Приоритетность физической науки, ее главенствующая роль среди других естественных наук определяется, как ее положением в системе естественных наук (она изучает наиболее простую форму движения материи), так и теми фундаментальными законами и принципами, которые лежат в основе организации и развития материи. Именно физика определяет стратегию развития других естественных наук. Это подтверждается всем историческим ходом ее развития и местом в системе естествознания. Физика стала фундаментом становления и развития химической и биологической науки. Физическая наука первой взяла на себя мировоззренческую функцию и внесла на этом поприще огромный вклад не только в становление и развитие методологических подходов естествознания, но и диалектики в целом. «Первый шаг - создание из обыденной жизни картины мира - дело чистой науки», - писал выдающийся физик ХХ в. М. Планк. Физическая картина мира позволяет человеку выполнять ориентировочную и продуктивную деятельность в определенных социально-исторических условиях.
Физика во многом определила прогресс всего естествознания, предложив методологию перехода от эмпирического уровня познания явлений к теоретическому: выявлению их сущности. Такой подход связан с постепенным отказом от непосредственной наглядности и введением идеальных теоретических моделей и понятий, с которыми ученые-физики проводят мысленные эксперименты. Отказ от непосредственной наглядности позволил ученым-физикам перейти к исследованию более глубоких уровней реальности. Используя мысленный эксперимент, Эйнштейн создал теорию относительности, которая показала единство пространства и времени, выражающееся в совместном изменении их характеристик в зависимости от концентрации масс и движения.
Таким образом, физическая наука предложила принципиально новый метод исследования объектов и явлений природы на основе идеализированных моделей и понятий, которые позволили выявить самые фундаментальные общие свойства, законы и принципы организации и эволюции материального мира. Они лежат в основе не только физической формы движения, но и всех последующих форм движения, которые возникли на ее основе.
Исключительное значение для понимания процессов, протекающих как в неживой, так и в живой материи, имеет теория электронного строения вещества. Вещество как один из видов материи является объектом пристального внимания с момента появления человека. Первоначально его изучение велось на бытовом уровне. Качественный скачок в изучении вещества стал возможен после открытия элементарных частиц, образующих атом: электрона, протона и нейтрона. Первая элементарная частица (электрон) была открыта в 1897 г. английским физиком Дж.Дж. Томсоном. В 1932 г. после открытия нейтрона картина строения вещества казалась в общих чертах окончательно выясненной. Известных к тому времени частиц (протона, нейтрона и электрона) полностью хватало для того, чтобы объяснить строение и свойства всех веществ.
Открытие элементарных частиц привело в итоге к созданию Х.А. Лоренцом электронной теории (микроскопической, классической электродинамики), в которой вещество рассматривается как совокупность взаимодействующих между собой микроскопических заряженных частиц (отрицательных и положительных), движущихся в вакууме. По мнению М.С. Свирского, «...особая роль электронов в современной теории вещества определяется тем, что из всех известных в настоящее время микрочастиц электрон имеет наименьшую, отличную от нуля массу покоя, и наименьший электрический заряд. Отклик электронов на внешние электрические и магнитные воздействия существенно определяет физико-химические свойства веществ. Поэтому фундаментальное объяснение макроскопических свойств вещества связано с определением влияния электронов на формирование этих свойств. Явления, изучаемые электронной теорией вещества, имеют первостепенное значение для научно-технического прогресса» [6, с. 3].
Создание данной теории физической наукой оказало революционное влияние на все остальные науки естественнонаучного цикла и во многом предопределило стратегию их дальнейшего развития. Не составила исключения и биологическая наука, использовавшая «плоды» этой теории не только напрямую - от физики, но и от смежной науки - химии, которая применила основные идеи электронной теории вещества для объяснения механизмов химических реакций, протекающих как в неживой, так и в живой природе.
Данные историографии позволяют констатировать, что биологическая наука неоднократно поднималась на новый качественный уровень на «плечах» физики и химии. Об этом свидетельствует широко известное высказывание выдающегося физиолога растений ХХ века К.А. Тимирязева: «...пока ботаники занимались исключительно формами, химики и физики проникли в заманчивую область растительной жизни и положили основание физиологии растений. Главными своими устоями физиология обязана не ботаникам, а химикам и физи- кам» [8, с. 24].
Использование новых идей и методов одной науки в других областях знаний приводит, как известно, к рождению новых направлений исследования и смежных (комплексных) наук, которые решают насущные проблемы человечества. Так произошло и после создания электронной теории вещества. Взятие на вооружение постулатов и методов данной теории химией и биологией привело к созданию новой области науки - квантовой биохимии, основной задачей которой является теоретический расчет плотности электронов у отдельных атомов, образующих структуру молекулы.
