Основы естествознания

1. Слабое и сильное ядерное взаимодействия

Слабое взаимодействие

К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается один из фундаментальных законов физики — закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она — нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

Но предсказание нейтрино — это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. Об их возникновении было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т. е. вместо одной частицы появляется три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10−16 см от источника, и потому оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

Сильное взаимодействие

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий — сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, — Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить; очевидно, необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Как и в случае слабого взаимодействия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т. е. примерно 10−13 см. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны неподвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.

Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 60-х гг., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков.

Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой — малого радиуса (сильное и слабое). Мир физических процессов развертывается в границах этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого — близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной.

2. Гипотезы зарождения жизни на Земле

Существует множество теорий происхождения жизни на Земле:

1. Самопроизвольное (спонтанное) зарождение

Теория очень древняя, распространенная еще в Китае, Египте и Вавилоне. Анаксимандр: из морского ила. В Греции она нашла проявление в учении Эмпедокла об органической эволюции. Ее же придерживался и Аристотель. Аристотель связывал все организмы в непрерывный ряд — «лестницу природы» (scala naturae): «Ибо природа совершает переход от безжизненных объектов к животным с такой плавностью поместив между ними существа, которые живут, не будучи при этом животными, что между соседними группами, благодаря их тесной близости, едва можно заметить различия». Согласно Аристотелю, определенные частицы вещества несут в себе «активное начало», способное в подходящих условиях создать живой организм. Это «начало», по мнению Аристотеля, можно обнаружить в оплодотворенном яйце, гниющем мясе, тине и солнечном свете: «Таковы факты — живое может возникать не только в результате спаривания животных, но и разложения почвы… Некоторые растения развиваются из семян, а другие самозарождаются под действием сил природы из разлагающейся земли или определенных частей растений…»

2. Все живое — из живого. Биогенез

На рубеже XVI—XVII вв. Ван Гельмонт описал эксперимент, в котором ему удалось из грязного белья и пшеницы, помещенных в темный шкаф, получить мышей. Активным началом зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот. В 1688 году флорентийский биолог и врач Франческо Реди провел более строгий эксперимент: в сосуды было помещено мясо, рыба, змеи, часть сосудов была запечатана, часть оставалась открытой. Выяснилось, что в запечатанных сосудах никакого зарождения не произошло, в открытых же завелись личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждавшие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). Ученый сформулировал свой знаменитый принцип (принцип Реди) — Omne vivum e vivo (все живое из живого). Но это означает, что жизнь — вечна.

В 1765 году Ладзардо Спалланцани подвергнул мясные и овощные отвары кипячению и сразу же запечатал их. Через несколько дней он исследовал отвары и не обнаружил никаких признаков жизни. Из этого он заключил, что высокая температура уничтожила все живое, и ничего нового уже не могло возникнуть. Окончательно теория самозарождения была повержена в опытах Луи Пастера, доказавшего справедливость теории биогенеза, т. е. происхождения жизни из предшествующей жизни.

Теория биогенеза порождает проблему. «Если для возникновения живого организма необходим другой живой организм, то откуда взялся самый первый живой организм?»

3. Теория занесения жизни на Землю из Космоса (теория панспермии)

Данная теория не предлагает никакого механизма возникновения жизни, просто выдвигая постулат о внеземном ее происхождении. Швед А. Аррениус считал, что «семена жизни» могли быть заброшены на Землю с других планет. Утверждается, что жизнь могла возникать неоднократно в различное время и в разных местах Вселенной. При изучении метеоритных материалов действительно были обнаружены некоторые вещества — предшественники живого, а также структуры, похожие на простейшие микроорганизмы. Однако трудно объяснить, как микроорганизмы способны сохранить свою жизнеспособность при столь длительных путешествиях, будучи не защищенными от ультрафиолетового излучения. Вероятно, они могли сыграть свою роль в зарождении или разнообразии земной жизни.

Но остается нерешенным вопрос — как зародилась жизнь на другом космическом теле, с которого «эмигрировали» эти споры.

4. Биохимическая эволюция

Исторически эта теория связывается с именем замечательного русского ученого А. И. Опарина: в 1924 Л. И. Опарин опубликовал работы: «От разрозненных элементов к органическим соединениям» и «От органического вещества к живому существу». Опарин высказал мнение, что в условиях первичной атмосферы Земли, значительно отличающейся от нынешней, мог происходить синтез всех необходимых для зарождения жизни веществ — предшественников. В далекие геологические эпохи условия на поверхности Земли резко отличались от современных.

