Эволюция химических элементов в космическом пространстве 10 класс кратко

Обновлено: 05.07.2024

Тип урока: систематизация и обобщение изученного материала.

Технология: личностно-ориентированная.

Форма проведения: фронтальная.

Время проведения: заключительный урок по курсу органической химии, 45 – 60 минут (в зависимости от темпа урока, уровня подготовки обучающихся).

Оборудование: экран, мультимедиапроектор, таблицы: “Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева”, “Строение белка”, “Нуклеиновые кислоты”, компьютерные презентации учащихся.

Цель урока: сформировать у учащихся представление о единстве и многообразии окружающего мира.

выявить источники химической эволюции;
определить направление эволюционных процессов;
установить случайные и закономерные факторы эволюционных процессов.

I. Организационный момент

– Каждый человек талантлив по-своему. Важно лишь открыть в себе эти таланты и дать им возможность проявиться в любых видах деятельности.

II. Подготовка к познавательной деятельности.

Вступительное слово учителя. На уроках химии мы, чаще всего, знакомимся со свойствами веществ, их строением и применением. Однако для нас без ответа остаются вопросы: откуда взялись вещества, в чем причина их появления, случайность это или закономерность. Мы постараемся дать ответы на эти вопросы через призму эволюционных процессов (от лат evolutio – развертывание) – непрерывного количественного и качественного изменения и развития веществ. И потому проблему урока сформулируем следующим образом: химическая эволюция – случайность или закономерность? В решении данной проблемы будем опираться на те знания, которые были получены на уроках химии.

III. Познавательная деятельность

Блок 1. Сотворение мира атомов. От атомов к молекулам

Учитель. Представьте, что вы прилетели на неизвестную планету и обнаружили там разумную жизнь, но на ранней стадии ее развития. Какую бы короткую фразу вы сказали братьям по разуму, чтобы ускорить развитие этой цивилизации?

Учитель. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман считал (и с ним согласны многие ученые), что эта фраза должна быть такой: “Мир состоит из атомов”. По мнению ученого, именно из этой основной посылки можно развить научную методику познания мира и, соответственно, достичь технологического прогресса. Что сегодня нам известно об атомах?

Учитель. Конечно, понятие “атом” – чисто гипотетическое. Было время, когда ученые отказывались верить в его существование. А немецкий химик Вильгельм Оствальд, лауреат Нобелевской премии, один из основателей физической химии, даже умудрился написать трехтомный учебник химии, в котором слова “атом” не упоминается ни разу. Сейчас вряд ли найдется человек, отрицающий существование атомов. Ведь ученые могут предъявить ему полученные с помощью туннельного микроскопа “фотографии” атомов, составляющих кристаллическую решетку, и даже отдельных атомов, входящих в состав молекул. Еще древние ученые предполагали, что существуют атомы разные размеров и формы. Атомы могут сцепляться друг с другом. Скомбинировав атомы иначе (как детали в конструкторе) можно превратить одно вещество в другое. Догадки древних, основанные лишь на размышлении, не так уж далеки от современных представлений об атоме. Сегодня установлено, что весь окружающий нас мир построен из довольно ограниченного числа определенного вида атомов - элементов – в этом древние ученые не ошиблись. Откуда же взялись сами элементы. Современная наука делает такое предположение.

Демонстрация 1-ой части видеофрагмента (Приложение 1) “Возникновение жизни на Земле”. Можно предложить одному из учащихся прокомментировать содержание видеофрагмента.

– Вначале материя была сосредоточена в одной точки с невероятно большой плотностью – 10 80 г/см 3 и высокой температурой – 10 27 К. В результате так называемого Большого взрыва эта сверхплотная и сверхгорячая точка начала быстро расширяться. Материя стала стремительно разлетаться и остывать. Чем ниже температура, тем выше возможность образования разнообразных структур (даже при комнатной температуре могут существовать миллионы различных органических соединений, при 500 о С – лишь немногие из них, при 1000 о С, вероятно, не может существовать ни одно из них). По некоторым оценкам, через 3 минуты после взрыва, когда температура снизилась примерно до 1 млрд о .К, начался процесс соединения протонов и нейтронов в ядра различных элементов. Из-за слишком высокой температуры эти элементы не могли присоединять электроны и образовывать атомы. Первичная Вселенная состояла из водорода (примерно 75%) и гелия с примесью небольшого количества лития. Этот состав не менялся примерно 500 тыс. лет. Вселенная продолжала расширяться, остывать и становилась все более разреженной. Когда температура снизилась до 3000 о К, электроны начали соединяться ядрами, образуя устойчивые атомы водорода и гелия. Бесконечному расширению Вселенной противодействовали силы всемирного тяготения (гравитации). Гравитационное сжатие материи сопровождалось повторным сильным разогревом, в результате чего начался термоядерный синтез ядер гелия, а долее – слияние ядер гелия с образованием ядер углерода и кислорода. Из углерода и кислорода возможен синтез более тяжелых элементов. Таким образом, соотношение различных элементов на Земле – отголосок бурных процессов, проходящих в космосе миллиарды лет назад.

Учитель. Был ли этот процесс случайным, или он является закономерным следствием изменения и развития материи? Каково ваше мнение по этому поводу?

Учитель. Итак, установлено, что в результате процессов, начавшихся во Вселенной более 10 млрд. лет назад, межзвездная среда обрела все известные химические элементы.

При благоприятных условиях атомы разных элементов могут соединяться между собой в более сложные образования – молекулы. Это могут быть как простейшие двухатомные частицы, например: молекулярный водород Н 2 , гидроксил -ОН, цианид -CN, так и очень сложные образования, например: молекулы наследственности ДНК, содержащие миллионы атомов. (Во время рассказа возможно составление следующей схемы на магнитной доске).

Процессы объединения атомов в молекулы широко распространены во Вселенной и идут всегда и везде, где для этого есть подходящие условия. В космосе обнаружены молекулы водорода, воды и многих других веществ, в том числе и довольно сложных органических соединений. За последние 20 лет астрономы нашли в космосе более 200 различных молекул по их радиоизлучению.

Задание 1. Назовите следующие вещества, определите их принадлежность к тому или иному классу органических соединений:

Учитель. Какие условия были необходимы для того, чтобы инициировать реакции химического взаимодействия между веществами?

Задание 2. Составьте уравнения реакций получения уксусной кислоты из углерода и водорода, укажите условия протекания реакций, назовите продукты.

Запись решения на доске одним из учащихся:

Учитель. Возможно, именно в процессе органического синтеза на протяжении миллиардов лет и создавалось окружающее нас богатейшее разнообразие соединений из имевшихся изначально в Солнечной системе элементов. Как вы считаете, насколько далеко может продвинуться усложнение молекул в межзвездной среде? Не могут ли в результате этого возникнуть какие-либо формы жизни?

