Унитарная симметрия
менее точная, чем изотопическая
симметрия. В соответствии с этим
различие в массах частиц, входящих
в октеты и декуплеты, довольно
значительно. По этой же причине разбиение
адронов на супермультиплеты сравнительно
просто осуществляется для Э. ч. не очень
высоких масс. При больших массах, когда
имеется много различных частиц с близкими
массами, это разбиение осуществляется
менее надёжно. Однако в свойствах Э. ч.
имеется много разнообразных проявлений
унитарной симметрии.
Включение в систематику
Э. ч. очарованных адронов позволяет
говорить о сверхсупермультиплетах
и о существовании ещё более широкой симметрии,
связанной с унитарной группой SU (4). Примеры
до конца заполненных сверхсупермультиплетов
пока отсутствуют. SU (4)-симметрия нарушена
ещё сильнее, чем SU(3)-симметрия, и её проявления
выражены слабее.
Обнаружение у адронов
свойств симметрии, связанных с
унитарными группами, и закономерностей
разбиения на мультиплеты, отвечающих
строго определённым представлениям
указанных групп, явилось основой
для вывода о существовании
у адронов особых структурных
элементов — кварков.
Фермион.
Фермио́н — частица (или квазичастица) с полуцелым значением спина. Своё название получили в честь
физика Энрико Ферми.
Примеры фермионов: кварки (они образуют протоны и нейтроны, которые также являются фермионами), лептоны (электроны, мюоны, тау-лептоны,
нейтрино), дырки (квазичастицы в полупроводнике).
Фермионы подчиняются статистике Ферми — Дирака: в одном квантовом состоянии может находиться не более одной
частицы (принцип Паули).
Принцип запрета Паули ответственен за устойчивость
электронных оболочек атомов, делая возможным существование
сложных химических элементов. Он также
позволяет существовать вырожденной материи под действием высоких давлений
(нейтронные звёзды).
Волновая функция системы одинаковых фермионов антисимметрична относительно перестановки
двух любых фермионов.
Квантовая система, состоящая
из нечётного числа фермионов, сама является
фермионом (например, ядро с нечётным массовым числом A;
атом или ион с нечётной суммой A и числа
электронов). Согласно Стандартной модели, существует 12ароматов элементарных фермионов: шесть кварков и шесть лептонов.
Бозон.
Бозо́н (от фамилии физика Бозе) — частица с целым значением спина[1]. Термин был предложен физиком Полем Дираком. Бозоны, в отличие от фермионов, подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, которая допускает, чтобы в
одном квантовом состоянии могло находиться неограниченное
количество одинаковых частиц. Системы
из многих бозонов описываются симметричными
относительно перестановок частиц волновыми функциями. Различают элементарные бозоны
и составные.
Элементарные бозоны являются
квантами калибровочных полей, при помощи
которых осуществляется взаимодействие
элементарных фермионов (лептонов и кварков) в Стандартной модели. К таким калибровочным бозонам относят:
фотон (электромагнитное взаимодействие),
глюон (сильное взаимодействие)
W± и Z-бозоны (слабое взаимодействие).
Кроме этого, к элементарным
бозонам относят бозон Хиггса, ответственный за механизм
появления масс в электрослабой теории, и не обнаруженный до настоящего
времени гравитон (гравитационное взаимодействие).
Все элементарные бозоны, за
исключением W±-бозонов,
являются незаряженными. W+ и W− бозоны по
отношению друг к другу выступают как античастицы. Калибровочные бозоны (фотон,
глюон, W± и Z-бозоны)
имеют единичный спин, бозон Хиггса — нулевой, гипотетический гравитон имеет спин 2.
К составным бозонам относят
многочисленные двухкварковые связанные
состояния, называемые мезонами. Как и у любых бозонов, спин
мезонов является целочисленным, и его
значение, в принципе, не ограничено (0,
1, 2, 3, …). Другими примерами бозонов являются
ядра, содержащие чётное количество нуклонов (протонов и нейтронов).
Кванты полей.
