Контрольная работа по предмету "Концепции современного естествознания"

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) — это система внутриклеточных мембран, каналов, пузырьков, трубочек, пронизывающих цитоплазму, которые делят клетку на отдельные отсеки — компартменты. В ЭР для нужд самой клетки и других клеток организма синтезируются молекулы доставленного вещества. Комплекс Гольджи — характерная структура, состоящая из собранных в стопки дисковидных мембран, которые связаны друг с другом многочисленными пузырьками, отшнуровывающимися от ЭР. С помощью этих пузырьков, выполняющих транспортные функции, молекулы вещества, предназначенные для удаления из клетки и упакованные в гранулы, выводятся за пределы клетки.

Рибосома является сложной органеллой, в которой происходит синтез белка из аминокислот. Она также прикреплена к ЭР и состоит из комплекса молекулярных белков и рибонуклеиновой кислоты (РНК). Жгутики — белковые органеллы, отходящие от поверхности клетки в виде вытянутых отростков длиной 1—20 мкм. С помощью жгутика клетка перемещается в жидкой среде. Митохондрия представляет собой палочкообразную органеллу диаметром ~1 мкм и длиной около 7 мкм и имеет двойную мембрану. На внутренней мембране локализован фермент, ответственный за синтез аденозинтрифосфата (АТФ).

Митохондрии являются «микроэнергетическими  станциями» клетки: в них происходят сложные биохимические реакции, в результате которых накапливается энергия за счет расщепления углеводов, жирных кислот, аминокислот, и превращение этой энергии в АТФ. АТФ является хранилищем внутриклеточной энергии, необходимой для процессов доставки, синтеза, транспортировки и выведения молекул из клетки. Количество митохондрий в клетке — до нескольких тысяч. Лизосомы — органеллы, перерабатывающие отходы, которые возникают в ходе метаболических процессов, расщепляя их на простые продукты, которые, растворяясь, покидают клетку через плазматическую мембрану. Они и представляют собой мелкие пузырьки, ограниченные мембраной.

В структуру растительной клетки дополнительно  входят пластиды — хлоропласты, хромопласты, лейкопласты. Хлоропласт — органелла диаметром 5—10 мкм, состоящая из комплекса мембран, двойной наружной и внутренних в виде стопок дисков, содержащих компоненты фотосинтезирующего аппарата. В нем имеется хлорофилл, преобразующий внешнюю световую энергию в химическую энергию АТФ, которая расходуется на образование углерода из углекислого газа. Хромопласт содержит различные пигменты, а лейкопласты — крахмал. Все эти органеллы вместе с цитоплазмой клетки отделяются друг от друга и внешней среды плазматической мембраной — полупроницаемым молекулярным барьером, контролирующим движение молекул и ионов в клетку и из клетки.

Рассмотрим процессы, происходящие в клетке во время ее жизнедеятельности. В живой клетке должно поддерживаться постоянство состава веществ, что осуществляется контролируемым обменом веществ с помощью именно мембран, которые отделяют внутреннюю среду клетки (или внутри клетки) от внешней и являются границами клетки (или ее внутренних участков и тел в ней). Прохождение веществ через мембраны осуществляют липиды (с их водоотталкивающими свойствами) и белки, способные связывать воду, и оно реализуется через физические и биологические механизмы диффузии, транспорта и осмоса.

Диффузия — это процесс перемещения молекул или атомов из областей с большей их концентрацией (или давлением) в сторону областей с меньшей концентрацей (или давлением). Законы диффузии хорошо изучены и вполне применимы к перемещению молекул в живом организме. Особенно важна для биосистем диффузия ионов в водных растворах. Не менее важна роль диффузии в переносе кислорода воздуха через стенки альвеол легких и попадании его в кровь человека.

Диффузия молекулярных ионов через  мембраны осуществляется с помощью электрического потенциала внутри клетки. Обладая избирательной проницаемостью, мембраны играют роль «таможни» при перемещении товаров через границу: одни вещества пропускают, другие — задерживают, а третьи — вообще «выдворяют» из клетки. Роль мембран в жизни клеток очень велика. Гибнущая клетка теряет контроль над возможностью регулировать концентрацию веществ через мембрану. Первым признаком умирания клетки являются начинающиеся изменения в проницаемости и сбои в работе ее наружной мембраны.

