Жизнь с точки зрения химии реферат

Обновлено: 05.07.2024

  • Для учеников 1-11 классов и дошкольников
  • Бесплатные сертификаты учителям и участникам

ООО Учебный центр

Реферат по дисциплине:

Совина Галина Алексеевна

Реферат имеет строго определенную структуру:

Титульный лист (номер страницы не ставится) (см. Образец оформления титульного листа)

Содержание (с. 2)

Введение (с.3)

Неорганическая химия, сельское хозяйство и их задачи (с. 4)

Химизация сельского хозяйства (с. 5)

Защита растений (с.11)

Польза и вред от химизации (с. 12)

Заключение (с. 14)

Список литературы (с.15)

Земля как планета солнечной системы существует около 4,6 млрд. лет. Считают, что жизнь на ней зародилась 800—1000 тыс. лет назад. Ученые обнаружили следы деятельности первобытного человека, возраст которых оценивается 600—700 тыс. лет. Эра земледелия насчитывает всего лишь 17 тыс. лет.

За многомиллионные эпохи вода, воздух, а затем и живые организмы разрушали и измельчали каменные породы земной коры. Отмирая, живые организмы образовывали перегной или, как его называют ученые, гумус. Он смешивался с измельченной породой, склеивал и цементировал ее. Так зарождалась почва на нашей планете. Первая почва послужила основой развития последующих более крупных растений, которые, в свою очередь, способствовали новому ускоренному образованию гумуса. Еще с большим ускорением процесс почвообразования стал протекать с появлением животных, особенно населявших почвенный слой. Превращению органического вещества в гумус способствовали различного рода бактерии. Образование и распад органических веществ в почве считается главной причиной почвообразования.[3]

В реферате мы рассмотрим, какой вклад внесла химия (в частности неорганическая) в развитие сельского хозяйства, а также методы и средства: повышения урожайности (питание растений, улучшения структуры почвы, защита от болезней и вредителей), защиты животных от насекомых.

Неорганическая химия, сельское хозяйство и их задачи

Неорганическая химия — раздел химии, связанный с изучением строения, реакционной способности, свойств всех химических элементов и их неорганических соединений. Она охватывает все химические соединения, за исключением органических веществ (класса соединений, в которые входит углерод, за исключением нескольких простейших соединений, обычно относящихся к неорганическим). Различия между органическими и неорганическими соединениями, содержащими углерод, являются, по некоторым представлениям, произвольными. Неорганическая химия изучает химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме органических соединений). Обеспечивает создание материалов новейшей техники. Число, известных на 2013 г., неорганических веществ приближается к 500 тысячам.

Теоретическим фундаментом неорганической химии является периодический закон и основанная на нём периодическая система Д. И. Менделеева.

Исключительно большое значение химия имеет в сельском хозяйстве, которое использует минеральные удобрения, регуляторы роста растений, химические добавки и консерванты к кормам животных.

Сельское хозяйство — это отрасль экономики, направленная на обеспечение населения продовольствием, а также получение сырья для ряда других отраслей промышленности. Использование химических методов в сельском хозяйстве привело к возникновению ряда наук, например, агрохимии и биотехнологии. [2]

Химизация сельского хозяйства

Применение различных химических веществ, процессов и методов химического анализа в сельском хозяйстве называют химизацией .

Основная цель химизации сельского хозяйства — обеспе­чение роста производства, улучшение качества и продление сроков сохранности сельскохозяйственной продукции, повы­шение эффективности земледелия и животноводства.

Основные направления химизации сельского хозяйства:

Производство минеральных макро- и микроудобрений, а также кормовых фосфатов.

Внесение извести, гипса и других веществ для улучше­ния структуры почв.

Применение химических средств защиты растений: гербицидов, зооцидов и инсектицидов и т. д.

Использование в растениеводстве стимуляторов роста и плодоношения растений.

Разработка способов выращивания экологически чис­той сельскохозяйственной продукции.

Повышение продуктивности животных с помощью сти­муляторов роста, специальных кормовых добавок.

Производство и применение полимерных материалов для сельского хозяйства.

Производство материалов для средств малой механиза­ции, использующихся в сельском хозяйстве.

Мы уделим внимание только пунктам а) –в), т.к. они связаны в большей степени с неорганической химией.

Общая классификация удобрений

В клетках растений содержится более 70 химических элементов – практически все, имеющиеся в почве. Но для нормального роста, развития и плодоношения необходимы лишь 16 из них. Элементы, поглощаемые растениями из воздуха и воды - кислород, углерод и водород. Элементы, поглощаемые растениями из почвы:

макроэлементы – азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера; микроэлементы – молибден, медь, цинк, марганец, железо, бор, и кобальт.

Отдельным растениям для нормального роста и развития требуются и другие химические элементы. Например, натрий, кремний, алюминий, никель, кадмий, йод и др.