Учитель. К сожалению, наука пока не в состоянии ответить на эти вопросы. Ведь еще точно неизвестно, как возникла жизнь на Земле и действительно ли она возникла на нашей планете, а не была каким-то образом “занесена” из космоса… Подтверждений тому мы сегодня находит достаточное количество.

Блок 2. От простого к сложному

Учитель. В 1995 году группа американских астронавтов обнаружила в плотном облаке межзвездного газа и пыли вблизи центра нашей Галактики важный кирпичик живой материи. Руководитель группы Льюис Снайдер из Иллинойского университета доложил об этом на очередной конференции Американского астрономического общества (“Наука и жизнь”, № 1).

Задание 3. Выведите молекулярную формулу этого соединения, зная, что его относительная молекулярная масса равна 88, а элементный состав: С (40,45%), Н (6,8%), О (36%). Предложите структурную формулу. Назовите. Определите класс.

Оформление решения задачи на доске одним из учащихся:

п (элемента) = [W(элемента) • Mr (вещества)] : Ar (элемента) п (С) = (0,4045 • 88) : 12 = 2,966 ~ 3 п (Н) = (0,068 • 88) : 1 = 5,987 ~ 6 п (О) = (0,36 • 88) : 16 = 1, 98 ~ 2

Молярная масса С 3 Н 6 О 2 = 74 г/моль, тогда как молярная масса исследуемого соединения 88г/моль, следовательно его молекулярная формула должна иметь следующий вид: С 3 Н 6 О 2 Х. Относительная атомная масса Х = 88 – 74 = 14. Это – азот. Таким образом, молекулярная формула исследуемого соединения – С 3 Н 6 О 2 N

Структурная формула (одна из пяти возможных): СН 3 – СН 2 – СН(NН 2 ) – СООН

Название: -аминопропионовая кислота

Учитель. Английские астрофизики Ф.Хойл и Ч.Викрамасингх, давние сторонники теории, по которой жизнь была занесена на Землю из космоса, считают, что скоро в космическом пространстве будут обнаружены и другие аминокислоты. Что же представляют собой эти соединения, к которым приковано столь пристальное внимание научного сообщества?

Учитель. Как вы считаете, какие свойства аминокислот определили направление молекулярной эволюции?

Задание 4. Составьте уравнение реакции взаимодействия глицина и аланина (возможно по аналогии с уравнением, представленным на предпоследнем слайде презентации). Сколько дипептидов в этом случае может быть получено? Изменятся ли свойства соединения при нарушении последовательности аминокислотных звеньев в линейной полимерной цепи?

Запись решения в тетради (уравнения реакций получения 4-х дипептидов Г-А, А-Г, Г-Г, А-А находятся на заключительном слайде презентации “Аминокислоты”). Ответ на вопрос задания учащиеся могут сформулировать самостоятельно: свойства соединения при нарушении последовательности аминокислотных остатков изменяются, так как, имея общий план строения, аминокислоты отличаются по строению радикала. Так, у аминокислоты аланина радикал простой – СН 3 , радикал цистеина содержит серу – СН 2 SH, другие аминокислоты имеют более сложные радикалы.

Учитель. Известно свыше 150 природных аминокислот, но только 20 из них служат мономерными звеньями, из которых построены природные полимеры – белки (порядок включения аминокислот в них определяется генетическим кодом). Если взять 12 (из 20) аминокислот, то, образуя при различной их последовательности, например 228 пептидных связей в молекуле, они могут дать 10 300 различных сложных соединений. Если бы наша планета состояла только из этих веществ, и каждое из них было бы представлено только одной молекулой, то масса Земли составила бы около 10 228 граммов. В действительности она равна лишь 10 27 грамма. Подскажите дальнейшее направление химической эволюции? Какие вещества могли в этом случае образоваться?

Учитель. Наиболее характерным свойством белков, обеспечивающих их биологическую роль, является гидролиз – расщепление под действием ферментов с образованием аминокислот.

Задание 5. При гидролизе белка был получен аланин массой 222, 5 грамма. Вычислите массу взятого белка, считая, что он представляет собой полимер глицил-аланин.

Запись решения в тетради с последующей проверкой по заключительному слайду презентации “Белки”:

т (глицил-аланина) = 2,5 моль . 146 г/моль = 365 г

Учитель. Мы отмечали, что в белках наблюдается строгое закономерное чередование аминокислот. Иногда замена только одной аминокислоты на другую делает белок малопригодным для функционирования или вообще нефункционирующим. В этом отношении особенно хорошо изучены белки гемоглобина. Изменения, которые происходят в чередовании аминокислот, в этом случае приводят к анемии. Следовательно, сохранение правильности чередования аминокислот является жизненно необходимым для любого организма. Какие органические соединения являются переносчиками информации из поколения в поколение?

Задание 6. Используя таблицу (предпоследний слайд презентации), составьте различные фрагменты молекул РНК, включающих азотистые основания.

Запись решения в тетрадь с последующей проверкой по заключительному слайду презентации “Нуклеиновые кислоты.x Далее возможна демонстрация 2-ой части видеофрагмента (Приложение 1) “Образование сложных органических соединений”.

Учитель. В процессе химической эволюции образовались сложные органические соединения, которые составили основу эволюции биологической. Имея представление о направлении химической эволюции, о развитии мира атомов и молекул, скажите химическая эволюция – это закономерность или случайность?

Блок 3. Закономерность или случайность

ее общую направленность от простого к сложному;
рост устойчивости (приспособляемости);
рост эффективности и “безотходности” биогеохимического круговорота.

Все три закономерности прослеживаются и в развитии человеческого общества, что позволяет говорить о преемственности. Молекулярная генетика, возникшая в конце 40-х – начале 50-х годов, к началу 70-х годов вышла за пределы “менделеевского мира”, показав, что почти все фундаментальные закономерности имеют исключения, где-то нарушаются. Конкретная жизнь оказалась гораздо богаче, чем это предполагала классическая наука, в которой преобладают теории о внешнем взаимодействии, но “выпадают” внутрисистемные явления. А между тем, именно внутренние дефекты, порой несовместимые с жизнедеятельностью, оказываются селективно более выгодными в новых условиях существования.

Учитель. В подтверждение сказанного приведу лишь такой факт: шведские ученые установили, что возникновение мутаций процесс неслучайный, а направленный. Общеизвестно, что клетка не может рассчитывать то, какое изменение ей выгодно в данный момент, и не может перекроить свои гены по заранее намеченному плану. Однако она может увеличить частоту возникновения случайных мутаций (делать это клетки умеют). В некоторых смертельно опасных ситуациях это может стать спасительным для популяции: вдруг какой-то из мутантов окажется жизнеспособным в данных условиях. Важность данного открытия в том, что это дает возможность организмам без чрезмерного ущерба для себя использовать мутации в процессе естественного отбора. Ведь любая мутация, вредная сегодня, может оказаться полезной завтра.

