вольта – физическое. Последний изобрел первый генератор электрического тока – Вольтов столб. С этого открытия началась эпоха электричества.
С середины XIX столетия в организации физической науки происходят важные перемены. В это время сначала в некоторых развитых странах Европы, а затем и в США создаются физические лаборатории, где проводится обучение практической физике, и ведутся коллективные научные исследования под руководством маститых ученых.
Вторая половина XIX столетия отмечена бурным ростом всех видов промышленности. В это время начинает действовать трансконтинентальная связь, появляются телефон, электрическое освещение, электродвигатели, паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания.
Следующим этапом в развитии физико-химического естествознания было открытие квантов и изучение проблемы теплового излучения. Открытие кванта энергии было сделано немецким ученым Максом Планком при объяснении теплового излучения тел. Планку после трудных поисков в 1900 г. удалось решить проблему теплового излучения, но для этого ему пришлось отказаться от основ классической теории и принять гипотезу о дискретном, прерывном излучении и поглощении энергии.
В конце XIX в. Наиболее важные исследования проводились по физике газового разряда. Эти исследования привели к ряду выдающихся открытий, таких, как электрон, рентгеновские лучи. Открытие «лучей нового рода» Рентгена 8 ноября 1895 широко проникло почти во все отрасли естественных наук. Они используются и в лабораториях физиков, химиков, биологов, геологов, врачей и хорошо известны современному человеку.
Вслед за открытием рентгеновского излучения последовало открытие радиоактивности. Анри Беккерель 23 ноября 1896 г. сообщил о свойстве урана испускать невидимые «урановые лучи» вне зависимости от его химического и физического состояния. В 1897 г. Беккерель продолжает изучать открытые им «урановые лучи». В конце этого года в изучение нового явления включаются Мария Склодовская-Кюри и ее муж Пьер Кюри.
В 1902 г., английский физик Эрнест Резерфорд и английский радиохимик Фредерик Содди делают вывод: "радиоактивность – есть атомное явление, одновременно сопровождаемое химическими изменениями, в результате которых появляются новые вещества, причем эти изменения должны протекать внутри атома, а радиоактивные элементы должны испытывать спонтанные превращения".2 Из своих открытий Резерфорд и Содди делают важные выводы о существовании новых радиоактивных элементов, которые могут быть опознаны по их радиоактивности, даже если они имеются в ничтожно малых количествах. Методы радиохимии, созданные Пьером и Марией Кюри, Резерфордом и Содди стали мощным средством в открытии новых элементов. С помощью радиохимии был открыт 101 элемент таблицы Менделеева – менделевий.
Итак, открытие радиоактивности стало мощным средством изучения природы.
Далее было открытие электрона Томпсоном, планетарной модели атома Резерфордом, квантовой модели атома Бора и его принципа соответствия, который утверждал, что квантовая теория должна приводить к тем же результатам, которые предсказывает классическая теория, когда она имеет отношение к макромиру, когда квантовые числа имеют большую величину.
Идеи де Бройля о волновых свойствах материальных частиц, таких как электрон, были развиты австрийским ученым Эрвином Шредингером, разработавшим новую теорию, получившую название квантовой механики. Квантовая механика, развиваясь, стала фундаментальной теорией, успешно объяснявшей явления микромира, но и в макромире квантовая теория приводит к тем же результатам, к которым приводит классическая механика. Она полностью удовлетворяет принципу соответствия. Но это не означает, что квантовая механика заменила механику Ньютона. Ньютоновская механика находит свое применение для макротел. Законы классической механики проще и дают достаточно точные результаты при описании движения обычных тел. Так космические корабли летают по законам механики Ньютона. Но в микромире, в мире атомов и молекул, на смену законам классической механики приходят законы квантовой механики.
На протяжении всей истории развития биологии физические и химические методы были важнейшим инструментом исследования биологических явлений и процессов живой природы. Важность внедрения таких методов в биологию подтверждают экспериментальные результаты, полученные с помощью современных методов исследования, зародившихся в смежных отраслях естествознания — физике и химии. В этой связи неслучайно в 1970-х годах в отечественном научном лексиконе появился новый термин "физико-химическая биология", состоящий из привычных и давно известных нам слов. «Физико-химическая биология – комплексная наука о физико-химических основах жизнедеятельности организмов. Включает биохимию, биофизику, молекулярную биологию и биоорганическую химию. Термин широко употребляется с кон. 70-х гг. 20 в.».3 Появление этого термина свидетельствует не только о синтезе физических, химических и биологических знаний, но и о качественно новом уровне развития естествознания, в котором происходит непременно взаимное обеспечение отдельных его отраслей. Физико-химическая биология содействует сближению биологии с точными науками - физикой и химией, а также становлению естествознания как единой науки о природе.
Внедрение физических и химических методов способствовало развитию экспериментальной биологии, у истоков которой стояли крупные ученые: К. Бернар (1813- 1878), Г. Гельмгольц (1821- 1894), Л. Пастер (1822- 1895), И.М. Сеченов (1829- 1905), И.П. Павлов (1849-1936), С.Н. Виноградский (1856- 1953), К.А. Тимирязев (1843- 1920), И.И. Мечников (1845- 1916) и многие другие.