Наиболее полно потребности сельскохозяйственных культур в питательных элементах удовлетворяются при внесении в почву удобрений. Недаром их образно называют витаминами полей. Они содержат питательные элементы в связанном виде, т.е. в виде соединений. Растения поглощают эти соединения из почвы. Удобрения различаются по таким признакам:

а) по происхождению;

б) по действию на почву;

Схема классификации удобрений представлена на странице 7.

Органические удобрения – вещества растительного и животного происхождения. В первую очередь, это навоз, торф, компосты, птичий помет, городские отходы и отбросы пищевых производств. Сюда относят и зеленые удобрения (растения люпин, бобы). Внесенные в почву, эти удобрения под действием почвенных микроорганизмов разлагаются с образованием минеральных соединений азота, фосфора, калия и других питательных элементов.

Органоминеральные удобрения содержат органические и минеральные вещества. Их получают путем обработки аммиаком и фосфорной кислотой органических веществ (торфа, сланца, бурого угля и др.) или путем смешивания навоза или торфа с фосфорными удобрениями.

Бактериальные удобрения - препараты (азотобактерин, нитрагин почвенный), содержащие культуру микроорганизмов, поглощающих органические вещества почвы и удобрений и превращающих их в минеральные.

Минеральные удобрения – вещества неорганического происхождения. По действующему, питательному элементу минеральные удобрения подразделяют на макроудобрения: азотные, фосфорные, калийные и микроудобрения (борные, молибденовые и др.).

Для изготовления минеральных удобрений используют природное сырье (фосфориты, селитры и др.), а также побочные продукты и отходы некоторых отраслей промышленности. Например, сульфат аммония побочный продукт в коксохимии и производстве капрона. Минеральные удобрения получают в промышленности или механической обработкой неорганического сырья. Например, измельчением фосфоритов, или с помощью химических реакций. Выпускают твердые и жидкие минеральные удобрения.

По агрохимическому воздействию минеральные удобрения разделяют на прямые и косвенные. Прямые удобрения предназначаются для непосредственного питания растений. Они содержат азот, фосфор, калий, магний, серу, железо и микроэлементы (В, Мо, С u , Zn ). Подразделяются на простые и комплексные удобрения. Простые содержат один питательный элемент ( азот, фосфор, калий, молибден и др.). Комплексные удобрения содержат не менее двух питательных элементов. По характеру их производства они делятся на следующие группы:

Смешанные – получают механическим смешиванием различных готовых порошкообразных или гранулированных удобрений;

Сложносмешанные гранулированные удобрения – получают смешиванием порошкообразных готовых удобрений с введением в процессе смешивания жидких удобрений (жидкого аммиака, фосфорной кислоты, серной кислоты и др.);

Сложные удобрения – получают химической переработкой сырья в едином технологическом процессе.

Косвенные удобрения применяют для химического, физического, микробиологического воздействия на почву с целью улучшения условий использования удобрений. Например, для нейтрализации кислотности почв применяют молотые известняки, доломит, гашеную известь, для мелиорации солонцов – гипс, для кислования почв – гидросульфит натрия. М е л и о р а - ц и я (от лат. мелиорацио – улучшение) – это методы, посредством которых улучшают свойства почв. К ним относят гидротехнические, лесотехнические и химические методы.

Для растений на каждой стадии их развития наиболее благоприятные условия создаются при определенном составе почвенного раствора. Особое значение имеет реакция раствора, зависящая от концентрации в нем ионов водорода, т.е. кислотность почв. Кислотность почв – это один из важнейших показателей, характеризующих ее плодородие. Кислотность почвенного раствора обуславливается наличием в нем катионов Н + , а щелочность – анионов ОН - . В чистой воде содержится одинаковое количество катионов и анионов. С увеличением концентрации ионов Н + раствор становится кислотным, при повышении концентрации ОН - - щелочным.

Многие почвы России кислотные. Ионы водорода, когда они находятся в значительном избытке, вредны для растений не только сами по себе. В чрезмерно кислотных почвах резко снижается жизнедеятельность полезных микроорганизмов. Физические свойства таких почв неудовлетворительны, они плохо проницаемы для воздуха и воды. Улучшения свойств кислотных почв добиваются путем известкования, т.е. путем внесения в почву известковых материалов – гашеной извести Са(ОН) 2 или известняка СаСО 3 . Известкование улучшает деятельность клубеньковых и азотофиксирующих бактерий, структуру почв, их водный и воздушный режим, повышает ионообменную способность почвенных частиц, способствует развитию корневой системы растений. В связи с этим повышается на 30-40% эффективность применения минеральных удобрений. Культурные растения по-разному реагируют на кислотность почвы и известкование. Люцерна, капуста, клевер, свекла хорошо развиваются в нейтральной почве, поэтому хорошо отзываются на известкование. Пшеница, ячмень, кукуруза, горох, бобы, турнепс, брюква чувствуют себя хорошо при слабокислотной реакции и известковании. Рожь, гречиха, овес, тимофеевка переносят умеренную кислотность и положительно реагируют на высокие дозы извести. Картофель, лен, подсолнечник легко переносят умеренную кислотность и требуют известкования только на сильно- и среднекислотных почвах. Кроме известняков в качестве применяют известняковый туф, мергель, доломит, мел и др.[1]

Защита растений

Ежегодно из-за вредителей, сорняков и болезней в мире теряется до 24% урожая. Суммарный ущерб сельскому хозяйству ежегодно исчисляется в 70 млрд долларов.