IV. Заключительный этап

Учитель. В заключение отмечу: мы всегда вынуждены находиться в мире предположений и догадок. Возможно, быстрое развитие науки и техники откроет нам новые горизонты исследований. И появятся новые проблемы, решение которых приведет нас к разгадке тайн природы. Ведь имеются сегодня теории, в которых доказывается, что развитие интеллектуальных и творческих способностей человека следствие не социальных, а сугубо биологических процессов, т.е. это суть генетическая мутация, следствие таковой. Это, впрочем, пока лишь теория. Но у нее есть весьма веские доказательства. Одним из них стало открытие гена, целиком и полностью отвечающего за язык (в смысле коммуникации). Профессор Клайн предполагает, что набор языковых и, предположительно, “творческих” генов стали следствием различных мутаций, которым человечество обязано существованием цивилизации, насколько бы хороша или плоха она не была.

Методы: частично-поисковый, проблемного изложения, объяснительно-иллюстративный.

- формирование у учащихся целостной системы знаний о живой природе, ее системной организации и эволюции;

-умения давать аргументированную оценку новой информации по биологическим вопросам;

-воспитание гражданской ответственности, самостоятельности, инициативности

Образовательные: о биологических системах (клетка, организм, вид, экосистема); истории развития современных представлений о живой природе; выдающихся открытиях в биологической науке; роли биологической науки в формировании современной естественнонаучной картины мира; методах научного познания;

Развитие творческих способностей в процессе изучения выдающихся достижений биологии, вошедших в общечеловеческую культуру; сложных и противоречивых путей развития современных научных взглядов, идей, теорий, концепций, различных гипотез (о сущности и происхождении жизни, человека) в ходе работы с различными источниками информации;

Воспитание убежденности в возможности познания живой природы, необходимости бережного отношения к природной среде, собственному здоровью; уважения к мнению оппонента при обсуждении биологических проблем

ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОБУЧЕНИЯ- УУД

Личностные результаты обучения биологии:

1. воспитание российской гражданской идентичности: патриотизма, любви и уважения к Отечеству, чувства гордости за свою Родину; осознание своей этнической принадлежности; усвоение гуманистических и традиционных ценностей многонационального российского общества; воспитание чувства ответственности и долга перед Родиной;

2. формирование ответственного отношения к учению, готовности и способности обучающихся к саморазвитию и самообразованию на основе мотивации к обучению и познанию, осознанному выбору и построению дальнейшей индивидуальной траектории образования на базе ориентировки в мире профессий и профессиональных предпочтений, с учётом устойчивых познавательных интересов;

Метапредметные результаты обучения биологии:

1. умение самостоятельно определять цели своего обучения, ставить и формулировать для себя новые задачи в учёбе и познавательной деятельности, развивать мотивы и интересы своей познавательной деятельности;

2. овладение составляющими исследовательской и проектной деятельности, включая умения видеть проблему, ставить вопросы, выдвигать гипотезы;

3. умение работать с разными источниками биологической информации: находить биологическую информацию в различных источниках (тексте учебника, научно популярной литературе, биологических словарях и справочниках), анализировать и

Познавательные: выделение существенных признаков биологических объектов и процессов; приведение доказательств (аргументация) родства человека с млекопитающими животными; взаимосвязи человека и окружающей среды; зависимости здоровья человека от состояния окружающей среды; необходимости защиты окружающей среды; овладение методами биологической науки: наблюдение и описание биологических объектов и процессов; постановка биологических экспериментов и объяснение их результатов.

Регулятивные: умение самостоятельно планировать пути достижения целей, в том числе альтернативные, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения учебных и познавательных задач; умение организовывать учебное сотрудничество и совместную деятельность с учителем и сверстниками; работать индивидуально и в группе: находить общее решение и разрешать конфликты на основе согласования позиций и учёта интересов; формирование и развитие компетентности в области использования информационно-коммуникационных технологий (далее ИКТ-компетенции).

Коммуникативные: формирование коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками, понимание особенностей гендерной социализации в подростковом возрасте, общественно полезной, учебно-исследовательской, творческой и других видов деятельности.

Технологии: Здоровьесбережения, проблемного, развивающего обучения, групповой деятельности

Приемы: анализ, синтез, умозаключение, перевод информации с одного вида в другой, обобщение.

Сформировать научные представления о месте биологической эволюции в общем процессе развития материального мира. Показать пути преобразования вещества в космическом пространстве, формирования планетных систем.

Основные положения

Материя находится в непрерывном движении и развитии.

Биологическая эволюция являет собой деленный качественный этап эволюции материи в целом.

Преобразования элементов и молекул в космическом пространстве происходит постоянно с очень невысокой скоростью.

Современные представления о возникновении жизни

Вопрос о происхождении живого, естественно, не может быть разрешен, если неизвестны основные признаки или свойства жизни. Только имея в распоряжении известные представления о составе, строении и процессах, протекающих в организме, можно попытаться создать представление о тех условиях, при которых могла бы возникнуть жизнь, и тех путях, которые могли привести к ее появлению. Это,
бесспорно, самый сложный вопрос современной биологии, особенно если учесть, что возникновение жизни восходит к отдаленным периодам истории Земли, мало доступным
изучению.

Попробуем представить себе место биологической эволюции в общем процессе развития материального мира. Для этого необходимо проследить пути преобразования вещества с самого начала — с образования неорганических веществ в космическом пространстве и формирования планетных систем

Эволюция химических элементов в космическом пространстве

Что собой представляет межзвездное пространство? Какие процессы протекают в нем? Ответ на эти и многие другие вопросы лежит на стыке двух наук — химии и астрономии.

Спектроскопия — важнейшая точка соприкосновения астрономии и химии. Анализ света, излучаемого звездами, дает богатые сведения об их химическом составе. Исследование спектров позволяет не только идентифицировать химические элементы, но дает также и другую информацию. Например, сравнивая интенсивность линий одного и того же элемента, можно измерить температуру источника, а содержание каждого элемента можно найти, измеряя относительную интенсивность его главных спектральных линий.

Содержание во Вселенной некоторых из наиболее распространенных элементов

(по сравнению с числом атомов водорода)

Относительное содержание (число атомов)

Водород — наиболее часто встречающийся и самый простой элемент. Его атом состоит из одного протона и одного электрона. Если первичное вещество Вселенной составлял исключительно водород, то можно объяснить не только наличие, но и распространенность всех остальных элементов в настоящее время. В такой первичной Вселенной, состоящей из чистого водорода, образовались звезды. Они являются довольно крупными гравитационно-связанными скоплениями вещества, в ходе образования которых температура повышается настолько, что начинают протекать ядерные реакции. Основной ядерной реакцией является слияние ядер атомов водорода. В этой реакции водород превращается в гелий с выделением энергии Масса ядра атома гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов, точно измерена и составляет 4,0026 атомной единицы массы (а.е.м.). При давлении и температуре, достаточно высоких для того, чтобы началась реакция слияния водородных атомов, четыре атома водорода сливаются в один атом гелия. Но масса одного атома водорода равна 1,0079 а.е.м., и, следовательно, четыре его атома имеют массу 4,0316 а.е.м. Разность между массой четырех атомов водорода и массой одного атома гелия равна 0,029 а. е. м. — это очень небольшое число, но именно оно движет Вселенной. По закону сохранения массы и энергии эта разность масс превращается в энергию излучения.