Роль планеты Земля в развитии живого

А не могла ли возникнуть жизнь в холодных газопылевых облаках в далеком космосе, ведь и там обнаружены органические соединения — синильная кислота, формальдегид, метиламин, спирты.

В Галактике температура очень низка (3К), поэтому реакции образования полимеров идут очень медленно. Кроме того, сказывается отсутствие воды, которая служит катализатором реакций. На метеоритах находят аминокислоты, но опять же отсутствие воды не приводит к дальнейшей химической эволюции.

Вывод: для осуществления абиогенеза необходима планета, но не всякая, а на которой есть вода

Значит, планета должна быть теплой (температура 0−100^оС), планета должна быть в «шубе», т. е. окружена атмосферой. (Вспомним, что на Луне температура изменяется от +110^оС днем, -120^оС ночью). Атмосфера играет роль защитного экрана.

«Зеленая планета» — с атмосферой, гидросферой и «комфортными» условиями

Физико-химические предпосылки для зарождения жизни на Земле

Как известно, возраст Земли составляет примерно 5 млрд лет. Жизнь на Земле существует порядка 3,5−3,7 млрд лет. Так, признаки деятельности первых живых организмов обнаружены в докембрийских породах. Как видно, жизнь по «возрасту своему» является почти ровесницей Земли. Отсюда следует, что само происхождение жизни на Земле тесно связано с протеканием определенных химических процессов и реакций на поверхности нашей планеты.

Начальный этап этого процесса (появления жизни) связан с геологической эволюцией Земли. На первых этапах своей истории наша планета была очень горячей (4−8 тыс. °С). По мере остывания вследствие вращения атомы тяжелых элементов смещались к центру. На поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов, таких как углерод, азот, водород, кислород. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: метан, вода, двуокись углерода, аммиак, молекулярный водород, азот. В этой атмосфере присутствовали лишь следы свободного кислорода. Она была богата инертными газами: неоном, аргоном, гелием.

Физические и химические свойства воды (высокая теплоемкость, вязкость, полярность, агдезия, когезия, хороший растворитель и т. д.) и углерода (способность образовывать линейные соединения, трудность образования оксидов, способность к восстановлению, ковалентная связь) определили роль воды и углерода в зарождении жизни.

Образование простых органических соединений

Первичная атмосфера Земли на начальных этапах эволюции планеты носила восстановительный характер, поскольку практически не содержала свободного кислорода. Понижение температуры способствовало переходу некоторых газообразных соединений в жидкое и твердое состояния. При падении температуры поверхности Земли ниже 100 °C произошла конденсация водяных паров с сильнейшими ливнями и грозами. Это привело к образованию первичных водоемов. Активная вулканическая деятельность Земли выносила в водную среду наряду с другими соединениями множество соединений металлов с углеродом, карбидов. В результате соединения карбидов с водой образовывались углеводородные соединения. Теплая дождевая вода имела в своем составе углеводородные соединения, газы (СО₂, NН₃ и др.), соли, которые вступали в химические реакции. Образовывались и углеродисто-азотистые группы — N = С = NПостепенно в водной среде на поверхности нашей молодой планеты стали накапливаться простейшие органические соединения.

Образование сложных органических соединений

Следующий этап биогенеза характеризовался образованием уже более сложных органических соединений, созданием белковых веществ. Повышенная температура в водах океана, мощное ультрафиолетовое излучение Солнца (тогда озоновый слой отсутствовал), грозовые электрические разряды создавали мощный энергетический фон, благодаря которому простые молекулы органических веществ при взаимодействии с другими химическими соединениями и между собой постепенно усложнялись. Это усложнение привело к образованию различных полимеров: полисахаридов, аминокислот, жирных кислот, нуклеиновых кислот. Это предположение экспериментально было подтверждено американским ученым биологом С. Миллером в 1953 г. на специально сконструированной установке. При этом были получены сахара и целый ряд аминокислот. Позже в аналогичных экспериментах в условиях лаборатории была доказана возможность получения сложных биохимических соединений, в том числе и белковых молекул, а также азотистых оснований нуклеотидов. Данные опыты показали возможность образования молекул белка в искусственных условиях.

Образовавшиеся сложные органические вещества скапливались в водах первичного океана, особенно в его прибрежных, хорошо прогреваемых частях, образуя первичный «бульон». Его насыщению способствовала и деятельность подземных вулканов. В таком «бульоне» предположительно мог развиваться процесс образования сложных органических макромолекул.

