Концепции современного естествознания

Согласно данным некоторых астрономов, звездообразование в Галактике происходит с определенными перерывами.

По современным представлениям, звезды образуются в результате сжатия (под действием тяготения) облаков холодного газа. Сами эти облака представляют собой части более обширных и массивных комплексов, на которые распалось протогалактическое облако. Стадия будущей звезды, или протозвезды, длится у звезд с массами, близкими к солнечной, несколько миллионов лет. Формирующиеся звезды окружены газо-пылевыми оболочками, которые не пропускают оптическое излучение от разогревшихся в ходе сжатия центральных областей протозвезды.

“Включение” термоядерного реактора означает, что стадия протозвезды закончилась и началась стадия настоящей звезды.

Молодым звездам, массы которых близки к массе Солнца, предстоит долгая жизнь: только на главной последовательности они находятся не менее 10 млрд. лет.

Смена режима работы термоядерного топлива (водород выгорает в ядре, начинается горение в слоях, прилегающих к гелиевому ядру и т.д.) преображает звезду. Она разбухает, проходит стадию красного гиганта, теряет свою оболочку, ядро обнажается, и звезда постепенно превращается в белый карлик, а в будущем станет остывшим черным карликом.

Более массивные звезды взрываются, рассыпаясь в межзвездном пространстве, или оставляют после себя нейтронные звезды или даже черные дыры.

Разработка космогонических гипотез является результатом усилий многих ученых (Декарт, 1644; Кант, 1775; Лаплас, 1796; в XX столетии -О.Шмидт, Х.Альвен, Ф.Хойл, А.Камерон, Э.Шацман и др.).

Сейчас считается общепризнанным, что планеты возникли в результате объединения твердых тел и частиц, образовавшихся во вращающемся вокруг Солнца гигантском протопланетном облаке, состоящем и газа и пыли. Пока не существует однозначного ответа на вопрос: откуда взялось протопланетное облако? Однако у некоторых звезд, например Веги, обнаружены газово-пылевые диски.

Протопланетное облако содержало газ “звездного” состава (водород и гелий) и пыль из более тяжелых элементов. Сжимающееся облако увеличивало скорость вращения. Пылевой слой, будучи гравитационно неустойчивым, распался на множество сгустков, превратившихся в рой твердых тел. Сначала размеры этих тел были сравнительно невелики, а их орбиты юыли близки к круговым. По мере роста масс увеличивалось взаимное притяжение тел, возрастали их относительные скорости, орбиты становились эллиптическими.

Гравитационное взаимодействие было определяющим фактором в формировании будущих планет. Уменьшение числа зародышей и появление сверхзародышей происходило до тех пор, пока возникающие крупные и массивные тела не оказались на таких расстояниях, где взаимное притяжение не могло уже существенно изменить их орбиты. Эти безопасные расстояния и стали залогом устойчивости будущей Солнечной системы.

Планеты земной группы сформировались сравнительно быстро (Земля за 100 млн. лет), планеты-гиганты росли дольше.

В начале 50-х гг. наука отказалась от представления о первичной огненно-жидкой планете. Было развито представление об изначально холодной Земле. Но теперь ученые говорят если не об огненно-жидкой, то об умеренно горячей планете. Крупные по массам и размерам тела, падая на относительно холодную Землю и глубоко врезаясь в нее, разогревали нашу планету. Такой разогрев оказался сильнее, чем это могло произойти за счет энергии других механических (гравитационное сжатие) и немеханических (радиоактивный распад) процессов. Земля частично плавилась, изменяла свою структуру, формировала ядро и оболочки.

В настоящее время, как известно, Земля имеет расплавленное ядро, состоящее в основном из железа и никеля. Вещества, содержащие более легкие элементы (кремний, магний и др.), постепенно всплывали, образуя мантию и кору Земли. Самые легкие элементы вошли в состав океана и первичной атмосферы.

Самые легкие и легче всего испаряющиеся элементы - водород, углерод, азот и кислород - являются составными частями современной атмосферы и самой жизни. Внешние слои Земли содержали эти элементы не в свободном, а в связанном виде в составе других молекул. Под влиянием разогрева при соударениях вещество теряло летучие элементы, из которых образовалась первичная атмосфера. Некоторые молекулы разрушались в процессе фотодиссоциации под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца. В результате атмосфера включала и небольшое количество водорода. Таким образом, атмосфера была слабо восстановительной.

Состав атмосферы менялся в результате улетучивания атомов и молекул водорода и выделения газов из земной коры, разогретой за счет распада радиоактивных изотопов. Выделение летучих элементов, которое в значительно ослабленной форме происходит и теперь из вулканов, внесло в атмосферу большое количество водяного пара, углекислого газа, азота и окиси углерода. Таким образом, практически вся вода современных океанов выделилась из пород, слагающих ныне кору и верхнюю мантию Земли.

Под влиянием ультрафиолетового излучения молекулы воды, входящие в состав атмосферы, распадаются на атомы водорода и кислорода. Однако, пока молекулы водорода оставались в составе атмосферы, свободные атомы кислорода быстро вступали в реакцию с ними. Как только водород улетучился, в атмосфере образовался свободный кислород, а затем и озон, который образовал озоновый экран, преградивший путь жесткому ультрафиолетовому излучения к поверхности Земли.

Дальнейшие изменения атмосферы, гидросферы и верхних слоев литосферы происходили под существенным влиянием возникшей на Земле жизни. Что же произошло за последние 4 млрд. лет?

Живое вещество биосферы - это активное начало, преобразующее остальные сферы Земли. Эта роль жизни была впервые обоснована В.И.Вернадским.

Современная атмосфера Земли есть продукт деятельности живых организмов. Как писал Вернадский, “атмосфера всецело создана жизнью”.

Первичная атмосфера нашей планеты имела восстановительный характер, была лишена свободного кислорода и состояла из следующих газов: На первом месте по количеству стояли вода и углекислый газ. Развитие фотосинтеза приводило к освобождению больших количеств свободного кислорода в гидросфере и затем в атмосфере. Аммиак и метан практически полностью исчезают из состава атмосферы в результате окисления. Современная атмосфера является азотно-кислородной и состоит в основном из

Углекислый газ, который когда-то занимал второе место по содержанию в атмосфере, оказался химически связанным в породах, главным образом в виде карбоната кальция (мел, известняк). Почти весь углекислый газ исчез из атмосферы. Небольшие его количества остаются благодаря процессам выветривания и дыхания животных; разложение органического вещества также возвращает этот газ в атмосферу.

Кислород до развития жизни существовал в малых количествах. Фотосинтез синезеленых водорослей, а затем и зеленых растений увеличил его содержание в современной атмосфере до 21%.

Азот, из которого на 78% состоит современная атмосфера, поступил в нее при дегазации, но его сохранению помогло существование жизни. При каждом грозовом разряде в атмосфере часть атмосферного азота соединяется с кислородом и образует окислы азота, которые благодаря осадкам попадают в почву и океаны. В почве живут денитрифицирующие бактерии, которые разлагают окислы азота и возвращают его в атмосферу.

Окись углерода, которая была важным компонентом земной атмосферы, давно соединилась с кислородом и превратилась в углекислый газ, который, как отмечено выше, сконцентрировался в углеродсодержащих породах.

Водяной пар, содержание которого было высоким, все еще составляет часть оболочки Земли - океаны, покрывающие 71% поверхности Земли. Океаны отличают Землю от всех других планет.

Химизм вод Мирового океана в значительной степени определяется и регулируется живым веществом. Воды Мирового океана, как и атмосфера Земли, образовались за счет дегазации мантии, т.е. Мировой океан образовался из паров мантийного материала и вначале воды были кислые и минерализованы. Пресные воды появились позже в результате испарения с поверхности первичных океанов (процесс естественной дистилляции).

Сильные кислоты в составе ювенильных вод интенсивно разрушали первичные алюмосиликатные породы, извлекая из них щелочные и щелочноземельные металлы: Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, а также соли двухвалентного железа. Первичная поверхность суши омывалась кислыми дождями, под влиянием которых происходили гидролиз и гидратация первых минералов. При круговороте воды и выносе катионов Na, K, Mg, Ca значительная их часть задерживалась в океане и сейчас являются главными катионами океанической воды. К главным анионам ее относятся К редким элементам относятся азот, фосфор, кремний, концентрация которых контролируется ростом и размножением живых организмов океана. В морской воде растворены природные газы, тесно связанные с атмосферой и живым веществом моря: азот, кислород, углекислота, сероводород.

