Расчетно-графическая работа по «Концепциям современного естествознания»

Однако де Бройль понимал  наиболее важное следствие из своей  гипотезы. Он уже в 1923 году писал: «Любое движущееся тело в определенных случаях может дифрагировать. Поток электронов, проходящий через достаточно малое отверстие, должен обнаруживать явление дифракции»³. В диссертации, написанной в 1924 году, он уже использовал свою гипотезу для качественного и количественного описания различных оптических явлений.

Первая реакция на идеи де Бройля была скорее негативной, чересчур революционный характер этой гипотезы нарушал устоявшийся и привычный  взгляд на частицы как на типичный объект классической механики. Однако многое представлялось убедительным. Прошло всего несколько лет, и  гипотеза де Бройля была подтверждена многочисленными экспериментами и легла в основу волновой (квантовой) механики, развитой среди выдающихся теоретиков также и де Бройлем.

Не вызывает сомнений, что  гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме природы микрочастиц является выдающимся вкладом в познание человеком  окружающего мира.

Рентгеновский диапазон частот был к тому времени уже хорошо освоен экспериментаторами, в частности  при наблюдении эффекта Комптона. Поэтому проведение экспериментов по наблюдению волновых свойств электрона представлялось вполне реальным. В 1926 году М. Борн, обсуждая с К.Дэвиссоном результаты его старых опытов по рассеянию электронов металлическими фольгами, обратил его внимание на гипотезу де Бройля как возможную причину объяснения максимумов и минимумов в угловом рассеянии электронов. Если гипотеза де Бройля верна, то результат рассеяния электронов на отдельном крупном кристалле в металлической фольге должен быть эквивалентен результату интерференции рентгеновских лучей при их отражении от кристалла, наблюдавшемся отцом и сыном Брэггами в начале XX века.

В 1927 году К. Дэвиссон и Л. Джермер возобновили опыты 1922—1923 годов, улучшив постановку эксперимента, и получили для рассеяния электронов от монокристалла никеля результаты, хорошо согласующиеся с формулой  Брэгга – Вульфа. Это было первое экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля.

В дальнейшем для наблюдения волновых свойств электронов использовали детально разработанные в оптике классические методы Лауэ и Дебая — Шерера, позволившие получить прекрасные фотографии интерференционных колец.

Корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического принципа современной науки, охватывающего в настоящее время не только физические науки, но и все естествознание – принципа дополнительности (1927). Суть принципа дополнительности по Н. Бору сводится к следующему: как бы далеко не выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных⁴.

Важно отметить, что идея дополнительности рассматривалась  Бором как выходящая за рамки  чисто физического познания. Он считал (и эта точка зрения разделяется  в настоящее время), что интерпретация  квантовой механики «имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования человеческих понятий, возникающих из разделения «субъекта и объекта».

Принцип дополнительности, как общий принцип познания может  быть сформулирован следующим образом: всякое истинное явление природы  не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и  требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих  дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика и др. Бор, в частности, видел необходимость применения принципа дополнительности в биологии, что обусловлено чрезвычайно сложным строением и функциями живых организмов, которые обеспечивают им практически неисчерпаемые скрытые возможности⁵. 

Соотношение неопределенностей  В.Гейзенберга 

Микрочастицы  в принципе не имеют одновременно точного значения координаты и соответствующей  проекции импульса.

• Является проявлением двойственной корпускулярно-волновой природы материальных микрообъектов.

• Позволяет оценить, в  какой мере можно применять к  микрочастицам  понятия классической механики.

• Показывает, в частности, что к микрообъектам неприменимо  классическое понятие траектории, так как движение по траектории характеризуется в  любой момент времени определенными значениями координат и скорости. 

 

Распределение вероятности обнаружения  электрона в атоме  водорода

Вероятность обнаружения электрона в состоянии 2s максимальна на расстоянии r = 4r1 от ядра.      

Электрон  в состоянии 1s (основное состояние атома водорода) может быть обнаружен на различных расстояниях от ядра. С наибольшей вероятностью его можно обнаружить на расстоянии, равном радиусу r1 первой боровской орбиты.    

В обоих случаях атом водорода можно  представить в виде сферически симметричного электронного облака, в центре которого находится ядро.      

Модель. Атом водорода.  