Химический состав живой природы

Состав живых организмов насчитывает всего 16 химических элементов, в то время как неживая природа — более 110 элементов. Из 16 элементов живой природы четыре элемента — углерод, водород, кислород и азот — составляют 99% массы живого вещества. Связано это с особенностями физических и химических свойств этих элементов — валентностью, способностью образовывать прочные ковалентные связи между атомами. В живом организме главным элементом является углерод. В основе живого лежат углеродные соединения, где атомы углерода связываются между собой прочной ковалентной связью. Это обеспечивает стабильность и прочность как химического соединения, так и живого организма в целом. Атомы углерода способны образовывать длинные разветвленные цепочки как друг с другом, так и с атомами кислорода, водорода, азота. По существу, все живое — это «углеродные» тела. Раньше полагали, что молекулы углерода присущи только живому. Поэтому соединения углерода получили названия органических. В природе соединений углерода существует гораздо больше, чем соединений других элементов таблицы Менделеева, причем большая их часть не связана с живыми организмами.

В состав живого входят также такие макроэлементы, как фосфор, сера, калий, кальций, магний, железо, натрий. Они образуют группу так называемых биофильных элементов, или органогенов. Важное функциональное значение для организмов имеют и микроэлементы: кобальт, бор, цинк, молибден, йод, медь. Они составляют сотые и тысячные доли процента от массы организмов.

Мономеры и макромолекулы

Все живое состоит из различных малых органических молекул — мономеров. Объединяясь, мономеры образуют макромолекулы (их еще называют биологическими молекулами), представляющие собой полимерные цепочки. Мономеры складываются в определенную, конкретную молекулярную конструкцию, образуя при этом необходимый конкретный белок. Это значит, что процессы химической самоорганизации макромолекул играли ключевую роль в предбиологической эволюции.

Современная эволюционная химия как наука о самоорганизации и эволюции химических систем предпочтение в проблеме самоорганизации макромолекулярных структур в предбиологический период отдает катализу. Появление автокаталитических, а также повышение уровня информационных связей резко увеличило интенсивность упорядочения перехода материи от простых ко все более сложным, информационно насыщенным органическим соединениям. По мнению А. Руденко, эволюционирующими элементами в развитии предбиологических химических систем являются именно те структуры и соединения, которые резко усиливали действия катализаторов. В этом смысле биокатализ с участием ферментов тесно связан с проблемами биогенеза и происхождения жизни.

По мнению М. Эйгена, образование макромолекул и их эволюция связаны с неравновесным состоянием открытых живых систем. Обмен веществом и информацией с окружающей средой (метаболизм) можно рассматривать как совокупность химических реакций в живой системе (клетке). При этом молекулы-мономеры, переходя из окружающей среды в живую систему (организм), привносят в него определенную информацию. Последняя перерабатывается организмом и закрепляется в нем при процессах полимеризации и деструкции. Полимеризация идет путем самоинструктируемой репродукции образованных макромолекул. Если в живой системе скорость репродукции (воспроизведения) выше, чем скорость деструкции биополимеров, то макромолекулы растут; если нет, то они распадаются. Поступают в систему только те мономеры, которые преодолевают конкуренцию, поэтому они имеют определенную селекционную ценность для макромолекул. Таким образом, идет естественный отбор, то есть предшественниками живых систем, по-видимому, были лишь те макромолекулы, которые обладали определенными необходимыми свойствами. Следовательно, дарвинский естественный отбор уже проявил себя и на добиологической стадии развития материи.

В живых организмах важную роль играют три класса молекул — мономеров: аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды. Они служат строительным материалом для полимерных биологических макромолекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Размеры мономеров колеблются в диапазоне 0,5−1,0 нм, а макромолекул — 5−300 нм. Диаметр молекулы аминокислоты порядка 0,5 нм, хромосомы — примерно 1 нм, а атомов углерода и водорода — около 0,4 нм. Для сравнения средний диаметр соматической клетки 10−20 мкм, растительной — 30−50 мкм. Таким образом, атомы примерно в 100 000 раз меньше клетки.

Все живые организмы, их клетки, органеллы как субструктуры клеток, выполняющие специфические функции, являются в целом совокупностями макромолекул. Живые организмы содержат четыре основных класса биополимеров: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Они являются структурной основой всех живых организмов и играют важнейшую роль в процессах жизнедеятельности.