Согласно уравнению Эйнштейна, энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света. Превращение водорода в гелий сопровождается небольшой потерей массы —0,7% на каждый атом гелия — и высвобождением колоссального количества энергии.

Дальнейшее взаимодействие элементов приводит к возникновению других элементов. Очевидно, что реакции последних между собой выражаются в образовании более сложных молекул и их комплексов — пылевых частиц. Газы и пылевые частицы образуют в космическом пространстве скопления газово-пылевой материи.

Образование планетных систем

Ученые полагают, что туманности являются этапом формирования галактик или крупных звездных систем. В моделях теорий такого типа планеты представляют собой побочный продукт образования звезд. Эта точка зрения, впервые высказанная в XVIII в. И. Кантом и позднее развитая П. Лапласом, Д. Койпером, Д. Альвеном и Р. Камероном, подтверждается целым рядом свидетельств.

Молодые звезды обнаруживаются внутри туманностей — областей относительно концентрированного межзвездного газа и пыли, размеры которых составляют несколько световых лет. Туманности встречаются по всей нашей галактике; полагают, что звезды и связанные с ними планетные системы образуются внутри этих громадных облаков материи.

Средняя концентрация газа в межзвездном пространстве — всего 0,1 атома Н/см3, тогда как концентрация газа в туманностях приблизительно 1000 атомов Н/см3, т. е. в 10000 раз больше. (В 1 см3 воздуха содержится примерно 2,7 • 1019 молекул.)

Когда газово-пылевое облако становится достаточно большим в результате медленного оседания и слипания (аккреции) межзвездного газа и пыли под действием гравитации, оно становится неустойчивым — в нем нарушается близкое к равновесию соотношение между давлением и гравитационными силами. Гравитационные силы преобладают, и поэтому облако сжимается. В ходе ранних фаз сжатия тепло, высвобождающееся при превращении гравитационной энергии в энергию излучения, легко покидает облако, поскольку относительная плотность вещества мала. По мере возрастания плотности вещества начинаются новые важные изменения. Вследствие гравитационных и других флуктуаций крупное облако дробится на облака меньшего размера, которые в свою очередь образуют фрагменты, в конечном счете по своей массе и размерам в несколько раз превышающие нашу Солнечную систему .

Такие облака называют протозвездами. Конечно, некоторые протозвезды массивнее, чем наша Солнечная система, они образуют более крупные и более горячие звезды, тогда как менее массивные протозвезды образуют меньшие и более холодные звезды, которые эволюционируют медленнее, чем первые. Размеры протозвезд ограничены верхним пределом, выше которого произошла бы дальнейшая фрагментация, и нижним пределом, определяемым той минимальной массой, которая требуется для поддержания ядерных реакций.

Эволюция газово-пылевой туманности и образование протопланетного диска

Образование планетной системы

Наши планеты и, как предполагают, планеты, образующиеся в любом протозвездном диске, располагаются в двух главных зонах. Внутренняя зона, которая в Солнечной системе простирается от Меркурия до пояса астероидов, представляет собой зону мелких планет земного типа. Здесь, в фазе медленного сжатия протозвезды, температуры настолько высоки, что испаряются металлы. Эта внешняя зона с планетами типа Юпитера содержит гораздо больше вещества, чем внутренняя, поскольку она имеет большие размеры и поскольку большая часть летучих веществ, первоначально находившихся во внутренней зоне, выталкивается наружу в результате деятельности протозвезды.

Один из способов построения картины эволюции звезды и вычисления ее возраста заключается в анализе большой случайной выборки звезд. При этом измеряют расстояния до звезд, их видимый блеск и цвет каждой звезды.

Вопросы и задания для повторения

Ядра атомов химических элементов состоят из протонов и нейтронов. Самый легкий элемент — водород с ядром всего из одного протона, а во Вселенной есть больше сотни других элементов, и их ядра состоят из большего числа протонов и нейтронов. Нуклеосинтез — это образование ядер элементов, более тяжелых, чем водород. Как это происходило в самом начале Вселенной и где это происходит сейчас?

Как образовались атомные ядра?

Атомное ядро состоит из заряженных протонов (p+) и нейтронов (n0). Самое простое ядро — водород — это один протон (p+). Ядро гелия, или альфа-частица, включает два протона и два нейтрона (2p+ + 2n0). Ядро углерода, из которого состоим мы (12С), содержит по шесть протонов и нейтронов (6p+ + 6n0). Но есть и другие изотопы углерода, например 14С — в нем шесть протонов и восемь нейтронов (6p+ + 8n0).

Химические свойства элемента определяются его зарядом, числом протонов. Если один из нейтронов в ядре разваливается на протон и электрон (этот процесс называется бета-распадом), происходит трансмутация, и один элемент превращается в другой, хотя масса ядра не меняется.

В 1940-е годы многие ученые уже были убеждены, что Вселенная расширяется. Это означало, что когда-то, в первые минуты своего существования, она была гораздо меньше, чем сейчас, а вещество было очень плотным и горячим и состояло только из свободных протонов и нейтронов, то есть не содержало атомных ядер тяжелее водорода (p+). Но в нынешней Вселенной известно больше сотни элементов, включая и те, из которых сделаны мы. В какой-то момент должен был происходить нуклеосинтез — образование более тяжелых ядер из нейтронов и протонов.

Первая модель нуклеосинтеза была опубликована в 1948 году. Ее авторами были Георгий Гамов, задолго до этого эмигрировавший из СССР, и его аспирант Ральф Альфер. Их статья знаменита еще и тем, что Гамов ради шутки вписал в соавторы космолога Ханса Бете — получился список авторов, похожий на αβγ. Они предположили, что ядра всех элементов образуются путем нейтронного захвата. Протоны и нейтроны в молодой Вселенной объединялись между собой, присоединяли новые нейтроны и таким образом создали сразу всю таблицу Менделеева: теоретически из любого ядра можно получить следующее при помощи захвата одного или нескольких нейтронов и последующего бета-распада.

Довольно скоро стало понятно, что схема Альфера и Гамова не работает. Модели Большого взрыва позволяют легко рассчитать скорость реакций в зависимости от времени, температуры и плотности вещества. И оказалось, что первичный нуклеосинтез должен был закончиться очень быстро, в течение первых пятнадцати минут. Это происходит потому, что чем ниже плотность, тем меньше реакций. Чтобы произошла реакция, две частицы должны столкнуться между собой. Темп столкновений падает с уменьшением плотности и температуры, потому что температура — это скорость частиц. Кроме того, свободные нейтроны долго не живут. Если нейтрон не успел войти в состав ядра, он становится протоном. Практически все расчеты показывают, что первичный нуклеосинтез не мог зайти дальше лития-7 (3p+ + 4n0).

