Закон природы
1. Поясните, как изменились представления о пространстве и времени с созданием теории относительности. Что понимается под понятием «закон природы»? Чем отличается закон природы от закона, установленного государством?
Теория относительности состоит из двух частей – частной (специальной) теории относительности и общей теории относительности.
Специальная теория относительности была созданна в начале ХХ века для описания движений со скоростью, близкой к скорости света. При такой скорости, называемой еще релятивитской, законы природы становятся другими, не такими, как мы привыкли их видеть.
Когда только изобрели паровоз, то многие думали, что при той скорости, с которой он движется, люди будут сходить с ума. Сейчас такое предположение кажется смешным, но на самом деле, когда вступаешь в неизведанное, вполне разумно опасаться чего-то необычного. С паровозами опасения оказались напрасны. Сейчас люди перемещаются с гораздо большими скоростями, и ничего с ними не происходит.
Скорость света составляет 300 000 км/с или примерно миллиард километров в час. Ясно, что все привычные людям движения происходят намного медленнее. Иными словами, мы никогда не сталкивались с такими скоростями и не знаем, что будет тогда происходить. Оказалось, что тут, в отличие от скорости паровоза, подозрения оправданы: при релятивистских скоростях происходят новые явления.
Среди этих явлений есть много весьма необычных: время замедляет свой ход, длины сокращаются, а двигаться быстрее света оказывается вообще невозможно.
Это настолько непривычно, что многие люди до сих пор не могут себе такого вообразить и поверить в то, что это правда. Однако это, скорее всего, правда. Более того, эта правда довольно-таки красива, так как все чудеса теории относительности оказываются совершенно обычными вещами, если предположить, что наше пространство четырехмерно.
Четырехмерное пространство – это пространство, в котором есть четыре перпендикулярных направления. В том пространстве, которое мы привыкли себе воображать – измерения три. Верх-низ, право-лево, перед-зад. В четырехмерном пространстве добавляется еще одно измерение – будущее-прошлое.
Оказывается, мы можем не только двигаться во времени с постоянной скоростью, рождаясь и взрослея, но еще и немного отворачиваться от прямого пути. Такое происходит всегда, когда мы движемся, однако вещи начинают заметно искажаться только, если мы движемся очень быстро, с релятивистской скоростью.
Общая теория относительности также была создана в начале 20-го века. Ее задача – объяснить силу всемирного тяготения (гравитацию), которая прижимает нас к Земле и которая отвечает за движение планет и звезд, пронизывая весь космос.
Было замечено, что притяжение Земли очень похоже на силу инерции, которая прижимает нас к сиденью ускоряющегося автомобиля. Настолько похоже, что даже непонятно, чем они отличаются. Было выдвинуто предположение, что эти силы – одной и той же природы, и это предположение оказалось очень плодотворным.
Оказалось, что любое массивное тело, например, планета Земля, искривляет пространство вокруг себя в результате чего и возникает притяжение. Все предметы стремятся двигаться по прямой, но когда искривлено само пространство – их тянет в бок.
Закон природы – «правила» гармонии окружающего мира между различными уровнями природы и человеком.
Закон природы от закона, установленного государством отличается тем, что закон природы создан самой природой, установленный государством – человеком.
Законы природы – объективно существующие, общие, устойчивые связи вещей, явлений природы, которые существенно влияют на изменения вещей, явлений. Законы природы являются созиданием.
2. Дайте общую характеристику кометам. Назовите наиболее известные из них. Период обращения Сатурна вокруг Солнца равен 29,46 земного года, а Марса – 1,88 земного года. На каком расстоянии от Солнца находится Сатурн, если Марс удален в среднем на 228 млн. км?
Кометы – это наиболее необычные по своему виду небесные объекты, которые иногда доступны для наблюдений невооруженным глазом. Они привлекали внимание человека с глубокой древности. Вместе с астероидами и метеорными телами их относят к малым телам Солнечной системы. Характерной особенностью комет является то, что при сближении с Солнцем у них появляется и увеличивается хвост, направленный всегда в сторону от Солнца. Кометы – тела Солнечной системы, имеющие вид туманных объектов, обычно со светлым сгустком-ядром в центре и хвостом. Вдали от Солнца у комет нет никаких атмосфер и они ничем не отличаются от обычных астероидов. При сближении с Солнцем на расстояния примерно 11 а.е. у них сначала появляется газовая оболочка неправильной формы (кома). Кома вместе с ядром (телом) называется головой кометы. В телескоп такая комета наблюдается как туманное пятнышко и ее можно отличить по виду от какого-нибудь удаленного звездного скопления только по заметному собственному движению. Затем, на расстояниях 3–4 а.е. от Солнца у кометы, под действием солнечного ветра, начинает развиваться хвост, который становится хорошо заметным на расстоянии менее 2 а.е.
Ученые пришли к выводу, что молекулы кометных атмосфер резонансно переизлучают солнечный свет. Механизм свечения газов в кометах аналогичен тому, который вызывает свечение люминесцентных ламп дневного света или разноцветных ламп в витринах магазинов, вывесках и т.п. Это – резонансная флоуресценция, которая является частным случаем общего механизма люминесценции. Однако есть и другие виды свечения кометных газов, которые не могут быть объяснены резонансной флоуресценцией (например, зеленая и красная запрещенные линии кислорода, которые наблюдаются также в спектрах полярных сияний, красная линия атомарного водорода и ряд других). Причины их возникновения до конца не ясны, но уже понятно, что они возникают при взаимодействии комет с солнечным ветром – потоком заряженных частиц (в основном протонов и электронов), вытекающим из Солнца со скоростью 350–400 км/с, а также с силовыми линиями межпланетного электромагнитного поля.