Почему же сорняки наносят большой вред урожайности возделываемых культур? По сравнению с культурными растениями жизненная сила сорняков очень велика. Они активнее поглощают на почвы влагу и питательные вещества, затеняют поля, а их корни выделяют в почвенный раствор вредные для культурных растений вещества. Сорняки не только снижают урожай и ухудшают качество продукции, но иногда могут полностью загубить посевы. Во всем мире ежегодные потери зерна составляют 33 млн т, которых хватило бы на то, чтобы прокормить 150 млн человек в год. Не меньший урон, чем сорняки, культурным растениям наносят вредители и болезни. Достаточно сказать, что сельскохозяйственные культуры поражаются примерно 4 тыс. видов насекомых. Для борьбы с вредителями, сорняками и болезнями в нашей стране ежегодно выпускают более 500 тыс. т пестицидов. Их применение позволяет сберечь до сотни тысяч тонн урожая в год.

Рассмотрим классификацию пестицидом. По назначению пестициды делят на несколько видов. Для борьбы с вредными насекомыми применяют инсектициды, для излечения растений и почвы от грибковых заболеваний — фунгициды, для уничтожения сорняков — гербициды, для уничтожения вредных микроорганизмов — бактерициды, грызунов — зооциды. В марте 1940 г. швейцарский химик Пауль Мюллер получил 4.4-дихвордифснилтрихлорметилметан (ДДТ) и был за это удостоен Нобелевской премии. ДДТ — яд контактного и внутреннего действия. За последние 30 лет благодаря ДДТ более 1 млрд человек спасено от малярии. Однако исследования биосферы показали, что в настоящее время в природной среде продолжает циркулировать 1 млн т ДДТ, загрязняющего почву и растения, попадающего в организмы человека и животных. Такое огромное количество этого стойкого токсичного вещества осталось в биосфере из 1,5 млн т ДДТ. использованных много лет назад для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур.

Пестицид ДДТ токсичен (ядовит). Он очень накапливается в окружающей среде, жировых тканях животных и людей. Это вещество отрицательно влияет на нервную систему и обмен веществ у высших животных и человека, поэтому очень опасно. С 1970 г. применение ДДТ в сельском хозяйстве нашей страны запрещено. Многие другие государства приняли такие же решения, но до сих пор в жировой ткани животных, даже обитающих вдали от районов интенсивного земледелия (белые медведи, моржи и пингвины), находят ДДТ. Открытое через два года после ДДТ другое биологически активное вещество — гексахлорциклогексан С6Н6С16. или гексахлоран, или ггкеа тоже является стойким пестицидом, который может содержаться и пищевых продуктах. В связи с этим в нашей стране изъяты из употребления такие токсичные и особо стойкие препараты, как ДДТ, тиофос, гексахлоран, соединения мышьяка, меркаптофос и др. Благодаря этому средний уровень токсичности применяемых в сельском хозяйстве ядохимикатов снизился в 5 раз. Для сохранения собранного урожая применяют новые соединения, вызывающие у грызунов внутренние кровотечения. Эти вещества не опасны для людей и домашних животных. Феромоны - это химические средства внутривидовой сигнализации у животных, летучие вещества, выделяемые в окружающую среду. Различают феромоны половые, возбуждающие, успокаивающие, сбора, тревоги, следа. Первые применяются для борьбы с вредными насекомыми путем заманивания самцов в ловушки и дезориентации их в период спаривания. В качестве феромонов используют производные диклогексенкарбоновых кислот — сиглуры, медлуры, тримедлуры и другие вещества. [5]

Широкое применение пестицидов не только ведет к росту урожайности, увеличению производительности труда, рентабельности сельскохозяйственного производства, но и имеет отрицательные последствия:

1) гибель диких животных при обработке полей пестицидами;
2) массовое размножение вредителей после применения пестицидов;
3) появление вредителей, устойчивых к пестицидам.

Массовое размножение вредителей после применения пестицидов объясняется тем, что вместе с вредными насекомыми уничтожалось и последующее звено — хищные насекомые. Живая природа - это не пассивный объект нашего воздействия, она отвечает на него активной приспособительной реакцией. Этим объясняется появление вредителей, устойчивых к пестицидам, причем их количество увеличивается.