Земная кора как верхний слой твердой тела Земли первоначально возникла в результате выплавления материала мантии и в дальнейшем оказалась существенно переработанной в биосфере под влиянием атмосферы, воды и деятельности живых организмов.

Ландшафт первых сухопутных участков был типичный вулканический, подобный современному лунному ландшафту.

Литосфера Земли сформировалась в большей своей части за счет деятельности живого вещества. Это относится к осадочным породам. Известняки, мел, мрамор почти целиком состоят из остатков скелетов организмов.

Почвенный покров сформировался и развивался при активном участии живого вещества.

В самом начале палеозойской эры живое вещество переходит на сушу, формируются наземная флора и фауна. Происходит рост биомассы, усложняется ее качественный состав. Новые виды организмов для построения внутреннего и наружного скелета используют и др. В результате резко увеличивается воздействие живого вещества на геохимию океана, атмосферы и осадочной оболочки Земли.

Состав атмосферы приближается к современному. Морская вода из хлоридно-карбонатно-сульфатной постепенно превращается в хлоридно-сульфатную.

1. Хокинг С. Виден ли конец теоретической физики? Природа, 1982, 5

Молекулы находятся в непрерывном движении и сталкиваются друг с другом. Обычно при этом они просто отскакивают в разные стороны, так как их электронные оболочки отталкиваются. Но сильное соударение может вызвать перегруппировку электронов в столкнувшихся молекулах и возникновение нового соединения. Это явление называют химической реакцией. Химия изучает процессы превращения молекул при их взаимодействиях и при воздействиях на них внешних факторов - теплоты, света, электрического тока.

Количество химических реакций и количество молекул не поддаются исчислению. Химия непрерывно создает новые комбинации атомов, новые вещества.

Многие элементы образуют соединения с водородом -- гидриды (CH4, NH3, HF, SiH4, H2S, HCl), а также соединения с кислородом -- оксиды (CO, CO2, SO, SO2, SiO2, NO, N2O3, NO2, N2O5).

Вода - соединение водорода с кислородом - H2O. Это одно из самых распространенных веществ на Земле. Она обладает совершенно удивительными свойствами, которые настолько важны для живых организмов, что нельзя себе представить жизнь, в том виде как мы ее знаем, на какой бы то ни было планете, если только на этой планете нет достаточного запаса воды.

Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя водородными атомами. Молекула изогнута углом, в вершине угла находится атом кислорода. Молекула полярна: ее кислородный атом несет частичный отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода - частичный положительный заряд.

Частично отрицательный атом кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул; поэтому молекулы воды связаны друг с другом водородными связями. В жидком состоянии эти слабые связи быстро образуются и столь же быстро разрушаются при беспорядочных соударениях молекул.

Свойства воды, имеющие важное значение для жизни:

1. Вода способна слипаться сама с собой (когезия) и с другими веществами (адгезия). Отсюда поверхностное натяжение и капиллярность.

2. Вода является хорошим растворителем. В воде растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Благодаря своей полярной природе вода обладает способностью растворять ионные вещества и другие полярные соединения. Неполярные соединения в воде не растворяются, образуя с водой поверхности раздела. Поверхности раздела в живых организмах играют очень важную роль, так как именно здесь протекают многие химические реакции.

3. Вода обладает высокой теплопроводностью. В живом организма непрерывно происходят реакции, сопровождающиеся выделением тепла. Благодаря высокой теплопроводности воды это тепло равномерно распределяется по всей воде, содержащейся в организме; тем самым устраняется риск возникновения локальных горячих точек, которые могли бы послужить причиной повреждения тонких биологических структур.

4. Вода имеет высокую температуру кипения. К счастью для живых организмов, температуры на поверхности Земли редко достигают точки кипения.

5. Вода, испаряясь, способствует охлаждению тела, поскольку на испарение воды расходуется много тепла. Многие живые существа используют это свойство воды (потоотделение, тепловая одышка).

6. Вода имеет высокую температуру замерзания, а ее плотность максимальна при +4°С. Температура замерзания воды, пожалуй, несколько выше, чем было бы идеально для жизни, поскольку живые организмы во многих областях вынуждены существовать при температурах ниже точки замерзания воды. Необычное свойство воды: макисмальная плотность при температуре, которая выше точки замерзания. При охлаждении от +4°С до 0°С вода расширяется, поскольку расстояния между молекулами воды в кристалле льда больше, чем в жидком состоянии. Это значит, что кристалл льда больше объема той воды, из которой он образовался.