По мнению Я. Ладика, квантомеханические исследования электронной структуры биологически активных молекул (DNК, белков, порфиринов) и их биологическое истолкование будут способствовать решению важнейших биологических проблем в области мутагенеза, свойств белков, канцерогенеза, фотосинтеза, старения, действия лекарственных веществ и т.д. Говоря об уникальности данного метода, автор отмечает: «Вряд ли можно представить себе один теоретический или экспериментальный подход, который мог бы объяснить механизм столь сложных и в общем разнообразных биологических процессов» [1, с. 5].
Согласно наиболее распространенной и общепризнанной теории происхождения жизни - теории биопоэза, сформулированной в 1947 г. английским ученым Дж. Берналом, одним из ключевых моментов химической эволюции вещества, предопределивших появление биологической формы движения материи, явилось возникновение таких биополимеров, как белки и нуклеиновые кислоты. Кроме них, при становлении живой материи использовались и другие высокомолекулярные соединения: полисахариды (биополимеры), жиры, металлопорфирины, АТР и др. Уникальные физико-химические свойства этих макромолекул, по мнению Л.А. Николаева, во многом определяются полярными группами, возникновение которых обусловлено перераспределением электронной плотности между ее атомами [2, с. 34-35].
Используя метод молекулярных орбиталей для изучения распределения электронной плотности и роли π-электронов у важнейших биологически активных веществ, Б. Пюльман и А. Пюльман пришли к заключению, что почти все высокомолекулярные соединения содержат сопряженные системы π-электронов. Они представляют собой длинную цепь (кольцо) с многократно чередующимися σ- и π-связями. В результате мезомерного эффекта (эффекта сопряжения) образуется общее электронное облако, которое охватывает одновременно большое число атомов, и молекула или часть ее действуют в ряде реакций (окисления, гидролиза) как одно целое. К таким веществам относятся NAD, FAD (коферменты оксидоредуктаз), гемм и его производные, пуриновые и пиримидиновые основания, входящие в состав нуклеотидов DNK, RNK, АТР и др. [3]. Эти важнейшие биологические соединения играют ключевую роль в превращении вещества, энергии и информации во всех типах клеток, существующих на Земле.
Наличие сопряженной системы простых и двойных связей у коферментов обеспечивает достаточно большую их активность, и это существенно облегчает протекание биохимических реакций. Так, например, π-электроны обеспечивают взаимодействие между ферментом и субстратом, результатом которого является образование промежуточного продукта. В молекуле такого продукта электронная плотность сосредоточена на одном каком-либо атоме, в результате чего энергия активации снижается (энергетический барьер преодолевается) и открывается путь к дальнейшим превращениям веществ. Промежуточные продукты сочетают в себе весьма ценные свойства: они одновременно и активны, и устойчивы, поэтому имеют место во всех важнейших биохимических превращениях [там же, с. 96].
Молекулы с сопряженной системой π-электронов играют исключительно важную роль в окислительно-восстановительных процессах, лежащих в основе функционирования электрон-транспортных цепей (ЭТЦ), локализованных в мембранах митохондрий и хлоропластов эукариотов и клеточной мембране - прокариотов. Как известно, в состав основных компонентов ЭТЦ входят железо- и магний-порфирины, содержащие сопряженные системы π-элект- ронов, что обеспечивает быстрое перераспределение энергии между молекулярными орбиталями. В ходе окислительно-восстановительных реакций, как правило, получаются окисленные формы, у которых свободны самые нижние орбитали (низшие энергетические уровни), и восстановленные формы, где электронами заняты самые верхние орбитали. Это и обеспечивает работу ферментов: окисленный компонент ЭТЦ активно присоединяет электрон, сразу попадающий на самый нижний уровень, а восстановленный легко отдает его с верхнего энергетического уровня. Данный механизм лежит в основе функционирования ЭТЦ, обеспечивающей транспорт электронов от исходного донора к конечному акцептору; в случае дыхания - от NADН и FADН к кислороду, при фотосинтезе - от воды к NADP+.
Таким образом, квантомеханические расчеты позволяют количественно определить величины энергетических уровней электронов и предвидеть в каждом конкретном случае, какие молекулы будут играть роль доноров, а какие - акцепторов электронов, что, несомненно, открывает большие перспективы в управлении физиолого-биохимическими процессами клеток, лежащими в основе их жизнедеятельности, как в норме, так и при патологии.