Белки — это высокомолекулярные органические соединения, макромолекулы которых построены из остатков 20 аминокислот (мономеров). Белки играют первостепенную роль в процессах жизнедеятельности всех живых организмов. Им свойственны разнообразные функции: структурная — построение клеток и тканей; регуляторная — ее выполняют некоторые из гормонов; защитная — выполняют антитела; транспортная — выполняет гемоглобин; энергетическая и т. д. Только в организме человека, например, насчитывается свыше 10 млн различных белков. Без белков невозможен обмен веществ. Биосинтез белков идет при участии нуклеиновых кислот. На долю белка приходится примерно 50% сухой массы всех органических соединений клетки.

Нуклеиновые кислоты, или полинуклиотиды. Эти биополимеры построены из большого числа остатков нуклиотидов и являются составной частью всех живых систем. Этим макромолекулам принадлежит ведущая роль в биосинтезе белков и передаче наследственных признаков организма. Эти кислоты сходны по своему составу и строению, но значительно различаются по молекулярному весу, который составляет диапазон от нескольких десятков тысяч до 150 млн. Существует 2 типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота — содержит генетическую информацию о последовательности аминокислот в полипептидных цепях и определяет саму структуру белков. РНК — рибонуклеиновая кислота несет ответственность за создание белков. Порядок расположения составляющих молекулы ДНК и РНК нуклеотидов определяет порядок расположения аминокислот, а также их воспроизведение в первичных структурах белков. Следовательно, через молекулы нуклеиновых кислот передается информация о различных наследственных свойствах структур живых организмов и идет реализация механизма наследственности.

3. Приведите пример нескольких химических соединений, являющихся изомерами

Для описания химического соединения часто бывает важным знание не только его состава, то есть записи его химической формулы, но и так называемой структуры. Говоря о структуре вещества, химики всегда имеют в виду его молекулярное строение. Под термином «структура» подразумевается расположение в пространстве атомов при образовании молекулы вещества. Для понимания этого концептуального для химии понятия важно рассмотреть молекулы с квантовых позиций.

Согласно современным представлениям, структура молекул — это пространственная и энергетическая упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Суть дела в том, что электроны, реализуя статистический набор состояний вблизи собственного атомного ядра при образовании химической связи, вступают во взаимодействие с электронами и ядрами других атомов и некоторые до этого статистически доступные «места» в пространстве занять не могут. Особенности фундаментального электромагнитного взаимодействия нескольких заряженных объектов микромира приводят к тому, что атомы в молекулах оказываются «локализованы» в строго определенных «местах», положение в пространстве которых можно рассчитать с помощью математического аппарата квантовой химии.

В современной химии разработана система наглядного изображения пространственных структур молекул, которая очень полезна как в процессе познания природы химических соединений, особенно в органической химии, так и для решения практических задач химического синтеза этих соединений. Начало изучению структуры органических соединений было положено в теории строения органических соединений, разработанной великим русским химиком А. М. Бутлеровым (1860 г.). Изучением пространственных структур химических соединений занимается современная наука стереохимия, являющаяся подразделом органической химии.

По типам среди структурных изомеров выделяют три группы:

1) соединения, содержащие различные функциональные группы и относящиеся к различным классам органических соединений:

2) соединения, отличающиеся углеродными скелетами:

3) соединения, отличающиеся положением заместителя или кратной связи в молекуле:

Пространственные изомеры (стереоизомеры). Стереоизомеры можно разделить на два типа: геометрические изомеры и оптические изомеры.

Геометрическая изомерия характерна для соединений, содержащих двойную связь или цикл. В таких молекулах часто возможно провести условную плоскость таким образом, что заместители у различных атомов углерода могут оказаться по одну сторону (цис-) или по разные стороны (транс-) от этой плоскости. Если изменение ориентации этих заместителей относительно плоскости возможно только за счет разрыва одной из химических связей, то говорят о наличии геометрических изомеров. Геометрические изомеры отличаются своими физическими и химическими свойствами.

Оптическими изомерами называют молекулы, зеркальные изображения которых несовместимы друг с другом.

ядерный взаимодействие изомер химический

1. Концепции современного естествознания: уч. пособие / В. М. Найдыш. — М.: Гардарики, 2001. — 476 с.

2. Концепции современного естествознания: уч. пособие / под ред. проф. С. И. Самыгина. — 4-е изд., перераб. и доп. — Ростов н/Д.: Феникс, 2003. — 448 с.

3. Общая органическая и неорганическая химия: пособие для поступающих в вузы / А. В. Бабков, В. А. Попков. — М.: Дрофа, 203. — 576 с.