Если кристаллы льда образуются в живом организме, то они могут разрушить его тонкие структуры и вызвать гибель. У озимой пшеницы, у ряда насекомых, у лягушек и других есть природные антифризы, предотвращающие образование льда в их клетках. Ткани некоторых организмов не повреждаются кристаллами льда. У птиц и млекопитающих температура всегда поддерживается на высоком уровне.

Благодаря низкой плотности лед всегда плавает на поверхности жидкой воды. Это предотвращает замерзание всей толщи воды и делает возможным жизнь подо льдом. Особые термические свойства воды также обеспечивают перемешивание воды в озерах.

Одно из наиболее важных свойств воды - ее способность растворять многие вещества с образованием водных растворов. Растворы - очень важное состояние вещества.

Вода океанов представляет собой водный раствор, содержащий сотни компонентов. Воздух - газовый раствор азота, кислорода, двуокиси углерода, водяных паров и аргоноидов. Сплав, из которого изготавливают серебряные монеты, представляет собой твердый, или кристаллический, раствор серебра и меди.

Если один из компонентов раствора находится в большем количестве, чем другие, то его можно назвать растворителем. Другие компоненты называют растворенными веществами.

Кислота -- водородсодержащее веществом диссоциирующее в воде с образованием ионов водорода. Основание -- вещество, содержащее ион гидрах- сила или гидроксильнув группу (ОН), которая при диссоциации данного вещества в водном растворе образует ион гидроксила. Согласно другому определение, кислота - донор протонов, а основание -- акцептор протонов. Кислота и основание, содержащее гидроксил, доит воду и соль:

NaOH + HCl ? NaCl + H2O

Соль - это соединение, образующееся в результате полного или частичного замещения атомов водорода кислоты металлом. При растворении соли в воде составляющие ее ионы диссоциируют, т.е. превращаются в свободные ионы.

Окислительно-восстановительные реакции

Все биологические процессы связаны с потреблением энергии. Источником энергии являются различные реакции. Большую часть необходимой энергии клетка получает за счет окисления питательных веществ в процессе дыхания.

Окисление можно описать как потерю электрона, а восстановление -- как получение электрона. В обычных окислительно-восстановительных реакциях эти два процесса происходят одновременно.

Окислительная или восстановительная способность определяется числом электронов, участвующих в окислении или восстановлении.

Окисление может происходить путем присоединения кислорода к веществу (собственно окисление), и путем отнятия водорода (дегидрирование). Второй вариант является самой распространенной формой биологического окисления.

Восстановление происходит в результате отщепления молекулярного кислорода, присоединения атома водорода или присоединения электрона.

Вода с растворенными в ней различными простыми солями - необходимая среда для химических процессов, из которых слагается жизнь. Жизнь включает всевозможные превращения множества разнообразных крупных молекул, главным элементом в которых является углерод.

Волькенштейн (1972): “Углерод - самый важный элемент на Земле. Я говорю о важности углерода для нас, для человечества. Наша жизнь - углеродная. Все биологически функциональные вещества, за исключением воды и некоторых солей, содержат углерод. Таковы белки, нуклеиновые кислоты, жиры, углеводы, гормоны, витамины, порфирины”.

Углерод имеет четыре электрона на незаполненной оболочке, но он не может образовывать ионы, отдав или приняв четыре электрона. Однако углерод такой мастер образовывать ковалентные связи, что сейчас известно более миллиона веществ, построенных на его основе. Особенно интересна уникальная способность атомов углерода вступать в ковалентную связь друг с другом, образуя молекулы в виде длинных цепей, прямых или разветвленных, колец и других более сложных структур. Эти углеродные цепи и кольца составляют “скелеты” органических молекул. Такие молекулы могут объединять самое различное число атомов углерода - от нескольких штук до сотен тысяч и даже миллионов.