Расчеты квантовой биохимии имеют не только теоретическую, но и практическую значимость. Так, изучение электронного строения канцерогенных соединений позволило выяснить, что молекулы этих веществ прикрепляются к белку определенными точками (К-область), и лишь после образования соединения с белком начинается канцерогенный процесс [10, с. 117].
Квантовая биохимия, основоположником которой является Сент-Дьерди, прменяя законы и методы квантовой механики к вопросам биологии, позволяет проводить анализ основных биологических процессов на субмолекулярном уровне, т.е. на уровне электронных взаимодействий участвующих в реакциях компонентов. Новый подход явился фундаментом для биоэнергетики и позволил глубже понять механизмы поглощения, миграции и преобразования энергии в физиолого-биохимических процессах интактных клеток, прежде всего таких, как фотосинтез и дыхание.
По мнению Сент-Дьерди, законы квантовой биохимии позволили обосновать выбор живой природой трех основных органогенов - С, Н, О, которые составляют скелет всех органических соединений и играют важную роль в реакциях энергообмена. Уникальные свойства каждого из этих химических элементов обусловлены электронной структурой их атомов. Атом водорода имеет всего один легко диссоциируемый электрон и поэтому активно взаимодействует с различными по уровню энергии соединениями, участвуя в процессах аккумуляции и освобождения энергии. Именно это дало основание рассматривать водород как основное биологическое горючее. Значимость кислорода определяется тем, что он является конечным акцептором электронов (или атомов водорода) аэробов, образуя при этом систему с максимальной величиной окислительного потенциала и минимальной энергией. Углерод способен образовывать органические комплексы молекул с большим запасом атомов Н (электронов), обладающих значительным резервом внутренней энергии [7].
Кроме того, углерод, водород, кислород, а также азот, по мнению А. Ленинджера, поразительно подходят для выполнения биологических функций. Это обусловлено как минимум двумя причинами. Во-первых, они легко образуют ковалентные связи посредством спаривания электронов. Во-вторых, среди химических элементов, способных образовывать ковалентные связи, они самые легкие. Прочность ковалентной связи обратно пропорциональна атомным весам связанных с ее помощью атомов. И возможно, что живые организмы выбрали именно эти элементы из-за их способности формировать прочные ковалентные связи. Эти четыре элемента могут реагировать друг с другом, заполняя свои внешние электронные оболочки.
Непосредственное использование основных метаболитов клеток (углеводов, белков и жиров) как источников энергии для физиолого-биохимических процессов невозможно в силу того, что энергия аккумулирована в устойчивых химических связях этих соединений. Трансформация этой потенциальной энергии в метаболически активную форму осуществляется в процессе дыхания. Понимание механизмов этого процесса на электронном уровне было заложено швейцарским химиком Х.Ф. Шейнбином и русскими биохимиками А.Н. Бахом, В.И. Палладиным, а в дальнейшем подтверждено кванто-механическими расчетами. В процессе дыхания при участии дегидрогеназ происходит активация атомов Н окисляемого субстрата (отнятие и Н+). Восстановленные дегидрогеназы, коферментами которых являются NAD и FAD, сбрасывают Н ( и Н+) в ЭТЦ, локализованную во внутренней мембране митохондрий. Движение по ЭТЦ осуществляется по термодинамическому градиенту, поэтому сопровождается освобождением энергии, которая используется для синтеза основного энергетического эквивалента всех клеток - АТP. Следовательно, в процессе дыхания происходит важнейшее энергетическое преобразование: устойчивая энергия химических связей органических соединений (субстратов дыхания) трансформируется в лабильную энергию макроэргических связей АТP, которая является основной энергетической валютой всех клеток и используется на все физиолого-биохимические процессы.
Энергетические преобразования процесса дыхания также тесно связаны с преобразованием вещества. В процессе аэробного дыхания происходит поэтапное окисление (отнятие и Н+) исходных органических веществ до углекислого газа и воды. При этом образуется большое разнообразие промежуточных метаболитов, которые благодаря метаболическим вилкам могут использоваться как исходный материал для синтеза всех органических соединений клетки. Поэтому дыхание является непосредственным источником и энергетического, и пластического материала для метаболизма клеток.
