МОНТАЖ (франц. montage - подъём установка, сборка, от monter - поднимать), сборка и установка сооружений конструкций, технологического оборудования агрегатов, машин (см. Сборка машин, аппаратов, приборов и др. устройств и готовых частей и элементов.
МОНТАЖ в строительстве - основной производственный процесс, выполняемый при возведении зданий и сооружений или и реконструкции, в результате которого устанавливают в проектное положение строительные конструкции, инженерное технологическое оборудование и др. МОНТАЖ технологического оборудования включает также присоединение его к источникам энергоснабжения системам очистки и удаления отходов оснащение приборами, средствами автоматизации и контроля.
СТРОИТЕЛЬНО-МОНТАЖНЫЕ ОРГАНИЗАЦИИ в СССР, организационно обособленные производственно-хозяйственные единицы, основным видом деятельности которых является строительство новых, реконструкция, капитальный ремонт и расширение действующих объектов (предприятий, их отдельных очередей, пусковых комплексов, зданий, сооружений), а также монтаж оборудовани я. К государственным СТРОИТЕЛЬНО-МОНТАЖНЫМ ОРГАНИЗАЦИЯМ относятся строительные и монтажные тресты (тресты-площадки, тресты гор. типа, территориальные, союзные специализированные тресты); домостроительные, заводостроительные и сельские строительные комбинаты; строительные, (монтажные) управления и приравненные к ним организации (напр., передвижные механизированные колонны, строительно-монтажные поезда и др.).
ПРОЕКТИРОВАНИЕ (от лат. projectus, буквально - брошенный вперёд), процесс создания проекта - прототипа, прообраза предполагаемого или возможного объекта, состояния. Различают этапы и стадии ПРОЕКТИРОВАНИЯ, характеризующиеся определённой спецификой. Предметная область ПРОЕКТИРОВАНИЯ постоянно расширяется. Наряду с традиционными видами ПРОЕКТИРОВАНИЯ (архитектурно-строительным, машиностроительным, технологическим и др.) начали складываться самостоятельные направления ПРОЕКТИРОВАНИЯ человеко-машинных систем (решающих, познающих, эвристических, прогнозирующих, планирующих, управляющих и т. п.) (см. Система "человек и машина"), трудовых процессов, организаций, экологическое, социальное, инженерно-психологич., генетическое ПРОЕКТИРОВАНИЕ и др. Наряду с дифференциацией ПРОЕКТИРОВАНИЯ идёт процесс его интеграции на основе выявления общих закономерностей и методов проектной деятельности.
ПРОМСТРОЙПРОЕКТ, проектный институт в ведении Госстроя СССР. Находится в Москве. Организован в 1933. В составе института архитектурно-строительные и конструкторские отделы; ПРОМСТРОЙПРОЕКТ возглавляет объединение "Союзхимстройниипроект" с проектными институтами в Киеве, Ростове-на-Дону, Тольятти, Алма-Ате. Разрабатывает проекты (архитектурно-строительные и сан.-технич. части) производственных зданий и сооружений крупнейших промышленных предприятий автомобильной, машиностроит., металлургич., химич. и др. отраслей пром-сти; схемы генеральных планов пром. узлов и упорядочения существующих пром. районов; мероприятия по повышению уровня индустриализации строительтсва за счёт унификации и типизации зданий, сооружений и конструкций и внедрения эффективных строит. материалов; нормативные документы и методич. указания по проектированию пром. зданий и сооружений. Периодически публикует реферативную информацию "Строительное проектирование промышленных предприятий". Награждён орденом Трудового Красного Знамени (1958)
| нутренних электронов и внешних валентных электронов, образующих хим. связи (см.Валентность). Внутр. электроны атомов обычно не участвуют в образовании хим. связей. Состав и строение молекул данного вещества не зависят от способа его получения. В случае одноатомных молекул (напр., инертных газов) понятия М. и атома совпадают.
Впервые понятие о М. было введено в химии в связи с необходимостью отличать М. как наименьшее количество вещества, вступающее в хим. реакции, от атома как наименьшего количества данного элемента, входящего в состав М. (Междунар. конгресс в Карлсруэ, I860). Осн. закономерности строения М. были установлены в результате исследования хим. реакций, анализа и синтеза хим. соединений, а также благодаря применению ряда физ. методов.
Атомы объединяются в М. в большинстве случаев хим. связями. Как правило, такая связь создаётся одной, двумя или тремя парами электронов, к-рыми владеют сообща два атома. М. может содержать положительно и отрицательно заряженные атомы, т. е. ионы; в этом случае реализуются электростатич. взаимодействия. Помимо указанных, в М. существуют и более слабые взаимодействия между атомами. Между валентно не связанными атомами действуют силы отталкивания.
Состав М. выражают формулами химическими. Эмпирич. формула (напр., С2Н6О для этилового спирта) устанавливается на основании атомного соотношения содержащихся в веществе элементов, определяемого хим. анализом, и молекулярной массы.
Развитие учения о структуре молекул неразрывно связано с успехами прежде всего органич. химии. Теория строения органич. соединений, созданная в 60-х гг. 19 в. трудами A.M.. Бутлерова, Ф. А. Ке-куле, А. С. Купера и др., позволила представить строение молекул структурными формулами или формулами строения, выражающими последовательность валентных хим. связей в М. При одной и той же эмпирич. формуле могут существовать М. разного строения, обладающие различными свойствами (явление изомерии). Таковы, напр., этиловый спирт С2Н5ОН и диметиловый эфир (СН3)2О. Структурные формулы этих соединений разнятся:
[1633-1.jpg]
В нек-рых случаях изомерные М. быстро превращаются одна в другую и между ними устанавливается динамич. равновесие (см. Таутомерия). В дальнейшем Я. X. Вант-Гофф и независимо франц. химик А. Ж. Ле Бель пришли к пониманию пространственного расположения атомов в молекуле и к объяснению явления стереоизомерии. А. Вернер (1893) распространил общие идеи теории строения на неорганич. комплексные соединения. К нач. 20 в. химия располагала подробной теорией строения М., исходящей из изучения только их хим. свойств. Замечательно, что прямые физ. методы исследования, развитые позднее, в подавляющем большинстве случаев полностью подтвердили структурные формулы химии, установленные путём исследования макроскопич. количеств вещества, а не отдельных М.
В физике понятие о М. оказалось необходимым для объяснения свойств газов, жидкостей и твёрдых тел. Прямое экспериментальное доказательство существования М. впервые было получено при изучении броуновского движения (франц. физик Ж. Перрен, 1906).
В твёрдом теле М. могут сохранять или не сохранять свою индивидуальность. Так, большинство М. органич. соединений образует молекулярные кристаллы, в узлах решёток к-рых находятся М., связанные одна с другой относительно слабыми силами межмолекулярного взаимодействия. Напротив, в ионных (напр., в случае NaCl) и атомных (алмаз) кристаллах нет отдельных М. и весь кристалл подобен одной М. (см. Кристаллохимия). Структура М. может изменяться при переходе от кристалла к газу. Так, N2Os в газе состоит из единых М.,
в кристалле - из ионов NO2 и NOa ; газообразный РСl - из М. с конфигурацией тригональной бипирамиды, твёрдый - из октаэдрического иона РС16-и тетраэдрического иона PCl4+.
