Микро- и макровзаимодействия в природе

Микро- и макровзаимодействия в природе

23

1. Охарактеризуйте четыре фундаментальных взаимодействия в природе. Объясните, какие взаимодействия и где играют основополагающую роль (мегамир, макромир, микромир).

	Вид взаимодействия	Источник взаимодействия	Сила взаимодействия	Радиус взаимодействия	Квант-переносчик	Константа взаимодействия
1	Гравитационное взаимодействие	Присуще всем материальным объектам	Определяется законами Всемирного тяготения Между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо противоположная произведению их масс, и обратно противоположная квадрату расстояний между ними.	Не ограничен	Гравитационные волны	6х
2	Электромагнитное взаимодействие	Электрическое и магнитное поле	Действующие между заряженными частицами электромагнитные силы. Общее описание дают уравнения электромагнитной теории Д. Максвелла	Не ограничен	Фотоны
3	Сильное взаимодействие	В границах размера ядра	Ядерные силы (чем нуклоны в ядре взаимодействуют сильнее, тем оно устойчивей). Данные силы - короткодействующие.	(0,1 - 1) хсм	Глюоны	1
4	Слабое взаимодействие	В отдельных видах ядерных процессов, медленно протекающих с элементарными частицами	Распад ядер. Взаимодействие лептонов, либо вещества с нейтрино, к примеру: np++v	0,1 хсм	Слабые бозоны

Из представленных в таблице данных видно: гравитационное взаимодействие (при его классическом представлении) в процессах микромира важной роли не играет.

С другой стороны, в процессах макромира ведущая роль принадлежит именно ему.

Так, гелиоцентрическое планетарное движение Солнечной системы происходит в точном соответствии с законами гравитационного взаимодействия. Ему же подчиняется и скопление звёзд в галактики, и взаиморасположение галактик во вселенной.

Наличие сильного (внутриядерного) взаимодействия было подтверждено опытами Резерфорда в 1919 году, и главная роль в микромире принадлежит именно ему.

Короткий (в пределах ядра) радиус сильного взаимодействия объясняется формулой комптоновской длиной волны частицы. Макро и мегамиру сильное взаимодействие не присуще.

Слабое взаимодействие также характерно для микромира. Оно играет основную роль в исследовании микропроцессов, однако в 1967 году появилась теория (Салам, Вайнберг), объединявшая слабое взаимодействие с электромагнитным. Следовательно, исходя из неограниченного радиуса электромагнитного взаимодействия, оно может существовать и в макро, и в мегамире.

3. Что такое ядерная и термоядерная реакции? Определите энергию при следующих реакциях. Использовать формулу:

ЭЛЕМЕНТ	ИЗОТОП	МАССА а.е.м.
Водород		1,00783 2,01410 3,01605
Гелий		3,01603 4,00260
Литий		6,01513
Бериллий		9,01505
Бор		10,01294
Протон	p	1,00728
Нейтрон	n	1,00867

Ядерная реакция - процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии друг с другом, с элементарными частицами или гамма-квантами. Данная реакция часто характеризуется выделением громадного количества энергии и радиоактивностью - явлением спонтанного превращения одних ядер в другие с испусканием различных частиц.

Термоядерная реакция (реакция термоядерного синтеза) - является разновидностью ядерной реакции, в которой при высокой, больше К, из лёгких ядер синтезируются более тяжёлые.

Для определения изначально определяем энергию связи нуклонов в ядрах.

Е = 931 МэВ/а.е.м. х 2,01410 = 1875, 1721 МэВ;

Е = 931 МэВ/а.е.м. х 2,01410 = 1875, 1721 МэВ;

Е = 931 МэВ/а.е.м. х 3,01603 = 2807,9239 МэВ;

Е = 931 МэВ/а.е.м. х 1,00867 = 939,07177 МэВ.

Таким образом:

1875,1271 МэВ + 1875,1271 МэВ = 3750,2542 МэВ;

2807,9239 МэВ + 939,07177 МэВ = 3746,9956 МэВ.

Отсюда: 3750,2542 МэВ - 3746,9956 МэВ = 3,2586 МэВ.

Следовательно, при слиянии двух лёгких ядер образуется одно тяжёлое ядро с большой энергией связи. А также выделяется энергия 3,2586 МэВ, равная разности энергий связи тяжёлого ядра и двух лёгких ядер, порядка 30% которой приобретает образующийся при реакции нейтрон.