 

Заключение

Становление современной  естественнонаучной картины мира являет собой историческую, революционную  или эволюционную смену одних  научных взглядов другими. Революционными вехами на пути развития, к примеру, в астрономии были: обоснование идеи о шарообразности Земли, открытие Коперником гелиоцентрической системы мира, изобретение телескопа, открытие основных законов небесной механики, применение спектрального анализа и фотографии, изучение структуры нашей Галактики, открытие Метагалактики и ее расширения, начало радиоастрономических исследований и, наконец, начало космической эры и эпохи непосредственных астрономических экспериментов в космическом пространстве. Благодаря этим открытиям постепенно вырисовывалась величественная картина мироздания, по сравнению с которой наивными сказками кажутся теперь старинные легенды о плоской Земле, неподвижно покоящейся в центре мира, и о небесной тверди с воткнутыми в нее серебряными звездами-булавами.

Вопросы по тексту

1. В каком веке и кем был открыт электрон?
2. Какой эксперимент вызывал недоумение?
3. Что предложил Э. Резерфорд?
4. Какая гипотеза стала фундаментальным открытием в физике  
   1899 – 1987 гг.?
5. Кем была высказана идея, и положена в основу важнейшего методологического принципа современной науки?
6. Какова суть принципа дополнительности по Н. Бору?

 

     
Задание 3 (9). Геном. Генетический  код 

 

План

 

Введение

Геном. Генетический  код 

Заключение

Вопросы по тексту

 

 

Введение

Генетика представляет собой  одну из основных, наиболее увлекательных и вместе с тем сложных дисциплин современного естествознания. Место генетики среди биологических наук и особый интерес к ней определяются тем, что она изучает основные свойства организмов, а именно наследственность и изменчивость.

В результате многочисленных – блестящих по своему замыслу  и тончайших по исполнению – экспериментов в области молекулярной генетики современная биология обогатилась двумя фундаментальными открытиями, которые уже нашли широкое отражение в генетике человека, а частично и выполнены на клетках человека. Это показывает неразрывную связь успехов генетики человека с успехами современной биологии, которая все больше и больше становится связана с генетикой.

Первое – это возможность  работать с изолированными генами. Она получена благодаря выделению гена в чистом виде и синтезу его. Значение этого открытия трудно переоценить. Важно подчеркнуть, что для синтеза гена применяют разные методы, т.е. уже имеется выбор, когда речь пойдет о таком сложном механизме как человек.

Второе достижение – это  доказательство включения чужеродной информации в геном, а также функционирования его в клетках высших животных и человека. Материалы для этого открытия накапливались из разных экспериментальных подходов. Прежде всего, это многочисленные исследования в области вирусо-генетической теории возникновения злокачественных опухолей, включая обнаружение синтеза ДНК на РНК-матрице. Кроме того, стимулированные идеей генетической инженерии опыты с профаговой трансдукцией подтвердили возможность функционирования генов простых организмов в клетках млекопитающих, включая клетки человека.

 

 

Геном. Генетический  код 

Геном человека – геном биологического вида Homo sapiens.

В большинстве нормальных клеток человека содержится полный набор  составляющих геном 46 хромосом: 44 из них не зависят от пола (аутосомные хромосомы), а две – X-хромосома и Y-хромосома – определяют пол (XY – у мужчин или ХХ – у женщин). Хромосомы в общей сложности содержат приблизительно 3 миллиарда пар оснований нуклеотидов ДНК, образующих 20 000 – 25 000 генов. В ходе выполнения проекта «Геном человека» содержимое хромосом находящихся в стадии интерфаза в клеточном ядре (вещество эухроматин), было выписано в виде последовательности символов. В настоящее время эта последовательность активно используется по всему миру в биомедицине. В ходе исследований выяснилось, что человеческий геном содержит значительно меньшее число генов, нежели ожидалось в начале проекта. Только для 1,5 % всего материала удалось выяснить функцию, остальная часть составляет так называемую мусорную ДНК[2]. В эти 1,5 % входят гены, которые кодируют РНК и белки, а также их регуляторные последовательности, интроны и, возможно, псевдогены).

Геном – совокупность всех генов организма; его полный хромосомный набор. 

