Текст книги "Концепции современного естествознания: конспект лекций"

2.4. Химия в XVII–XIX вв

В XVII–XVIII вв. быстро развивается еще одна естественно-научная дисциплина – химия – наука о качественных преобразованиях вещества, происходящих вследствие изменения его состава или строения. К этому времени алхимия, доминировавшая в средневековой культуре IX–XVI вв. и в значительной мере подготовившая возникновение научной химии, приходит в упадок. В основе классической химии лежит философская концепция атомизма, которая была сформулирована еще в античной философии Левкиппом, Демокритом и Эпикуром. Суть атомизма заключается в понимании вещества как совокупности мельчайших, неделимых частиц – атомов. Атомы находятся в постоянном движении, благодаря которому они могут взаимодействовать друг с другом. Все многообразие мира есть результат взаимодействия атомов. Вплоть до конца XIX в. в естествознании господствовало представление о том, что атом – это наименьшая частица вещества, предел делимости материи; в ходе химических превращений веществ разрушаются и вновь создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными. Только наука XX в. показала, что элементарными частицами выступают отнюдь не атомы (3.4).

Начало научной химии связывают с работами английского ученого XVII в. Р. Бойля, который предложил понятие «химический элемент». По мнению Р. Бойля, химический элемент – это «простое тело», входящее в состав вещества и определяющее его свойства. Таким образом, первой концептуальной идеей теоретической химии становится утверждение о том, что свойства вещества зависят от входящих в его состав химических элементов. При этом понятие «простого тела» еще не было окончательно сформулировано ни Р. Бойлем, ни его последователями, и часто в качестве химических элементов они рассматривали соединения, а химические элементы, напротив, понимали как сложные вещества. Тем не менее их полуинтуитивные представления послужили основой для формулирования современного представления о химическом элементе как о совокупности атомов с одинаковым зарядом ядра, которые, однако, могут различаться по своей массе.

В химии XVII в. господствовала теория флогистона. Эта теория была предложена для объяснения процесса горения. Предполагалось, что флогистон – это невесомая субстанция, которую содержат все вещества, способные к горению, и которая выделяется в процессе горения. Открытия в химии середины и конца XVIII в. привели к отказу от теории флогистона. Так, в 1748 г. М.В. Ломоносов сформулировал закон сохранения массы, не допускающий возможности существования невесомой материи. Это закон гласит: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Несколько позже французский химик А. Лавуазье разработал кислородную теорию горения, признание которой способствовало тому, что теория флогистона была полностью отвергнута. А. Лавуазье также впервые попытался систематизировать химические элементы в соответствии с их атомной массой, предложил первую номенклатуру химических соединений, в которой каждое вещество имеет свое собственное постоянное название, и т. п. Именно благодаря усилиям А. Лавуазье химия начала освобождаться от рецептурного характера, который она получила в наследство от алхимии, и постепенно стала формироваться в качестве строгой научной дисциплины.

Следующий этап в развитии химии (начало XIX в.) связан с именем английского химика Дж. Дальтона, который ввел в научный обиход понятие атомного веса. Дж. Дальтон является создателем теории атомного строения, или химической атомистики, которая позволила решить многие проблемы химии того времени. В 1803 г. Дж. Дальтон составил первую таблицу относительных атомных масс водорода, азота, углерода, серы и фосфора, приняв за единицу атомную массу водорода, а в 1804 г. предложил таблицу элементов в соответствии с их относительными атомными массами. Исследования химического состава газов позволили Дж. Дальтону сформулировать закон кратных отношений – один из фундаментальных законов химии. Закон кратных отношений утверждает, что массы двух химических элементов в любых возможных соединениях относятся друг к другу как целые числа.

В начале XIX в. ученые начинают использовать понятие «молекулы». Молекула – это устойчивая совокупность атомов, способная к самостоятельному существованию. Поскольку молекула может быть образована разными атомами, постольку ее свойства отличаются от свойств входящих в нее атомов. Именно молекулы определяют свойства вещества, поэтому молекулу, а не атом следует рассматривать в качестве «единицы» вещества. Дж. Дальтон еще не делал различия между молекулами и атомами, называя молекулы «сложными атомами», однако уже в 1811 г. итальянский ученый А. Авогадро предложил молекулярную теорию строения вещества, в которой были обобщены и систематизированы накопленные к тому времени экспериментальные данные. А. Авогадро предложил метод определения молекулярных масс, с помощью которого впервые вычислил атомные массы кислорода, углерода, азота, хлора и ряда других элементов.