Однако отказаться сейчас от пестицидов человечество не может, но уменьшить их влияние на природу возможно, если использовать интегрированную систему борьбы с вредителями, включающую в себя следующие методы:

Карантинный метод включает комплекс мер, позволяющих предупредить распространение наиболее опасных вредителей.

Селекционным метод состоит в выведении сортов растений и пород животных, устойчивых к болезням и вредным насекомым .

Агротехнический метод включает приемы обработки почвы, введение севооборотов, соблюдение срока посевов и технологии уборки, строгое соблюдение научных рекомендаций применения пестицидов.

Химический метод непрерывно совершенствуется благодаря созданию новых пестицидом с высокой избирательностью действия и большой скоростью распада.

Физический способ заключается в том, что для борьбы с ночными насекомыми применяют оптические ловушки, представляющие собой лампы накаливания или ультрафиолетовые лампы; ультразвук оказывает подавляющее действие на микробов, отпугивает грызунов.

Биологический метод наиболее перспективен в экологическом отношении, поскольку не вызывает загрязнения окружающей среды. [5]

Наш дом – Земля. И мы должны его сохранить в чистоте и порядке. Чтобы в нем было уютно не только нам, людям, но всему живому, населяющему нашу планету.

Список литературы:

Интеграционные процессы в науке способствуют созданию общих теорий. Так, действенность термодинамической теории биологической эволюции и старения живых существ подтверждает общие законы природы, справедливые для любых систем материального мира. Жизнь во Вселенной возникает и развивается в соответствии с этими законами, в частности, законом временных иерархий и вторым началом термодинамики. Теория отвергает основные представления креационизма и соответствует мировоззренческим взглядам Г.Галилея, Дж.К.Максвелла, Дж.У.Гиббса, Ч.Дарвина, других классиков естествознания.

Эпиграфы к докладу

"One of the principal objects of theoretical research in any department of knowledge is to find the point of view from which the subject appears in its greatest simplicity."

J. Willard Gibbs

Одина из принципиальных целей теоретического исследования в любой области знания состоит в том, чтобы найти ту точку зрения, с позиции которой изучаемый объект проявляется в своей величайшей простоте.

"Yet science seems to have driven us to accept that we all merely small parts of a world governed in full details (even if perhaps ultimately just probabilistically) by very precise mathematical laws."

Наука, как кажется, заставляет нас поверить в то, что все мы мельчайшие частички мира, полностью управляемого (пусть даже только вероятностно) очень точными математическими законами.

Интеграционные процессы в науке способствуют созданию общих теорий и формированию широкого мировоззрения у студентов и исследователей. Так, макротермодинамические методы выявляют общие закономерности эволюции и поведения сложных живых и неживых (синтетических) систем.

Один из наиболее интересных подходов к познанию мира, по-видимому, связан с созданием общей теории эволюции материи, включая эволюцию и старение живых систем, а также сложных синтетических систем, таких как композиционные материалы и другие многокомпонентные химические композиции.

Настоящий доклад посвящен макротермодинамической (или просто, термодинамической) теории биологической эволюции. Разумеется, эта теория также может быть применена и к простейшим частным случаям - к изучению формирования структуры и старения биологических и синтетических полимеров.

Эволюция - представление об изменениях в окружающем нас мире, их направленности и закономерностях. В самом общем смысле под термином "эволюция" обычно понимают процесс изменения (развития) Вселенной или какой-либо системы, независимо от ее сложности и иерархичности /2/.

Особое место в науке занимает учение о биологической эволюции, как о необратимом историческом развитии живой природы, которое определяется изменчивостью, наследственностью, естественным отбором организмов. Биологическая эволюция связана с приспособлением организмов к условиям существования, появлением и вымиранием видов, трансформацией биогеоценозов и всей биосферы.

Эволюционное учение Ч.Дарвина является общей теорией, изучающей причины, механизмы и общие закономерности эволюции живых организмов с позиции биологии. Это учение является теоретической основой всех разделов биологии. Однако, теория Ч.Дарвина, нанесшая смертельный удар теологии, является описательной теорией и не выявляет физическую суть направленности эволюции. Очевидно, необходима физическая теория, которая на языке математики выявляла бы направленность и движущие силы эволюции на основе общих законов Природы. В случае создания такой физической теории спор между креационизмом и эволюционной теорией, по-видимому, решается в пользу последней.

История противостояния естественнонаучного подхода к выявлению движущих сил эволюции и креационизма насчитывает много столетий /3,4/.

Галилео Галилей, заложивший основы математического естествознания, был убежден, что законы природы должны быть написаны на языке математики. Создав фундамент экспериментального естествознания, Г.Галилей верил "в возможность математического постижения мира". Его принято считать "отцом современного естествознания".