4. Исходя из положения элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, укажите

1). Сколько протонов и сколько нейтронов в ядре атома?

2). Сколько электронов в атоме?

3). Сколько электронных уровней?

4. 2	Магний; Водород

а). Магний Mg 12

24,312

магний

Согласно периодической системе элементов:

1. В ядре атома 12 протонов (в соответствии с порядковым номером элемента);

В ядре атома 12 нейтронов (разность между атомной массой элемента и его порядковым номером в системе).

2. Число электронов в атоме тождественно порядковому номеру элемента, следовательно, атом Mg имеет 12 электронов.

3. Так как магний является химическим элементом III периода периодической системы, соответственно и электронных уровня у него три.

б). Водород H 1

1,00797

водород

Согласно периодической системе элементов:

1. В ядре атома 1 протон (плюс - заряженная частица).

2. Число электронов в атоме равно его порядковому номеру, следовательно, атом Н имеет 1 электрон.

3. Так как водород является химическим элементом I периода периодической системы, соответственно и электронный уровень у него один.

5. Какие химические элементы являются самыми главными для жизни и почему? Поясните. Напишите о значении для организмов каждого химического элемента

5. 2	азот	калий	магний	углерод	кислород	марганец

Наиболее важными для жизни являются углерод, азот и кислород.

Углерод. От латинского «carboneum». Существует в свободном виде в двух формах - графит и алмаз. Углерод является одним из важнейших элементов в природе. Его соединения составляют основу флоры и фауны, а сам химический элемент участвует в образовании углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот.

Круговорот углерода в биосфере начинается с фиксации атмосферного углекислого газа в процессе фотосинтеза растениями и некоторыми микроорганизмами. Часть поглощённого углерода расходуется при дыхании растений, а часть потребляется животными, которые тоже выделяют . Погибшие растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и в виде диоксида поступает в атмосферу. При отсутствии кислорода, в процессе разложения мёртвых организмов образуются нефть, торф и каменный уголь. Они используются человеком для получения энергии, а выделившийся диоксид углерода возвращается в атмосферу.

Подобный круговорот углерода присутствует и в гидросфере. Только часть углерода, образованная и захороненная в литосфере, становится элементом горных пород, а попавшая в водоёмы - участвует в образовании карбонатных пород (известняков, доломитов).

До активного вмешательства человека в естественные экосистемы и их резкого сокращения, равновесие между связыванием и высвобождением углерода поддерживалось на планете с большой точностью. Сейчас же оно приводит к разбалансировке углеродного цикла, а значит и к снижению стабильности концентрации ряда других химических веществ. Помимо природного, особое место в круговороте углерода наших дней приобретает массовое сжигание органических веществ с постепенным возрастанием содержания в атмосфере, и как следствие - возникновение «парникового эффекта» с вероятным резким изменением климата.

Азот. Название «азот» происходит от греческого слова «azoos» - безжизненный, по-латыни Азот - один из самых распространенных элементов на Земле, причем основная его масса сосредоточена в свободном состоянии в атмосфере. В воздухе свободный азот (в виде молекул N2) составляет 78,09% от общего объёма. Круговорот этого элемента в природе - один из наиболее сложных, и в то же время - он практически идеален. Ведь биогеохимический цикл азота включает в себя несколько основных этапов:

- фиксация азота из воздуха живыми организмами (бактериями и водорослями), обогащающими почву азотом при минерализации;

- поглощение азота корнями растений и транспортировка его в листья со стеблями, где в процессе биосинтеза строятся белки;

- использование растительных белков в качестве питания животными;

- разложение животных останков с выделением аммиака, используемого бактериями, и образование нитратов, частично восстанавливаемых до элементарного азота, возвращаемого в атмосферу.

Кислород. Назван переводом с латинского слова «oxygenium». При нормальных условиях - газ без цвета и запаха. Вместе с азотом и незначительным количеством других газов свободный кислород образует атмосферу Земли (23, 15% по массе или 20,95% по объёму, всего кг). В гидросфере содержится кг растворённого кислорода (то есть 1% атмосферного). Велики также запасы связанного кислорода: 58% атомов в земной коре - это атомы связанного кислорода.

Практически весь свободный кислород планеты возник и сохраняется в результате фотосинтеза. Фотосинтезом же, (от греческих слов «фотос» - свет и «синтез - соединение), называют процесс создания растениями органических молекул из неорганических за счёт энергии солнечного света. Происходит он из-за наличия в растениях хлоропластов, содержащих хлорофилл - вещество, которому своим существованием обязано всё живое на Земле. Ведь за исключением редчайших анаэробных бактерий, кислород при дыхании использует каждый организм, а следовательно - для живого он имеет первостепенное значение и является самым важным химическим элементом.

Кислород - сильнейший окислитель (кислород - «рождающий кислоту»). Практически все реакции с участием кислорода - реакции окисления, в результате которых образуются вещества - оксиды. И в живом мире, попадая в организм через дыхание, кислород вступает в реакцию с углеродом и выводит отходы дыхания в виде молекул , способствуя росту и развитию клетки.

Прочие химические элементы, хотя и не имеют столь ярко выраженного для жизни значения, тем не менее - тоже необходимы в его физиологических процессах.

Калий. Серебристо-белый метал, название которого происходит от латинского «kali-um». По распространённости в земной коре калий занимает седьмое место (порядка 2,5% по массе). В свободном состоянии в природе не встречается, а представлен минералами, солями и силикатами.

Наиболее важное значение для жизни калий имеет в виде калийных удобрений. Они существенно увеличивают способность растений к фотосинтезу, особенно для сахаристых культур. К калийным удобрениям относятся природные соли калия: сильвин, сильвинит, каинит, а также продукты их переработки: поташ, сульфат и другие химические вещества. Кроме того - калий способствует быстрейшему оттоку органических веществ от листьев к корням.

Магний. В свободном состоянии представляет собой серебристо-белый, очень лёгкий металл с ярко выраженными металлическими свойствами, широко распространённый в природе. В больших объёмах он встречается в виде карбоната магния, образуя минералы магнезит и доломит. Ион представлен в морской воде, придавая ей горький вкус, а общее количество магния в земной коре составляет около 2% от массы.

Магний является составной частью многих ферментов живой клетки, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК. В растительном организме магний входит в состав молекулы хлорофилла, а ион образует с пектиновыми веществами соли. В животном организме металл является значимой частью ферментов, необходимых для функционирования мышечной, нервной и костных тканей.

Марганец. Принадлежит к довольно распространённым элементам, составляя 0,1% от массы земной коры. Марганец - серебристо-белый твёрдый, но хрупкий металл. Из соединений, содержащих марганец, наиболее часто встречается минерал пиролюзит, представляющий собой диоксид марганца.

Находясь в составе ферментов, участвующих в дыхании и окислении жирных кислот, марганец существенно повышает активность фермента карбоксилазы. В структуре растений, химический элемент находится в составе ферментов, участвующих в темновых реакциях фотосинтеза и восстановлении нитратов. Для организма животного роль марганца не менее значима: он входит в структуру фосфатаз-ферментов, необходимых для роста костей.

6. Постройте схему из следующих понятий: 1) клетка; 2) вид; 3) молекула; 4) органы, ткани; 5) биосфера; 6) целостный организм; 7) биоценоз. Объясните последовательность схемы. Укажите, где проходит граница между живым и неживым. Укажите основные признаки живого

Схема:

Молекула клетка органы, ткани целостный организм вид биоценоз биосфера.

Методика построения последовательности:

Молекула - наименьшая частица вещества, которая может обладать его свойствами.

Клетка - основная структурно-функциональная и генетическая единица живого организма. Клетка является наименьшей единицей живого и в биологической цепочке стоит на следующей после молекулы ступени, так как формируется непосредственно из молекул или молекулярных соединений.

Орган, ткань - надклеточного уровня образование, состоящее из объединённых по функционально-типовому признаку клеток, формирующее своей совокупностью организм и служащее для выполнения в нём определённой функции.

Целостный организм - открытая, самообновляемая, саморегулируемая, самовоспроизводящаяся система, построенная из тканей и органов и проходящая путь необратимого развития.

Вид - естественное объединение живых организмов по сходным признакам.

Биоценоз - понятие, объединяющее уже всех животных, растения и микроорганизмы, обитающие в относительно однородном жизненном пространстве (биотопе).