Термин «геном» был  предложен Гансом Винклером в  1920 г. для описания совокупности генов, заключённых в гаплоидном наборе хромосом организмов одного биологического вида. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи. С развитием молекулярной генетики значение данного термина изменилось. Известно, что ДНК, которая является носителем генетической информации у большинства организмов и, следовательно, составляет основу генома, включает в себя не только гены в современном смысле этого слова. Большая часть ДНК эукариотических клеток представлена некодирующими («избыточными») последовательностями нуклеотидов, которые не заключают в себе информации о белках и РНК.

Генетическая информация в клетках содержится не только в хромосомах ядра, но и  во внехромосомных молекулах ДНК. У  бактерий к таким ДНК относятся  плазмиды и некоторые умеренные  вирусы, в клетках эукариот – это ДНК митохондрий, хлоропластов и других органоидов клеток. Объёмы генетической информации, заключённой в клетках зародышевой линии (предшественники половых клеток и сами гаметы) и соматических клетках, в ряде случаев существенно различаются. В онтогенезе соматические клетки могут утрачивать часть генетической информации клеток зародышевой линии, амплифицировать группы последовательностей и (или) значительно перестраивать исходные гены.

Следовательно, под геномом  организма понимают суммарную ДНК  гаплоидного набора хромосом и каждого из внехромосомных генетических элементов, содержащуюся в отдельной клетке зародышевой линии многоклеточного организма. В определении генома отдельного биологического вида необходимо учитывать, во-первых, генетические различия, связанные с полом организма, поскольку мужские и женские половые хромосомы различаются. Во-вторых, из-за громадного числа аллельных вариантов генов и сопутствующих последовательностей, которые присутствуют в генофонде больших популяций, можно говорить лишь о некоем усреднённом геноме, который сам по себе может обладать существенными отличиями от геномов отдельных особей. Размеры геномов организмов разных видов значительно отличаются друг от друга, и при этом часто не наблюдается корреляции между уровнем эволюционной сложности биологического вида и размером его генома. 

Ген – структурная и  функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определенного признака или свойства. Совокупность генов родители передают потомкам во время размножения. 

В настоящее время, в молекулярной биологии установлено, что гены –это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию — о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют развитие, рост и функционирование организма. 

В то же время, каждый ген  характеризуется рядом специфических  регуляторных последовательностей ДНК, таких как промоторы, которые принимают непосредственное участие в регулировании проявления гена. Регуляторные последовательности могут находиться как в непосредственной близости от открытой рамки считывания, кодирующей белок, или начала последовательности РНК, как в случае с промоторами (так называемые cis-регуляторные элементы, англ. cis-regulatory elements), так и на расстоянии многих миллионов пар оснований (нуклеотидов), как в случае с энхансерами, инсуляторами и супрессорами (иногда классифицируемые как trans-регуляторные элементы, англ. trans-regulatory elements). Таким образом, понятие гена не ограничено только кодирующим участком ДНК, а представляет собой более широкую концепцию, включающую в себя и регуляторные последовательности. 

Изначально  термин ген появился как теоретическая  единица передачи дискретной наследственной информации. История биологии помнит споры о том, какие молекулы могут  являться носителями наследственной информации. Большинство исследователей считали, что такими носителями могут быть только белки, так как их строение (20 аминокислот) позволяет создать больше вариантов, чем строение ДНК, которое составлено всего из четырёх видов нуклеотидов. Позже было экспериментально доказано, что именно ДНК включает в себя наследственную информацию, что было выражено в виде центральной догмы молекулярной биологии. 

Гены могут подвергаться мутациям случайным или целенаправленным изменениям последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Мутации могут приводить к изменению последовательности, а следовательно изменению биологических характеристик белка или РНК, которые, в свою очередь, могут иметь результатом общее или локальное изменённое или анормальное функционирование организма. Такие мутации в ряде случаев являются патогенными, так как их результатом является заболевание, или летальными на эмбриональном уровне. Однако, далеко не все изменения последовательности нуклеотидов приводят к изменению структуры белка (благодаря эффекту вырожденности генетического кода) или к существенному изменению последовательности и не являются патогенными. В частности, геном человека характеризуется однонуклеотидными полиморфизмами и вариациями числа копий (англ. copy number variations), такими как делеции и дупликации, которые составляют около 1 % всей нуклеотидной последовательности человека. Однонуклеотидные полиморфизмы, в частности, определяют различные аллели одного гена.