Простейшими углеродными соединениями являются углеводороды, и простейшим среди них - метан CH4. Метан входил в состав первичной атмосферы Земли. Жизнь зародилась в этой атмосфере, и, возможно, метан был древнейшим родоначальником бесчисленных углеродсодержащих соединений, возникавших по мере развития жизни. В современных живых организмах обнаружено лишь несколько углеводородов (каучук, каротин).

Углеводороды представляют собой соединения, содержащие только атомы углерода и водорода - ряд метана: метан - CH4, этан - C2H6, пропан - C3H8, бутан - C4H10 и т.д. (Они называются также алканами).

Природный газ, получаемый из нефтяных и газовых скважин, обычно содержит около 85% метана. Газ, поднимающийся со дна болот, состоит из метана с небольшим количеством двуокиси углерода и азота.

В состав некоторых молекул углеводородов входят кольца атомов углерода.

Простейшим циклическим углеводородом является циклопропан C3H6, который может быть хорошим анестезирующим средством, но опасен: в смеси с воздухом он воспламеняется от электрической искры.

Циклогексан C6H12 - бесцветная жидкость, получаемая при перегонке нефти, используется в качестве растворителя.

Спирты образуются из углеводорода при замещении одного атома водорода на гидроксильную группу - OH:

из метана CH4 - метиловый спирт CH3OH, из этана C2H6 - этиловый спирт C2H5OH. Из двух молекул спирта получается эфир: диэтиловый эфир C2H5OC2H5

Органические кислоты имеют группу COOH и образуются при окислении спиртов: C2H5OH + O2 ? CH3COOH (уксусная кислота) + H2O.

Жирные кислоты представлены длинной последовательностью углеводородных групп: пальмитиновая (насыщенная): CH3 - (CH2)14 - COOH; олеиновая (ненасыщенная): CH3 - (CH2)7 - CH = CH - (CH2)6 - COOH.

К гетероциклическим относятся соединения, в которых один, или несколько атомов, входящих в цикл, не являются атомами углерода. Например у пиримидина и пурина в состав кольца входят атомы азота.

Пиримидин входит в состав транквилизаторов (седуксен, эленеум), алкалоидов (кокаин, никотин), пурин -- в состав молекулы кофеина (кофе). Производные этих соединений входят в состав нуклеотидов ДНК.

Изомерия. Молекулы разных веществ могут иметь один и тот же атомный состав, но при этом сильно разнящиеся свойства. Примером могут служить этиловый спирт и диметиловый эфир - оба C2H6O.

Понять изомерию можно, сопоставив их структурные формулы:

Этиловый спирт известен в незапамятных времен, воспет Анакреонтом, Омаром Хайямом, правда не в чистом виде, а как важнейшая часть благородного напитка - вина. Диметиловый эфир - такого интереса для человечества не представляет. Это газообразное вещество, с которым имеют дело только химики. (Не путать с диэтиловым эфиром, применяемым для наркоза).

По мере увеличения числа атомов углерода в углеводороде число изомеров резко возрастает. У нонана C9H20 - 35 изомеров, у триаконтана C30H62 - 4 111 846 763 изомера. Не то чтобы получить все эти изомеры, но даже изобразить все невозможно.

Ротамерия. Возникает в результате поворотов групп атомов вокруг центральной связи --C--C--. В отличие от изомеров ротамеры быстро превращаются друг в друга, так как повороты вокруг единичной связи происходят все время. Расчет показывает, что частота таких поворотов -- 1010 раз в секунду. Значит выделить ротамеры нельзя, но наблюдать их можно.

Ротамерия существенно сказывается на химических свойствах вещества. Различные ротамеры соответствуют разным конформациям молекулы. Так циклогексан C6H12 может иметь конформации, похожие на кресло и на ванну. Физические исследования показали, что циклогексан имеет форму кресла.

Конформационная химия - новая отрасль этой обширной науки. Особенно важны конформационные свойства молекул в химии и физике полимеров и в биологии.

Примером может служить полиэтилен--CH2--CH2--CH2--...

Молекула полимера принимает конформацию, в которой энергия всех слабых взаимодействий минимальна. Цепочка самопроизвольно переходит в состояние клубка, состояние наименьшей упорядоченности, которому отвечает наибольшая энтропия. На степень свертывания влияют валентные углы, наличие ротамеров, что увеличивает объем или длину клубка. Ротамеры взаимозависимы или, иными словами, состояния полимерных звеньев зависят друг от друга.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19