Квантом гравитационного поля
является гравитон. Однако гравитон пока
не установлен экспериментально, равно
как и не построена по сей день теория
квантовой гравитации.
Квантом электромагнитного
поля является фотонМасса покоя фотона
равна 0. Фотон не несет на себе электрического
заряда. Это обеспечивает линейный характер
электромагнитных взаимодействий и большой
радиус их действия.
Квантами слабого взаимодействия
являются три бозона — W+, W-, Z0-бозоны. Верхние
индексы указывают знак электрического
заряда этих квантов. Кванты слабого взаимодействия
имеют значительную массу, что приводит
к тому, что слабое взаимодействие проявляется
на очень коротких расстояниях.
Квантами сильного взаимодействия
являются восемь глюонов. Свое название
глюоны получили от английского словаglue
(клей), ибо именно они ответственны за
конфайнмент кварков. Массы покоя глюонов
равны нулю. Однако глюоны обладают цветным
зарядом, благодаря чему они способны
к взаимодействию друг с другом, как говорят,
к самодействию, что приводит к трудностям
описания сильного взаимодействия математически
ввиду его нелинейности. Если слабое взаимодействие
ответственно за изменение ароматов кварков,
то сильное взаимодействие, осуществляемое
посредством обмена глюонами между кварками,
приводит к изменению цветов кварков.
Так что в ядре постоянно происходят превращения
протонов в нейтроны и наоборот — за счет
обмена квантами слабого взаимодействия
между кварками, вследствие чегоu-кварк
превращается вd-кварк и наоборот. Кроме
этого внутри протонов и нейтронов кварки
постоянно меняют свои цвета, испуская
и поглощая глюоны. При этом протоны и
нейтроны остаются бесцветными. Подобная
инвариантность требует существования
поля сильного взаимодействия для поддержания
цветовой симметрии кварков. Хвост сильного
взаимодействия между кварками внутри
протонов и нейтронов обеспечивает силы
притяжения между протонами и протонами,
протонами и нейтронами, нейтронами и
нейтронами внутри ядра (ядерные силы).
Следует отметить, что взаимодействия,
соответствующие калибровочной симметрии,
характерны тем, что их величина определяется
величиной заряда соответствующего взаимодействия.
То есть заряд калибровочного взаимодействия
одновременно определяет и величину заряда
элементарной частицы, и величину («силу»)
самого взаимодействия, так называемую
константу связи. Современные физики считают,
что такое соотношение существовало не
всегда. Иными словами, рассматриваемые
постоянные не являются постоянными. И
существовала эпоха в эволюции Вселенной,
когда эти константы были равны. А это
означает, что не существовало различий
между четырьмя типами физических взаимодействий.
Именно это обстоятельство и стимулирует
физиков в построении единой теории всех
физических взаимодействий — единой теории
поля. Однако для того, чтобы понять те
физические идеи, на которых базируется
построение этой теории, следует сказать,
что в действительности физика рассматривает
материю не в двух проявлениях — веществе
и поле, как это отмечается во многих физических
справочниках, словарях и энциклопедиях,
а в трех проявлениях. Третьим качественно
отличным от вышеназванных двух форм материи
является физический вакуум. Дело в том,
что все кванты полей, рассмотренные нами
ранее, являются векторными калибровочными
бозонами. Калибровочными их называют
по той причине, что они являются квантами
калибровочных полей. Векторными их называют
потому, что все они имеют целочисленное
значение спина, равного единице (1), за
исключением гравитона, спин которого
предполагается равным двум (2). Физический
вакуум нашей Вселенной рассматривается
как коллективные возбуждения хиггсо-вых
скалярных бозонов, спин которых равен
нулю (0). Именно физический вакуум является
прародителем всех частиц вещества и квантов
полей, резервуаром, перекачка энергии
из которого обеспечила их возникновение
и функционирование. Способность вакуума
в ходе эволюции Вселенной изменять свое
состояние и привела к многообразию форм
физического мира.
- Молекулярно-генетический уровень
организации живого.