Помимо обычного транспорта — кинетического  процесса переноса частиц вещества под  действием градиентов электрического или химического потенциала, температуры или давления — в клеточных процессах имеет место и активный транспорт — движение молекул и ионов против градиента концентрации веществ. Такой механизм диффузии назвали осмосом. Этот процесс осуществляется за счет неодинакового осмотического давления в водном растворе по разные стороны биологической мембраны. Вода часто свободно проходит путем осмоса через мембрану, но эта мембрана может быть непроницаема для веществ, растворенных в воде. Любопытно, что вода течет против диффузии этого вещества, но подчиняясь общему закону градиента концентрации воды.

Поэтому вода стремится из более  разбавленного раствора, где ее концентрация выше, в более концентрированный раствор вещества, в котором концентрация воды ниже. Не имея возможности непосредственно всасывать и откачивать воду, клетка осуществляет это с помощью осмоса, изменяя концентрацию находящихся в ней растворенных веществ. В результате осмоса выравниваются концентрации раствора по обе стороны мембраны. Активный транспорт в организме, в частности, используется в так называемом натрий-калиевом насосе, который извлекает ионы натрия из клетки и накачивает ионы калия в нее, используя для этого энергию АТФ.

Таким образом, клетка является открытой термодинамической системой, осуществляющей обмен веществом и энергией с окружающей средой, но сохраняющей определенное постоянство внутренней среды. Эти два свойства саморегулирующейся системы — открытость и постоянство — выполняются одновременно, причем за постоянство клетки отвечает обмен веществ (метаболизм). Обмен веществ является тем регулятором, который способствует сохранению системы, он обеспечивает целесообразное реагирование на воздействие окружающей среды. Поэтому необходимым условием обмена веществ является раздражимость живой системы на всех уровнях, которая выступает как фактор системности и целостности системы.

Мембраны могут менять свою проницаемость  под воздействием химических и физических факторов, в том числе в результате деполяризации мембраны при прохождении электрического импульса через систему нейронов и воздействия на нее. Нейрон — это отрезок нервного волокна. Если на одном его конце действует раздражитель, то возникает электрический импульс. Его величина около 0,01 В для мышечных клеток человека, и он распространяется со скоростью порядка 4 м/с. Когда импульс доходит до синапса — соединения нейронов, которое можно рассматривать как своеобразное реле, передающее сигнал от одного нейрона на другой, то электрический импульс преобразуется в химический в результате выделения нейромедиаторов — специфических веществ—посредников. При попадании молекулы посредника в щель между нейронами нейромедиатор путем диффузии достигает конца щели и возбуждает следующий нейрон.

Однако нейрон реагирует только в том случае, если на его поверхности имеются особые молекулы — рецепторы, которые могут связывать лишь данный медиатор и не реагировать на другой, что происходит не только на мембране, но и в любом органе, например в мышце, вызывая ее сокращение. Сигналы-импульсы через синапсы могут тормозить или усиливать передачу возбуждения, и поэтому нейроны исполняют логические функции («и», «или»), что в известной мере и послужило Н. Винеру основанием считать, что вычислительные процессы в мозге живого организма и в ЭВМ идут принципиально по одной и той же схеме. Тогда информационный подход позволяет единым образом описывать неживую и живую природу.

Процесс воздействия  сигнала на мембрану заключается  в изменении ее высокого электрического сопротивления, так как разность потенциалов на ней тоже около 0,01 В. Уменьшение сопротивления приводит к увеличению импульса электрического тока, и возбуждение передается дальше в виде нервного импульса, изменяя при этом возможность прохождения через мембрану определенных ионов. Таким образом, информация в организме может передаваться в сочетании — химическим и физическим механизмами, и это обеспечивает надежность и многообразие каналов ее передачи и переработки в живой системе.

Внутриклеточные мембраны за счет своей гибкости могут  поглощать и выделять наружу отдельные ионы, молекулы и конгломераты из многих молекул. Отдельные части мембраны образуют выступы, которые обволакивают частицы, и они оказываются внутри. Этот процесс называют эндоцитозом. При экоцитозе эти выступы «выпихивают» частицы за пределы клетки. Все вещества, попавшие в клетку, растворяются в цитоплазме через пищеварительные вакуоли и перерабатываются с помощью лизосом.

С процессами клеточного дыхания, когда в митохондриях клетки образуются молекулы АТФ, обеспечивая ее необходимой энергией, тесно связаны и процессы обычного дыхания живого организма, для которого требуется кислород, получаемый в результате фотосинтеза.

Фотосинтез — это процесс запасания солнечной энергии путем образования новых связей в молекулах синтезируемых веществ. Исходными веществами для фотосинтеза являются вода и диоксид углерода.

Биологические мембраны образуют наружную оболочку всех животных клеток и формируют многочисленные внутриклеточные органеллы.