Экспериментальная биология постигает сущность процессов жизнедеятельности преимущественно с применением точных физических и химических методов, при этом иногда прибегая к расчленению биологической целостности, т. е. живого организма с целью проникновения в тайны его функционирования.
Современная экспериментальная биология вооружилась новейшими методами, позволяющими проникнуть в субмикроскопический, молекулярный и надмолекулярный мир живой природы. Можно назвать несколько широко применяемых методов: метод изотопных индикаторов, методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, методы фракционирования, методы прижизненного анализа и др.
Метод изотопных индикаторов, ранее называемый методом меченых атомов, был предложен вскоре после открытия радиоактивности. Сущность его заключается в том, что с помощью радиоактивных (меченых) атомов, введенных в организм, прослеживаются передвижение и превращение веществ в организме.
С помощью данного метода удалось установить динамичность процессов обмена веществ, проследить за их начальной, промежуточной и конечной стадиями, выявить влияние отдельных структур организма на протекание процессов. Метод изотопных индикаторов позволяет исследовать процессы обмена в живом организме одно из его достоинств. Постоянное обновление белков и мембран, биосинтез белков и нуклеиновых кислот, промежуточный обмен углеводов и жиров, а также многие другие важные микропороцессы были открыты с помощью данного метода.
Рентгеноструктурный анализ оказался весьма эффективным при исследовании структур макромолекул, лежащих в основе жизнедеятельности живых организмов. Он позволил установить двухцепочечное строение (двойную спираль) молекул - носителей информации и нитевидную структуру белков. С появлением рентгеноструктурных исследований родилась молекулярная биология.
Электронно-микроскопические исследования. Возможности молекулярной биологии гораздо расширились с применением электронно-микроскопических исследований, позволивших установить многослойное строение оболочки нервных волокон состоящих из чередующихся белковых и липидных слоев. Электронно-микроскопические наблюдения дали возможность расшифровать молекулярную организацию живой клетки и механизм функционирования мембран, на основании которых в начале 50-х годов была создана современная мембранная теория; родоначальники ее - английские физиологи А. Ходжкин (1914- 1994), А. Хаксли (р. 1917) а также австралийский физиолог Дж. Эклс.
Фракционирование. В физико-химической биологии широко применяются различные методы фракционирования, основанные на том или ином физическом либо химическом явлении. Довольно эффективный метод фракционирования предложил русский биолог и биохимик М.С. Цвет (1872-1919). Сущность его метода заключается в разделении смеси веществ, основанном на поглощении поверхностью твердых тел компонентов разделенной смеси, на ионном обмене и на образовании осадков.
Методы прижизненного анализа. Радиоспектроскопия, скоростной рентгеноструктурный анализ, ультразвуковое зондирование и многие другие современные средства исследования составляют арсенал методов прижизненного анализа. Все эти методы не только широко применяются в физико-химической биологии, но и взяты на вооружение современной медициной. Сейчас ни одно клиническое учреждение не обходится без рентгеноскопической, ультразвуковой и другой аппаратуры, позволяющей без ущерба для пациента определить структурные, а иногда функциональные изменения в организме.
Характерная особенность современной физико-химической биологии - ее стремительное развитие. Трудно перечислить все ее достижения, но некоторые из них заслуживают особого внимания. В 1957 г. был реконструирован вирус табачной мозаики из составляющих его компонентов. В 1968- 1971 гг. произведен искусственный синтез гена для одной из транспортных молекул путем последовательного введения в пробирку с синтезируемым геном новых нуклеотидов. Весьма важными оказались результаты исследований по расшифровке генетического кода: было показано, что при введении искусственно синтезированных молекул в бесклеточную систему, т. е. систему без живой клетки, обнаруживаются информационные участки, состоящие из трех последовательных нуклеотидов, являющихся дискретными единицами генетического кода. Авторы этой работы - американские биохимики М. Ниренберг (р. 1927), X. Корана (р. 1922) и Р. Холли (р.1922).
Саморегуляция. Расшифровка различных видов саморегуляции - также важное достижение физико-химической биологии. Саморегуляция как характерное свойство живой природы проявляется в разных формах, таких, как передача наследственной информации - генетического кода; регуляция биосинтетических процессов белка (ферментов) в зависимости от характера субстрата и под контролем генетического механизма; регуляция скоростей и направлений ферментных процессов; регуляция роста и морфогенеза, т.е. образования структур разного уровня организации; регуляция анализирующей и управляющей функций нервной системы.
Живые организмы - весьма сложный объект для исследований. Но все же современные технические средства позволяют все глубже и глубже проникнуть в тайны живой материи.
Важнейшее направление физической химии - процессы в биологических системах. Здесь пересекается целый ряд смежных дисциплин: биофизика, биохимия, химическая кинетика и т.д. Единой универсальной связкой этих наук и являются методы физической химии.
Одной из фундаментальных областей естествознания является термодинамика. Это раздел физики, который исследует закономерности теплового движения и влияния теплового движения на свойства тел. Любая часть окружающего нас мира, которую мы хотим исследовать и описать с позиций термодинамики, является системой. Примерами термодинамических систем в биологии являются клетка, митохондрии, сердце, организм, биосфера.