В 1957 году, всего через девять лет после теории αβγ, была опубликована фундаментальная работа Бербидж, Бербиджа, Фаулера и Хойла (который, кстати, не верил в теорию Большого взрыва). В ней была сформулирована уже практически современная теория нуклеосинтеза, несравненно более сложная. Сейчас, благодаря новым моделям и многочисленным наблюдениям, мы хорошо представляем себе, откуда во Вселенной взялись тяжелые химические элементы.

Как проходит нуклеосинтез?

Первичный нуклеосинтез закончился через несколько минут после образования Вселенной. К этому моменту 75% массы видимого вещества приходилось на водород и примерно 25% — на гелий. Еще во Вселенной было совсем крошечное — меньше сотой доли процента — количество дейтерия (2H), гелия-3 (3He) и лития (7Li). Практически все более тяжелые элементы образовались в результате ядерных реакций в звездах. И хотя из этих элементов построено все, что мы видим глазами, во вселенских масштабах их даже сейчас, через 13,8 миллиарда лет, не очень много — около 2% атомного вещества.

Другой путь нуклеосинтеза требует большей температуры и давления, поэтому он идет в более массивных звездах, хотя бы в два раза массивнее Солнца. Он называется CNO-циклом, и суть его в том, что ядро гелия получается из четырех протонов при их последовательных захватах ядрами различных изотопов углерода, азота и кислорода. Для нас существенно, что для запуска CNO-цикла в среде уже должен присутствовать углерод.

Углерод образуется в звездах в результате тройного альфа-процесса. Сперва две альфа-частицы (ядра гелия) сливаются, образуя ядро бериллия-8, а затем присоединяют еще одну альфа-частицу и превращаются в углерод. Интересно, что ядро бериллия-8 очень неустойчиво. Поскольку первоначальное усложнение ядерного состава происходит путем добавления альфа-частиц, невозможность накопить много ядер бериллия-8 могла бы стать причиной того, что элементы тяжелее гелия просто не образовывались бы.

Но они образуются. Происходит это потому, что у ядер бериллия-8 и углерода-12 очень близкий ядерный резонанс, который позволяет тройному альфа-процессу осуществляться с довольно большой вероятностью. Этот резонанс, близкое совпадение двух чисел, не продиктован никакими физическими законами. Просто наша Вселенная так устроена, что они близки между собой.

Захват альфа-частиц, присоединение ядер гелия, позволяет возникнуть и элементам тяжелее углерода, в первую очередь кислороду, неону, магнию, кремнию, вплоть до никеля-56 (28p+ + 28n0), который далее распадается, образуя железо. Ядра тяжелее железа и никеля в термоядерных реакциях не образуются.

Важный источник тяжелых элементов — сверхновые типа Iа, которые предположительно связаны с термоядерными взрывами на белых карликах в двойных системах. Дело в том, что у белого карлика есть критическая масса — 1,4 массы Солнца. Карлик докритической массы удерживается от коллапса давлением вырожденного газа. Но если каким-то образом превысить эту массу, белый карлик теряет устойчивость, начинает сжиматься, разогреваться — получается очень большая термоядерная бомба. Происходит взрыв сверхновой, который сопровождается очень быстрым термоядерным синтезом. Основным его продуктом становится железо — финальная точка в термоядерном синтезе. Сверхновые этого типа считаются одним из главных источников железа в нашей Вселенной.

В термоядерных реакциях не образуются ядра тяжелее железа. Кроме того, в результате термоядерного синтеза не возникают нечетные элементы: в альфа-частице содержатся два протона, и она увеличивает атомный номер сразу на два. Откуда в таком случае берутся нечетные элементы?

Где происходит синтез тяжелых ядер?

Чтобы увеличить атомный номер на одну единицу, с ядром должно произойти то, что предполагали Альфер и Гамов: оно должно захватить один нейтрон и испустить электрон. Это происходит в два этапа. Сперва ядро захватывает нейтрон, масса увеличивается на единицу, но заряд не увеличивается — химически элемент остается прежним. Затем, если образовавшееся ядро неустойчиво, оно испытывает бета-распад, нейтрон превращается в протон, а заряд вырастает.

Чем больше заряд ядра, тем больше нейтронов требуется, чтобы компенсировать кулоновское отталкивание положительно заряженных протонов. Легкие ядра могут быть стабильными при равном количестве протонов и нейтронов, а тяжелые требуют уже существенно большего числа нейтронов. Например, более или менее устойчивый изотоп урана, уран-238, содержит 92 протона и целых 146 нейтронов. Чтобы синтезировать такие ядра, нейтронов должно быть много. До сих пор нет четко установившегося консенсуса, где это может происходить. Где происходит термоядерный синтез, хорошо известно — в звездах. S-процесс — в больших звездах. А вот где может идти r-процесс, мы наверняка не знаем, хотя возможных объяснений немного.

Первый вариант — это вспышки сверхновых. Когда в конце эволюции массивной звезды начинается сжатие железного ядра, происходит нейтронизация вещества: электроны вдавливаются в протоны, и образуется много нейтронов.

Второй вариант — слияние нейтронных звезд. Представьте, что две нейтронные звезды крутятся друг вокруг друга, излучают гравитационные волны и сближаются. При их слиянии мы снова получим шар, содержащий большое количество нейтронов. Расчеты показывают, что там возможно образование элементов r-процесса, то есть финала Периодической таблицы.

Еще недавно многие сказали бы, что слияние нейтронных звезд — это экзотика. Но в 2017 году впервые зафиксировали импульс всплеска гравитационных волн, совпавший с коротким гамма-всплеском. Мы и раньше предполагали, что короткие гамма-всплески сопровождают слияние нейтронных звезд, но теперь у нас появились убедительные наблюдательные данные. Поскольку по гравитационным волнам можно оценить массы слившихся объектов, мы уверены, что это были именно две нейтронные звезды. Гамма-всплесков наблюдается множество, и теперь, когда два нетривиальных наблюдательных результата совпали в одной точке пространства и времени, у нас появилось мощное указание на то, что слияния нейтронных звезд — это не гипотетический процесс. Они реально происходят и, значит, могут создавать условия для запуска r-процесса.

Где образуются литий, бериллий и бор?

Еще один источник нуклеосинтеза — космические лучи, поток атомных ядер, разогнанных до околосветовых скоростей. Энергии этих частиц огромны, до 1020 электронвольт, и даже больше. Когда ядра сталкиваются между собой на больших скоростях, происходят так называемые реакции скалывания: атомы просто разваливаются на мелкие кусочки. Самое важное последствие реакций скалывания с точки зрения глобального нуклеосинтеза — образование лития, бериллия и бора.

Кривая распространенности химических элементов во Вселенной выглядит так: сверху водород с гелием, а затем, далеко внизу, все остальные элементы. Четных элементов больше, чем нечетных, элементов железного пика некоторый избыток, но чем меньше атомный номер, тем больше таких атомов. Самая заметная аномалия этой кривой — глубокая яма на месте лития, бериллия и бора. Их существенно меньше, чем можно было бы ожидать, исходя из атомной массы.