Знание закономерностей молекулярно-генетического
уровня организации живого — необходимая
предпосылка для ясного понимания жизненных
явлений, происходящих на всех остальных
уровнях организации жизни. На этом уровне
организации жизни гены представляют
собой элементарные единицы. В XX в. развитие
хромосомной теории наследственности,
анализ мутационного процесса, изучение
строения хромосом, фагов и вирусов, развитие
молекулярной биологии, биохимии позволило
раскрыть основные черты организации
элементарных генетических структур и
связанных с ними явлений.
Выяснено, что основные структуры на
этом уровне, несущие в себе коды наследственной
информации, представлены молекулами
ДНК, дифференцированными по длине на
элементы кода — триплеты азотистых оснований,
образующих гены. Основные свойства генов:
способность их к конвариантной редупликации,
к локальным структурным изменениям (мутациям),
способность передавать хранящуюся в
них информацию внутриклеточным управляющим
системам.
Молекула ДНК представляет собой две
спаренные нити, закрученные в спирали.
Каждая из этих нитей соединяется с другой
водородными связями; причем каждая из
таких связей попарно соединяет либо аденин
одной цепи с тимином другой, либо гуанин
с цитозином. Конвариантная редупликация
происходит по матричному принципу. Сначала
разрываются водородные связи двойной
спирали ДНК с участием фермента ДНК-полимеразы.
Затем каждая из нитей на своей поверхности
строит соответствующую нить, после чего
новые нити комплементарно соединяются
между собой. Пиримидиновые и пуриновые
основания комплементарных нитей «сшиваются»
между собой ДНК-полимеразой. Этот процесс
осуществляется очень быстро. Так, на самосборку
ДНК, состоящей примерно из 40 тыс. пар нуклеотидов,
требуется всего 100 с.
В синтезе белков важная роль принадлежит
также и РНК. Синтез белка происходит в
особых областях клетки — рибосомах. Рибосомы
иногда образно называют «фабриками белка».
Существует по крайне мере три типа РНК:
высокомолекулярная РНК, локализующаяся
в рибосомах; информационная-РНК, образующаяся
в ядре клетки; транспортная-РНК.
В ядре генетический код переносится
с молекул ДНК на молекулу информационной-РНК.
Генетическая информация о последовательности
и характере синтеза белка переносится
из ядра молекулами информационной-РНК
в цитоплазму к рибосомам и там участвует
в синтезе белка. Перенос и присоединение
отдельных аминокислот к месту синтеза
осуществляется транспортной-РНК. Белок,
содержащий тысячи аминокислот, в живой
клетке синтезируется за 5 — 6 мин.
Таким образом, как при конвариантной
редупликации, так и при внутриклеточной
передаче информации используют единый
матричный принцип: исходные молекулы
ДНК и РНК являются матрицами, рядом с
которыми строятся соответствующие макромолекулы.
Молекулы ДНК играют роль кода, в котором
как бы «зашифрованы» все синтезы белковых
молекул в клетках организма. Характерно,
что все биологические организмы, известные
нам на Земле, используют одинаковый тип
генетического кода. Редупликация, основанная
на матричном копировании, делает возможным
сохранение не только генетической нормы,
но и отклонений от нее, т.е. мутаций (основа
процесса эволюции).
Центральная проблема современной молекулярной
биологии — изучение строения и функций
органических макромолекул, прежде всего
иерархии их структурной организации:
первичная структура (последовательность
мономеров в биополимерах), вторичная
структура (биополимерная спираль), третичная
структура (определенная организация
молекул белка), четвертичная структура
(макромолекулярные комплексы молекул
белков). В настоящее время молекулярной
биологией успешно дешифруется заложенный
в структуре нуклеиновых кислот код, служащий
матрицей при синтезе специфических белковых
структур.
Молекулярная ассимметричность.