Короткопериодических комет сейчас известно более 200. Как правило, их орбиты расположены очень близко к плоскости эклиптики. Все короткопериодические кометы являются членами разных кометно-планетных семейств. Самое большое такое семейство принадлежит Юпитеру, – это кометы (их известно около 150), у которых афелийные расстояния (от Солнца до точки наибольшего удаления) близки к большой полуоси орбиты Юпитера равной 5,2 а.е. Периоды обращения вокруг Солнца комет семейства Юпитера заключены в пределах 3,3 – 20 лет (из них наиболее часто наблюдаемые – Энке, Темпеля-2, Понса – Виннеке, Фая и др.). У других крупных планет семейства комет существенно меньше: сейчас известно около 20 комет семейства Сатурна (Тутля, Неуймина-1, Ван Бисбрука, Гейла и др. с периодами обращения вокруг Солнца в 10–20 лет), всего несколько комет семейства Урана (Кроммелина, Темпеля-Тутля и др. с периодами обращения 28–40 лет) и около 10 – семейства Нептуна (Галлея, Ольберса, Понса-Брукса и др. с периодами обращения 58–120 лет).
При решении проблемы о происхождении комет нельзя обойтись без знания химического состава вещества их ядер. Предположение о том, что причиной увеличения яркости комет и появления у них хвостов при сближении с Солнцем является присутствие льдов в их ядрах было высказано С.К. Всехсвятским в 1948 г., хотя близкие по смыслу идеи высказывались еще П.С. Лапласом и Ф. Бесселем. Подробная модель кометных ядер была предложена Ф. Уипплом двумя годами позже. Согласно этой модели ядро кометы представляет собой ком из «грязного снега», то есть сравнительно рыхлое образование из комков льдов разного состава (воды, аммиака, метана и углекислого газа) смерзшиеся с пылью и отдельными фрагментами горных пород. Возрастание блеска кометы объясняется ее нагреванием при сближении с Солнцем и потерей массы ее ядром вследствие испарения (точнее сублимации, то есть переходом вещества из твердой фазы сразу в парообразную, минуя жидкую). Если у новых или «молодых» комет, которые совершили всего одно или несколько прохождений через перигелий этот процесс идет очень интенсивно, так как они состоят из реликтовых (неизмененных) льдов, то у «старых» комет при возвращениях к Солнцу испарение вещества все больше замедляется по причине накопления на поверхности их ядер тугоплавких частичек (пыли и более крупных силикатных фрагментов) и образования защитной корки, которая предохраняет оставшийся под ней лед от дальнейшего испарения. Если исходить из модели Уиппла, то льды разных летучих соединений должны были бы испаряться с разными скоростями и, что самое главное – при разных температурах, а значит, на разных расстояниях от Солнца. Но это не было подтверждено спектральными наблюдениями. Поэтому в 1952 г. модель Уиппла была усовершенствована П. Свингсом и А. Дельземом. Они предположили, что в кометные ядра входят не чистые льды различных летучих соединений веществ, а их гидраты. В каждое из таких соединений наряду с «родительской» молекулой данного вещества входят и несколько молекул воды, число которых определяется свойствами «родительской» молекулы. Такие сложные гидраты могут образовываться в космическом вакууме при очень низких температурах. По физическим свойствам все они очень похожи и, в частности, испаряются примерно при одинаковой температуре и с близкими скоростями. Наиболее правдоподобной для «новых» комет в настоящее время считается модель, в которой ядро кометы представляется как очень рыхлое образование, типа гигантского снежного кома. После многократных прохождений вблизи Солнца «новая» комета стареет, то есть ее ядро уменьшается в размерах за счет потери большей части летучих соединений и покрывается коркой из нелетучих соединений. С другой стороны, ядра «старых» комет, к которым относится и комета Галлея, хорошо описываются «пятнистой» моделью. Название этой модели связано с предположением о том, что в поверхностной теплоизолирующей корке имеются дыры, трещины или другие обнажения подкоркового вещества с высоким содержание летучих соединений, из которых происходит интенсивная сублимация этих веществ, вплоть до истечения газовых струй, способных вызывать реактивные ускорения кометного ядра.
3. Какими свойствами обладают продольные и поперечные волны? Почему свет проявляет свойства и волны и частицы?
В физике мы имеем дело с волнами различной природы: механическими, электромагнитными и т.д. Несмотря на отличия, эти волны имеют много общих черт. Волны, рассматриваемый параметр которых (смещение молекул, механическое напряжение, и т.д.) изменяется периодически вдоль оси распространения, называются продольными волнами. Если колебания происходят перпендикулярно оси распространения волны (как у электромагнитных волн, например), то такие волны называются поперечными.
Если взаимосвязь между частицами среды осуществляется силами упругости, возникающими вследствие деформации среды при передаче колебаний от одних частиц к другим, то волны называются упругими. К ним относятся звуковые, ультразвуковые, сейсмические и др. волны.
В поперечной волне колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Как и в случае продольных волн амплитуды колебаний всех шариков одинаковы, а фаза линейно изменяется от шарика к шарику1.
Свет одновременно имеет свойства и волны, и частицы. В своем волновом проявлении свет демонстрирует интерференцию и преломление, явления вполне моделируемые и предсказуемые. Манипулируя разностью фаз двух волн, можно добиться эффекта взаимопоглощения волн, и образованные таким способом «тени» будут иметь длины гораздо меньше длин исходных волн. А образы для литографии можно формировать именно такими тончайшими «тенями».