Дело в том, что в первичном нуклеосинтезе они не образовывались. Разве что литий в мизерных количествах — порядка 10-10 относительно водорода. Бериллия и бора было еще меньше. В звездах эти элементы не образуются, а сгорают в протон-протонном цикле.

Долгое время астрофизики плохо представляли, откуда они берутся. Сейчас предполагается, что они продукт реакций в космических лучах, реакций скалывания. И это подтверждается наблюдениями. В целом состав ядер в космических лучах не отличается от обычной космической пропорции, за единственным исключением: лития, бериллия и бора в них существенно больше, чем где-либо еще. Литий в наших аккумуляторах, бор в борной кислоте, бериллий в изумрудах, — скорее всего, они возникли в межзвездном и околозвездном пространстве.

Из чего состояли древние звезды?

Самые первые звезды состояли, конечно, только из водорода и гелия. Но непонятно, как их можно было бы наблюдать. Теоретически мы видим объекты на больших красных смещениях, то есть можем узнать, какой была наша Вселенная в первые миллиарды лет своего существования. Но на таком расстоянии даже галактики различимы с большим трудом, не то что отдельные звезды. Есть надежда, что это удастся сделать при помощи телескопа Джеймса Уэбба, но пока таких инструментов нет.

Что нам понятно? Такие звезды из водорода и гелия существовали, и у нас есть веские основания полагать, что они были очень массивными, может быть, в тысячи раз более массивными, чем Солнце. В силу большой массы время их жизни было очень небольшим. Они давно взорвались, как сверхновые, и загрязнили Вселенную первыми тяжелыми элементами, и это загрязнение происходило очень эффективно.

У большинства даже самых старых звезд в нашей Галактике, в частности у звезд шаровых скоплений, содержание тяжелых элементов уступает солнечному всего в сто раз.

В нашей Галактике есть несколько звезд с более низким содержанием тяжелых элементов, но это уникальные экземпляры. Рекордные звезды содержат в сто тысяч раз меньше тяжелых элементов, но это две-три звезды на нашу довольно большую галактическую окрестность.

Звезд, состоящих из водорода и гелия, в Млечном Пути нет: они не дожили до нашей эпохи. Благодаря им впоследствии могли появиться и небольшие звезды вроде нашего Солнца, и Земля, и все атомы, из которых мы состоим.

Что еще неизвестно о нуклеосинтезе?

По большому счету, теория нуклеосинтеза уже сложилась. Во всей картине остался один большой вопрос, а именно локализация r-процесса. Ключевое открытие — открытие гравитационных волн — уже сделано, но дьявол кроется в деталях. Теория хорошо описывает внешний облик очень большого числа звезд, но не всех. Существуют звезды с довольно неожиданным поверхностным составом, например звезда Пшибыльского. Сообщалось о наблюдениях в ее спектре очень тяжелых элементов, включая трансурановый америций, который больше нигде не видели. Есть большая группа так называемых химически пекулярных звезд, обладающих повышенным поверхностным содержанием элементов типа бария, ртути, марганца, редких земель. Их существование указывает, что нам недостаточно понять образование элементов — важно разобраться, как они перераспределяются внутри звезд.

Если у какой-то звезды аномальный состав поверхности, это можно объяснить тем, что на нее что-то упало. Например, есть звезды с повышенным содержанием лития. Это странно: литий должен сгорать в термоядерных реакциях. Как это объяснить? На звезду могла упасть планета! Мы знаем, что существуют горячие юпитеры — планеты, вплотную приблизившиеся к своим звездам. Такая планета может оказаться слишком близко, упасть и обогатить атмосферу звезды литием, который не сгорел, потому что в атмосфере не идут термоядерные реакции. Вопросы еще есть, но на них, скорее всего, можно ответить без привлечения нуклеосинтеза.

Дмитрий Вибе.Доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН

Дорогие друзья! Желаете всегда быть в курсе последних событий во Вселенной? Подпишитесь на рассылку оповещений о новых статьях, нажав на кнопку с колокольчиком в правом нижнем углу экрана ➤ ➤ ➤

Собственно химическая эволюция непосредственно начинается после возникновения различных химических элементов, то есть она теснейшим образом связана с общей эволюцией звезд.

Проблема самоорганизации Вселенной

При больших температурах и плотности вещества образуется особое состояние материи, характеризующееся огромным отрицательным давлением, создавая гравитацию, гораздо превышающую гравитацию, образованную массой. Это приводит к возникновению гравитационного отталкивания, которое, в свою очередь, обеспечивает гигантские начальные скорости разлета частиц (около 500 км/с). Так объясняется расширение Вселенной. Это событие произошло около 20 млрд. лет назад (так называемый Большой Взрыв). В пользу того, что подобные процессы могли реализоваться в рамках космического пространства, свидетельствует, например, существование:

— слабого реликтового излучения с температурой около 3К, которое равномерно заполняет всю Вселенную и присутствовало изначально с момента расширения. С ним связано подавляющее большинство энтропии нашей Вселенной;
— красного смещения света, поступающего к Земле от других галактик;
— преобладание легких элементов (дейтерия и гелия) над тяжелыми и тому подобное.

Определенные недостатки, присущие концепции Большого Взрыва, пытались учесть авторы модели флуктуации вакуума (инфляционная концепция). Согласно ей наша Вселенная возникла как неуравновешенная система практически из ничего. Его вызвала асимметрия вакуума (разновидность космической энергии), который потенциально содержит в себе все свойства материи. Иными словами, вакуум имеет потенциальные возможности стать чем угодно. Нарушение симметрии было вызвано фазовым переходом и сопровождалось выделением колоссального количества свободной энергии, которая за 10 -35 секунды вызвала формирования материальных частиц. При температуре около 10 27 °С возникла вещество. Доминирование антигравитационных сил вакуума изменилось в обычную гравитацию, что замедлило расширение.

Дальнейший ход событий обеими теориями рассматривается подобным образом.

Кванты с большой энергией взаимодействовали между собой (свет взаимодействовал со светом), давая начало электрон-позитронных парам, которые, в свою очередь, распадались на пары нейтрино — антинейтрино и т. д. Все взаимодействия осуществлялись через сверхпроводящий вакуум, который, даже при температуре , близкой к абсолютному нулю, существенно ускорял соответствующие процессы.

При наличии огромного количества энергии большинство пар вновь разрушалось, а относительно стабильными оказывались только тяжелые частицы типа нейтронов и позитронов. Взаимодействия между ними вызвали образование различных химических элементов, прежде всего, гелия. Со временем в водородно-гелиевой плазме появились неоднородности, которые представляли собой локальные очаги уменьшение энтропии. Вокруг них начали образовываться сгущения — зародыши будущих галактик и галактических скоплений. В недрах галактик рождались звезды и звездные системы.