На основе молекулярной теории А. Авогадро в середине XIX в. была разработана теория химического строения, согласно которой свойства вещества определяются порядком связей атомов в молекулах. Химическая связь образуется в результате обменного взаимодействия электронов, которые связаны с ядром атома наименее прочно. Электроны, участвующие в обменном взаимодействии, называются валентными. Валентностъ – способность атомов одного химического элемента соединяться с определенным количеством атомов другого химического элемента.

Впервые связь между валентностью и структурой химического вещества была установлена немецким химиком Ф. Кекуле, который в 1857 г. высказал идею о том, что число атомов одного элемента, связанных с одним атомом другого элемента, зависит от «основности» (валентности). Все элементы Ф. Кекуле разделил на одно-, двух– и трехвалентные, он также обосновал четырехвалентность углерода. В истории науки Ф. Кекуле известен и тем, что в 1865 г. открыл циклическую структурную формулу молекулы бензола, которую увидел во сне в виде змеи, кусающей свой хвост.

Немалая заслуга в развитии представлений о строении химических веществ принадлежит русскому ученому А.М. Бутлерову. Впервые свою концепцию А.М. Бутлеров представил в 1861 г. на 36-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей, в докладе «О химическом строении вещества». Согласно концепции русского ученого, природа сложной частицы определяется природой ее составных частей, их количеством и химическим строением. От химического строения зависят те реакции, в которых участвует вещество. Термин «химическое строение» А.М. Бутлеров применил для обозначения порядка межатомных связей в молекулах, который может быть выражен структурной формулой. Он сделал вывод о том, что различие веществ, обладающих одинаковым составом, можно объяснить только различием их химического строения. А.М. Бутлеров подчеркивал, что по строению молекул можно предвидеть свойства химического вещества. Таким образом, в конце XIX в. ученые пришли к выводу, что свойства веществ зависят не только от входящих в них химических элементов, т. е. от состава, но и от структуры, которая определяется способом взаимодействия между этими элементами. Теория химического строения вещества А.М. Бутлерова стала одним из оснований современной органической химии, а его идеи развивались многочисленными учениками и последователями.

Научная революция в химии связана с именем другого русского ученого – Д.И. Менделеева, который в 18б9 г. предложил периодическую систему химических элементов.

Периодическая система, оформленная в виде таблицы, упорядочивала все многообразие известных к тому времени химических элементов и позволяла предсказывать новые. Д.И. Менделеев расположил все элементы в соответствии с возрастанием их атомного веса и показал, что таким образом складывается четкая система. Д.И. Менделеев сформулировал следующий закон: свойства элементов находятся в периодической зависимости от величины их атомных весов. Позже было установлено, что свойства элементов зависят не от атомного веса, а от заряда ядра атома, атомный же вес является средним арифметическим от масс изотопов элементов, которые имеют общий заряд ядра, но отличаются по массе. Современная формулировка периодического закона такова: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер, заряд ядер совпадает с номером элемента в периодической системе. Периодическая система Д.И. Менделеева стала той объединяющей концепцией, которая позволила не только систематизировать, но и объяснить весь накопленный к концу XIX в. эмпирический материал, и стала прочной основой современной теоретической химии.

Развитие химии в XX в. привело к возникновению ряда относительно самостоятельных областей исследования. Так, в современной химии, с одной стороны, продолжается изучение состава веществ в зависимости от входящих в него химических элементов, а с другой – изучается зависимость свойств веществ от их структуры. Эти два направления современной химии непосредственно связаны с теми исследованиями, которые проводились на протяжении XVIII–XIX вв. Кроме того, в химии XX в. обсуждаются и новые проблемы. Одна из них – выяснение условий и внутренних механизмов протекания химических процессов и способов управления ими. Это очень перспективная и практически значимая сфера исследований, поскольку дальнейшие открытия в этой области позволяют создавать разнообразные химические соединения с заранее заданными свойствами. На сегодняшний день известно около 14 млн химических соединений и ежегодно синтезируется до 250 новых.