В дальнейшем классики естествознания укрепили уверенность многих естествоиспытателей в том, что действие общих законов мироздания должно распространяться на все иерархии материи. Особо выделяются имена Джеймса Клерка Максвелла и Джозайя Уиларда Гиббса. Эти великие мыслители, как и другие классики, способствовали укреплению веры в действенность общих законов Природы и математики как языка науки. Однако применять эти законы к реальным природным системам казалось затруднительным. В частности, использовать второе начало термодинамики в его классической формулировке для выявления направленности биологической эволюции, а также старения живых организмов, представлялось невозможным. Дело в том, что живые организмы - биологические системы (как и многие другие системы в мире) являются открытыми и, как к тому же утверждалось, якобы самопроизвольно удаляющимися от состояния равновесия. К системам такого типа, разумеется, в общем случае, нельзя применять равновесную (квазиравновесную) термодинамику.

Использование неравновесной термодинамики систем далеких от состояния равновесия, а также информационной теории, с целью выявления направленности и движущей силы биологической эволюции не привело к ожидаемым результатам. То же самое можно сказать и о новой области исследования - синергетике, которая опирается на нелинейное математическое моделирование сложных процессов. Подходы синергетики, будучи достаточно привлекательными, все же удаляют нас от физики, химии и биологии явлений. Отсюда стало очевидным, что выявление движущих сил и направленности биологической эволюции могло бы существенно упроститься в случае создания моделей, которые позволили бы представлять эволюционные процессы в рамках квазизакрытых и квазиравновесных систем, исследуемых методами классической термодинамики.

После того, как автор настоящей заметки сформулировал закон временных иерархий (Gladyshev's law), стало очевидным, что мировоззрение Г.Галилея, Д.К.Максвела, Ч.Дарвина стало реально ощутимым и обоснованным при исследовании эволюции биомира /2,4-10/. Методы Ж.Л.Лагранжа, Дж.У.Гиббса, других великих творцов оказались применимыми к динамическим открытым живым системам.

Одна из формулировок закона временн`ых иерархий, предполагающая учет всех супрамолекулярных взаимодействий в тканях организма, может быть представлена в виде /2/:

Здесь () - среднее время жизни (существования в свободном состоянии) молекул (химических соединений) в организме, участвующих в метаболизме; () - среднее время жизни любых супрамолекулярных структур тканей организма, обновляющихся в процессе его роста и развития; - среднее время жизни организма в популяции; - среднее время жизни популяции. Ряд сильных неравенств (1) не включает времена жизни клеток (cell) и некоторых других супрамолекулярных структур. Однако, разумеется, этот ряд хорошо согласуется с реальностью и отражает существование временн`ых иерархий в живых системах. Последнее обстоятельство, как раз, строго обосновывает возможность выделения (вычленения) квазизакрытых систем (подсистем) в открытых биологических системах.

Была создана иерархическая термодинамика - макротермодинамика /2/ или равновесная (квазиравновесная) термодинамика иерархических систем и показано, что линейные модели с достаточно хорошим приближением могут использоваться при описании эволюционных процессов и многих превращений, происходящих на всех иерархических уровнях живой материи.

Следуя путеводной звезде Р.Клаузиуса, Дж. У.Гиббса, опираясь на один из самых мощных методов познания мира - метод математической дедукции, удалось построить достаточно стройную физико-химическую теорию биологической эволюции и старения живых существ. Эта теория опирается на представления о функциях состояния (т.е., функциях, дифференциалы которых являются полными) собственно самих биологических систем.

Выявление закона временн`ых иерархий позволило обосновать, что подавляющее большинство супрамолекулярных и других процессов структурообразования (самосборки) - термодинамической самоорганизации в биомире, протекает в квазизакрытых системах, в режимах, близких к состоянию равновесия. Отсюда, например, следовал вывод, что процессы образования супрамолекулярных структур in vivo и in vitro одинаково обоснованно можно исследовать с позиций супрамолекулярной, и в целом, иерархической термодинамики.

Таким образом, макротермодинамическая теория биологической эволюции и старения живых существ "сняла" ограничения, связанные с "открытым характером" биосистем и якобы существующей "сильной" неравновесностью процессов структурообразования в живых системах. Теория согласуется с опытом классиков физики, химии и биологии, а с практической точки зрения - с многовековым опытом медицины, диетологии, социологии и других разделов знания.

Как и следовало ожидать, формирование и старение сложных полимерных систем, "органически вписывается в теорию эволюции иерархических систем /11/. Образование кластерной структуры полимерных материалов подчиняется законам макротермодинамики. Например, установлено, что уравнения Гиббса-Гельмгольца-Гладышева количественно согласуются с экспериментальными данными по исследованию аморфного состояния полимеров /11/. Полученные результаты являются прямым подтверждением действенности макротермодинамики применительно ко многим объектам, включая биологические системы.