Наиболее характерным структурным признаком является то, что мембраны всегда образуют замкнутые пространства, и такая микроструктурная организация мембран позволяет им выполнять важнейшие функции:

Барьерная функция выражается в том, что мембрана при помощи соответствующих механизмов участвует в создании концентрационных градиентов, препятствуя свободной диффузии. При этом мембрана принимает участие в механизмах электрогенеза. К ним относятся механизмы создания потенциала покоя, генерация потенциала действия, механизмы распространения биоэлектрических импульсов по однородной и неоднородной возбудимым структурам.

Регуляторная функция заключается в тонкой регуляции внутриклеточного содержимого и внутриклеточных реакций за счет рецепции внеклеточных биологически активных веществ, что приводит к изменению активности ферментных систем мембраны и запуску механизмов вторичных "мессенджеров" ("посредники").

Контактная функция клеточной мембраны заключается в организации зон специфического или неспецифического контакта между клетками с образованием тканевой структуры. При этом в области контакта возможен обмен ионами, медиаторами, макромолекулами между клетками, или передача электрических сигналов.

Преобразование внешних стимулов неэлектрической природы в электрические сигналы (в рецепторах).

Высвобождение нейромедиаторов в  синаптических окончаниях.

Методом электронной микроскопии  была определена толщина клеточных мембран (6-12 нм). Химический анализ показал, что мембраны в основном состоят из липидов и белков, количество которых неодинаково у разных типов клеток. Сложность изучения молекулярных механизмов функционирования клеточных мембран обусловлена тем, что при выделении и очистке клеточных мембран нарушается их нормальное функционирование. В настоящее время предложено несколько моделей клеточной мембраны, среди которых наибольшее распространение получила жидкостномозаичная модель Сингера и Николсона.

Согласно этой модели, мембрана представлена бислоем фосфолипид-ных молекул, ориентированных таким образом, что гидрофобные концы молекул находятся внутри бислоя, а гидрофильные направлены в водную фазу (рис.4). Такая структура идеально подходит для образования раздела двух фаз: вне- и внутриклеточной.

В фосфолипидном бислое интегрированы  глобулярные белки, полярные участки которых образуют гидрофильную поверхность в водной фазе. Эти интегрированные белки выполняют различные функции, в том числе рецепторную, ферментативную, образуют ионные каналы, являются мембранными насосами и переносчиками ионов и молекул.

Некоторые белковые молекулы свободно диффундируют в плоскости липидного слоя; в обычном состоянии части белковых молекул, выходящие по разные стороны клеточной мембраны, не изменяют своего положения. Здесь описана только общая схема строения клеточной мембраны, и для других типов клеточных мембран возможны значительные различия: в частности, для мембран митохондрий и зрительных рецепторов липидный слой заменяется регулярно расположенными субъединицами. В качестве этих субъединиц для митохондриальной мембраны выступают комплексы ферментов, для мембраны зрительных рецепторов - молекулы зрительных пигментов.

Рис. 4. Трехмерная жидкостно-мозаичная модель клеточной мембраны (по Син-геру-Николсону).

А - фосфолипидный бислой, в который  погружены белки; Б - различные моменты движения Na+ через клеточную мембрану.

Возбудимые клетки связаны между  собой зонами специфических и  неспецифических контактов. Зоны неспецифического контакта представлены неизмененными участками прилежащих друг другу клеточных мембран соседних клеток, между которыми находится межклеточная жидкость. Зоны специфического контакта в возбудимых тканях в основном представлены щелевыми, плотными контактами и десмосомами. Щелевые контакты являются областью межклеточного обмена ионами и малыми молекулами с мол. массой до 500. Функция щелевых контактов нарушается при повышении внутриклеточной концентрации Са2+ и Н+. Щелевые и плотные контакты также ответственны за передачу возбуждения между клетками. Десмосомы обеспечивают механическую связь между клетками.

Вопрос 38. Экспериментальный  анализ – основа современной науки

С самого момента возникновения  философии человек размышляет о  возможностях и границах познания. Философские размышления велись главным образом либо в русле эмпиризма, пренебрегающего ролью творческого мышления и развитием понятийного аппарата, либо в русле рационализма, который не учитывал практики как критерия истины, как основы, отправной точки и цели познания. В результате успехов естественных наук многим эмпирикам стало казаться, что исследовательская работа в этой области нуждается лишь в прагматическом оправдании, а не в философском обосновании. Ф. Энгельс показал, однако, что “самая плоская эмпирия, презирающая всякую теорию и относящаяся с недоверием ко всякому мышлению”, - это самый верный путь от естествознания к мистицизму.