Основы генетики

 

Однако среди множества  методов изучения закономерностей наследственности центральное место принадлежит гибридологическому методу. Суть его заключается в гибридизации (скрещивании) организмов, отличающихся друг от друга по одному или нескольким признакам, с последующим анализом потомства. Этот метод позволяет анализировать закономерности наследования и изменчивости отдельных признаков и свойств организма при половом размножении, а также изменчивость генов и их комбинирование.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Элементарные частицы и их классификация.

 

Первая элементарная частица - электрон - была открыта Дж. Дж. Томсоном в 1897 году. Он установил, что так называемые катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, названных впоследствии электронами. В 1911 году Э. Резерфорд, пропуская б-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги из разных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях - ядрах. В 1919 году обнаружил протоны - положительно заряженные частицы, с массой, в 1836,2 раза превышающей массу электрона - среди частиц, выбитых из атомных ядер. В 1932 году Дж. Чедвик открыл третью частицу, входящую в состав атома - нейтрон, изучая взаимодействия б-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не имеет заряда. М. Планк, предположив, что энергия абсолютно чёрного тела квантована, получил правильную формулу для спектра излучения (1900 год). Развивая идею Планка, Эйнштейн постулировал, что электромагнитное излучение в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона даны Р. Милликеном (1912-1915 года) и А. Комптоном (1922 год).

Открытие нейтрино - частицы, почти не взаимодействующей с  веществом - ведёт своё начало от гипотезы В.Паули(1930 год), позволившей найти  «невидимого вора» в процессах  в-распада радиоактивных ядер (часть энергии исчезала неизвестно куда). Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 году Ф. Райнесом и К. Коуэном в США.

К настоящему времени открыто  около 350 элементарных частиц, различных  по своим характеристикам: времени  жизни, заряду, массе, спину и т.д.

Под элементарными частицами понимают такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга.

Все частицы (в том числе  неэлементарные и квазичастицы) делятся  на бозоны (или бозе-частицы) и фермионы (или ферми частицы). Бозонами называются частицы или квазичастицы, обладающие нулевым или целым спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна (отсюда и происходит их название). К бозонам относятся: гипотетический гравитон (спин 2), фотон (спин 1), промежуточные векторные бозоны (спин 1), глюоны (спин 1), мезоны и мезонные резонансы, а также античастицы всех перечисленных частиц. Фермионами называются частицы или квазичастицы с полуцелым спином. Для них справедлив принцип Паули и они подчиняются статистике Ферми-Дирака. К фермионам относятся лептоны, барионы, барионные резонансы и кварки (спин Ѕ), а также соответствующие античастицы.

По времени жизни различают:

• стабильные,
• квазистабильные, 
• резонансные частицы или резонансы. 

Резонансными называют частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия со временем жизни 10ПІі с. Нестабильные частицы, время жизни которых превышает 10ПІє с, распадаются за счёт слабого или электромагнитного, но не за счёт сильного взаимодействия. Такие частицы называются квазистационарными. Время 10ПІє с, ничтожное в обыденных масштабах, должно считаться большим, если его сравнивать с ядерным временем. Ядерное время - это время, которое требуется свету, чтобы пройти диаметр ядра (10П№і см). За время 10 ПІє с может совершиться много внутринуклонных процессов, поэтому частицы, названные здесь квазистабильными, в справочниках именуются просто стабильными. Впрочем, абсолютно стабильными пока можно считать только 12 частиц: фотон г, электрон e-, протон p+(?), электронное нe, мюоннное нм и таоннное нф нейтрино и соответствующие им античастицы - их распад на опыте не зарегистрирован.

В микромире каждой частице  соответствует античастица. В некоторых  случаях частица полностью тождественна со своей античастицей. В таком  случае частицу называют истинно нейтральной. К ним относятся фотон г, р0-мезон, з0-мезон, J? ш-мезон, ипсилон-частица . Если же частица и античастица не совпадают, то массы, спины, изотопические спины, времена жизни у частицы и античастицы одинаковы, а прочие характеристики одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Так, электрон и протон отличаются от позитрона и антипротона прежде всего знаком электрического заряда. Нейтрон и антинейтрон различаются знаком магнитного момента. Лептонные заряды у лептонов и атилептонов, барионные у барионов и антибарионов различаются по знаку.

Понятия частицы и античастицы  относительно. С тем же успехом  учёные могли назвать позитрон - частицей, а электрон - античастицей. Но электроны преобладают в нашей  Вселенной, а позитроны являются экзотическими объектами, поэтому  и названы так, как названы. Что  называть частицей, а что античастицей - лишь вопрос соглашения.

Также существует деление  частиц на фотоны, лептоны и адроны. Адроны - большой класс элементарных частиц, участвуют во всех видах  взаимодействий. В зависимости от значения спина, адроны, в свою очередь, делятся на мезоны и барионы. Мезоны - частицы с нулевым спином, барионы - со спином 1/2(у омега-гиперона - 3/2). Лептоны - частицы, участвующие в  слабом и электромагнитном взаимодействиях. Спин лептонов равен 1/2.

В настоящее время известны четыре вида взаимодействий между элементарными  частицами: 

- сильное,

- электромагнитное,

- слабое 

- и гравитационное (в порядке убывания интенсивности).