Рис. 1 Свет может изгибаться и вращаться
Принято считать, что фотон – элементарная световая частица, обладающая определенной энергией.
Вернее будет исключить отсюда понятие частицы и сказать, что фотон (квант) – это условная единица энергии световой волны, т.е. световую волну поделили на «участки» с равными энергиями (рис. 1). Становится понятным, почему свет проявляет свойства «частиц» (ведь, как бы того ни хотели физики, волна никак не может быть частицей).
Свет проявляет свойства материальных частиц в следующих (в частности) взаимодействиях (наблюдениях): фотоэлектрический эффект, давление света, эффект Комптона, люминесценция, фотохимические превращения.
Свет проявляет свойства волны (электромагнитного поля) в следующих процессах: интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия.
4. Как изменяются кинетическая, полная и потенциальная энергии планеты при ее движении вокруг Солнца? В какое время линейная скорость движения Земли по орбите и почему?
Кинетическая энергия Солнца, представленного в виде вращающейся сферы с массой, сосредоточенной в основном в оболочке.
Кинетическая энергия движения всех планет Солнечной системы без учета кинетических энергий вращения планет вокруг собственных осей и энергии движения Плутона равняется:
где M>n> – масса n-ой планеты;
v>n> – орбитальная скорость n-ой
планеты.
Учтем, что при рождении планеты
и переходе через солнечную оболочку ее
зародыша происходит скачок гравитационного
потенциала в 4 
.
Приравнивая вышеприведенные формулы
с учетом этого скачка, получим для закона
сохранения кинетической энергии в
Солнечной системе следующее выражение:
Погрешность при расчете по этой
формуле составляет 5.4%. Поэтому
следует учесть и кинетическую энергию
вращения планет, которая составляет
8.42 
1034 Дж.
Эта энергия не связана со скачком
потенциала 4 .
Тогда окончательно имеем:
где v>оn> – экваториальная скорость вращения n-ой планеты.
Закон сохранения полного момента количества движения в Солнечной системе без доказательства следует из следующего выражения:
Расчет по этой формуле дает
ошибку в 1.6%.
Принципиально не
важна последовательность рождения
планет, а важно только то обстоятельство,
что каждое новое рождение планеты
связано с переходом через оболочку
порождающей ее звезды или планеты.
По-видимому, внутренние планеты были
сформированы непосредственно Солнцем,
а внешние планеты Юпитер и Сатурн
сформировались совместно в процессе
рождения Солнца путем распада их общей
оболочки на три независимых пузыря.
Изменение потенциальной энергии системы, взятое с обратным знаком, равно работе внутренних консервативных сил:
– DEп = Aкс
Согласно второму закону Кеплера, каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причем площадь сектора орбиты, описанная радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени. Применительно к нашей Солнечной системе, с этим законом связаны два понятия: перигелий – ближайшая к Солнцу точка орбиты, и афелий – наиболее удаленная точка орбиты. Тогда можно утверждать, что планета движется вокруг Солнца неравномерно: имея линейную скорость в перигелие больше, чем в афелие.
5. Какие типы связей имеют место в кристаллах? Опишите модификации углерода. Почему столь многообразны соединения углерода? Какие особенности строения атома углерода определили его роль в живой природе?
В кристаллах имеют место следующие типы связей:
Ковалентная связь;
Ионная связь;
Металлическая связь;
Молекулярная связь;
Водородная связь.
Рассмотрим их подробнее.
Ковалентная связь
Нейтральные атомы размещены в узлах кристаллической решётки. Связь образуется направленными валентными электронными облаками.
Связь, объединяющая в кристалле (а также и в молекуле) нейтральные атомы, называется гомеополярной или ковалентной. Силы взаимодействия при гомеополярной связи имеют, как и в случае с гетерополярной связью, электрический (но не кулоновский) характер. Гомеополярная связь осуществляется электронными парами. Это означает, что в обеспечении связи между двумя атомами участвует по одному электрону от каждого атома. По этой причине гомеополярная связь имеет направленный характер.
Кристаллы с ковалентной связью диэлектрики или полупроводники. Типичными примерами атомных кристаллов могут служить алмаз, германий и кремний.
Ионная связь
В узлах кристаллической решетки помещаются положительно и отрицательно заряженные ионы.
Силы взаимодействия между узлами являются в основном электростатическими (кулоновскими). Связь между такими частицами называется гетерополярной или ионной.
Кристаллы с ионной связью при низких температурах являются диэлектриками. При тепературах близких к температуре плавления они становятся проводниками электричества. Примером кристаллов с ионной решёткой являются кристаллы каменной соли (NaCl).
Металлическая связь
Во всех узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решетка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть.
Большинство металлов имеет кристаллические решетки одного из трёх типов: кубическую объёмно-центрированную, кубическую гранецентрированную и, так называемую, плотную гексагональную.
По схемам металлических кристаллических решеток видно, что кубическая гранецентрированная и плотная гексагональная решётки соответствуют наиболее плотной упаковке одинаковых шаров (частиц). Кристаллы с металической связью являются проводниками. Они часто плаcтичны, так как при смещении атомов друг относительно друга не происходит разрыв связей.
Молекулярная связь
В узлах кристаллической решетки помещаются определенным образом ориентированные молекулы. Силы связи между молекулами в кристалле имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящие к отклонению газов от идеальности. По этой причине их называют ван-дер-ваальсовскими силами.
