Концепции современного естествознания

По мере подъема пар становится все более насыщенным, затем конденсируется,

образуя дождевые и облачные капли. В процессе конденсации пара в тропосфере

за сутки выделяется около 1,6-1022 Дж теплоты, что в десятки тысяч раз

превосходит вырабатываемую человечеством энергию за то же время.

Если процесс перехода жидкости в пар происходит во всем объеме, то его

называют кипением. Разрыв пузырьков у поверхности кипящей жидкости

свидетельствует, что давление пара в них превышает давление над

поверхностью жидкости.

Поздней осенью, когда после сырой погоды наступает резкое похолодание, на

ветвях деревьев и на проводах можно наблюдать иней — это десублимировавшие

кристаллики льда. Подобное явление используют при хранении мороженого,

когда углекислота охлаждается, так как переходящие в пар молекулы уносят

энергию. На Марсе явления сублимации и десублимации углекислоты в его

полярных шапках играют такую же роль, что и испарение — конденсация в

атмосфере и гидросфере Земли.

5. в чем уникальность строения атома углерода и почему он так распространен

в соединениях. Почему нашу жизнь иногда называют углеродной.

С точки зрения химии жизнь — это всевозможные превращения разнообразных

крупных и сложных молекул, главным элементом которых является углерод. Он

важен не с точки зрения распространенности на Земле, в земной коре углерода

всего 0,055 %, в то время как кислорода 60,50 %, кремния 20,45 % и даже

титана 0,27 %. В атмосфере двуокиси углерода 0,03 %, т. е. углерода всего

0,008 %. Все биологически функциональные вещества, кроме нескольких солей и

воды, содержат углерод. Это белки, жиры, углеводы, гормоны, витамины. Число

соединений углерода огромно. Они называются органическими соединениями,

поскольку когда-то считалось, что такие молекулы могут образовываться

только в живых организмах.

Органическая химия посвящена изучению углерода и его соединений. Атомный

номер углерода — 6, его ядро содержит шесть протонов и шесть нейтронов,

вокруг ядра вращаются шесть электронов, масса атома С равна 12. При

химических реакциях углерод способен присоединить 4 электрона и образовать

устойчивую оболочку из восьми электронов, т. е. имеет валентность, равную

четырем, и способен к прочной ковалентной (присоединением электронов)

связи. Например, эмпирическая формула одного из таких прочных соединений —

метана — СН4, а в структурном изображении — это тетраэдр (четыре

симметричные связи углерода).

Уникальным свойством углерода является его способность образовывать

стабильные цепи и кольца, которые обеспечивают разнообразие органических

соединений, причем эти связи могут быть кратными. При этом важно

расположение атомов в пространстве, которое приводит к оптической

активности вещества, к отличию в повороте плоскости поляризации проходящего

света (рис. 1). Структурные формулы наглядно отражают связь формулы со

свойствами вещества, с их помощью стало возможным объяснение изомерии и

предсказание свойств неизвестных еще соединений.

Рис. 1. Способы соединения атомов углерода друг с другом Черточки со

свободными концами при каждом атоме углерода показывают, что он может

образовывать связи с атомами других элементов (обычно это водород,

кислород, азот, сера)

Зная валентность углерода, можно достаточно просто изобразить положение

всех недостающих водородных атомов, что позволяет сосредоточить внимание на

наиболее важных связях и химических группах. Такие прочные ковалентные

связи углерод может образовывать и с атомами других элементов (Н, О, Р, N,

S), и с углеродными (С-С связь). Внутреннее отличие органики от большинства

неорганических соединений выражается в том, что химические связи, как

правило, в органических соединениях валентные, а ионные связи — очень

редки. Поэтому углерод обладает этими уникальными свойствами, среди

которых еще не отмечена способность соединений углерода к полимеризации и

поликонденсации, а наша жизнь называется углеродной.

6. Преобразования энергии и круговорот веществ в природе. Чем они

отличаются и что между ними общего.

Биосфера представляет из себя единство живого и минеральных элементов,

вовлеченных в сферу жизни. Она распределена по земной поверхности крайне

неравномерно и в различных природных условиях принимает вид относительно

независимых комплексов — биогеоценозов (или экосистем). Живая часть

биогеоценоза — биоценоз - состоит из популяций организмов разных видов.

Одним из самых больших достижений науки в XX в. является выяснение

механизмов превращения энергии в биологических системах Сейчас уже понятно,

как солнечная энергия преобразуется в специальных пигментных структурах

растений в энергию химических связей, как превращаются вещества в процессах

брожения и гликолиза (окисление углеводов без кислорода), как происходит

внутриклеточное дыхание — перенос электронов в митохондриях от коферментов

к кислороду. В центре этих превращений в клетке находится АТФ, которая

синтезируется из АДФ и Н3РО4 за счет световой энергии или энергии,

выделяемой при гликолизе, брожении или дыхании. При гликолизе АТФ

выделяется энергия, необходимая для совершения всей работы живого организма

— от создания градиентов концентрации ионов и сокращения мышц до синтеза

белка.

Биосфера улавливает лишь небольшую часть солнечной энергии, поступающей на

Землю. Ультрафиолетовая часть солнечного излучения, которая составляет 30

% всей солнечной энергии, доходящей до Земли, практически полностью

задерживается атмосферой. Половина поступающей энергии превращается в тепло

и затем излучается в космическое пространство, 20% расходуется на испарение

воды и образование облаков и только около 0,02 % используется биосферой.

Зеленые растения усваивают эту энергию, поглощая молекул».) хлорофилла, и

процессе фотосинтеза преобразуют ее и запасают и форме сахарен. От этого

процесса зависит нее существование биосферы.

Животные, поедая растения, а хищники — травоядных животных, освобождают

для себя эту энергию, сжигая сахара и другие питательные вещества при

помощи кислорода. Переработка пищи в организмах сопровождается выделением

энергии, при этом часть ее запасается в форме химической энергии и

используется для совершения работы. В отличие от простейших существ, у

которых сжигание веществ может происходить в любой части организма, высшие

животные обладают специальной системой, распределяющей по организму

кислород и энергоносители. В легких кровь поглощает кислород и выделяет

углекислый газ, в кишечнике она получает питательные вещества. Процессы

переваривания пищи обеспечивают разложение сложных компонентов пищи на

более простые, которые усваиваются кишечником и поступают в кровь, при этом

высвобождается энергия. Конечные продукты обмена веществ (избыток солей,

воды, чужеродные и токсичные соединения) поступают через почки в мочу и

выводятся из организма.

Животные не получают необходимую им энергию непосредственно от Солнца.

Для добывания пищи им нужна сенсорная система ее обнаружения (глаза, уши,

нос или сонар — ультразвуковой локатор, иные органы) и мускульная система,

приводящая в движение их органы (руки, ноги, плавники, крылья и т.д.).

Кроме того, у растений и животных имеются регулирующие системы — железы,

выделяющие гормоны, и нервная система. В организме постоянно совершается

работа: перекачивается кровь, поглощаются питательные вещества, происходят

процессы возбуждения молекул, в которых запасается энергия, выводятся

отходы жизнедеятельности и вредные вещества и т. д. Для создания

упорядоченных систем (высокого уровня генетической или нервной организации)

тоже необходима энергия. Эффективное функционирование всех систем

обеспечивается также информацией о внешнем и внутреннем окружении. Работа

состоит в выработке сигналов, которые регулируют энергетические процессы,

организуют биоструктуры, контролируют расход энергии на разные раздражители

и т. п.

Удовлетворение энергетических потребностей организмов происходит в рамках

равновесия, которое устанавливается между различными организмами данной

среды обитания (экосистемы). Среди обитателей обычно выделяют два типа

организмов: одни способны непосредственно использовать солнечную энергию и

перерабатывать

в пищу вещества из неживой окружающей среды (автотрофы), другие зависят от

остальных производителей энергии, т. е. сами не производят необходимую им

пищу {гетеротрофы). Все элементы, из которых построены организмы,

многократно используются в биосфере, тем более, что масса всего живого,

когда-либо заселявшего Землю, много больше массы самой Земли. Обмен энергии

в биосфере отличается от круговорота веществ в ней. Частично энергия

рассеивается при переходе от продуцентов (зеленых растений) к травоядным, а

затем и к плотоядным животным (редуцентам), поэтому необходима постоянная

подпитка биосферы солнечной энергией.

Основу биосферы составляет биотический круговорот органических веществ

при участии всех населяющих ее организмов. В закономерностях этого

круговорота решена проблема развития и длительного существования жизни. Мы

не говорим "бесконечного", потому что все на земле имеет конец: сама Земля

представляет собой ограниченное тело, конечен запас минеральных элементов и

т. д. "Единственный способ придать ограниченному количеству свойство

бесконечного, — писал академик В. Р. Вильяме, — это заставить его вращаться

по замкнутой кривой. Зеленые растения создают органическое вещество,

незеленые разрушают его. Из минеральных соединений, полученных из распада

органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое

вещество и так без конца".

Жизнь на Земле идет именно таким путем. Каждый вид — это только звено в

биотическом круговороте. Непрерывность жизни обеспечивается процессами

синтеза и распада, каждый организм отдает или выделяет то, что используют

другие организмы. Особенно велика в этом круговороте роль микроорганизмов,

которые превращают остатки животных и растений в минеральные соли и

простейшие органические соединения, вновь используемые зелеными растениями

для синтеза новых органических веществ. При разрушении сложных органических

соединений высвобождается энергия, теряется информация, свойственная сложно

организованным существам. Любая форма жизни участвует в биотическом

круговороте, и на нем основана саморегуляция биосферы. Микроорганизмы при

этом играют двоякую роль: они быстро приспосабливаются к разным условиям

жизни и могут использовать различные субстраты в качестве источника

углерода и энергии. Высшие организмы не обладают такими способностями и

потому располагаются выше одноклеточных в экологической пирамиде, опираясь

на них, как на фундамент.

Биотический круговорот состоит из разных круговоротов, причем каждый

биоценоз представляет модель биосферы в миниатюре. Важны и исторические

факторы формирования биоценоза, и климат, и ландшафт, и многое другое.

Например, экосистема леса включает биоценозы различных типов лесов —

хвойные, лиственные, тропические, каждый из которых характеризуется своим

круговоротом веществ. В этом мне кажется проявляется отличие биотического

круговорота от круговорота энергии, второе отличие: по закону сохранения

энергии энергия не возникает ниоткуда и не уходит в никуда, т.е.

преобразование энергии вечно (именно в данном круговороте энергии), а

круговорот веществ в природе имеет свое окончание, как уже было сказано

выше.

7. Какие виды взаимодействий Вы знаете и какие из них играют важную роль в

повседневной жизни и почему.

В настоящее время известны четыре типа взаимодействий: гравитационные,

слабые, электромагнитные и сильные. Физике XVII—XVIII вв. были известны

только гравитационные взаимодействия. Было найдено, что гравитационные силы

прямо пропорциональны произведению масс и обратно пропорциональны квадрату

расстояния между массами. Мы постоянно ощущаем гравитацию в нашей жизни.

Гравитация (лат gravifas "тяжесть"), или тяготение, не очень существенна

при взаимодействии между малыми частицами, но она удерживает планеты, всю

Солнечную систему и галактики. По закону всемирного тяготения (открытого

Ньютоном), описывающему это взаимодействие в хорошем приближении, две

точечные массы притягивают друг друга с силой, направленной вдоль

соединяющей их прямой: Fгр= - Gm1*m2/r2

Знак минус указывает, что мы имеем дело с притяжением, r — расстояние

между телами (считается, что размер тел много меньше г), m1 и m2 — массы

тел. Величина G — универсальная постоянная, определяющая величину

гравитационных сил. Если тела массами в 1 кг находятся на расстоянии 1 м

друг от друга, то сила притяжения между ними равна 6,67-1011 Н. Если бы

величина G была больше, то увеличилась бы и сила. Утверждение об

универсальности постоянной G означает, что в любом месте Вселенной и в

любой момент времени сила притяжения между массами в 1 кг, разделенными

расстоянием в 1 м, будет иметь то же значение. Поэтому можно говорить об

универсальности постоянной G и о том, что она определяет структуру

гравитирующих систем.

Обратимся теперь к электромагнитному взаимодействию. И электрические, и

магнитные силы обусловлены электрическими зарядами. Силы взаимодействия

между зарядами сложным образом зависят от положения и движения зарядов.

Если два заряда e1 и е2, неподвижны и сосредоточены в точках на расстоянии

г, то взаимодействие между ними чисто электрическое и определяется простой

зависимостью (закон Кулона):

[pic]

Здесь сила электрического взаимодействия, направленная вдоль прямой,

соединяющей заряды, будет силой притяжения или отталкивания в зависимости

от знаков зарядов е1 и е2 Через ( обозначена универсальная постоянная,

определяющая интенсивность электростатического взаимодействия, ее значение

8,85 • 1012 Ф/м. Электрический заряд всегда связан с элементарными

частицами. Численная величина заряда наиболее известных среди них — протона

и электрона — одинакова: это универсальная постоянная, равная 1,6 *10 -19

Кл. Заряд протона считается положительным (обозначается е), электрона —

отрицательным.

Магнитные силы полностью порождаются электрическими токами — движением

электрических зарядов. Существуют попытки объединения теорий с учетом

симметрий, в которых предсказывается существование магнитных зарядов, но

они пока не обнаружены. Поэтому величина е определяет и интенсивность

магнитного взаимодействия.

Если электрические заряды движутся с ускорением, то они отдают энергию в

виде света, радиоволн или рентгеновских лучей. Видимый свет является

электромагнитным излучением определенного диапазона частот. Почти все

носители информации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют

Страницы: 1, 2, 3