Биосфера - оболочка Земли, содержащая в себе полную совокупность живых организмов и часть вещества планеты, находящуюся в непрерывном обмене с данными организмами. Под биосферой В. И. Вернадский подразумевал «область существования живого вещества», включающую околоземную (до озонового слоя) область атмосферы, гидросферу до максимальной глубины и литосферу (до глубины 2-3 километра).

Таким образом, граница живого и неживого проходит на уровне молекула клетка, ведь именно органические (неживые) молекулярные соединения являются основой, строительным веществом для клеток живого организма. Доказательством данному утверждению могут служить опыты в области исследования возникновения «живого из неживого»:

Американский биохимик С. Миллер после ряда экспериментов в 1953 году смоделировал условия, схожие с существовавшими на первобытной Земле. Он создал оснащённую источником энергии установку, где удалось синтезировать многие играющие важную биологическую роль соединения. Опыты Миллера продемонстрировали, как под воздействием излучений такие органические вещества могут образовываться в самых разнообразных, содержащих азот, углекислый газ, водород, аммиак, воду, синильную кислоту или метан смесях.

А.И. Опарин же, рассматривая проблему возникновения жизни путём биохимической эволюции, выделяет следующие этапы предположительного перехода от неживой материи к живой:

- синтез исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы первобытной планеты;

- формирование в первичных водоёмах из скопившихся там органических соединений биоплоимеров, углеводородов и липидов.

- самоорганизация сложных органических соединений. Возникновение и эволюционное совершенствование на их основе процессов обмена веществом с воспроизводством органических структур, завершившееся образованием простейшей клетки.

Теория А.И. Опарина послужила началом физико-химического моделирования процесса образования молекул аминокислот, углеводородов и нуклеиновых оснований в первичной атмосфере Земли.

А с точки зрения академика В.И. Вернадского, живое и неживое вещество биосферы тесно связаны между собой биогеохимическими циклами. Само же учение Вернадского о биосфере представляет систему взглядов на планетарное и космическое значение жизни, взаимосвязь и взаимодействие живой и неживой природы.

Так, с позиции учёного: биогеохимический цикл - процесс обмена энергией и веществом между компонентами биосферы, имеющий циклический характер и обусловленный жизнедеятельностью поглощающих из внешней среды одни вещества и выделяющих в неё другие живых организмов.

Основным энергетическим источником и катализатором подобных циклов является солнечное излучение в видимой части спектра. Оно используется зелёными растениями для создания в процессе фотосинтеза органических веществ, которые обеспечивают энергией и пищей все остальные организмы.

Живое вещество представлено среди общего вещества биосферы лишь ничтожной долей - порядка 0,25%. Однако, благодаря происходящему в живых организмах обмену веществ, в биогеохимических процессах именно ему принадлежит основная роль. Ведь наличием живых организмов обусловлены, как формирование почвенного покрова литосферы, так и химический состав атмосферы с гидросферой.

Живое вещество является самой мощной и активной в геологическом плане субстанцией нашей планеты, способной произвести громадную по последствиям и масштабам геохимическую работу, которая заключается в его функциях:

- Энергетическая. Проявляется в усвоении живым веществом солнечной энергии и передаче её по пищевой (трофической) цепи;

- Газовая. Способствует сохранению и поддержанию современного состава атмосферы, а заключается в поглощении и выделении кислорода, углекислого газа с некоторыми другими газообразными веществами (сероводород, метан);

- Концентрационная. Реализуется путём извлечения и избирательного накопления организмами химических элементов окружающей среды (азот, кремний, кальций, магний и прочие), благодаря которому образовались залежи полезных ископаемых;

- Окислительно-восстановительная. Проявляется в реакциях, лежащих у основы любого вида биологического обмена веществ. К примеру, восстановление диоксида углерода из углеводов в ходе фотосинтеза и их окисление до диоксида углерода при дыхании;

- Репродуктивная. Универсальная функция на основе процесса деления клеток, благодаря которой жизнь на Земле не прекращается. Существует в двух основных формах: бесполое и половое размножение;

- Деструктивная. В её процессе происходит разрушение отмершего органического вещества до минеральных соединений.

Следовательно, признаками живого является способность к поглощению различных необходимых для жизнедеятельности веществ, их накоплению, выделению, саморегуляции, саморазмножению и разрушению по окончании жизненного цикла.

Страницы: 1, 2