Для кристаллов с молекулярными связями характерны низкие температуры плавления и высокая сжимаемость.
Водородная связь
Особая разновидность молекулярной связи – водородная связь. Это самая сильная молекулярная связь. При определённых условиях атом водорода может быть связан довольно прочно с двумя другими атомами. Имея лишь одну стабильную орбиталь, атом водорода способен образовывать только одну ковалентную связь. Эта связь может, однако, резонировать между двумя положениями. Наибольшее значение имеют те водородные связи, которые образуются между двумя сильно электроотрицательными атомами, в особенности между атомами азота, кислорода и фтора.
Водородные связи, образуемые молекулами воды, обусловливают удивительно высокие точки плавления льда и кипения воды, существование максимума плотности воды, расширение воды при замерзании. Многие особые свойства неорганических и органических молекул, например димеризация жирных кислот, объясняются образованием водородных связей. Водородная связь – особенно важная структура белков особенность белков и нуклеиновых кислот.
Молекулярные связи образуют, например, следующие вещества: H>2>, N>2>, O>2>, CO>2>, H>2>O.
Типы химической связи – это удобное упрощение. Более точно поведение электрона в кристалле описывается законами квантовой механики. Говоря о типе связи в кристалле, необходимо иметь в виду следующее: связь между двумя атомами никогда полностью не соответствует одному из описанных типов. В ионной связи всегда присутствеет элемент ковалентной связи и т.п.
Многообразие соединения углерода связано с тем, что в сложных веществах связь между разными атомами может быть разного типа. Так например, в кристалле белка связь в молекуле белка ковалентная, а между молекулами (или разными частями одной молекулы) водородная.
Существуют четыре аллотропных модификации углерода: алмаз, графит, карбин и букибол.
Кристаллическая решетка алмаза состоит из атомов углерода, соединенных между собой очень прочными s-связями. В кристалле алмаза все связи эквивалентны и атомы образуют трехмерный каркас из сочлененных тетраэдров. Алмаз – самое твердое вещество, найденное в природе.
Графит представляет собой темно-серое с металлическим блеском, мягкое, жирное на ощупь вещество. Хорошо проводит электрический ток. В графите атомы углерода расположены в параллельных слоях, образуя гексагональную сетку. Внутри слоя атомы связаны гораздо сильнее, чем один слой с другим, поэтому свойства графита сильно различаются по разным направлениям.
Карбин – получен искусственным путем. Существует два вида карбина: поликумулен =С=С=С=С= и полиин – C=C-C=C-C=C –.
Букибол – получен в 1985 г., имеет сферическую форму (как футбольный мяч), состоит из 60 или 70 атомов углерода.
Углерод в виде сажи, кокса, древесного угля, костных углей широко используется в металлургии, синтезе органических веществ, как топливо, в быту.
Особенности строения углерода. Соединения, в состав которых входит углерод, называются органическими.
Кроме углерода, они почти всегда содержат водород, довольно часто – кислород, азот и галогены, реже – фосфор, серу и другие элементы. Однако сам углерод и некоторые простейшие его соединения, такие как оксид углерода (II), оксид углерода (IV), угольная кислота, карбонаты, карбиды и т.п., по характеру свойств относятся к неорганическим соединениям.
В атоме углерода можно увеличить число неспаренных электронов на внешнем втором слое, если распарить электронную пару 2s-подуровня, «выселив» электрон в свободную атомную орбиталь на р-подуровне. Тогда атом углерода сможет образовать четыре связи с другими атомами, проявляя валентность IV.
6. Поясните принцип неопределенности, понятия детерминизма и индетерминизма. Как изменились представления о случайном и закономерном? Поясните роль прибора в квантовой механике
Принцип неопределенности Гейзенберга указывает естественный предел познания микромира. Ошибка в измерении количества движения, то есть импульса частицы, и погрешность измерения ее координаты оказываются связанными постоянной Планка, и любые попытки повысить точность измерения импульса приводят к росту погрешности определения координаты, и наоборот. Так проявляется антиномия «волна – частица» в квантовой физике. Возникает неустранимая неопределенность из-за влияния наблюдателя на наблюдаемый процесс. Возникает двунаправленный поток информации между субъектом и объектом исследования. В этой квантовой капле микромира отражаются проблемы познания сложных макросистем, грубо, искаженно, но отражаются.
Детерминизм и индетерминизм – противоположные философские концепции по вопросу о месте и роли причинности. Детерминизмом называется учение о всеобщей, закономерной связи, причинной обусловленности всех явлений. Последовательный детерминизм утверждает объективный характер причинности. Для индетеминизма характерно отрицание всеобщего характера причинности (в крайней форме – отрицание причинности вообще). Идеи детерминизма появляются уже в древней философии, получая свое наиболее яркое выражение в античной атомистике. Дальнейшее развитие и обоснование детерминизма получает в естествознании и материалистической философии нового времени (Ф. Бэкон, Галилей, Декарт, Ньютон, Ломоносов, Лаплас, Спиноза, французские материалисты 18 в.). В соответствии с уровнем развития естествознания детерминизм этого периода носит механистический, абстрактный характер. Это находит свое выражение в абсолютизации формы причинности, описываемой строго динамическими законами механики, что ведет к отождествлению причинности с необходимостью и отрицанию объективного характера случайности. Наиболее выпукло такая точка зрения была сформулирована Лапласом (отсюда др. наименование механического детерминизма – лапласовский детерминизм), считавшим, что значение координат и импульсов всех частиц во вселенной в данный момент времени совершенно однозначно определяет ее состояние в любой прошедший или будущий момент. Развитие науки отвергло лапласовский детерминизм не только в органической природе и общественной жизни, но и в сфере физики. Установление соотношения неопределенностей в квантовой механике показало его несостоятельность, но вместе с тем было истолковано идеалистической философией в духе индетерминизма (выводы о «свободе воли» электрона, об отсутствии причинности в микропроцессах и т.д.).