На окраине одной из галактик (Млечный путь) около 5 млрд. лет назад сформировалась и Солнечная система. Ее появление обусловлено асимметрией между распределением вещества гигантской молекулярного облака в результате гравитационного притяжения и действия других факторов. При формировании планет происходил вторичный разогрев (вследствие трения, радиоактивного распада и т.д.). Формировались нерегулярные структуры, в которых скорость реакций в химических системах и их сложность значительно увеличивались, создавая предпосылки дальнейшего усложнения. Периферическое положение Солнечной системы также способствовало развитию материи в направлении дальнейшего усложнения.

Это было бы невозможным в центре Галактики, потому что там звездная плотность примерно в 20 000 раз больше, что приводит к слишком высокой интенсивности жесткого звездного излучения. Оно разрушает все сколько-нибудь сложные химические молекулы, которые образовывались в результате взаимодействия различных атомов. Среди частиц, входящих в состав атомов, нет даже двух, которые находились бы в одинаковом состоянии. Это создает асимметрию, которая, в свою очередь, вызывает необходимость энергичного поиска все новых стационарных состояний. Но любой гомеостаз не может поддерживаться бесконечно. Особенности элементарных составляющих частиц снова непременно выведут всю систему в бифуркационную точку.

С особенностями взаимодействия различных частиц между собой связана и трехмерность нашего мира. В частности, большее количество измерений приводила бы того, что не образовывались бы связаны устойчивые системы тел, которые могли бы взаимодействовать с помощью электрических и гравитационных сил. Иными словами, в такой Вселенной не было бы ни атомов, ни планетарных систем, ни галактик. В одномерном или двумерном пространстве взаимодействующие заряды противоположных знаков не могли бы разлететься на большие расстояния, так как обязательно возвращались бы к центральному телу, то есть при таких условиях не существовало бы свободного движения тел.

Могли реализоваться различные варианты формирования Вселенной, но только при условии трехмерности возможно достижение максимальной эффективности процессов самоорганизации материи. В пространствах с другим числом измерений и другими физическими законами жизни возникнуть не могло. Например, во Вселенных с несколько измененными массами элементарных частиц не было бы обычного вещества, так колебания массы нейтрона хотя бы на 0,1% привело бы к отсутствие водорода. Поскольку он является главным ядерным топливом для звезд, при таких условиях они вообще не смогли бы образоваться.

Кроме того, установлена зависимость размеров Метагалактики и времени ее существования от основных физических констант (скорость света, постоянная Планка, заряд электрона и т.д.), сильных и слабых электромагнитных и гравитационных взаимодействий. Такая система связей обусловила химическое своеобразие Вселенной (75% водорода и 25% гелия). Если бы константы слабых взаимодействий были хоть немного меньше, то вся космическая вещество было бы представлена гелием, а водорода вообще не было. Это привело бы к отсутствию воды — жидкости, что является наиболее оптимальным фазовым состоянием для ускоренного развития. Совсем другая картина вырисовывается по предположению существования несколько большей константы слабых взаимодействий: во Вселенной будет только водород. Отсутствие гелия привело бы к невозможности возникновения любых других элементов, что кладет конец дальнейшей химической эволюции. Только в узком диапазоне значений фундаментальных физических констант возможно существование сложных систем, способных к саморазвитию.

Итак, в пределах Вселенной реализовался целый комплекс уникально благоприятных для формообразования событий, обусловил специфичность потоков вещества, энергии и информации, необходимых для самоорганизации.

Осознание этого факта обусловило появление антропного (антропоцентричного) принципа, который иногда еще называют парадоксом наблюдателя. Он заключается в том, что любой сторонний наблюдатель непременно приходит к выводу, что внешний мир специально организовался таким образом, чтобы мог появиться этот наблюдатель.

Глубинные основы такого феномена достигают основных принципов функционирования нервной системы в целом и особенностей психического отражения в частности. Согласно им, в первом приближении можно считать, что любое лицо пытается поддержать и продлить собственное существование и поэтому всегда оценивает внешний мир с позиций вредности или полезности его влияния для себя, ставя свою индивидуальность в центр событий. Не избежали таких подходов и некоторые ученые, занимавшиеся исследованием Вселенной.

Физические и химические свойства и соответствующие константы и законы природы, якобы специально подобранные для появления жизни, действительно впечатляют. Изучение этих особенностей на уровне элементарных частиц привели некоторых специалистов к парадоксальным выводам: тела, особенно очень малые объекты (нейтроны и электроны), начали рассматриваться как волны вероятности. Это привело к тому, что, согласно одной из интерпретаций квантовой теории, только акт наблюдения превращает волну вероятности в определенный объект, например, электрон. Наблюдатель, в определенном смысле, сам создает реальный мир.

Есть несколько вариантов антропного принципа, в частности, один из них утверждает: то, что мы ожидаем увидеть, должно соответствовать условиям, необходимым для нашего присутствия в качестве наблюдателей. Это правильно, но тривиально: если мы наблюдаем, то мы уже существуем, то есть внешние условия так или иначе уже есть совместимые с нашим существованием. В связи с этим нет никакой необходимости вводить дополнительный принцип заинтересованности Вселенной в существовании именно разумного существа, она сама по себе формируется в результате системности процессов самоорганизации энергии и вещества.

Видимая целесообразность внешнего мира обусловлено факторами намного проще: любые неоптимальные варианты строения и функции в открытых системах вообще не могут реализоваться вследствие роста энтропии с последующей разрушением. Только самые сбалансированные по многим параметрам системы способны к длительному существованию и дальнейшему прогрессивному развитию.

Таким образом, вещество Вселенной развивалась в направлении от простого к сложному, из хаоса возникали все новые и новые упорядоченные структуры. Системы, возникающие в таких условиях, никогда не бывают стабильными и устойчивыми. Они всегда далеки от равновесия и, разрушаясь, вновь возвращаются к хаосу. Но среди огромного множества подобных новообразований достаточно часто и неизбежно возникали и системы с минимальным приростом энтропии, которые при определенных условиях хранились, то есть происходил своеобразный отбор только устойчивых физических и химических систем, эволюция которых направлялась в определенную сторону. Ограничение возможных вариантов прогрессивного развития химического вещества обусловлено асимметрией элементов, сложности молекул, физическим состоянием систем, действием стерических и внешних факторов. Они определяют наиболее энергетически выгодную взаимную ориентацию молекул и в условиях нестабильности способствуют достижению системой нового устойчивого состояния.

Оптимальная асимметрия

Асимметрия химических элементов связана с разницей в заряде ядра и количеством электронов на внешней оболочке. Химические элементы с большой асимметрией легко реагируют с системами, имеющими асимметрию противоположного знака. Например, щелочные металлы и галогены очень быстро взаимодействуют между собой. Но именно эта активность обуславливает образование достаточно устойчивых соединений, которые оказываются мало перспективными для дальнейшего развития.

Незначительная асимметрия химических элементов (инертные газы) приводит к тому, что они чрезвычайно трудно вступают в любые взаимодействия и также не способны к прогрессивному развитию.