Хиральность (др.-греч. χειρ — рука) — свойство молекулы не совмещаться в пространстве
со своим зеркальным отражением. Термин
основан на древнегреческом названии
наиболее узнаваемого хирального предмета — руки. Так, левая и правая
руки являются зеркальными отражениями,
но не могут быть совмещены друг с другом
в пространстве. Подобным образом, свойством
хиральности обладают молекулы, в которых
отсутствуют зеркально-поворотные оси симметрии Sn, что эквивалентно
наличию в молекуле элементов хиральности
(центра, оси, плоскости хиральности и
др.). Такие зеркально-симметричные формы
химических соединений называются энантиомерами.
В зависимости от элемента молекулы,
наличие которого приводит к возникновению
хиральности, различают следующие виды
хиральности:
центральная (центр хиральности)
аксиальная (ось хиральности)
планарная (плоскость хиральности)
- Многие биологически активные
молекулы обладают хиральностью, причём природные аминокислоты и сахара представлены в природе преимущественно
в виде одного из энантиомеров: аминокислоты, в основном, имеют l-конфигурацию, а сахара —d-конфигурацию.
- Две энантиомерные формы одной молекулы обычно имеют различную биологическую активность. Это связано с тем, что рецепторы, ферменты, антитела и другие элементы организма
также обладают хиральностью, и структурное несоответствие между этими элементами и хиральными молекулами препятствует их взаимодействию. Например, ферменты, являющиеся хиральными молекулами, часто проявляют специфическую реакционную способность по отношению к одному из энантиомеров. Подобные примеры характерны и для лекарственных соединений. Так, биологической активностью обладает лишь один энантиомер ибупрофена — (S)-(+)-ибупрофен, в то время как его
оптический антипод (R)-(−)-ибупрофен в организме неактивен.
Актуальные проблемы
молекулярной биологии-исследование мол.
механизмов злокачественного роста клеток,
поиск способов предупреждения наследств.
заболеваний, познание механизмов памяти,
дальнейшее изучение механизмов действия
ферментов, гормонов, лек. и токсич. в-в.
Список литературы.
- Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник.-Изд.3-е, перераб. и доп.- М:.Альфа-М ; ИНФРА-М, 2009.- 704 с.
2. Концепции современного естествознания:
учебник / П.А.Голиков, В.В.Зайцев, Е.И.Майорова,
Е.Р.Россинская / под ред. Е.Р.Россинской.
М.: Норма, 2007.- 448с
3. Карпенков С.Х. Концепции
современного естествознания: Учебник.-
11-е изд. перераб. и доп.- М.:
КНОРУС, 2009.- 672 с.
4.Концепции современного естествознания:
учеб. пособие для студентов вузов / Н.И.Иконникова.-
М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2008.- 287 с.
5. Садохин А.П.
Концепции современного естествознания:
учебник для студентов вузов.- 2-е изд.,
перераб. и доп.- М.: ИНИТИ-ДАНА, 2008.- 447
с
6. Карпенков С.Х. Концепции современного
естествознания. Справочник. М.: Высш.шк.,
2004.- 632 с.
7. Кульбина, С.С. [Электронный
ресурс] // Кванты полей: статья. – URL: http://www.reklam-net.ru
(дата обращения: 13.11.2014).
8. Спин [Электронный ресурс]
// Википедия. – URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%EF%E8%ED
(дата обращения: 13.11.2014).
9. Бозон [Электронный ресурс]
// Википедия. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%C1%EE%E7%EE%ED
(дата обращения: 13.11.2014).
10. Фермион [Электронный ресурс]
// Википедия. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D4%E5%F0%EC%E8%EE%ED
(дата обращения: 13.11.2014).
11. Хиральность [Электронный
ресурс] // Википедия. – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D5%E8%F0%E0%EB%FC%ED%EE%F1%F2%FC_(%F5%E8%EC%E8%FF)
(дата обращения: 13.11.2014).
12. Молекулярно-генетический
уровень организации живого [Электронный
ресурс] // Dendrit . – URL: http://dendrit.ru/page/show/mnemonick/molekulyarno-geneticheskiy-uroven-organi/
(дата обращения: 13.11.2014).