Диалектический материализм преодолевает ограниченность механистического детерминизма и, признавая объективный и всеобщий характер причинности, не отождествляет ее с необходимостью и не сводит ее проявление только к динамическому типу законов (Статистическая и динамическая закономерность).
Индетерминизм (от латинского in – приставка, означающая отрицание, и детерминизм), философское учение, отрицающее объективность и всеобщность причинной связи природных или социальных явлений, а также причинное объяснение в науке. Применительно к объяснению человеческого поведения индетерминизм рассматривает волю как самостоятельную автономную силу, признавая ее абсолютную свободу.
Классическая физика предполагает, что характеристики объекта – скорость, координаты, импульс и т.д. – существуют как бы сами по себе вне зависимости от их измерения, то есть как объективные для данной системы свойства. С точки зрения квантовой физики у микрообъекта до измерения объективно нет таких характеристик – они появляются только в процессе взаимодействия частицы с макротелом – прибором. Этот процесс взаимодействия частицы с прибором в квантовой механике определяется как «затвердевание» частицы, которая обычно рассматривается как волна.
Представления о случайном и закономерном изменялись на протяжении всего времени.
Так, концепция постепенных изменений противоречит известным биологическим фaктaм. Но и предстaвление о быстрых изменениях стaлкивaется с нерaзрешимой проблемой ничтожной вероятности случaйного совпaдения одновременных блaгоприятных мутaций.
Абсолютно случайные события, то есть события, происходящие без причин, существуют. Неуместно задавать вопрос: «почему такое событие произошло?», так как оно произошло без причины. Осуществление случайного события всегда ведет к появлению нового качества, новой информации.
Детерминированные события, то есть события необходимые, существуют. Неуместно задавать вопрос: «почему необходимое событие произошло?», так как оно необходимо. Осуществление детерминированного события всегда ведет к изменению количества.
Подобное представление о необходимом и случайном может оказаться полезным при серьезном анализе понятия «время».
7. Поясните процессы в расплавах и растворах. Почему при растворении обычно температура понижается? Каковы особенности растворения в воде? Какую роль играют гидрофильные и гидрофобные процессы в живых организмах?
Рассмотрим процессы, происходящие в расплавах. Стоит говорить о двух типах зарождения магм, на разных уровнях Земли, в разных геодинамических условиях: первые – основные и ультраосновные базальтоидные, возникшие на ранних этапах развития планеты в условиях развития мантийного вещества, в образование которого ведущая роль, повидимому, принадлежало плазме, коллапсу и другим термоядерным процессам. Вторые – расплавы кислого и среднего состава, возникшие многократно на разных уровнях земной коры, путем плавления пород, при складкообразовании.
Температура при растворении понижается, это означает что тепловой эффект растворения положителен.
Самая удивительная особенность воды – ее способность растворять другие вещества. Способность веществ к растворению зависит от их диэлектрической постоянной. Чем она выше, тем больше способно вещество растворять другие. Так вот, для воды эта величина выше, чем для воздуха или вакуума в 9 раз. Поэтому пресные или чистые воды практически не встречаются в природе. В земной воде всегда что-то растворено. Это могут быть газы, молекулы или ионы химических элементов. Считается, что в водах Мирового океана могут быть растворены все элементы таблицы периодической системы элементов, по крайней мере, на сегодня их обнаружено более 80.
Гидрофильные процессы играют важную роль в поддержании онкотического давления.
Гидрофобные процессы играют важную роль образовании пространственной структуры казеина.
8. Опишите функции клеточных мембран. Что такое «ионный насос»? Охарактеризуйте строение и биологическое значение АТФ, почему АТФ называют основным источником энергии в клетке?
Не останавливаясь подробно на строении мембран, можно лишь подчеркнуть, что, несмотря на существование многочисленных моделей мембран и различия в их некоторых деталях, все они основываются на представлениях о мембране как о жидком бислое определенным образом ориентированных фосфолипидных молекул, в который вмонтированы собранные в сетку-каркас белки. Согласно этой жидкостно-мозаичной гипотезе строения, мембрана состоит из бислоя липидных молекул, которые повернуты друг к другу гидрофобными концами, жестко не закреплены и постоянно меняются местами в пределах одного монослоя или путем перестановки двух липидных молекул из разных монослоев.
В жидкие слои липидов погружены специализированные белковые комплексы, называемые интегральными белками. С внутренней поверхности мембраны к некоторым интегральным белкам прикрепляются периферические белки. Интегральные липопротеиды удерживаются в бислое гидрофобными связями, а периферические гидрофильные белки на внутренней и внешней поверхностях мембран – электростатическими связями, взаимодействуя с гидрофильными головками полярных фосфолипидов. Короткие углеводные цепи присоединены к белкам с внешней стороны плазматической мембраны.
Таким образом, динамические свойства мембраны обусловлены подвижностью ее молекулярной организации. Белки и липиды взаимосвязаны в мембране непостоянно и образуют подвижную, гибкую, временно связанную в единое целое структуру, способную к структурным перестройкам. При этом изменяются, например, взаиморасположение компонентов мембраны, конформация белков, конфигурация липидов. Молекулярные сдвиги и структурные перестройки в молекулах мембранных компонентов оказывают глубокое влияние на все формы функциональной активности биологических мембран.