Становится очевидным, что новое "здание науки" об устройстве биомира, строящееся на фундаменте классики, оказывается достаточно прочным. Это здание должно устоять под напором любых ветров, зарождающихся под воздействием модных "скороспелых однодневных" моделей всевозможных эклектиков и фантазеров, создающих "постнеклассическую науку" и пренебрегающих знаниями, накопленными многовековой историей Человечества.

1. В конце апреля 2003 исполнилось 100 лет со дня смерти великого американского теоретика Дж. У. Гиббса .

2. Гладышев Г.П. Супрамолекулярная термодинамика - ключ к осознанию явления жизни. Что такое жизнь с точки зрения физико-химика. Издание второе. Москва - Ижевск: Институт компьютерных исследований. "Регулярная и хаотическая динамика", 2003. 144 с.

3. Penrose Roger, The Emperor's New Mind. Concerning Computers, Minds and The Laws of Physics. 1999. Oxford University Press. Russian translation, 2003, Moscow, URSS, 382 p.

7. Gladyshev G.P.. Равновесная термодинамика квазизакрытых биологических систем. Дифференцировка клеток и развитие организмов.(The Thermodynamic Theory of Biological Evolution and Aging. On the Thermodynamic Direction of Cell Differentiation and Organism Development) // Усп. Геронтол. 2003. Вып. 11, С. 23-33.

10. Gladyshev, G.P. Thermodynamic self-organization as a mechanism of hierarchical structures formation of biological matter. Progress in Reaction Kinetics and Mechanism (An International Review Journal. UK, USA). 2003, Vol. 28, 157-188.

11. Козлов Г.В. и Новиков В.Н. Кластерная модель аморфного состояния полимеров // Успехи физических наук. 2001. 171, N. 7, с. 717.

Estestvoznanie-10grade-gabrielyan.jpg

Комментарии, вопросы по параграфу можно добавить на странице обсуждения.

Содержание

  • Сформулируйте что такое жизнь с точки зрения химии, физики, биологии.

С точки зрения физики, жизнь - это реакции биосинтеза живой материи из простых веществ с поглощением внешней энергии и её трансформацией в энергию химических связей макромолекул - увеличение свободной энергии и уменьшение энтропии.

С точки зрения химии, жизнь - это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой.

С точки зрения биологии, жизнь - отличительная характеристика живого организма отмечается способностью расти, метаболизировать, реагировать (на раздражители), адаптироваться и размножаться.

  • Попытайтесь аргументировать, что теория панспермии - внеземного происхождения жизни - состоятельная естественно-научная теория. При подготовке задания используйте дополнительную литературу и возможности Интернета.

Идея, что жизнь зародилась не на Земле, а была занесена сюда из космоса, впервые прозвучала ещё за сотни лет до нашей эры. Первым её высказал афинский философ Анаксагор.

Доказательств внеземного происхождения жизни нет и, возможно, никогда не будет. Но способность простейших организмов перенести космическое путешествие не вызывает сомнений.

Способность микробов переносить жестокие условия открытого космоса подтвердил и эксперимент, проведённый в 2008 году на борту Международной космической станции. Вернее — за её бортом, куда был помещён осколок горной породы. Находившиеся там бактерии умудрялись жить в открытом космосе аж полтора года.

Одна из версий теории панспермии гласит, что распространение жизни по Вселенной не обязательно естественный процесс. Возможно, за ним стоит чей-то разум. Первым серьёзным сторонником этой версии стал нобелевский лауреат в области медицины Фрэнсис Крик. Он предположил, что даже для высокоразвитой цивилизации путешествия между звёздными системами и колонизация галактики могут оказаться невыполнимыми задачами. В таком случае она захочет распространить жизнь по Вселенной иным способом.

  • Объясните, какую роль асимметрия играет в организации живой материи. Как организованы белки и полисахариды с точки зрения асимметрии и почему именно так?

Молекулярная асимметрия была обнаружена и открыта Л. Пастером, которому удалось выделить левые и правые кристаллы винной кислоты. Асимметрия кристаллов кварца — в его оптической активности. В отличие от молекул неживой природы молекулы органических веществ имеют ярко выраженный асимметричный характер.

Если считать, что равновесие характеризуется состоянием покоя и симметрии, а асимметрия связана с движением и неравновесным состоянием, то понятие равновесия играет в биологии не менее важную роль, чем в физике. Всеобщий закон биологии — принцип устойчивого термодинамического равновесия живых систем, определяет специфику биологической формы движения материи. Действительно, устойчивое термодинамическое равновесие (асимметрия) является основным принципом, который не только охватывает все уровни познания живого, но и выступает в качестве ключевого принципа постановки и решения происхождения жизни на земле.

Вселенная есть асимметричное целое, и жизнь в таком виде, в каком она представляется, должна быть функцией асимметрии Вселенной и вытекающих отсюда следствий. В отличие от молекул неживой природы молекулы органических веществ имеют ярко выраженный асимметричный характер. Придавая большое значение асимметрии живого вещества, Пастер считал ее именно той единственной, четко разграничивающей линией, которую в настоящее время можно провести между живой и неживой природой, Т.е. тем, что отличает живое вещество от неживого. Современная наука доказала, что в живых организмах, как и в кристаллах, изменениям в строении отвечают изменения свойств.

Для неживой природы характерно преобладание симметрии, при переходе от неживой к живой природе на микроуровне преобладает асимметрия. Асимметрия на уровне элементарных частиц — это абсолютное преобладание в нашей части Вселенной частиц над античастицами. [2]

  • Дайте обоснованное толкование такому утверждению нобелевского лауреата Ф. Крика (вместе с Дж. Уотсоном установил структуру молекулы ДНК): ". Мы не видим пути от "первичного бульона" до естественного отбора. Можно прийти к выводу, что происхождение жизни - чудо, но это свидетельствует только о нашем незнании".

Представим, что "первичный бульон" - это образование первых форм жизни в воде, а естественный отбор - период существования человека разумного. Даже сейчас, в век технологий и огромных возможностей, учёные не в силах сойтись к единой теории зарождения и эволюции жизни в промежутки этих двух отметок. Однако это вовсе не означает, что происхождение жизни - истинное чудо, это всего лишь свидетельствует о том, что наука ещё не открыла истину данного явления.

  • Перечислите явления живой и неживой природы, которые вам известны.

Явления живой природы:

  1. Цветение
  2. Строение гнёзд птицами
  3. Распускание почек на деревьях
  4. Сбор мёда пчёлами
  5. Рождение малышей
  6. Созревание грибов и ягод
  7. Опадение листвы
  8. Прорастание семян
  9. Выведение птенцов
  10. Зимняя спячка медведя

Явления неживой природы:

  1. Ураган
  2. Землетрясение
  3. Извержение вулкана
  4. Снегопад
  5. Радуга
  6. Засуха
  7. Цунами
  8. Дождь
  9. Оттепель
  10. Закат
  • Дайте определения понятий "теплота", "внутренняя энергия", "температура".

Теплота — энергия, которую получает или теряет тело в процессе теплообмена с окружающей средой, называется коли́чеством теплоты́ или просто теплотой. [3]

Внутренняя энергия тела – это сумма кинетической энергии движения его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. [4]

  • Вспомните, что вам известно о происхождении жизни на Земле.

Происхождении жизни на Земле является ключевой и нерешенной проблемой естествознания, нередко служащей почвой для столкновения науки и религии. Если наличие в природе эволюции живой материи можно считать доказанным, так как были вскрыты ее механизмы, археологами обнаружены древние более просто устроенные организмы, то ни одна гипотеза возникновения жизни не имеет такой обширной доказательной базы. Эволюцию мы можем наблюдать воочию хотя бы в селекции. Создать же живое из неживого никому не удавалось.

Несмотря на большое количество гипотез о происхождении жизни, лишь одна из них имеет приемлемое научное объяснение. Это гипотеза абиогенеза — длительной химической эволюции, которая протекала в особых условиях древней Земли и предшествовала биологической эволюции. При этом из неорганических веществ сначала были синтезированы простые органические, из них более сложные, далее появились биополимеры, следующие этапы более умозрительны и малодоказуемы. Гипотеза абиогенеза имеет много нерешенных проблем, различных взглядов на определенные этапы химической эволюции. Однако некоторые ее моменты были подтверждены опытным путем.

Другие гипотезы происхождения жизни — панспермия (занесение жизни из космоса), креационизм (сотворение творцом), самопроизвольное зарождение (в неживой материи вдруг появляются живые организмы), стационарное состояние (жизнь существовала всегда). Невозможность самозарождения жизни в неживом была доказано Луи Пастером (XIX в.) и рядом ученых до него, но не так безапелляционно (Ф. Реди — XVII в.). Гипотеза панспермии не решает проблему возникновения жизни, а переносит ее с Земли в космическое пространство или на другие планеты. Однако и опровергнуть эту гипотезу сложно, особенно тех ее представителей, которые утверждают, что жизнь была занесена на Землю не метеоритами (в этом случае живое могло сгореть в слоях атмосферы, подвергнуться разрушительному действию космической радиации и т. д.), а разумными существами. [6]

Наука в Сибири
N 20 (2356)
24 мая 2002 г.

ЖИЗНЬ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ ХИМИИ

Поиски путей интеграции неорганической химии с химией живого.