К длительному усложнению вследствие самоорганизации оказываются способными лишь атомарные системы с оптимальными асимметрией и соответствующей оптимальной активностью. Перспективными в этом отношении являются химические элементы, занимающие срединное положение в периодической системе: фосфор, азот, кислород, сера и углерод. Последнему элементу принадлежит особая роль в химической эволюции благодаря тому, что он, имея 4 электрона на внешней оболочке, может давать очень широкий спектр разнообразных соединений. Число соединений, которые может образовывать углерод, достигает сотен тысяч, а все остальные химические элементы вместе взятые — не более 20 000.

По химическим свойствам к углероду приближается кремний, но его двуокись представляет собой твердое кристаллическое тело (песок). Зато двуокись углерода — это газ, который, благодаря своей подвижности, повсеместно распространен и доступен для многочисленных реакций. В частности, его фиксация в цикле Кальвина при фотосинтезе обеспечивает органическими веществами все другие трофические уровни в экосистемах.

Наличие оптимальной сложности

Очень простые молекулы, не имеют достаточно развитой структуры, будут иметь минимальные возможности для дальнейшего развития. Слишком сложные системы также будут иметь небольшую вероятность перехода на более высокий уровень, поскольку уже реализовали свои потенциальные возможности. Только оптимально структурированные химические соединения способны образовывать новые связи с другими молекулами. Например, мономерами белков стали аминокислоты, отличающиеся полифункциональностью. Именно у средних членов ряда органических веществ наблюдаются максимальные возможности для самоорганизации в результате сбалансированного сочетания устойчивости и изменчивости.

Фазовый оптимум

Твердые кристаллические тела имеют хорошо развитую упорядоченность, структуру и стабильность. Но способность к реакциям низкая благодаря незначительной подвижности элементов кристаллической решетки. Соединения в газообразном состоянии могут быстро реагировать с другими веществами и отличаются лабильностью. Но они характеризуются хаотичностью на макроуровне и неспособностью образовывать сколько-нибудь упорядоченные структуры. Только жидкость имеет оптимальное сочетание устойчивости и лабильности, которое необходимо для дальнейшей самоорганизации химических элементов и молекул в более сложные системы.

Отсюда следует, что для химической эволюции планета должна иметь достаточное гравитационное поле, которое могло содержать гидросферу. Для этого у нее должна быть определенная масса и орбита, приближенная к круговой. Если масса планеты великовата, то происходят интенсивные ядерные реакции, а температура сохраняется на высоком уровне, что препятствует образованию устойчивых сложных химических систем. Малая масса связана с небольшой силой тяжести и невозможностью удержания даже атмосферы. Кроме того, круговая орбита обеспечивает оптимум радиации от центрального светила и определенную равномерность протекания реакций в химических системах. Таким требованиям отвечает очень мало планет в нашей Галактике.

Наличие воды на Земле — это невероятное космическое везение. Сам комплекс из двух атомов водорода и одного атома кислорода вызвал появление уникальной химической системы, существенные особенности которой нельзя свести к простой сумме характеристик двух газов, входящих в ее состав. Уникальность проявляется в том, что вода как система приобретает такие принципиально новые свойства:

это универсальный растворитель, способный превращать кислоты, щелочи и соли в ионы с повышенной реакционной способностью;
удельная теплоемкость воды выше, чем во многих других веществ, благодаря чему океаны могут поглощать и отдавать огромное количество тепла, выравнивая климат на планете;
поверхностное натяжение воды больше, чем у любого другого вещества (кроме ртути), что способствует перемещению водных растворов различных химических веществ по капиллярам растительных сосудов;
молекулы воды определенным образом упорядочиваются вокруг макромолекул, облегчая их функционирования и тому подобное.

Все вышеизложенное позволяет признать, что первичная Земля была уникальной в том отношении, что условия на ней (достаточно разнообразен газовый состав атмосферы, извержения вулканов, интенсивные процессы выветривания и размывания и т.д.) способствовали формированию постоянных контактов трех фаз (твердой, жидкой и газовой), что существенно активизировало химические процессы. Такое чрезвычайно уместное объединение в единую систему трех различных фаз, сохранялось в течение многих миллионов лет, и получило название сферы равновесия.

Стерические факторы

Для того чтобы системы могли реагировать между собой, они не должны иметь пространственных осложнений во взаимодействии своих функциональных групп. Если пространственное расположение молекул не является термодинамически оптимальным или энергия внешней среды превышает силу связей между элементами структуры, то ее энтропия растет, и система разрушается.

Уникальную роль в поддержании стабильности сложных химических систем играет ВОДОРОД. Он имеет минимальные размеры атома и поэтому может включаться практически к любой структуры.

Существенное значение для уменьшения молекулярной энтропии приобретает и сходство некоторых размеров атомов углерода, кислорода и азота (почти одинаковые радиусы связей, внутриатомных расстоянии в молекулах, углы между связями и т.д.). Как следствие — цепи, образованные этими атомами, имеют подобную геометрию, независимо от соотношения отдельных элементов. Две таких цепи будут в определенной степени соответствовать друг другу практически при любой последовательности атомов, входящих в их состав.

Внешние условия химических процессов

Условия среды играют весьма значительную роль в химической эволюции, определяя направление и скорость реакций. Важнейшими среди них являются температура, давление, ионизирующая радиация, наличие катализаторов и тому подобное. В частности, при абсолютном нуле химические процессы почти не идут.

Повышение температуры вызывает ускорение реакций, но при слишком высоких температурах соединения, которые уже образовались, будут быстро распадаться. Оба процесса (синтез и распад) не имеют четко очерченных температурных границ и перекрываются при средних температурах, в небольшом диапазоне которых (около 37 ° С) они будут равновероятными. При таких условиях и обмен веществ (самоорганизация сложных систем) протекает легче, что обеспечивает оптимальную скорость химической эволюции. Аналогичная ситуация характерна для давления и ионизирующей радиации. Катализаторы способствуют переходу системы в более равновесное состояние за счет уменьшения энергии, необходимой для реакции. Кроме того, в достаточно распространенных химических процессах с автоколебательные режимом образуются продукты, которые могут выполнять функцию катализаторов, что значительно ускоряет любые реакции. Это имеет настолько большое значение, что процесс зарождения жизни можно считать эволюцией катализаторов неорганических базовых реакций. В открытых системах основную часть субстрата использует быстрая реакция. В отличие от обычной химии, где реакции направляются в сторону химического равновесия, в химии открытых систем реакции идут в направлении, указанном им потоком веществ.

Вследствие всех перечисленных реакций осуществляется отбор наиболее целесообразных (оптимальных) соединений и реакций, которые позволяют химической системе очень быстро и с минимальным расходом энергии достичь максимально полезного эффекта. Постепенно осуществлялся переход к качественно новому биологическому этапу развития материи, но общие принципы ее самоорганизации сохранились и на этом уровне.

Читайте также: