?

Log in

No account? Create an account
October 2017   01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Введение в биологию — пост №2

Posted on 2017.01.18 at 09:57
Tags: , ,

II
Атомы и элементы


Объяснить устройство чего бы то ни было — это объяснить, из каких частей оно состоит, и как эти части соединяются и взаимодействуют между собой. В нашем подлунном мире всё, что можно потрогать, состоит из атомов, и живое не представляет исключения. Из атомов строятся молекулы, из молекул — клетки, из клеток — многоклеточные организмы, совокупности которых образуют экосистемы. На каждом из этих уровней какая-то система является элементарной единицей, «кирпичиком», из множества которых строится система следующего уровня.

Проходя по уровням организации живого, мы сталкиваемся с двумя группами понятий, которые нельзя смешивать. К первой группе относятся понятия, обозначающие объекты, такие как «молекула», «клетка» или «организм». Другая группа включает понятия, обозначающие типы таких объектов: «вещество», «ткань», «вид». Вещество — это совокупность молекул, имеющих одинаковую формулу, ткань — совокупность однотипных клеток и т. д.

Чтобы ничего не упустить, имеет смысл начать с самого базового уровня, с самых простых «кирпичиков». Хоть понятие «атом» и возникло для обозначения самых элементарных частичек материи (в переводе с греческого означает «неделимый»), частицы, которые сейчас принято называть атомами, тоже состоят из каких-то частей. Конкретно — всякий атом имеет ядро и связанные с ним электроны. Ядро обладает положительным зарядом, электроны — отрицательным, в целом атом электронейтрален. В рамках так называемой «планетарной» модели предполагалось, что электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, или спутники вокруг планеты. Такого рода модель предполагает, что в каждый момент времени электрон находится в определённом месте относительно ядра, скажем, «слева» или «справа», и движется по некой предсказуемой траектории. С современным данными такие представления не очень согласуются, и сейчас принято считать, что электроны как бы «размазаны» по своим орбитам. Впрочем, для наших целей это не будет иметь большого значения.




Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Это частицы, масса которых во много раз превосходит массу электронов, поэтому масса атома определяется прежде всего ядром. Протоны имеют положительный заряд, нейтроны не имеют электрического заряда. Заряд одного протона по модулю равен заряду электрона (и обозначается соответственно +1 или -1). Число протонов, таким образом, определяет заряд ядра атома. Совокупность однотипных атомов (имеющих тот же заряд ядра) называется элементом. Существует очень удобная и наглядная классификация элементов — периодическая система Менделеева. То есть — если, скажем, заряд ядра равен шести — это углерод, если семи — азот. Масса ядра в принципе может отличаться у атомов одного и того же элемента (за счёт разного количества нейтронов), такие разновидности называются изотопами.

Не существует каких-то особенных «атомов живой материи», живое, в общем, состоит из тех же атомов, что и неживое. По этой причине у нас только одна таблица Менделеева, и нет отдельной таблицы для живой природы (впрочем, исходя из того, что мы знаем про обмен веществ, трудно представить, чтобы было иначе). Но вот в количественном отношении живая природа имеет свою специфику. Скажем, вообще во Вселенной очень много гелия. А вот в составе живых организмов с гелием как-то не очень. Впрочем, это неудивительно — гелий относится к так называемым инертным газам, которые вообще не очень склонны образовывать химические соединения. Здесь можно возразить, что это не мешает гелию входить в состав звёзд, и играть в них очень важную роль (собственно, в звёздах гелий образуется из водорода, и за счёт энергии, выделяемой в ходе этого превращения, звёзды светятся). Но дело в том, что живое не использует превращение атомов одних элементов в другие, такие реакции в живых организмах в принципе могут происходить, но они, мягко говоря, нетипичны для них (и в большинстве случаев нежелательны). Вместо этого, процессы, происходящие на уровне атомов и характерные для живого — это межатомные взаимодействия, в ходе которых атомы могут соединяться, перекомбинироваться, но не превращаться в атомы других элементов. Такие процессы изучает химия. Поэтому знание азов химии для биолога более критично, чем ядерной физики.