Строение молекул. Геометрическая структура М. определяется равновесным расположением атомных ядер. Энергия взаимодействия атомов зависит от расстояния между ядрами. На очень больших расстояниях эта энергия равна нулю; если при сближении атомов образуется хим. связь, то атомы сильно притягиваются друг к другу (слабое притяжение наблюдается и без образования хим. связи); при дальнейшем сближении атомов действуют электростатич. силы отталкивания атомных ядер; препятствием к силь-. ному сближению атомов является также невозможность совмещения их внутренних электронных оболочек. На рис. 1 показана зависимость потенциальной энергии двухатомной М. от межъядерного расстояния r. Эта энергия минимальна при равновесном расстоянии rа, стремится к нулю при r стремится к бесконечности и возрастает до бесконеч. при r стремящ. к 0. Разность энергий при r0 = r0 и r стремящ. к бесконеч. характеризует энергию связи, энергию диссоциации D (см. табл.). Равновесные расстояния r0 в двухатомных и многоатомных М. и, следовательно, расположение атомных ядер в М. определяются методами спектроскопии, рентгеновского структурного анализа и электронографии, а также нейтронографии, позволяющими получить сведения и о распределении электронов (электронной плотности) в М. Рентгено-графич. изучение молекулярных кристаллов даёт возможность установить гео-метрич. строение очень сложных М., вплоть до М. белков. Косвенную, но весьма детальную информацию о строении сложных М. получают различными спектроскопич. методами, в особенности с помощью спектров ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Геометрия простых М., содержащих малое число атомов, также эффективно исследуется методами спектроскопии. Расстояния (в А)
Рис. 1. Зависимость потенциальной энергии U двухатомной молекулы (или отдельной химической связи) от межатомного расстояния г (га - равновесное расстояние, D - энергия диссоциации, О, 1, 2,...- уровни энергии колебаний).
Равновесные межъядерные расстояния г о и энергии диссоциации D (при 25 °С) некоторых двухатомных молекул
Молекула
r0,A
D, кдж/молъ (ккал/молъ)
Молекула
r0, A
D, кдж/молъ (ккал/моль)
Н2
Li2
N2
О2
F2
Na2
Cl
0,74
2,67
1,09
1,21
1,48
3,08
1,99
426,5 (104,18) 104,7 (25)
94,3 (22,5)
495,7 (118,3) 155(37)
78,5 (17,3)
242,6 (57,9)
Br2
I2
LiH
NaH
HF
НС1
HI
2,14
2,67
1,59
1,89
0,92
1,27
1,60
192,7 (46)
147,1 (35,1) 243(58)
196,9 (47)
565,6 (135) 431,6(103)
264 (63)
между 2 данными валентно связанными атомами приблизительно постоянны в М. различных соединений, они уменьшают-ся с увеличением кратности связи:
[1633-2.jpg]
можно приписать каждому атому в данном валентном состоянии в М.определён-ный атомный, или ковалентный, радиус в случае ионной связи - ионный радиус, см. Атомные радиусы, Ионные радиусы), характеризующий размеры электронной оболочки атома (иона), образующего хим. связь в М. Представление о фиблизительном постоянстве этих радиусов оказывается полезным при оценке межатомных расстояний и, следовательно, при расшифровке структуры М. Длина связи представляет собой сумму соответствующих атомных радиусов.
Размер М. как целого, т. е. размер её электронной оболочки, есть величина до нек-рой степени условная - имеется отличная от нуля, хотя и весьма малая, вероятность найти электроны М. и на большом расстоянии от её атомлых ядер. практически размеры М. определяются равновесным расстоянием, на к-рое они могут быть сближены при плотной упаковке М. в молекулярном кристалле и в жидкости. На больших расстояниях М. притягиваются одна к другой, на меньших - отталкиваются. Размеры М. поэтому можно найти с помощью рентгеноструктурного анализа молекулярных кристаллов, порядок величины этих размеров может быть определён из коэффициентов диффузии, теплопроводности и вязкости газов и из плотности вещества в конденсированном состоянии. Расстояние, на к-рое могут сблизиться валентно нe связанные атомы, принадлежащие од-ной и той же М. или различным М., мо-жет быть охарактеризовано средними значениями т. н. ван-дер-ваальсовых радиусов (в А ):
[1633-3.jpg]
Ван-дер-ваальсовы радиусы существенно превышают ковалентные. Зная вели-чины ван-дер-ваальсовых, ковалентных, атакже ионных радиусов, можно постро-ить наглядные модели М., отражающие форму и размеры их электронных оболо-чек (рис. 2).
Рис. 2. Модели структур некоторых простых молекул (радиусы сфер - вандер-ваальсовы).
Ковалентные хим. связи в М. расположены под определёнными углами, зависящими от состояния гибридизации атом-ных орбиталей (см. Валентность). Так, для М. насыщенных органич. соединений характерно тетраэдрич. расположение связей, образуемых атомом углерода; для М. с двойной связью (С = С) - плоское расположение связей атомов углерода; в М. соединений с тройной связью (С = С)-линейное расположение связей:
[1633-4.jpg]
Таким образом, многоатомная М. обладает определённой конфигурацией в пространстве, т. е. определённой геометрией расположения связей, к-рая не может быть изменена без их разрыва. М. характеризуется той или иной симметрией расположения атомов. Если М. не имеет плоскости и центра симметрии, то она может существовать в двух конфигурациях, представляющих зеркальные отражения одна другой (зеркальные антиподы, или стереоизомеры, см. Изомерия). Все важнейшие биологически функциональные вещества в живой природе фигурируют в форме одного определённого стереоизомера.
М., содержащие единичные связи, или сигма-связи, могут существовать в различных конформациях, возникающих при поворотах атомных групп вокруг единичных связей. Важные особенности макромолекул синтетич. и биологич. полимеров определяются именно их кон-формационными свойствами.
Взаимодействие атомов в молекуле. Природа хим. связей в М. оставалась загадочной вплоть до создания квантовой механики - классич. физика не могла объяснить насыщаемость и направленность валентных связей. Основы теории хим. связи были созданы В. Гейтлером и нем. учёным Ф. Лондоном в 1927 на примере простейшей молекулы Н2. В дальнейшем теория и методы расчёта были значительно усовершенствованы, в частности на основе широкого применения молекулярных орбиталей метода, и квантовая химия позволяет вычислять межатомные расстояния, энергии М., энергии хим. связей и распределение электронной плотности для сложных М.; при этом расчётные данные хорошо согласуются с экспериментальными.
Хим. связи в М. подавляющего числа органич. соединений являются кова-лентными. Напротив, в ряде неорганич. соединений существуют ионные, а также донорно-акцепторные связи (см. Химическая связь), реализуемые в результате обобществления неподелённой пары электронов данного атома. Энергия образования М. из атомов во мн. рядах сходных соединений приближённо аддитивна. Иными словами, в этих случаях можно считать, что энергия М. есть сумма энергий её связей, имеющих постоянные значения в рассматриваемом ряду. Отсюда следует практич. возможность приписать хим. связям приближённо автономные электронные оболочки.
Аддитивность энергии М. выполняется не всегда. Яркий пример нарушения аддитивности представляют плоские М. органич. соединений с т. н. сопряжёнными связями, т. е. с кратными связями, чередующимися с единичными. В этих случаях валентные электроны, определяющие кратность связей, т. н. я-электроны, становятся общими для всей системы сопряжённых связей, делокализованными. Такая делокализация электронов приводит к дополнительной стабилизации М. Напр., энергия образования М. 1,3-бутадиена Н2С = СН - СН = СН2 больше ожидаемой по аддитивности на 16,8 кдж/молъ (на 4 ккал/моль). Выравнивание электронной плотности вследствие обобществления л-электронов по связям выражается в удлинении двойных связей и укорочении единичных. В правильном шестиугольнике межуглеродных связей бензола (см. формулу) все связи одинаковы и имеют длину, промежуточную между длиной единичной и двойной связи. Сопряжение связей ярко проявляется в молекулярных спектрах (см. ниже).