Анализируя вклад современной квантовой биохимии в изучение важнейших физиологических процессов, видные физиологи растений Б.А. Рубин и В.Ф. Гавриленко отмечают, что «... физической основой процессов фотосинтеза и дыхания является перестройка электронной структуры участвующих в реакции компонентов. Электроны, образующие химическую связь между атомами углерода и водорода, в молекуле углеводов занимают иную орбиталь, чем электроны, образующие связи в молекулах воды и углекислоты. Электроны с атомом кислорода в молекуле воды обладают наименьшей энергией. При образовании связей в молекуле углеводов электроны занимают более высокий энергетический уровень, в результате чего энергетический потенциал их значительно увеличивается» [4, с. 12].
Понимание биохимических процессов на электронном уровне внесло неоценимый вклад в решение проблем биоэнергетики клетки. Опора на ее основные положения позволила расшифровать механизм преобразования энергии электрона в энергию макроэргических связей АТP (механизмы окислительного и фотосинтетического фосфорилирования). Английским биохимиком П. Митчеллом было выяснено, что в ЭТЦ хлоропластов и митохондрий компоненты, переносящие электроны, чередуются с компонентами, переносящими электроны и протоны. Такая уникальная структура позволяет преобразовывать энергию электрона в промежуточную, более долго живущую форму энергии ∆μН+ - электрохимический градиент протонов. В последующих процессах данная форма энергии при участии сопрягающего фактора (АТP-азы) используется на синтез АТP из АDP и Pi.. Основные свои идеи П. Митчелл выразил в хемиосмотической теории, за которую в 1972 г. получил Нобелевскую премию [5, с. 70-84]. По своей значимости данное открытие сопоставимо с расшифровкой структуры DNK.
Таким образом, для понимания сущности процессов фотосинтеза, дыхания и других физиолого-биохимических процессов первостепенное значение имеет прослеживание энергетических уровней электрона во всех компонентах, участвующих в этих процессах, что необходимо постоянно подчеркивать при их изучении в курсе биологии, как в вузе, так и в школе. Электронная теория вещества как фундаментальная методология позволяет выявить физико-химическую сущность физиологических процессов на элементарном уровне, понять взаимосвязь физических, химических и биологических явлений, а через них и взаимосвязь (преемственность) форм движения материи. Это вносит весомый вклад в формирование научного мировоззрения учащихся и студентов.
Указывая на огромную методологическую значимость электронной теории вещества для всех предметов естественного цикла, в том числе и для курса биологии, известный методист-физик академик РАО А.В. Усова в своей «Новой концепции естественнонаучного образования» отмечает, что «биология должна опираться на знания по физике и химии. Физика является лидером в естествознании. Ее фундаментальные понятия, законы и теории являются «работающими» в биологии и химии» [9, с. 3]. Автор научно обосновывает необходимость изменения учебного плана, в котором изучению биологии предшествовали бы курсы физики и химии. Относительно содержательной части пропедевтического курса физики в данной концепции особо подчеркивается значимость электронной теории вещества: «Дидактическими единицами опережающего курса физики являются факты, эмпирические закономерности, понятия, законы, элементы теорий (учение об атомно-молекулярном строении вещества и электронной теории)» [там же, с. 47].
Результаты многолетней экспериментальной работы авторов в общеобразовательных школах и вузах г. Челябинска и области позволяют сделать вывод о том, что благодаря интегративному подходу к изучению электронной теории, общей для физики, химии и биологии, знания учащихся и студентов становятся прочными, глубокими и системными. Огромный мировоззренческий потенциал электронной теории позволяет определить общую стратегию формирования современной естественнонаучной картины мира у учащихся и студентов при изучении естественных дисциплин.
Рецензенты:
-
Суровикина С.А., д.п.н., профессор, зав. кафедрой теории и методики обучения физике ФГБОУ ВПО «Омский государственный педагогический университет», г. Омск;
-
Якунчев М.А., д.п.н., профессор, зав. кафедрой зоологии, экологии и методики обучения биологии ФГБОУ «Мордовский государственный педагогический институт имени М.Е. Евсевьева», г. Саранск;
-
Ильмушкин Г.М., д.п.н., профессор, зав. кафедрой высшей математики Димитровградского инженерно-технологического Института - филиала Национального исследовательского ядерного университета МИФИ, г. Ульяновск.
Работа поступила в редакцию 14.03.2012.
Библиографическая ссылка
Похлебаев С.М., Елагина В.С. ИНТЕГРАТИВНАЯ ФУНКЦИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ КАК ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ МЕТОДОЛОГИИ ИЗУЧЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ ДИСЦИПЛИН В ШКОЛЕ // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 9-1. – С. 107-111;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30185 (дата обращения: 19.04.2024).