Основные функции клеточных мембран заключаются в отделении содержимого клеток от внешней среды, в создании внутренней архитектуры клетки, поддержании градиента концентраций и электрохимического градиента, осуществлении транспорта веществ. Это барьерная, транспортная, осмотическая, структурная, энергетическая, биосинтетическая, секреторная, рецепторно-регуляторная и другие функции.
Благодаря барьерной функции мембран, окружающих клетку снаружи или ее отдельные отсеки (компартменты), в клетке и ее органоидах создается гетерогенная физико-химическая среда, и на разных сторонах мембраны происходят разнообразные, часто противоположно направленные биохимические реакции. Наряду с барьерной функцией мембраны осуществляют и трансмембранный перенос ионов и различных метаболитов в ходе пассивного (по химическому и электрохимическому градиентам) или активного транспорта (против электрохимического градиента с затратой энергии).
Осмотическая функция мембран связана с регуляцией водного обмена клетки. Благодаря структурной функции поддерживается основа мембран и упорядоченно располагаются полиферментные комплексы, контактирующие с фосфолипидами. Для этого контакта и сохранения активности ферментов важно, чтобы находящиеся в непрерывном движении липиды находились в жидком агрегатном состоянии. «Затвердевание» липидов, связанное с качественными перестройками в их жирнокислотном составе, приводит к нарушению липидного окружения белков-ферментов, в результате чего их функции нарушаются.
Энергетическая функция мембран определяется аккумуляцией и трансформацией энергии. Наиболее эффективно она осуществляется в мембранах митохондрий и хлоропластов, где синтез АТФ сопряжен с образованием электрохимического мембранного потенциала ионов Н+.
Биосинтетическая функция связана с синтезами различных веществ. Особенно широкий спектр синтезов представлен в мембранах эндоплазматического ретикулума (ЭР). В ЭР происходит синтез мембранных белков и липидов (фосфолипидов, жирных кислот), углеводов, терпеноидов. Участие в секреторных процессах также характерно для мембран. Так, плазмолемма активно взаимодействует с везикулами, производными аппарата Гольджи и ЭР.
Рецепторно-регуляторная функция определяется наличием в мембранах хемо-, фото- и механорецепторов белковой природы, воспринимающих сигналы из внешней и внутренней среды и способствующих возникновению ответных реакций на изменение условий существования. Мембраны клеточных компонентов генетически связаны между собой и способны взаимопревращаться и переходить из одного компартмента в другой. Так, мембраны вакуолей, пластид, митохондрий являются производными мембран ЭР. Последний связан непосредственно с ядерной мембраной и опосредованно (через мембраны аппарата Гольджи) с плазмалеммой.
На основании данных о взаимодействии мембранных компонентов в настоящее время выдвинута концепция эндомембранной системы. Наличие эндомембранной системы, указывающее на существование регуляторных взаимодействий клеточных органелл, обеспечивает системный ответ клетки на изменение условий внутренней и внешней среды.
При кратковременных воздействиях на клетки ионизирующих излучений с высокой проникающей способностью уменьшается разность электростатических потенциалов между сторонами биомембраны, накопленная в результате длительной работы «ионных насосов». Резко уменьшается число образующихся ионов.
Итак, ионный насос – это механизм воздействия на клетки.
АТФ – это аденозинтрифосфат, нуклеотид, относящийся к группе нуклеиновых кислот. Концентрация АТФ в клетке мала (0,04%; в скелетных мышцах 0,5%). Молекула АТФ состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 12). При гидролизе остатка фосфорной кислоты выделяется энергия:
АТФ + H>2>O = АДФ + Н>3>РО>4> + 40 кДж/моль.
Связь между остатками фосфорной кислоты является макроэргической, при ее расщеплении выделяется примерно в 4 раза больше энергии, чем при расщеплении других связей. Энергия гидролиза АТФ используется клеткой в процессах биосинтеза и деления клетки, при движении, при производстве тепла, при проведении нервных импульсов и т.д. После гидролиза образовавшийся АДФ обычно с помощью белков-цитохромов быстро вновь фосфорилируется с образованием АТФ. АТФ образуется в митохондриях при дыхании, в хлоропластах – при фотосинтезе, а также в некоторых других внутриклеточных процессах. АТФ называют универсальным источником энергии, потому что энергетика клетки основана главным образом на процессах, в которых АТФ либо синтезируется, либо расходуется.
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – это молекула, состоящая из двух спирально закрученных полинуклеотидных цепей. ДНК образует правую спираль, диаметром примерно 2 нм, длиной (в развернутом виде) до 0,1 мм и молекулярной массой до 6ґ10–12 кДа. Структура ДНК была впервые определена Д. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 г. Мономером ДНК является дезоксирибонуклеотид, состоящий из азотистого основания – аденина (А), цитозина (Ц), тимина (Т) или гуанина (Г), – пентозы (дезоксирибозы) и фосфата. Нуклеотиды соединяются в цепь за счет остатков фосфорной кислоты, расположенных между пентозами: в полинуклеотиде может быть до 30 000 нуклеотидов. Последовательность нуклеотидов одной цепи комплементарна (т.е. дополнительна) последовательности в другой цепи за счет водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями (по две водородные связи между А и Т и по три – между Г и Ц). В интерфазе перед делением клетки происходит репликация (редупликация) ДНК: ДНК раскручивается с одного конца, и на каждой цепи синтезируется новая комплементарная цепь; это ферментативный процесс, идущий с использованием энергии АТФ. ДНК содержится в основном в ядре; к внеядерным формам ДНК относятся митохондриальная и пластидная ДНК.
9. Дайте понятие о неодарвинизме и синтетической теории эволюции. Поясните, как происходит эволюция видов с точки зрения генетики. Какова роль мутаций и окружающей среды в эволюции живого?
Неодарвинизм – эволюционная концепция, созданная в 80–90-х гг. ХIХ в. А. Вейсманом; основана на его гипотезе о зачатковом отборе. Отбор расположенных в хромосомах единиц наследственности – детерминант – и их неравномерное распределение, вытекающие, по Вейсману, из борьбы между ними в половой клетке, ведут к образованию новых жизненных форм. Концепция неодарвинизма, пытавшаяся увязать данные цитологии об оплодотворении с эволюционной теорией и дополнить дарвиновское представление о естественном отборе, противостояла неоламаркизму и содержала плодотворные идеи (роль хромосом в наследственности, отрицание наследования приобретенных признаков), но в целом не подтвердилась.
Синтетическая теория эволюции строится на следующих принципах и понятиях:
элементарной «клеточкой» биологической эволюции является не организм, не вид, а популяция. Именно популяция – та реальная целостная система взаимосвязи организмов, которая обладает всеми условиями для саморазвития, прежде всего способностью наследственного изменения в системе биологических поколений. Популяция – это элементарная эволюционная структура. Через изменение ее генотипического состава осуществляется эволюция вида;
элементарный эволюционный материал – это мутации (мелкие дискретные изменения наследственности), обычно случайно образующиеся. В настоящее время выделяют генные, хромосомные, геномные (изменения числа хромосом и др.), изменения внеядерных ДНК и др.;
наследственное изменение популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под воздействием элементарных эволюционных факторов, таких как: мутационный процесс, поставляющий элементарный эволюционный материал; популя-ционные волны (колебания численности популяции в ту или иную строну от средней численности входящих в нее особей); изоляция (закрепляющая различия в наборе генотипов и способствующая делению исходной популяции на несколько новых, самостоятельных популяций); естественный отбор2.
Гены, казалось, помогли ответить на ряд вопросов, смущавших Дарвина, в частности почему полезные изменения не «растворяются» при скрещивании с неизмененными особями, и, таким образом, дополнить классический дарвинизм, превратив его в неодарвинизм, или синтетическую теорию эволюции. Основной заслугой СТЭ обычно считают объяснение исходной изменчивости, устранение из эволюционизма телеологических (пангенез, «ламарковские факторы») и типологических (макромутации, скачкообразное видообразование) элементов, перевод эволюционных построений на экспериментальную основу. Каркас новой теории образовали постулаты о случайном (истинно случайном, в отличие от условно случайного – «убежища невежества», по Дарвину) характере мутаций, постоянной скорости мутирования и постепенном возникновении больших изменений путем суммирования мелких.
Возможности проверки этих постулатов в период построения СТЭ были весьма ограниченными. Считается, что постулат о случайности мутирования впоследствии получил подтверждение на молекулярном уровне. Однако молекулярные мутации неадекватны тем их фенотипическим проявлениям, которые наблюдали ранние генетики, само понимание мутации изменилось. На молекулярном уровне есть некоторые основания говорить о пространственно-временной неопределенности единичного мутационного акта, но (по аналогии с квантовой механикой) неопределенность не может быть априорно экстраполирована на уровень фенотипических свойств, подлежащих естественному отбору.
Одни теоретики исходят из того, что тело подобно механизму, другие – представляют его организмом. При этом в одних механицистских теориях тело может рассматриваться как наиболее совершенный механизм, а в других аналогичных теориях – особо не выделяться из совокупности других механизмов. Точно также у одних сторонников органицистского подхода появлением нашего организма венчается процесс развития земных существ (как у основателя теории «естественного отбора» и «эволюции видов» Чарльза Дарвина), а у других сторонников данного подхода человеческое существо оказывается лишь элементом, входящим в число остальных представителей животного и растительного мира, мало чем отличающегося от большинства из них с точки зрения своих генетических качеств (такова точка зрения современной генетики). Таким образом, в современном познании человеческой телесности из-за влияния этих двух метафор – органицистсткой и механицистской – мы сталкиваемся сразу с несколькими парадоксами. «Механицисты» рассматривают то человекоподобную машину, то машиноподобного человека; «органицисты» же видят в человеке то «воплощение чаяний» природы, то, всего-навсего, одно из природных созданий, не обладающее особыми привилегиями по сравнению со всеми остальными.
Хорошо известно, что в эволюции живых организмов на Земле важнейшую роль играют мутации. Одним из главных мутагенных факторов принято считать ионизирующие излучения. Сегодня многие исследователи приходят к выводу, что излучения радиоактивных веществ и космические лучи играют, может быть, определяющую роль в естественной эволюции жизненных форм3.
Эволюция генов происходит как в результате приобретения новых последовательностей, так и в результате перераспределения уже имеющихся. Новые последовательности могут быть введены с помощью векторов или появляться при мутировании существующих генов. Возникновение новых последовательностей возможно также в результате перестроек генетического материала. Такие перестройки могут изменить и функции имеющихся генов путем создания для них новых условий регуляции.
«Традиционная» эволюция генома связана с механизмами, которые хорошо известны в течение многих лет. У прокариот за осуществление генетических обменов ответственны внехромосомные элементы. Плазмиды способствуют конъюгации бактерий, в то время как фаги осуществляют инфекционный процесс. И те и другие иногда переносят вместе с автономным репликоном гены клетки-хозяина. У эукариот в каждой генерации происходит реципрокная рекомбинация между соответствующими сайтами на гомологичных хромосомах; очень редко она сопровождается дупликацией или перестройкой локусов. Такая реорганизация, по существу, представляет собой побочный эффект обычных механизмов, включаемых в генетическую рекомбинацию и (или) синтез ДНК (таких, как неравный кроссинговер или конверсия гена). Механизмы, ответственные за транслокацию между негомологичными хромосомами, остаются неизвестными. Потенциальная возможность для изменения прокарио-тических и эукариотических геномов обеспечивается способностью определенных последовательностей перемещаться из одного сайта в другой. Эти последовательности получили название транспозирующихся элементов, или транспозонов.
10. Как ведут себя макросистемы вдали от равновесия? Поясните понятие диссипативной структуры по И. Пригожину
Когда мы говорим о поведении сложных диссипативных макросистем, существующих вдали от равновесия (а таких систем – большинство в нашем мире, и мы сами – суть они) подчиняюшихся законам термодинамики – на прогноз будущего появляются серьёзнейшие ограничения – второе начало с неизбежностью обуславливает появление горизонта прогноза – такое удаление по параметру времени от начальных условий системы, с момента которого все наши прогнозы будут гаданием на кофейной гуще как бы ни полна была наша информация о начальных условиях.
Диссипативная структура, характеризуется нарушением симметрии, множественными выборами и корреляциями в макроскопических масштабах.
Для диссипативных систем можно ввести удобное фазовое пространство. Оно включает в себя ансамбль имеющихся переменных и поэтому становится бесконечномерным пространством в случае непрерывной среды, где различные характеристики являются пространственно распределенными величинами. Поэтому удобнее всего работать с фазовым пространством, когда оно содержит дискретное число переменных, и в особенности когда это число конечно и, желательно, невелико4.
По мнению И. Пригожина синергетический взгляд на мир ведет к революционным изменениям в нашем понимании случайности и необходимости, необратимости природных процессов, позволяет дать принципиально новое истолкование энтропии и радикально меняет наше представление о времени. Предисловие к английскому изданию книги «Порядок из хаоса» И. Пригожин публикует под заголовком «Новый диалог человека с природой».
Свое понимание феномена самоорганизации И. Пригожин связывает с понятием диссипативной структуры – структуры спонтанно возникающей в открытых неравновесных системах. Классическими примерами таких структур являются такие явления, как образование сотовой структуры в подогреваемой снизу жидкости (т.н. ячейки Бенара), «химические часы» (реакция Белоусова – Жаботинского), турбулентное движение и т.д.
В книге И. Пригожина и И. Стенгерс «Порядок из хаоса» процесс возникновения диссипативных структур объясняется следующим образом. Пока система находится в состоянии термодинамического равновесия, ее элементы (например молекулы газа) ведут себя независимо друг от друга, как бы в состоянии гипнотического сна, и авторы работы условно называют их генами. В силу такой независимости к образованию упорядоченных структур такие элементы неспособны. Но если эта система под воздействием энергетических взаимодействий с окружающей средой переходит в неравновесное «возбужденное» состояние, ситуация меняется. Элементы такой системы «просыпаются от сна» и начинают действовать согласованно. Между ними возникают корреляции, когерентное взаимодействие. В результате и возникает то, что Пригожин называет диссипативной структурой. После своего возникновения такая структура не теряет резонансного возбуждения, которое ее и порождает, и одним из самых удивительных свойств такой структуры является ее повышенная «чувствительность» к внешним воздействиям. Изменения во внешней среде оказываются фактором генерации и фактором отбора различных структурных конфигураций. Материальная система такого типа включается в процесс структурогенеза или самоорганизации. Если предполагается, что именно неравновесность является естественным состоянием всех процессов действительности, то естественным оказывается и стремление к самоорганизации как имманентное свойство неравновесных процессов. Схематическое описание возникновения диссипативных структур и связанного с ними процесса структурогенеза объясняет и название дисциплины. Термин «синергетика» образован от греческого «синергиа», которое означает содействие, сотрудничество. Именно «совместное действие» или когерентное поведение элементов диссипативных структур и является тем феноменом, который характеризует процессы самоорганизации5.
Список литературы
Блюменфельд Л.А. Информация, термодинамика и конструкция биологических систем // Соросовский Образовательный Журнал. 2001. №6.
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 2001.
Чижевский А.Л., Шишина Ю.Г. В ритме солнечных бурь. М.: Наука, 1969.
Шебалин О.Д. Физические основы механики и акустики. М.: Высшая школа, 2005.
Эйген М., Винклер Р. Игра жизни. М.: Наука, 1979.
1 Шебалин О.Д. Физические основы механики и акустики. М.: Высшая школа, 1981. С. 111.
2 Блюменфельд Л.А. Информация, термодинамика и конструкция биологических систем // Соросовский Образовательный Журнал. 2001. № 6. С. 12.
3 Чижевский А.Л., Шишина Ю.Г. В ритме солнечных бурь. М.: Наука, 1969. С. 29.
4 Эйген М., Винклер Р. Игра жизни. М.: Наука, 1979. С.121-130.
5 Блюменфельд Л.А. Информация, термодинамика и конструкция биологических систем // Соросовский Образовательный Журнал. 2001. № 6. С. 122.