Совр. квантовомеханич. теория хим. связи учитывает частичную делокали-зацию не только я-, но и а-электронов, наблюдающуюся в любых молекулах. Вообще говоря, это не нарушает аддитивности энергий молекул.
В подавляющем большинстве случаев суммарный спин валентных электронов в М. равен нулю, т. е. спины электронов попарно насыщены. М., содержащие неспаренные электроны - радикалы свободные (напр., атомный водород Н', метил СН'з), обычно неустойчивы, т. к. при их соединении друг с другом происходит значит, понижение энергии вследствие образования валентных связей. Наиболее эффективным методом изучения строения свободных радикалов является электронный парамагнитный резонанс (ЭПР).
Электрические и оптические свойства молекул. Поведение вещества в электрич. поле определяется основными электрич. характеристиками М.- постоянным ди-польным моментом и поляризуемостью. Дипольный момент означает несовпадение центров тяжести положит, и от-рицат. зарядов в М., т. е. электрич. асимметрию М. Соответственно М., имеющие центр симметрии, напр. Н2, лишены постоянного дипольного момента; напротив, в НС1 электроны смещены к атому С1 и дипольный момент равен 1,03 D (1,03-10-18 ед. СГС). Поляризуемостью характеризуется способность электронной оболочки любой М. смещаться под действием электрич. поля, в результате чего в М. создаётся индуцированный дипольный момент. Значения дипольного момента и поляризуемости находят экспериментально с помощью измерений диэлектрической проницаемости. В случае аддитивности свойств М. дипольный момент М. может быть представлен суммой дипольных моментов связей (с учётом их направления), то же относится к поляризуемости М.
Оптич. свойства вещества характеризуют его поведение в переменном электрич. поле световой волны - тем самым они определяются поляризуемостью М. вещества. С поляризуемостью непосредственно связаны преломление и рассеяние света, оптическая активность и др. явления, изучаемые молекулярной оптикой - разделом физич. оптики, посвящённым изучению оптич. свойств вещества.
Магнитные свойства молекул. М. и макромолекулы подавляющего большинства хим. соединений диамагнитны (см. Диамагнетизм). Магнитная восприимчи-
[1633-5.jpg]
вость М. (х) в ряде органич. соединений может быть выражена как сумма значений х Для отдельных связей; однако аддитивность х выполняется хуже, чем аддитивность поляризуемостей а. И х, и а определяются свойствами внешних электронов М.; эти две величины связаны одна с другой.
Парамагнитны М., обладающие постоянным магнитным моментом (см. Парамагнетизм). Таковы М. с нечётным числом электронов во внешней оболочке (напр., NO и любые свободные радикалы), М., содержащие атомы с незамкнутыми (незаполненными) внутр. оболочками (переходные металлы и др.). Магнитная восприимчивость парамагнитных веществ зависит от темп-ры, т. к. тепловое движение препятствует ориентации магнитных моментов в магнитном поле. Строение парамагнитных М. эффективно изучается методом ЭПР.
Атомные ядра элементов, у к-рых атомный номер или массовое число нечётны, обладают ядерным спиновым парамагнетизмом. Для таких ядер характерен ядерный магнитный резонанс (ЯМР), спектр к-рого зависит от электронного окружения ядер в М. Поэтому спектры ЯМР служат источником очень подробной информации о строении М., в т. ч. и весьма сложных, напр, белков (см. также Ядерный квадруполъный резонанс, Магнетизм, Магнетохимия).
Спектры и строение молекул. Элект-рич., оптич., магнитные и др. свойства М. в конечном счёте связаны с волновыми функциями и энергиями различных состояний М.; через них выражаются и электрич. дипольный момент, и магнитный момент, и поляризуемость, и магнитная восприимчивость. Прямую информацию о состояниях М. и вероятностях перехода между ними дают молекулярные спектры.
Частоты в спектрах, соответствующих вращат. переходам, зависят от моментов инерции М., определение к-рых из спект-роскопич. данных позволяет получить наиболее точные значения межатомных расстояний в М.
Общее число линий или полос в колебательном спектре М. зависит от её симметрии. Частоты колебаний, наблюдаемые в спектрах, определяются, с одной стороны, массами атомов и их расположением, с другой - динамикой межатомных взаимодействий. Теория колебаний многоатомных М. соответственно опирается на теорию хим. строения и классическую механику связанных колебаний. Исследование колебательных спектров позволяет сделать ряд выводов о строении М., о межатомных и межмолекулярных взаимодействиях, изучать явления таутомерии, поворотной изомерии.
Электронные переходы в М. характеризуют структуру их электронных оболочек, состояние хим. связей. Спектры М., обладающих большим числом сопряжённых связей, характеризуются длинноволновыми полосами поглощения, попадающими в видимую область. Вещества, построенные из таких М., обладают цветностью, к ним относятся все органич. красители. Изучение электронно-колебательных спектров М. необходимо для понимания естественной и магнитной оптич. активности.
Молекулы в химии, физике и биологии. Понятие о М.- основное для химии, и большей частью сведений о строении и функциональности М. наука обязана хим. исследованиям. При хим. реакции происходит превращение одних М. в другие. Для такого превращения обычно необходима нек-рая избыточная энергия М.-энергия активации (см. Кинетика химическая). В акте хим. взаимодействия М. проходят через конфигурацию т. н. активированного комплекса, или переходного состояния М. Характер и скорость хим. реакции определяются этим состоянием, в свою очередь зависящим от строения взаимодействующих М. Химия решает две главные задачи, относящиеся к М.,-устанавливает строение М. на основании хим. реакций и, наоборот, на основе строения М. определяет ход реакций. Широкая совокупность важнейших проблем совр. химии, в т. ч. и нерешённых, сводится к теории хим. реакционной способности. Исследование этих проблем требует применения как теоретич. методов квантовой химии, так и экспериментальных данных, получаемых хим. и физ. методами. Физ. явления, определяемые строением и свойствами М., изучаются молекулярной физикой. Термодинамич. свойства любого вещества, построенного из М., в конечном счёте выражаются через значения энергий всех возможных состояний М., находимых из спектроскопич. данных. Строение М. и межмолекулярные взаимодействия ответственны за равновесные свойства вещества. То же относится к неравновесным, кинетич., свойствам. Установление равновесия требует нек-рого времени - времени релаксации. При быстрых изменениях состояния вещества равновесие может не успеть установиться. Эти явления наблюдаются, напр., при прохождении ультразвука через вещество и сказываются на поглощении и дисперсии звуковых волн (см. Молекулярная акустика). Равновесие устанавливается в результате взаимодействия М. при их соударениях в газе и жидкости, в результате поглощения и излучения света и т. д. Время релаксации М. в конденсированной среде существенно зависит от темп-ры, с ростом к-рой увеличивается подвижность М. В ряде случаев М. в жидкости практически утрачивают свою подвижность ещё до кристаллизации: происходит стеклование вещества. Подвижностью М. определяются способность веществ к диффузии, их вязкость, теплопроводность и т. д. Непосредств. изучение подвижности М., определение времён релаксации проводятся методами поглощения и дисперсии электромагнитных волн, ЯМР, ЭПР и др. способами.
Равновесные и кинетич. свойства больших цепных М., образующих полимеры (см. Макромолекула), специфичны. Особенности поведения макромолекул определяются прежде всего их гибкостью -способностью находиться в большом числе различных конформаций, возникающих в результате поворотов вокруг единичных связей.
Развитие биологии, химии и молекулярной физики привело к построению молекулярной биологии, исследующей осн. явления жизни, исходя из строения и свойств биологически функциональных М. Организм существует на основе тонко сбалансированных химических и нехимических взаимодействий между М. Таким образом, изучение строения и свойств М. имеет фундаментальное значение для естествознания в целом.
Лит.: С ы р к и н Я. К., Д я т к и н а М. Е., Химическая связь и строение молекул, М.-Л., 1946; Паулин г Л., Природа химической связи, пер. с англ. М.-Л., 1947; Волькенштейн М. В. Строение и физические свойства молекул М.- Л., 1955; е г о же, Молекулы и жизнь М., 1965; его же, Перекрёстки науки, М. 1972; Кондратьев В. Н., Структура атомов и молекул, 2 изд., М., 1959; К о з м а н У., Введение в квантовую химию, пер. с англ., М., 1960; С л э т е р Дж., Электронная структура молекул, пер. с англ., М., 1965.
М. В. Волъкенштейн.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ АКУСТИКА, раздел физической акустики, в к-ром свойства вещества и кинетика молекулярных процессов исследуются акустич. методами. Осн. методами М. а. являются измерение скорости звука и поглощения звука и зависимостей этих величин от разных физ. параметров: частоты звуковой волны, темп-ры, давления и др. Методами М. а. можно исследовать газы, жидкости, полимеры, твёрдые тела, плазму. Развитие М. а. как самостоят, раздела началось в 30-е годы 20 в., когда было установлено, что во многих веществах при распространении в них звуковых волн имеет место дисперсия скорости звука (см. Дисперсия звука), а поглощение звука не описывается классич. законом, по к-рому коэфф. поглощения пропорционален квадрату частоты. Эти аномалии были объяснены на основании изучения релаксационных процессов (см. Релаксация), что позволило связать нек-рые свойства вещества на молекулярном уровне, а также ряд кинетич. характеристик молекулярных процессов с такими макроскопич. величинами, как скорость и поглощение звука.
По скорости звука можно определить такие характеристики вещества, как сжимаемость, отношение теплоёмкостей, упругие свойства твёрдого тела и др., а по поглощению звука - значения сдвиговой и объёмной вязкости, время релаксации и др. В газах, измеряя скорость звука и её зависимость от темп-ры, определяют параметры, характеризующие взаимодействие молекул газа при столкновениях. В жидкости, вычисляя скорость звука на основании той или иной модели жидкости и сравнивая результаты расчёта с опытными данными, в ряде случаев можно оценить правдоподобность используемой модели и определить энергию взаимодействия молекул. На скорость звука влияют особенности молекулярной структуры, силы межмолекулярного взаимодействия и плотность упаковки молекул. Так, напр., увеличение плотности упаковки молекул, появление водородных связей, полимеризация приводят к увеличению скорости звука, а введение в молекулу тяжёлых атомов -к её уменьшению.
При наличии релаксац. процессов энергия постулат, движения молекул, к-рую они получают в звуковой волне, перераспределяется на внутр. степени свободы. При этом появляется дисперсия скорости звука, а зависимость произведения коэфф. поглощения на длину волны от частоты имеет максимум на нек-рой частоте, наз. частотой релаксации. Величина дисперсии скорости звука и величина коэфф. поглощения зависят от того, какие именно степени свободы возбуждаются под действием звуковой волны, а частота релаксации, равная обратному значению времени релаксации, связана со скоростью обмена энергией между различными степенями свободы. Т. о., измеряя скорость звука и поглощение в зависимости от частоты и определяя время релаксации, можно судить о характере молекулярных процессов и о том, какой из этих процессов вносит осн. вклад в релаксацию. Этими методами можно исследовать возбуждение колебат. и вращат. степеней свободы молекул в газах и жидкостях, процессы столкновения молекул в смесях различных газов, установление равновесия при химич. реакциях, перестройку молекулярной структуры в жидкостях, процессы сдвиговой релаксации в очень вязких жидкостях и полимерах, различные процессы взаимодействия звука с элементарными возбуждениями в твёрдых телах и др.
Анализ акустич. данных для жидкостей обычно проводить труднее, чем для газов, поскольку область релаксации здесь, как правило, лежит в диапазоне более высоких частот, требующем более сложных измерений. В очень вязких жидкостях, полимерах и нек-рых др. веществах в поглощение и дисперсию может давать вклад целый набор релаксац. процессов с широким спектром времён релаксации. Поскольку время релаксации зависит от темп-ры и давления, меняя эти параметры, можно сдвигать по частоте область релаксации. Так, напр., в газе повышение давления газа эквивалентно уменьшению частоты. Это бывает удобно использовать при измерении скорости и поглощения звука, если частота релаксации при нормальных условиях оказывается в том диапазоне частот, к-рый с трудом поддаётся экспериментальному исследованию. Изучение температурных зависимостей скорости и поглощения звука позволяет разделить вклад различных релаксац. процессов.
В М. а. для исследований обычно применяется ультразвук: в газах - в диапазоне частот 104-105гц, а в жидкостях и твёрдых телах - в диапазоне 105-108гц. Это связано как с высоким развитием техники излучения и приёма ультразвука и с большой точностью измерений в этом диапазоне частот, так и с тем, что работа на более низких частотах потребовала бы очень больших объёмов исследуемого вещества, а на более высоких частотах поглощение звука становится столь большим, что многие акустич. методы оказываются неприменимыми.
Лит.: Михайлов И. Г., Соловьев В. А., Сырников Ю. П., Основы молекулярной акустики, М., 1964; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 2, ч. А, М., 1968, т. 4, ч. А и Б, М., 1970; Бергман Л., Ультразвук и его применение в науке и технике, пер. с нем., М., 1956; Herzf e Id К. F., Litovitz Т. A., Absorption and dispersion of ultrasonic waves, N. Y.- L., 1959. А.Л.Полякова.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, наука, ставящая своей задачей познание природы явлений жизнедеятельности путём изучения биол. объектов и систем на уровне, приближающемся к молекулярному, а в ряде случаев и достигающем этого предела. Конечной целью при этом является выяснение того, каким образом и в какой мере характерные проявления жизни, такие, как наследственность, воспроизведение себе подобного, биосинтез белков, возбудимость, рост и развитие, хранение и передача информации, превращения энергии, подвижность и т. д., обусловлены структурой, свойствами и взаимодействием молекул биологически важных веществ, в первую очередь двух главных классов высокомолекулярных биополимеров - белков и нуклеиновых к-т. Отличит, черта М. б. - изучение явлений жизни на неживых объектах или таких, к-рым присущи самые примитивные проявления жизни. Таковыми являются биол. образования от клеточного уровня и ниже: субклеточные орга-неллы, такие, как изолированные клеточные ядра, митохондрии, рибосомы, хромосомы, клеточные мембраны; далее - системы, стоящие на границе живой и неживой природы, - вирусы, в т. ч. и бактериофаги, и кончая молекулами важнейших компонентов живой материи - нуклеиновых кислот и белков.
М. б.- новая область естествознания, тесно связанная с давно сложившимися направлениями исследований, которые охватываются биохимией, биофизикой и биоорганической химией. Разграничение здесь возможно лишь на основе учёта применяемых методов и по принципиальному характеру используемых подходов.
Фундамент, на к-ром развивалась М. б., закладывался такими науками, как генетика, биохимия, физиология элементарных процессов и т. д. По истокам своего развития М. б. неразрывно связана с молекулярной генетикой, к-рая продолжает составлять важную часть М. б., хотя и сформировалась уже в значит, мере в самостоят, дисциплину. Вычленение М. б. из биохимии продиктовано след, соображениями. Задачи биохимии в основном ограничиваются констатацией участия тех или иных химич. веществ при определённых биологич. функциях и процессах и выяснением характера их превращений; ведущее значение принадлежит сведениям о реакционной способности и об осн. чертах химич. строения, выражаемого обычной химич. формулой. Т. о., по существу, внимание сосредоточено на превращениях, затрагивающих главновалентные химич. связи. Между тем, как было подчёркнуто Л. Полингом, в биологич. системах и проявлениях жизнедеятельности осн. значение должно быть отведено не главно-валентным связям, действующим в пределах одной молекулы, а разнообразным типам связей, обусловливающих межмолекулярные взаимодействия (электростатическим, ван-дер-ваальсовым, водородным связям и др.).
Конечный результат биохим. исследования может быть представлен в виде той или иной системы химич. уравнений, обычно полностью исчерпываемой их изображением на плоскости, т. е. в двух измерениях. Отличит, чертой М. б. является её трёхмерность. Сущность М. б. усматривается М. Перуцем в том, чтобы истолковать биологические функции в понятиях молекулярной структуры. Можно сказать, что если прежде при изучении биологич. объектов необходимо было ответить на вопрос "что", т. е. какие вещества присутствуют, и на вопрос "где"-в каких тканях и органах, то М. б. ставит своей задачей получить ответы на вопрос "как", познав сущность роли и участия всей структуры молекулы, и на вопросы "почему" и "зачем", выяснив, с одной стороны, связи между свойствами молекулы (опять-таки в первую очередь белков и нуклеиновых к-т) и осуществляемыми ею функциями и, с другой стороны, роль таких отд. функций в общем комплексе проявлений жизнедеятельности.
Решающую роль приобретают взаимное расположение атомов и их группировок в общей структуре макромолекулы, их пространственные взаимоотношения. Это касается как отдельных, индивидуальных, компонентов, так и общей конфигурации молекулы в целом. Именно в результате возникновения строго детерминированной объёмной структуры молекулы биополимеров приобретают те свойства, в силу к-рых они оказываются способными служить материальной основой биологич. функций. Такой принцип подхода к изучению живого составляет наиболее характерную, типическую черту М. б.
Историческая справка. Огромное значение исследований биологич. проблем на молекулярном уровне предвидел И. П. Павлов, говоривший о последней ступени в науке о жизни - физиологии живой молекулы. Самый термин "М. б." был впервые употреблён англ, учёным У. Аст-бери в приложении к исследованиям, касавшимся выяснения зависимостей между молекулярной структурой и фи-зич. и биологич. свойствами фибрилляр-ных (волокнистых) белков, таких, как коллаген, фибрин крови или сократительные белки мышц. Широко применять термин "М. б." стали с нач. 50-х гг. 20 в.
Возникновение М. б. как сформировавшейся науки принято относить к 1953, когда Дж. Уотсоном и Ф. Криком в Кембридже (Великобритания) была раскрыта трёхмерная структура дезоксирибонук-леиновой кислоты (ДНК). Это позволило говорить о том, каким образом детали данной структуры определяют биологич. функции ДНК в качестве материального носителя наследственной информации. В принципе, об этой роли ДНК стало известно неск. раньше (1944) в результате работ амер. генетика О. Т. Эйвери с сотрудниками (см. Молекулярная генетика), но не было известно, в какой мере данная функция зависит от молекулярного строения ДНК. Это стало возможным лишь после того, как в лабораториях У. Л. Брэгга, Дж. Бернала и др. были разработаны новые принципы рентгеноструктурного анализа, обеспечившие применение этого метода для детального познания пространств, строения макромолекул белков и нуклеиновых кислот.
Уровни молекулярной организации. В 1957 Дж. Кендрю установил трёхмерную структуру миоглобина, а в последующие годы это было сделано М. Перуцем в отношении гемоглобина. Были сформулированы представления о различных уровнях пространств, организации макромолекул. Первичная структура - это последовательность отд. звеньев (мономеров) в цепи образующейся молекулы полимера. Для белков мономерами являются аминокислоты, для нуклеиновых кислот -нуклеотиды. Линейная, нитевидная молекула биополимера в результате возникновения водородных связей обладает способностью определённым образом укладываться в пространстве, напр, в случае белков, как показал Л. Полинг, приобретать форму спирали. Это обозначается как вторичная структура. О третичной структуре говорят, когда молекула, обладающая вторичной структурой, складывается далее тем или иным образом, заполняя трёхмерное пространство. Наконец, молекулы, обладающие трёхмерной структурой, могут вступать во взаимодействие, закономерно располагаясь в пространстве относительно друг друга и образуя то, что обозначается как четвертичная структур а; её отдельные компоненты обычно наз. субъединицами.
Наиболее наглядным примером того, как молекулярная трёхмерная структура определяет биологич. функции молекулы, служит ДНК. Она обладает строением двойной спирали: две нити, идущие во взаимно противоположном направлении (антипараллелъно), закручены одна вокруг другой, образуя двойную спираль со взаимно комплементарным расположением оснований, т.е. так, что против определённого основания одной цепи всегда в другой цепи стоит такое основание, к-рое наилучшим образом обеспечивает образование водородных связей: аденин (А) образует пару с тимином (Т), гуанин (Г) - с цитозином (Ц). Такая структура создаёт оптимальные условия для важнейших биологич. функций ДНК: количественного умножения наследственной информации в процессе клеточного деления при сохранении качественной неизменности этого потока генетич. информации. При делении клетки нити двойной спирали ДНК, служащей в качестве матрицы, или шаблона, расплетаются и на каждой из них под действием ферментов синтезируется комплементарная новая нить. В результате этого из одной материнской молекулы ДНК получаются две совершенно тождественные ей дочерние молекулы (см. Клетка, Митоз).
Так же и в случае гемоглобина оказалось, что его биологич. функция - способность обратимо присоединять кислород в лёгких и затем отдавать его тканям - теснейшим образом связана с особенностями трёхмерной структуры гемоглобина и её изменениями в процессе осуществления свойственной ему физио-логич. роли. При связывании и диссоциации О2 происходят пространственные изменения конформации молекулы гемоглобина, ведущие к изменению сродства содержащихся в нём атомов железа к кислороду. Изменения размеров молекулы гемоглобина, напоминающие изменения объёма грудной клетки при дыхании, позволили назвать гемоглобин "молекулярными лёгкими".
Одна из важнейших черт живых объектов - их способность тонко регулировать все проявления жизнедеятельности. Крупным вкладом М. б. в науч. открытия следует считать раскрытие нового, ранее неизвестного регуляторного механизма, обозначаемого как аллостериче-ский эффект. Он заключается в способности веществ низкой мол. массы-т. н. лигандов -видоизменять специфич. биологич. функции макромолекул, в первую очередь каталитически действующих белков - ферментов, гемоглобина, рецепторных белков, участвующих в построении биологических мембран, в синаптич. передаче (см. Синапсы) и т. д.
Три биотических потока. В свете представлений М. б. совокупность явлений жизни можно рассматривать как результат сочетания трёх потоков: потока материи, находящего своё выражение в явлениях обмена веществ, т. е. ассимиляции и диссимиляции; потока энергии, являющейся движущей силой для всех проявлений жизнедеятельности; и потока информации, пронизывающего собой не только всё многообразие процессов развития и существования каждого организма, но и непрерывную череду сменяющих друг друга поколений. Именно представление о потоке информации, внесённое в учение о живом мире развитием М. б., накладывает на неё свой специфический, уникальный отпечаток.
Важнейшие достижения молекулярной биологии. Стремительность, размах и глубину влияния М. б. на успехи в познании коренных проблем изучения живой природы справедливо сравнивают, напр., с влиянием квантовой теории на развитие атомной физики. Два внутренне связанных условия определили это революционизирующее воздействие. С одной стороны, решающую роль сыграло обнаружение возможности изучения важнейших проявлений жизнедеятельности в простейших условиях, приближающихся к типу химич. и физич. экспериментов. С другой стороны, как следствие указанного обстоятельства, имело место быстрое включение значит, числа представителей точных наук - физиков, химиков, кристаллографов, а затем и математиков -в разработку биологич. проблем. В своей совокупности эти обстоятельства и обусловили необычайно быстрый темп развития М. б., число и значимость её успехов, достигнутых всего за два десятилетия. Вот далеко не полный перечень этих достижений: раскрытие структуры и механизма биологич. функции ДНК, всех типов РНК и рибосом, раскрытие генетического кода; открытие обратной транскрипции, т. е. синтеза ДНК на матрице РНК; изучение механизмов функционирования дыхательных пигментов; открытие трёхмерной структуры и её функциональной роли в действии ферментов, принципа матричного синтеза и механизмов биосинтеза белков; раскрытие структуры вирусов и механизмов их репликации, первичной и, частично, пространственной структуры антител; изолирование индивидуальных генов; химич., а затем биологич. (ферментативный) синтез гена, в т. ч. человеческого, вне клетки (in vitro); перенос генов из одного организма в другой, в т. ч. в клетки человека; стремительно идущая расшифровка химич. структуры возрастающего числа индивидуальных белков, гл. обр. ферментов, а также нуклеиновых к-т; обнаружение явлений "самосборки" нек-рых биологич. объектов всё возрастающей сложности, начиная от молекул нуклеиновых кислот и переходя к многокомпонентным ферментам, вирусам, рибосомам и т. д.; выяснение ал-лостерических и др. осн. принципов регулирования биол. функций и процессов.
Редукцяонизм и интеграция. М. б. является завершающим этапом того направления в изучении живых объектов, к-рое обозначается как "редукционизм", т. е. стремление свести сложные жизненные функции к явлениям, протекающим на уровне молекул и потому доступным изучению методами физики и химии. Достигнутые М. б. успехи свидетельствуют об эффективности такого подхода. Вместе с тем необходимо учитывать, что в естеств. условиях в клетке, ткани, органе и целом организме мы имеем дело с системами возрастающей степени усложнённости. Такие системы образуются из компонентов более низкого уровня путём их закономерной интеграции в целостности, приобретающие структурную и функциональную организацию и обладающие новыми свойствами. Поэтому по мере детализации познаний о закономерностях, доступных раскрытию на молекулярном и примыкающих уровнях, перед М. б. встают задачи познания механизмов интеграции как линии дальнейшего развития в изучении явлений жизни. Отправной точкой здесь служит исследование сил межмолекулярных взаимодействий - водородных связей, ван-дер-ваальсовых, электростатич. сил и т. д. Своей совокупностью и пространственным расположением они образуют то, что может быть обозначено как "интегратив-ная информация". Её следует рассматривать как одну из гл. частей уже упоминавшегося потока информации. В области М. б. примерами интеграции могут служить явления самосборки сложных образований из смеси их составных частей. Сюда относятся, напр., образование многокомпонентных белков из их субъединиц, образование вирусов из их составных частей - белков и нуклеиновой к-ты, восстановление исходной структуры рибосом после разделения их белковых и нуклеиновых компонентов и т. д. Изучение этих явлений непосредственно связано с познанием осн. феноменов "узнавания" молекул биополимеров. Речь идёт о том, чтобы выяснить, какие сочетания аминокислот - в молекулах белков или нуклеотидов - в нуклеиновых к-тах взаимодействуют между собой при процессах ассоциации индивидуальных молекул с образованием комплексов строго специфичного, наперёд заданного состава и строения. Сюда относятся процессы образования сложных белков из их субъединиц; далее, избирательное взаимовоздействие между молекулами нуклеиновых кислот, напр, транспортными и матричными (в этом случае существенно расширило наши сведения раскрытие генетич. кода); наконец, это образование мн. типов структур (напр., рибосом, вирусов, хромосом), в к-рых участвуют и белки, и нуклеиновые к-ты. Раскрытие соответствующих закономерностей, познание "языка", лежащего в основе указанных взаимодействий, составляет одну из важнейших областей М. б., ещё ожидающую своей разработки. Эту область рассматривают как принадлежащую к числу фундаментальных проблем для всей биосферы.
Задачи молекулярной биологии. Наряду с указанными важными задачами М. б. (познанием закономерностей "узнавания", самосборки и интеграции) актуальным направлением науч. поиска ближайшего будущего является разработка методов, позволяющих расшифровывать структуру, а затем и трёхмерную, пространственную организацию высокомолекулярных нуклеиновых к-т. В данное время это достигнуто в отношении общего плана трёхмерной структуры ДНК (двойной спирали), но без точного знания её первичной структуры. Быстрые успехи в разработке аналитич. методов позволяют с уверенностью ждать достижения указанных целей на протяжении ближайших лет. Здесь, разумеется, гл. вклады идут от представителей смежных наук, в первую очередь физики и химии. Все важнейшие методы, использование к-рых обеспечило возникновение и успехи М. б., были предложены и разработаны физиками (ультрацентрифугирование, рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, ядерный магнитный резонанс и др.). Почти все новые физич. экспериментальные подходы (напр., использование ЭВМ, синхро-тронного, или тормозного, излучения, лазерной техники и др.) открывают новые возможности для углублённого изучения проблем М. б. В числе важнейших задач практич. характера, ответ на к-рые ожидается от М. о., на первом месте стоит проблема молекулярных основ злокачеств, роста, далее - пути предупреждения, а быть может, и преодоления наследств, заболеваний - "молекулярных болезней". Большое значение будет иметь выяснение молекулярных основ биологич. катализа, т. е. действия ферментов. К числу важнейших совр. направлений М. б. следует отнести стремление расшифровать молекулярные механизмы действия гормонов, токсич. и лекарств, веществ, а также выяснить детали молекулярного строения и функционирования таких клеточных структур, как биологические мембраны, участвующие в регуляции процессов проникновения и транспорта веществ. Более отдалённые цели М. б.-познание природы нервных процессов, механизмов памяти и т. д. Один из важных формирующихся разделов М. б.-т. н. генная инженерия, ставящая своей задачей целенаправленное оперирование генетич. аппаратом (гено-мом) живых организмов, начиная с микробов и низших (одноклеточных) и кончая человеком (в последнем случае прежде всего в целях радикального лечения наследственных заболеваний и исправления генетич. дефектов). О более обширных вмешательствах в генетич. основу человека речь может идти лишь в более или менее отдалённом будущем, т. к. при этом возникают серьёзные препятствия как технического, так и принципиального характера. В отношении микробов, растений, а возможно, и с.-х. животных такие перспективы весьма обнадёживаю-щи (напр., получение сортов культурных растений, обладающих аппаратом фиксации азота из воздуха и не нуждающихся в удобрениях). Они основаны на уже достигнутых успехах: изолирование и синтез генов, перенос генов из одного организма в другой, применение массовых культур клеток в качестве продуцентов хоз. или мед. важных веществ.
Организация исследований по молекулярной биологии. Быстрое развитие М. б. повлекло за собой возникновение большого числа специализированных н.-и. центров. Количество их быстро возрастает. Наиболее крупные: в Великобритании -Лаборатория молекулярной биологии в Кембридже, Королевский ин-т в Лондоне; во Франции - ин-ты молекулярной биологии в Париже, Марселе, Страсбург, Пастеровский ин-т; в США - отделы М. б. в ун-тах и ин-тах в Бостоне (Гарвардский ун-т, Массачусетсский тех-нологич. ин-т), Сан-Франциско (Беркли), Лос-Анджелесе (Калифорнийский тех-нологич. ин-т), Нью-Йорке (Рокфеллеровский ун-т), ин-ты здравоохранения в Бетесде и др.; в ФРГ - ин-ты Макса Планка, ун-ты в Гёттингене и Мюнхене; в Швеции - Каролинский ин-т в Стокгольме; в ГДР - Центр, ин-т молекулярной биологии в Берлине, ин-ты в Йене и Галле; в Венгрии - Биол. центр в Сегеде. В СССР первый специализированный ин-т М. б. был создан в Москве в 1957 в системе АН СССР (см.. Молекулярной биологии институт); затем были образованы: Ин-т биоорганической химии АН СССР в Москве, Ин-т белка в Пущино, Биол. отдел в Ин-те атомной энергии (Москва), отделы М.б.в ин-тах Сио. отделения АН в Новосибирске, Межфакультетская лаборатория биоор-ганич. химии МГУ, сектор (затем ин-т) молекулярной биологии и генетики АН УССР в Киеве; значит, работа по М.б. ведётся в Ин-те высокомолекулярных соединений в Ленинграде, в ряде отделов и лабораторий АН СССР и др. ведомств.
Наряду с отд. н.-и. центрами возникли организации более широкого масштаба. В Зап. Европе возникла Европ. организация по М. б. (ЕМБО), в к-рой участвует св. 10 стран. В СССР при Ин-те молекулярной биологии в 1966 создан науч. совет по М. б., являющийся координирующим и организующим центром в этой области знаний. Им выпущена обширная серия монографий по важнейшим разделам М. б., регулярно организуются -"зимние школы" по М. б., проводятся конференции и симпозиумы по актуальным проблемам М. б. В дальнейшем науч. советы по М. 6. были созданы при АМН СССР и мн. респ. Академиях наук. С 1966 выходит журнал "Молекулярная биология" (6 выпусков в год).
За сравнительно короткий срок в СССР вырос значит, отряд исследователей в области М. б.; это учёные старшего поколения, частично переключившие свои интересы из др. областей; в главной же своей массе это многочисл. молодые исследователи. Из числа ведущих учёных, принявших деятельное участие в становлении и развитии М. б. в СССР, можно назвать таких, как А. А. Баев, А. Н. Белозерский, А. Е. Браунштейн, Ю. А. Овчинников, А. С. Спирин, М. М. Шемякин, В. А. Эн-гельгардт. Новым достижениям М. б. и молекулярной генетики будет способствовать постановление ЦК КПСС и Сов. Мин. СССР (май 1974) "О мерах по ускорению развития молекулярной биологии и молекулярной генетики и использованию их достижений в народном хозяйстве".
Лит.: Вагнер Р., Митчелл Г., Генетика и обмен веществ, пер. с англ., М., 1958; Сент-Дьердьи А., Биоэнергетика, пер. с англ., М., 1960; А н ф и н-с е н К., Молекулярные основы эволюции, пер. с англ., М., 1962; Стэнли У., В э-л е н с Э., Вирусы и природа жизни, пер. с англ., М., 1963; Молекулярная генетика, пер. с англ., ч. 1, М., 1964; В о л ь к е н-ш т е и н М. В., Молекулы н жизнь. Введение в молекулярную биофизику, М., 1965; Гауровиц Ф., Химия н функции белков, пер. с англ., М., 1965; Б р е с л е р С. Е., Введение в молекулярную биологию, 3 изд., М. - Л., 1973; Ингрэм В., Биосинтез макромолекул, пер. с англ., М., 1966; Э н г е л ь г а р д т В. А., Молекулярная биология, в кн.: Развитие биологии в СССР, М., 1967; Введение в молекулярную биологию, пер. с англ., М., 1967; У о т-с о н Д ж., Молекулярная биология гена, пер. с англ., М., 1967; Ф н н е а н Д ж., Биологические ультраструктуры, пер. с англ., М., 1970; БендоллД ж., Мышцы, молекулы и движение, пер. с англ., М., 1970; И ч а с М., Биологический код, пер. с англ., М., 1971; Молекулярная биология вирусов, М., 1971; Молекулярные основы биосинтеза белков, М., 1971; Бернхард С., Структура и функция ферментов, пер. с англ., М., 1971; С п и р н н А. С., Гавр и лова Л. П., Рибосома, 2 изд., М., 1971; Ф р е н-кель-Конрат X., Химия и биология вирусов, пер. с англ., М., 1972; Смит К., Хэнеуолт Ф., Молекулярная фотобиология. Процессы инактивации и восстановления, пер. с англ., М., 1972; X а р р и с Г., Основы биохимической генетики человека) пер. с англ., М., 1973.
В. А. Энгельгардт.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА, раздел генетики и молекулярной биологии, ставящий целью познание материальных основ наследственности и изменчивости живых существ путём исследования протекающих на субклеточном, молекулярном уровне процессов передачи, реализации и изменения генетич. информации, а также способа её хранения.
М. г. выделилась в самостоят, направление в 40-х гг. 20 в. в связи с внедрением в биологию новых физич. и химич. методов (рентгеноструктурный анализ, хро-матография, электрофорез, высокоскоростное центрифугирование, электронная микроскопия, использование радиоактивных изотопов и т. д.), что позволило гораздо глубже и точнее, чем раньше, изучать строение и функции отд. компонентов клетки и всю клетку как единую систему. С новыми методами в биологию пришли новые идеи физики и химии, математики и кибернетики. Большую роль в быстром развитии М. г. сыграло перенесение центра тяжести генетич. исследований с высших организмов (эука-риотов) - осн. объектов классич. генетики, на низшие (прокарйоты) - бактерии и мн. др. микроорганизмы, а также вирусы. Преимущества использования более простых форм жизни для решения генетич. проблем заключаются в быстрой смене поколений у этих форм и возможности изучать одновременно огромное число особей; благодаря этому сильно возрастает разрешающая способность генетич. анализа и повышается его точность. Кроме того, сравнительная простота организации бактерий и особенно вирусов облегчает выяснение молекулярной природы генетич. явлений. Высказываемое иногда мнение о тождестве М. г. и генетики микроорганизмов ошибочно. М. г. изучает молекулярные основы генетич. процессов как у низших, так и у высших организмов и не включает частной генетики прокариотов, занимающей видное место в генетике микроорганизмов.
За свою недолгую историю М. г. достигла значит, успехов, углубив и расширив представления о природе наследственности и изменчивости, и превратилась в ведущее и наиболее быстро развивающееся направление генетики.