Сильное взаимодействие. Этот вид взаимодействия называют иначе ядерным, так как оно обеспечивает связь нуклонов в ядре. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать безразмерной константой взаимодействия G2. Эта же константа характеризует вероятность процессов, обусловленных данным взаимодействием. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r) составляет примерно 10 -13 см. Частица, пролетающая со скоростью, близкой к с, в непосредственной близости к другой частице, будет взаимодействовать с ней в течение времени t = 10-23 сек. В соответствии с этим говорят, что сильное взаимодействие характеризуется временем взаимодействия ts порядка 10-23 сек.

Электромагнитное  взаимодействие. Радиус действия электромагнитного взаимодействия не ограничен. Константа взаимодействия равна 1\137. Следовательно, интенсивность электромагнитного взаимодействия примерно в 100 раз меньше, чем сильного. Время, необходимое для того, чтобы проявилось взаимодействие, обратно пропорционально его интенсивности (или вероятности). Поэтому, для электромагнитного взаимодействия t = 10-21 сек.

Слабое  взаимодействие. Слабое или распадное взаимодействие ответственно за все виды в-распадов ядер, за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабое взаимодействие, как и сильное, является краткодействующим. Константа взаимодействия равна 10-14. Время взаимодействия t = 10-9.

Гравитационное  взаимодействие. Радиус действия не ограничен. Константа взаимодействия мала: 10-39. Соответственно, время взаимодействия t = 109. Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все элементарные частицы. Но в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет.

Интенсивность различных взаимодействий по сравнению с сильным распределяется следующим образом:

 

сильное ~ 1

электромагнитное ~ 10^-2 … 10^-3

слабое ~ 10^-10 … 10^-14

гравитационное ~ 10^-38 … 10^-40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.

Элементарные  частицы

 

Группа			Название частицы	Символ		Масса	Заряд	Время жизни
				Частица	Античастица
Фотоны			Фотон			0	0	∞
Лептоны			Нейтрино электронное			0	0	∞
			Нейтрино мюонное			0	0	∞
			Электрон			1	-1,1	∞
			Мю-мезон			206,8	-1,1	2,2∙10-6
А д р о н ы	Мезоны		Пи-мезоны			264,2	0	2∙10-16
						273,2	1,-1	2,55∙10-8
			К-мезоны			966,3	1,-1	1,23∙10-8
						974,5	0	10-10-10-8
			Эта-нуль-мезон			1074	0	2,4∙10-19
	Б а р и о н ы	Нуклоны	Протон			1836,1	1,-1	∞
			Нейтрон			1838,6	0	1000
		Гипероны	Лямбда-гиперон			2182	0	2,6∙10-10
			Сигма-гипероны			2327	1,-1	0,8∙10-10
						2333	0	<10-14
						2342	-1,1	1,6∙10-10
			Кси-гипероны			2572	0	3∙10-10
						2585	-1,1	1,7∙10-10
			Омега-минус-гиперон			3278	-1,1	~10-10
		Резонансы						10-23

 

 

 

 

 

 

 

3. Современная теория биологической эволюции.

 

Под эволюцией понимают одну из форм движения, для которой характерны постепенные, непрерывные, накапливающиеся  перемены, приводящие к качественным сдвигам в развитии живой природы. В процессе становления эволюционной парадигмы выделяют три основных этапа:

1. Первый этап - традиционная биология; наиболее яркий ее представитель - шведский ученый К.Линней.

2. Второй этап - классическая теория биологической эволюции; создатель - английский естествоиспытатель Ч.Дарвин.

3. Третий этап - синтетическая теория биологической эволюции. Ее содержание явилось результатом идей Ч.Дарвина и чешского ботаника, основателя генетики Г.Менделя.

Общетеоретической основой традиционной биологии, которая господствовала в  биологической мысли с древнейших времен вплоть до XIX века, была концепция  креационизма, исходившая из представления  о единовременном возникновении  всех форм жизни на Земле. Задачей традиционной биологии было построение классификации и систематизация всех живых существ. Самый значительный вклад в решение данной задачи внес К.Линней, создавший систему классификации живых организмов, которая вскрыла целостность, единство, взаимосвязь и преемственность организмов, что в свою очередь подвело ученых к мысли о том, что все многообразие форм живой природы является результатом биологической эволюции.

Карл Линней (он же Линнеус и Карл фон Линнэ) — шведский натуралист, фармаколог, врач, этнограф, прославившийся как основоположник принципов и методов систематики органического мира, был ученым энциклопедического склада. Его научная и организационная деятельность сыграла в Швеции такую же роль, как деятельность Ломоносова в России. Член многих академий мира (в том числе академии наук «Леопольдина» с 1736 г., Лондонского Королевского общества с 1753 г., почетный член Санкт-Петербургской Академии с 1754 г., иностранный член Французской академии с 1762 г.), Линней был основателем и президентом (1738-1740) Стокгольмского научного общества, реорганизованного в 1740 г. в Шведскую Королевскую академию, и первым президентом этой академии.

Сам Линней считал, что ему удалось  понять план Творца, создававшего мир, и что его система отражает этот план. Над «Системой природы» Линней продолжал работать всю жизнь: в I издании (1735) было лишь 14 страниц, в Х издании (1758 г. - отправная дата для всей современной зоологической номенклатуры) - 1384 страницы, а XIII посмертное издание (1788-1793), подготовленное И. Ф. Гмелином и изданное в трех томах, содержит уже 6257 страниц. Вклад Линнея не только в разработку принципов и методов классификации и систематики, но и в саму практику систематики органического мира огромен.