Элементы, из атомов которых состоят живые организмы — это в первую очередь углерод (С), водород (H), кислород (O), азот (N) и фосфор (P). Важно не путаться — слово «водород», например, может означать и элемент (H), и соответствующее ему простое вещество (H2). Атомы других элементов тоже, разумеется могут обнаруживаться в составе живых организмов (и даже выполнять там очень важные функции), но по массе их будет уже намного меньше.




Итак, атомы могут взаимодействовать между собой, образуя химические связи. Связи бывают разными — ковалентными (в этом случае у атомов имеются «общие» электроны), ионными (один атом отбирает электроны у другого), водородными (за счёт электрического притяжения атомов, отдавших кому-то свои электроны, к атомам, у которых есть «лишние»). Совокупность соединённых между собой атомов представляет из себя молекулу. К примеру, два атома водорода, соединённые с одним атомом кислорода, составляют молекулу воды. В первом приближении можно считать, что вода — это совокупность молекул, каждая из которых имеет строение H2O. На самом деле, далеко не всякое вещество состоит из отдельных молекул (например, в кристалле поваренной соли NaCl все атомы связаны друг с другом, образуя кристаллическую решётку). Но тем не менее, представление о молекуле как об элементарной единице вещества можно считать базовым, а соответствующее ему строение — типичным (с определёнными оговорками, о которых ещё пойдёт речь).





Дополнительные ссылки:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Атом
https://ru.wikiversity.org/wiki/Строение_атома
http://chemege.ru/chembonds

(продолжение следует)

Введение в биологию — оглавление

Comments:


egovoru
egovoru at 2017-01-18 16:26 (UTC) (Link)
Катинка показалась мне неожиданной: конечно, атом кислорода на 4 единицы тяжелее углерода, но чтобы "живой" кислород настолько по общей массе превосходил углерод, об этом я не догадывалась. А точно там не перепутаны подписи? Или в эту картинку входит и вода, содержащаяся в клетке? Тогда, наверное, понятно, откуда столько кислорода.

И, может быть, для учебника лучше подошла бы картинка молярных соотношений, а не масс.
Георгий Рюриков
barson at 2017-01-18 16:56 (UTC) (Link)
Да, это по идее с водой. Насчёт молярных соотношений подумаю.
evgeniirudnyi
evgeniirudnyi at 2017-01-18 18:53 (UTC) (Link)
При разговоре про атомы и химические связи важно помнить, что атомы - это принципиально квантовые объекты. Это к тому, что начиная с нижнего уровня на некотором этапе возникает переход от квантового к классическому миру и этот этап приносит для размышлений о природе много проблем, например см. многомировую интерпретацию квантовой механики.

При разговоре про молекулы важно помнить, что молекулы являются несколько искусственными образованиями. На уровне полуклассической картины (так называемое адиабатическое приближение) существуют ядра и электронная плотность. Невозможно однозначно выделить область пространства, содержащее ядра, и объявить это пространство молекулой. В химии было много попыток на этом пути, но общий вывод заключается в том, что разделение на внутримолекулярные и межмолекулярные взаимодействия искусственно.
Георгий Рюриков
barson at 2017-01-18 18:56 (UTC) (Link)
Разумеется, Вы правы, что всё это так. А вот в том, что это действительно важно помнить, чтобы постичь азы биологии (на что, собственно, направлен данный опус) — я не уверен.
evgeniirudnyi
evgeniirudnyi at 2017-01-18 19:19 (UTC) (Link)
Одна из причин, почему я смотрю на то, что говорят биологи, как раз заключается в том, чтобы понять азы биологии. К сожалению, это никак не удается.

Основная проблема связана с тем, что начав с физики и химии мы приходим к схеме, которую я для удобства повторю

1) Есть состояние системы.
2) Есть законы физики.
3) Последующее состояние системы получается из предыдущего по законам физики.

Так вот, я не вижу возможности выйти за пределы этой схемы при условии, что мы постулируем, что для описания живых организмов ничего другого не требуется. В этом случае схема работает как до происхождения жизни, так и после. Произвести содержательное разделение, по-моему, в этом случае вряд ли удастся.

Когда я был молодым, мне нравились идеи Пригожина: диссипативные структуры, саморганизация и все такое. Кстати, в восьмидесятых годах Пригожин был в МГУ и читал лекцию. Однако на этом пути невозможно выйти за приведенную выше схему - нет возможности введения чего-то принципиально нового.

Биологи говорят, что нет, все возможно. Например, caenogenesis объявляет биологию фундаментальной наукой, но при рассмотрении жизни он начинает с обычной химии. Как на этом пути возникает фундаментальность биологии мне понять так и не удалось.
Георгий Рюриков
barson at 2017-01-19 05:57 (UTC) (Link)
Состояние системы таким образом получается, но не описание живых организмов. :) Хотя бы потому, что в рамках такой схемы вообще не возникает понятия "живые организмы". Но тем не менее, живые организмы есть, хоть это и всего лишь совокупности атомов, это такие специфические совокупности атомов, которые ведут себя определённым образом, и поэтому удобно ввести соответствующее понятие.

Если Вы считаете, что "для описания живых организмов ничего другого не требуется", то попробуйте просто последовать этому правилу. Например, убрать из фраз "биологи говорят", "caenogenesis объявляет биологию фундаментальной наукой" все лишние сущности, и передав тот же смысл с помощью описания четырёх фундаментальных взаимодействий на уровне элементарных частиц.
evgeniirudnyi
evgeniirudnyi at 2017-01-19 19:14 (UTC) (Link)
Вначале я хочу сказать, что если вас не интересуют обсуждение на такие темы, то пожалуйста скажите, и я остановлюсь.

Для ответа я бы вначале рассмотрел соотношение между химией и физикой. В свое вермя у нас на Химфаке В.М.Татевский (лектор по квантовой химии) все время публично заявлял, что химия - это раздел физики. При этом ему особенно никто не возражал, поскольку химики не претендуют на наличие фундаментальности в самой химии. С этой точки зрения химия - это практическая наука для изучения и синтеза новых веществ и материалов. На этом пути методы ab initio не удается применять напрямую по причине ограниченности вычислительных возможностей и химики придумали специальный язык, который как раз позволяет достаточно эффективно синтезировать новые вещества и разрабатывать новые материалы. Физики на такое не способны, поскольку это особенное ремесло. Тем не менее, фундаментальная картина мира остается на уровне физики, то есть, приведенная мною схема - это в определенном смысле идеал развития химии.

Соотвественно, вполне можно себе представить биологию как практическую науку. Ведь действительно всем понятно, что такое живое и для исследования живого требуется специальная наука. С этой точки зрения проблем нет. Проблема появляется тогда, когда биологи переходят к рассмотрению картины мира и когда они включают в свое рассмотрение человека. В данном случае явно возникает несоотвествие с принятой задачей биологии как практической науки.

При этом заметьте, что не я считают, что "для описания живых организмов ничего другого не требуется". Это говорят именно биологи, которые отказались от витальных сил, энтелехии, целевых причин и проч. Общий вопрос: что же принимается за объяснение.

К жизни. На Химфаке был такой Руденко. Его теория происхождения жизни была связана с понятием катализатора. Обычные катализаторы через некоторые время перестают работать. Так вот, по Руденко, если я правильно помню, жизнь - это самосовершенствующие катализаторы. В свое время его точка зрения мне очень понравилась - она успешно укаладывалась с схему Пригожина.
Георгий Рюриков
barson at 2017-01-19 20:02 (UTC) (Link)
Как я понимаю, биологи, отрицая энтелехию, витальные силы etc., таким образом утверждают, что в мире нет вещей, существующих отдельно от известных физикам. Но есть — состоящие из них. И эти вещи (объекты или процессы) не являются объектом физики. Так бывает — какой-то частный случай выделяется во что-то отдельное. Органическая химия как частный случай неорганической химии, птицы как частный случай динозавров, социология как частный случай этологии, карате как частный случай цюаньфа, лёгкие как частный случай кишки, оптика как частный случай электродинамики...

Действительно, все объекты биологии подчиняются законам физики, а обратное неверно. Что, впрочем, не означает, что в биологии нет своих законов. Я не очень понимаю, что вы имеете в виду под фундаментальной и практической наукой. Я согласен, что законы физики — базовые, они лежат в основе любых естественных наук. Значит ли это, что остальные науки не могут называться фундаментальными? Мне кажется, это будет не более чем терминологический вопрос.
evgeniirudnyi
evgeniirudnyi at 2017-01-20 18:19 (UTC) (Link)
Слово фундаментальный, несомненно, имеет много значений. Тем не менее, в рассматриваемом контексте его значение вполне определено: то, что существует на самом деле. Например, вы начали ваше рассмотрение с атомов, поскольку предполагается, что атомы существуют на самом деле. Мы видим стол, но это только видимое, на самом деле стол состоит из атомов. С этой точки зрения именно физика дает нам такое фундаментальное знание. Все остальные дисциплины в определенном смысле занимаются "видимыми" явлениями и поэтому они не фундаментальны, они рассматривают "кажущиеся явления", например в биологии организм, который на самом деле состоит из атомов и полностью подчиняется законам физики.

Для химии такая точка зрения проходит без проблем, отсутствие принципиальной разницы между внутримолекулярными и межмолекулярными взаимодействиями мало на что влияет.

Важно отметить, что существование атомов неразрывно связано с приведенной мною схемой. Вы не можете взять атомы как точку отсчета и при этом отбросить схему развития системы по законам физики. Для химии такое не представляет никаких проблем.

В биологии же происходит странная картина. Действительно все видят разницу между живым и неживым. Если же мы спускаемся на фундаментальный уровень (то есть, на уровень атомов), то найти разницу между живым и неживым получается невозможно.

Возможно, что вы предложите другую трактовку слова "фундаментальный", но ведь это надо сделать. В значении, описанном выше, биология никак не может претендовать на роль фундаментальной науки, в особенности когда биологи заявляют, что живое сводится к законам физики.
Георгий Рюриков
barson at 2017-01-20 19:22 (UTC) (Link)
Я вот, честно, никак не могу увидеть противоречия между утверждениями «стол состоит из атомов» и «стол существует на самом деле».
Да, «все видят разницу между живым и неживым». Также все видят разницу между молекулами и плазмой. Верно ли, что на уровне элементарных частиц эта разница пропадает?
И где биологи заявляют, что «живое сводится к законам физики»?
evgeniirudnyi
evgeniirudnyi at 2017-01-21 16:12 (UTC) (Link)
Спасибо за ваши ответы. Мне было интересно узнать ваше мнение.

К слову сказать, Докинз рассматривает соотношение между физикой и биологией в первой главе книги Слепой часовщик. Возможно, что его позиция вам будет ближе.
Георгий Рюриков
barson at 2017-01-21 16:39 (UTC) (Link)
"Для тех, кто любит всякие «измы», мой подход к пониманию того, как всё работает, вероятно, стоит назвать «иерархическим редукционизмом»". :)
caenogenesis
caenogenesis at 2017-03-15 11:06 (UTC) (Link)
Например, caenogenesis объявляет биологию фундаментальной наукой, но при рассмотрении жизни он начинает с обычной химии.