Одно из главных достижений М. г.-выяснение химич. природы гена. Классич. генетика установила, что все наследственные потенции организмов (их генетическая информация) определяются дискретными единицами наследственности - генами, локализованными гл. обр. в хромосомах клеточного ядра, а также в нек-рых органеллах цитоплазмы (пластидах, митохондриях и др.). Однако методы классич. генетики не позволяли вскрыть химич. природу генов, что было отмечено ещё в 1928 выдающимся сов. биологом Н. К. Кольцовым, обосновавшим необходимость изучения механизма наследственности на молекулярном уровне. Первый успех в этом направлении был достигнут при изучении генетич. трансформации у бактерий. В 1944 амер. учёный О. Т. Эйвери с сотрудниками обнаружил, что наследственные признаки одного штамма пневмококков могут быть переданы другому, генетически отличному штамму путём введения в его клетки дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), выделенной из первого штамма. Впоследствии подобная генетич. трансформация с помощью ДНК была осуществлена у др. бактерий, а в последнее время - и у нек-рых многоклеточных организмов (цветковые растения, насекомые). Т. о., было показано, что гены состоят из ДНК. Этот вывод был подтверждён опытами с ДНК-содержащими вирусами: для размножения вируса достаточно введения молекул вирусной ДНК в клетку восприимчивого хозяина; все др. компоненты вируса (белки, ли-пиды) лишены инфекционных свойств и генетически инертны. Аналогичные опыты с вирусами, содержащими вместо ДНК рибонуклеиновую кислоту (РНК), показали, что у таких вирусов гены состоят из РНК. Выяснение генетич. роли ДНК и РНК послужило мощным стимулом для изучения нуклеиновых кислот биохимич., физико-химич. и рентгеноструктурными методами. В 1953 амер. учёный Дж. Уот-сон и англ, учёный Ф. Крик предложили модель структуры ДНК, предположив, что её гигантские молекулы представляют собой двойную спираль, состоящую из пары нитей, образованных нуклеоти-дами, расположенными апериодически, но в определённой последовательности. Каждый нуклеотид одной нити спарен с противолежащим нуклеотидом второй нити по правилу комплементарности. Многочисл. экспериментальные данные подтвердили гипотезу Уотсона и Крика. Несколько позже было установлено, что аналогичной структурой обладают молекулы разных РНК, только они большей частью состоят из одной полинуклеотид-ной нити. Дальнейшие работы, в к-рых химич. и физико-химич. методы сочетались с точными генетич. методами (использование разнообразных мутантов, явлений трансдукции, трансформации и т. д.), показали, что разные гены различаются как числом входящих в них пар нуклеотидов (от неск. десятков до полутора тысяч и более), так и строго определённой для каждого гена последовательностью нуклеотидов, в к-рой закодирована генетич. информация. (Принципиально сходную химич. структуру имеют и гены, состоящие из РНК,- у вирусов РНК-типа.)
Классич. генетика рассматривала ген как дискретную и неделимую единицу наследственности. Важное значение в пересмотре этой концепции имели работы сов. генетика А. С. Серебровского и его учеников, в 1930-х гг. впервые указавших на возможность делимости гена. Однако разрешающая способность методов клас-сич. генетики была недостаточной для изучения тонкого строения гена. Только с развитием М. г. удалось в 50-60-х гг. решить эту проблему. Мн. работами, проведёнными сначала на бактериях и вирусах, а затем и на многоклеточных организмах, было выяснено, что ген обладает сложным строением: он состоит из десятков или сотен участков - сайтов, способных независимо мутировать и ре-комбинировать (см. Мутации, Рекомбинация). Пределом дробим ости гена, а следовательно, и минимальным размером сайта является одна пара нуклеотидов (у вирусов, к-рые содержат одну нить РНК,- один нуклеотид). Установление тонкого строения генов позволило значительно углубить представление о механизме генетич. рекомбинации и закономерностях возникновения генных мутаций, оно способствовало также выяснению механизма функционирования генов. Данные о химич. природе и тонком строении генов позволили разработать методы их выделения. Впервые это было выполнено в 1969 амер. учёным Дж. Бэк-витом с сотрудниками для одного из генов кишечной палочки. Затем то же удалось осуществить у нек-рых высших организмов (земноводных). Ещё более значит, успех М. г. - первый химич. синтез гена (кодирующего аланиновую транспортную РНК дрожжей), осуществлённый X. Корана в 1968. Работы в этом направлении ведутся в ряде лабораторий мира. Для внеклеточного синтеза более крупных генов успешно применены новейшие биохимич. методы, основанные на явлении т. н. обратной транскрипции (см. ниже). Используя эти методы, С. Спигелмен, Д. Балтимор, П. Ледер и их сотрудники (США) далеко продвинулись по пути искусств, синтеза генов, определяющих структуру белка в молекулах гемоглобина у кролика и человека. Такие же работы проведены в последнее время и в ряде др. лабораторий, в т. ч. и в СССР.
Т. о., М. г. уже выяснила в принципе вопрос о том, как записана и хранится генетич. информация, получаемая потомками от родителей, хотя расшифровка конкретного содержания этой информации для каждого отд. гена требует ещё огромной работы.
Установление структуры ДНК открыло возможности для экспериментального исследования биосинтеза молекул ДНК -их репликации. Этот процесс лежит в основе передачи генетич. информации от клетки к клетке и от поколения к поколению, т. е. определяет относит, постоянство генов. Изучение репликации ДНК привело к важному выводу о матричном характере биосинтеза ДНК: для его осуществления необходимо наличие готовой молекулы ДНК, на к-рой, как на шаблоне (матрице), синтезируются новые молекулы ДНК. При этом двойная спираль ДНК раскручивается, и на каждой её нити синтезируется новая, комплементарная ей нить, так что дочерние молекулы ДНК состоят из одной старой и одной новой нити (полуконсервативный тип репликации). Выделен белок, вызывающий раскручивание двойной спирали ДНК, а также ферменты, осуществляющие биосинтез нуклеотидов и их соединение ("сшивание") друг с другом. Несомненно, что в клетке имеются механизмы, регулирующие синтез ДНК. Пути такой регуляции ещё во многом неясны, но очевидно, что она в большой степени определяется генетич. факторами.
М. г. достигла выдающегося успеха и в решении важнейшей задачи, сформулированной ещё классич. генетикой,-каким образом ген определяет признак, или как происходит реализация генетич. информации. Предпосылкой послужило сформулированное ещё в 1941 Дж. Бидлом и Э. Тейтемом положение "один ген - один фермент". Это положение позволило поставить вопрос в следующем виде: как гены, т. е., по сути дела, участки молекулы ДНК, определяют химич. структуру и свойства белков, спе-цифич. для данного организма? Раскрытие химич. структуры ДНК и белка дало возможность сопоставить эти два типа биополимеров, что привело к концепции генетического кода, согласно к-рой порядок чередования 4 сортов нуклеотидов в ДНК определяет порядок чередования 20 сортов аминокислот в белковой молекуле. От последовательности расположения аминокислот в белковой молекуле (её первичной структуры)зависят все её свойства. Расшифровка принципов, на к-рых основан генетич. код, была осуществлена в 1962 Ф. Криком с сотрудниками в генетич. опытах с мутантами одного бактериального вируса. Оказалось, что каждая тройка нуклеотидов в цепи ДНК (триплет, кодон) определяет, какая именно из 20 аминокислот займёт данное место в полипептидной цепи синтезируемого белка, т. е. каждый триплет кодирует определённую аминокислоту. Последующие работы позволили полностью рас- шифровать генетич. код и установить нуклеотидный состав всех триплетов, кодирующих аминокислоты, а также состав инициирующего кодона, определяющего начало синтеза данной полипептидной цепи, и трёх терминирующих кодо-нов, определяющих конец синтеза. Было найдено, что генетич. код универсален для всего живого, т. е. что он один и тот же для любого организма, начиная от вирусов и кончая высшими животными и человеком. Участок молекулы ДНК, составляющий один ген, определяет, как правило, последовательность аминокислот в молекуле одного белка (или в одной полипептидной цепи, если данный белок состоит из неск. таких цепей).
Расшифровка генетич. кода сыграла выдающуюся роль в выяснении механизма биосинтеза белка - процесса, включающего перенос заключённой в ДНК генетич. информации на молекулы т. н. информационной, или матричной, РНК (и-РНК). Этот процесс, сущность к-рого составляет синтез и-РНК на матрице ДН |