Самым новым разделом химии является так называемая эволюционная химия, возникновение и самоопределение которой стало следствием проникновения в естествознание идей и принципов эволюционной теории. Главным предметом изучения в эволюционной химии является химогенез, который рассматривается как неотъемлемая часть эволюционных процессов на нашей планете, начиная от космоге-неза и заканчивая антропосоциогенезом (5.2, 5.3). Эволюционная химия утверждает, что на протяжении длительного времени происходил отбор химических элементов по тем свойствам, которые давали преимущество при переходе на более высокий уровень организации материи – биологический. Химическая эволюция обеспечивала переход от химогенеза к биогенезу, поэтому понимание ее механизмов важно для прояснения проблемы происхождения жизни на Земле (5.2, 5.3) и процессов самоорганизации материальных систем (7.2).

Развитие химии в XX в. шло по линии возрастания диф-ференцированности внутри комплекса химического знания. Этот процесс привел к разделению на неорганическую и органическую химию и созданию аналитической и физической химии, возникновению целого ряда междисциплинарных исследований, которые со временем обрели самостоятельный научный статус (космохимия, геохимия, агрохимия, биохимия и др.). Наиболее интересные открытия в XX в., имеющие отношение к развитию химического знания, были осуществлены на стыке химии и других естественно-научных дисциплин. В соответствующих темах данного курса мы рассмотрим их более подробно (3, 4, 5).

2.5. Биология в XVI–XIX вв

Антропоцентризм эпохи Возрождения дал толчок развитию биологического познания, а точнее, одной из его областей – медицины. Интерес к человеческой природе, а затем и ко всему миру живого в XVI–XVII вв. способствовал быстрому накоплению эмпирических знаний и становлению биологии как описательной дисциплины. В это время развивались в основном прикладные сферы биологического знания: медицина, цветоводство и садоводство, коневодство и т. п. Накопленный эмпирический материал нуждался в упорядочивании и систематизации. Эту задачу выполнила биология XVIII в. Так, К. Линней создал первую классификацию живых организмов, в которую входили 4 тыс. видов животных и 10 тыс. видов растений.

Для объяснения такого многообразия живых организмов уже в науке XVIII в. были выдвинуты различные концепции. ж. Бюффон предложил идею трансформации видов, которая подготовила почву для первой теории эволюции органического мира ж. Б. Ламарка. Эмпирической базой концепции ж. Б. Ламарка послужили данные о существовании таких разновидностей живых организмов, которые занимали промежуточное положение между двумя видами, о явлениях гибридизации, ископаемых формах живых организмов и т. п. ж. Б. Ламарк утверждал, что изменение биологических видов происходит благодаря прямому влиянию окружающей среды и приспособлению к ней живых организмов. Приспособление осуществляется путем изменения органов тела в результате тренировки. Именно тренировка органов тела является, по мнению ж. Б. Ламарка, основным фактором эволюции и причиной целесообразности в живой природе.

Совершенно иным образом идея трансформации видов была конкретизирована в концепции катастрофических изменений французского ученого ж. Кювье. ж. Кювье пришел к выводу, что некогда населявшие нашу планету животные вымирали почти мгновенно под действием различных катастрофических причин. Базой для такого вывода послужили прежде всего данные палеонтологии, которые свидетельствовали о том, что в геологических напластованиях обнаруживаются остатки только определенных животных, тогда как в других пластах эти остатки отсутствуют. ж. Кювье утверждал, что на Земле время от времени происходили внезапные глобальные катаклизмы, приводившие к вымиранию одних видов животных и появлению новых. При этом, по мнению французского ученого, в периоды между катастрофами никаких изменений органического мира не происходило. Появляющиеся в ходе глобального катаклизма виды более прогрессивны, однако они не имеют никакого отношения к уничтоженным, поэтому преемственности в живой природе нет. Для объяснения прогрессивного развития органического мира сторонники теории катастроф обращались к идее творящей силы, т. е. некой нематериальной силы, которая организует живую материю после очередной катастрофы.

Несмотря на существенные недостатки и ложные выводы, теория катастроф содержала новаторскую идею, которая была воспринята и по-своему интерпретирована современной наукой, – идею о единстве геологических и биологических изменений, единстве гео– и биогенеза (7.3). Теория катастроф сыграла также свою положительную роль в подготовке эволюционной теории, поскольку развивала идею трансформаций в растительном и животном мире.

Вместе с тем теория катастроф никак не объясняла причины глобальных катаклизмов, эта неопределенность давала серьезный повод для критики. В начале XIX в. с такой критикой выступил английский ученый Ч. Лайель. Ч. Лай-ель обратил внимание на то, что некоторые виды живых организмов, существовавшие в предшествовавшие геологические эпохи, продолжают существовать и сейчас, другие же виды, напротив, погибают. Английский ученый не утверждал, что одни виды живых организмов произошли от других, однако он подчеркивал, во-первых, медленный и постепенный характер геологических изменений; во-вторых, однообразие тех факторов, которые действуют на протяжении всей истории Земли; в-третьих, он обращал внимание на то, что на протяжении длительного времени происходит суммирование небольших изменений. При этом все трансформации Ч. Лайель сводил к обратимым, циклическим изменениям и отрицал возможность прогресса.

Труды своего соотечественника Ч. Лайеля подробно и внимательно изучал Ч. Дарвин. Во время кругосветного путешествия Ч. Дарвин собрал богатейший материал, свидетельствующий об изменчивости видов растений и животных. Особенно поразительной находкой был огромный скелет ископаемого ленивца, обнаруженный в Южной Америке. Сравнение с современными, небольшими по размерам ленивцами натолкнуло Ч. Дарвина на мысль об эволюции видов. По возвращении в Англию он продолжил изучение практики селекции домашних животных. Эти знания впоследствии помогли сформулировать идею естественного отбора.

Богатейший эмпирический материал, который к тому времени был накоплен в географии, археологии, палеонтологии, эмбриологии, физиологии, систематике и т. п., позволил английскому ученому сделать вывод о длительной эволюции живой природы. Свою концепцию Ч. Дарвин изложил в работе «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859). Книга Ч. Дарвина имела феноменальный успех, ее первый тираж (1250 экземпляров) был продан уже в первый день. По-видимому, такой ажиотажный спрос можно объяснить, с одной стороны, принципиальной новизной, а с другой – ожидаемостью идей, изложенных в книге Ч. Дарвина. Речь шла об объяснении возникновения живых существ без апелляции к идее Бога. Понятно, что для XIX в., когда преобладала идея Науки с большой буквы, такая книга была очень интересна, актуальна и своевременна. При этом следует отметить, что несмотря на огромную популярность у читающей публики идея постепенного появления в живой природе новых видов для научного сообщества того времени оказалась столь необычной, что была принята не сразу.

Ч. Дарвин предположил, что в популяциях животных существует конкуренция, благодаря которой выживают только те особи, которые обладают выгодными в данных конкретных условиях свойствами, позволяющими оставить потомство. Основу эволюционной теории Ч. Дарвина составляют три принципа:

• наследственности и изменчивости,

• борьбы за существование,

• естественного отбора.

Изменчивостъ является неотъемлемым свойством всего живого. Несмотря на похожесть живых организмов одного вида, внутри популяции невозможно обнаружить две совершенно одинаковые особи. Эта вариативность признаков и свойств создает преимущество одних организмов перед другими. В обычных условиях различие свойств остается незаметным и не оказывает существенного влияния на развитие организмов, однако при изменении условий, особенно в неблагоприятную сторону, даже малейшее различие может дать одним организмам значительное преимущество перед другими. Только особи с соответствующими условиям свойствами оказываются способными выжить и оставить потомство. Ч. Дарвин различает неопределенную и определенную изменчивость. Определенная изменчивостъ, или адаптивная модификация, – это способность особей одного вида одинаковым образом реагировать на изменение окружающей среды. Подобные групповые изменения не передаются по наследству, поэтому не могут поставлять материал для эволюции. Неопределенная изменчивость, или мутация, – индивидуальные изменения в организме, которые передаются по наследству. Мутации не связаны напрямую с изменениями условий окружающей среды, однако именно неопределенная изменчивость играет важнейшую роль в эволюционном процессе. Случайно появившиеся позитивные изменения передаются по наследству, и в итоге выживает и достигает зрелости лишь небольшая часть потомства, которая обладает полезными наследственными свойствами.

Между живыми существами, как считает Ч. Дарвин, разворачивается борьба за существование. Конкретизируя это понятие, Ч. Дарвин указывал на то, что внутри вида рождается больше особей, чем доживает до взрослого состояния. Борьба за существование как раз и означает, что выживают и размножаются сильнейшие и наиболее приспособленные организмы, а слабые и неприспособленные погибают.

Естественный отбор – ведущий фактор эволюции, объясняющий механизм образования новых видов. Естественный отбор происходит по принципу лучшей приспособленности к условиям окружающей среды, именно этот отбор выступает движущей силой эволюции. Механизм отбора приводит к избирательному уничтожению тех особей, которые менее приспособлены к условиям окружающей среды. Таким образом, естественный отбор обеспечивает прогресс в развитии живых организмов. Изменения происходят постепенно и очень медленно, однако их суммирование на протяжении длительного времени приводит к возникновению новых видов. По образному выражению Ч. Дарвина, естественный отбор «расследует» мельчайшие изменения, отбрасывая вредные и сохраняя полезные, и таким образом работает над усовершенствованием живых организмов.

Слабым звеном эволюционной теории Ч. Дарвина было отсутствие точного и убедительного объяснения механизма наследственности, поскольку законы наследования в то время еще не были известны. Так, эволюционная теория не объясняла, каким образом происходят накопление и сохранение полезных наследственных изменений в результате дальнейшего скрещивания живых организмов. Вопреки бытовавшему мнению, что при скрещивании организмов с полезными свойствами и организмов, у которых эти свойства отсутствуют, должно происходить усреднение полезных признаков, их растворение в череде поколений, эволюционная теория предполагала, что эти признаки накапливаются. Противники эволюционной теории утверждали, что естественный отбор не действует, а популяция со временем должна становиться совершенно однородной. Ч. Дарвин сознавал слабости своей концепции, однако не сумел удовлетворительно объяснить механизм наследования. Ответ на этот вопрос дала теория Г. Менделя, которая обосновала дискретный характер наследственности (5.6). Создание в XX в. синтетической теории эволюции завершило объединение эволюционной теории и генетики (5.7).

Значительным достижением классической биологии стало создание теории клеточного строения живых организмов. В комплексе современных биологических знаний существует отдельная дисциплина, занимающаяся изучением клетки, – цитология.

Исследование микроскопического строения живых организмов стало возможно благодаря изобретению в 1600 г. микроскопа. Понятие «клетка» было введено в научный обиход английским ботаником Р. Гуком в 1665 г. Рассматривая срезы высушенной пробки, он обнаружил множество ячеек, или камер, которые назвал клетками. Однако с момента этого открытия до создания клеточной теории прошло еще два столетия.

В 1837 г. немецкий ботаник М. Шлейден предложил теорию образования растительных клеток, основные идеи которой он изложил в работе «Данные о развитии растений». По мнению М. Шлейдена, важную роль в размножении и развитии клеток играет клеточное ядро, существование которого было установлено в 1831 г. Р. Броуном. В 1839 г. соотечественник М. Шлейдена анатом Т. Шванн, опираясь на экспериментальные данные и теоретические выводы своего коллеги, создал клеточную теорию строения живых организмов. Основные идеи своей концепции Т. Шванн изложил в работе «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений». Создание в середине XIX в. клеточной теории стало существенным шагом в становлении биологии как самостоятельной научной дисциплины. Основные положения и принципы концепции М. Шлейдена и Т. Шванна сохраняют свою актуальность и для современной биологии.

Клетка – это элементарная биологическая единица, структурно-функциональная основа всего живого. Клетки осуществляют самостоятельный обмен веществ, способны к делению (воспроизводству) и саморегуляции, т. е. обладают всеми свойствами живого. Образование новых клеток из неклеточного материала невозможно, размножение клеток происходит только благодаря делению. Органическое развитие следует рассматривать как универсальный процесс клеткообразования. В структуре клетки выделяют мембрану, отграничивающую содержимое клетки от внешней среды; цитоплазму, представляющую собой соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами и молекулами РНК; ядро, содержащее хромосомы, состоящие из молекул ДНК и присоединенных к ним белков. Различают два способа деления клеток: митоз и мейоз. Митоз – деление клеточного ядра на два дочерних с наборами хромосом, идентичными набору хромосом родительской клетки. Митоз характерен для всех клеток, кроме половых. Мейоз – деление клеточного ядра на четыре дочерних ядра, в каждом из которых содержится вдвое меньше хромосом, чем в родительской клетке. Такой способ деления характерен только для половых клеток.

Клеточная теория строения живых организмов стала убедительным аргументом в пользу идеи единства происхождения жизни на Земле и оказала существенное влияние на формирование современной научной картины мира.