Важнее всего, что я считаю биологию идиографической наукой (в той мере, в какой деление наук на номотетические и идиографические вообще имеет смысл). То есть я считаю, что биология не обязана искать какие-либо универсальные закономерности, а должна она искать конкретные причинно-следственные связи между историческими событиями. Весь мой рассказ - более или менее в русле этого подхода. Хотя кое-где, конечно, я это русло спрямляю (например, не говорю подробно о происхождении жизни).
evgeniirudnyi
evgeniirudnyi at 2017-03-15 15:03 (UTC) (Link)
Насколько я вижу, термины номотетический и идеографический методы были введены для различия между «наук о природе» и «наук о духе»

http://ponjatija.ru/node/640

Можно узнать, включаете ли вы объяснение в рамках естественного отбора к поиску причинно-следственных связей?
caenogenesis
caenogenesis at 2017-03-15 15:08 (UTC) (Link)
1. В ссылке, которую Вы дали, слово "идиографический" написано с ошибкой. По этой причине ее авторитетность для меня несколько сомнительна :) В целом же - да, я глубоко убежден, что биология методологически намного ближе к истории, чем к физике.

2. Да, включаю, конечно, почему бы не включать.
evgeniirudnyi
evgeniirudnyi at 2017-03-15 15:15 (UTC) (Link)
Действительно, с ошибкой.

Если можно, хотелось бы понять, что вы включаете в понятие причинно-следственных связей. Например, рассмотрим утверждение

"Наполеон проиграл кампанию в России из-за морозов"

Можно ли считать такое утверждение объяснением в рамках причинно-следственных связей или нет?
caenogenesis
caenogenesis at 2017-03-15 16:54 (UTC) (Link)
Нельзя.
evgeniirudnyi
evgeniirudnyi at 2017-03-15 17:33 (UTC) (Link)
Не могли бы вы пожалуйста для сравнения привести пример объяснения причинно-следственных связей в рамках естественного отбора?
caenogenesis
caenogenesis at 2017-03-15 17:37 (UTC) (Link)
Стоп. Я Вам честно скажу, что дискуссии о естественном отборе мне никогда не были особенно интересны. Почему Вы сразу на него перескочили? Чем этот фактор такой особый?
Пример, впрочем, привести могу:

http://caenogenesis.livejournal.com/23084.html

И причем тут Наполеон?

UPD. Про Наполеона могу точнее. Очевидно, что морозы были одной из причин его неудачи в русской кампании, но не менее очевидно, что эта причина не была единственной (хотя бы потому, что Москву он оставил, когда никаких морозов еще не было). Главные причины были другими. Это обычная ситуация со сложными событиями: причин несколько, а дальше можно выяснять их удельный вес, взаимодействие и прочее. И пополнять их список, либо, наоборот, выкидывать что-то из него.

Edited at 2017-03-15 05:49 pm (UTC)
evgeniirudnyi
evgeniirudnyi at 2017-03-16 06:22 (UTC) (Link)
В данном контексте меня интересует вопрос как можно отличить объяснение в рамках причинно-следственных связей от объяснения, не являющегося таковым. Естественный отбор всплыл, поскольку он вроде бы относится к азам биологии, которые я никак не могу постичь, и поскольку вы выше сказали, что объяснения в рамках естественного отбора укладываются в таковые с причинно-следственными связями. Однако в данном контексте естественный отбор неважен и можно остановиться только на вопросе о том, что такое причинно-следственное объяснение.

Утверждение с Наполеоном служит точкой отсчета. Оно выступает как пример утверждения, которое нельзя причислить к причинно-следственным объяснениям. Я согласен с тем, что это сложное событие, хотя я не уверен, что в этом случае можно выявить главные причины.

Так вот, если можно, хотелось бы рядом с утверждением про Наполеона увидеть другое утверждение, которое несомненно является причинно-следственным объяснением. В этом случае можно было бы более четко понять, как провести границу. С моей точки зрения, в биологии как раз не хватает четкого критерия того, что можно и что нельзя принять за объяснение.
evgeniirudnyi
evgeniirudnyi at 2017-03-19 07:43 (UTC) (Link)
Вчера увидел выпуск журнала на тему Evolution and historical explanation. Может быть вам понравится

http://www.sciencedirect.com/science/journal/13698486/58/supp/C
Previous Entry  Next Entry