Святослав Габуда
доктор физико-математических наук
Институт неорганической химии


Известно, что все живые организмы примерно на 90% состоят из воды. Преобладает точка зрения, что эта вода — необходимая, но пассивная среда, обеспечивающая протекание всех жизненно важных биохимических превращений и реакций. Мнение о чисто пассивной роли воды в биологических системах впервые было поколеблено в 1961 году, когда Лайнус Полинг, Нобелевский лауреат и автор одного из наиболее авторитетных учебников по общей химии, опубликовал в журнале "Nature" результаты анализа влияния анестетиков на прохождение сигналов болевой чувствительности.

Анестетики — это вещества, нарушающие прохождение сигналов болевого ощущения у высших организмов. К их числу относятся простые вещества — закись азота, или "веселящий газ", четыреххлористый углерод, сероуглерод и даже инертные газы — ксенон, аргон и др. Было установлено, что парциальное давление паров анестетика, соответствующее порогу болевой чувствительности у мышей in vivo, прямо пропорционально давлению кристаллизации гидрата данного анестетика при 0 градусов Цельсия in vitro. Отсюда следует, что образование гидратов связано с самой основой жизнедеятельности, а именно, с молекулярным механизмом функционирования биологических триггеров, или переключателей, ответственных (в данном конкретном случае) за включение сигналов болевой чувствительности в живом организме.

Клатраты — кристаллические гидраты анестетиков

Типичная клетка из молекул воды в кристаллической структуре гидрата диэтиламина ДЭА (раздражающее средство; репеллент). Элементарная ячейка структуры содержит 12 молекул ДЭА и 104 молекулы воды. Выше температуры плавления (-10 о С) раствор ДЭА-вода остается однородным. Предполагается, что в растворе структура клеток из молекул воды сохраняет свой характер и является типичной для водных растворов других неэлектролитов, например, этилового спирта.

Рентгеноструктурные исследования показали, что перечисленные выше молекулы анестетиков в кристаллических гидратах находятся в пустотах (или клетках) каркаса, построенного из молекул воды. С химической точки зрения это так называемые соединения включения, в которых два компонента соединены "механически" без образования настоящих химических связей. По этой причине их называют также клеточными соединениями, или клатратами (от греческого — "клетка"). Первое из них — гидрат хлора, обнаружено еще в 1803 знаменитым Хемфри Деви, учителем М.Фарадея. В первой половине XX в. появились аналогичные соединения инертных газов аргона и ксенона (1896 и 1925 гг.), метана и многих других веществ.

Вплоть до работы Л.Полинга, клатратные соединения рассматривалось лишь в качестве курьеза, не имеющего практического значения. Теперь оказалось, что хрупкие клатратные гидраты могут иметь самое прямое отношение к операциям включения и выключения передачи сигналов в такой важнейшей биологической системе, как мозг, или к бионике — гипотетическому аналогу электроники. Но существование кристаллических клатратных гидратов в условиях живого организма теплокровных животных не удавалось подтвердить ни прямыми наблюдениями, ни косвенными оценками.

Открытие клатратов в водных растворах

Неожиданное решение данная проблема получила в Институте неорганической химии СО РАН в рамках плановых фундаментальных исследований в области физико-химического анализа сложных экстракционных систем. В работах, выполнявшихся под общим руководством академика А.Николаева (в этом году мы отмечаем столетие со дня рождения ученого) в 1970-75 гг. впервые обнаружили жидкое состояние клатратов. Фактически было установлено существование нового класса клатратных систем, способных существовать не только в кристаллическом состоянии, но и в расплаве — в форме клатратных гидратов в растворах неэлектролитов.

Наиболее важные и принципиальные особенности обнаружены при детальном исследовании диаграмм растворимости бинарных систем вода — экстрагент (экстрагенты — амины различного строения, аминоксиды, фосфаты, фосфо- и фосфинаты, фосфинокиси с различными радикалами, сложные эфиры и др.). В противоположность существовавшему мнению о том, что эти соединения образуют гидраты простейшей стехиометрии, были открыты твердые гидраты с большими гидратными числами. Подробное изучение привело к выводу об их клатратной природе. Обнаруженное явление было общим и сопровождалось наличием на кривой расслаивания жидкостей либо нижней критической точки, либо даже замкнутых кривых расслаивания. Температурные пределы устойчивости гомогенного состояния жидкой фазы клатратов закономерным образом понижаются при увеличении гидрофобности молекул неэлектролитов (показано на примере аминов), и повышаются при увеличении их гидрофильности (на примере ряда полиэфиров).

Эти результаты обобщены в монографии А.Николаева и И.Яковлева "Клатратообразование и физико-химический анализ экстракционных систем" (Новосибирск, Наука, 1975), отмеченной премией АН СССР имени Н.С.Курнакова (1977 г.). Высказана гипотеза о том, что нижняя критическая температура растворения обусловлена разрушением клатратной структуры (за счет водородных связей воды) соответствующего гидрата экстрагента. Большое влияние клатратообразования на вид кривых расслаивания объясняет во многом различие растворимости экстрагентов в воде и водных растворах, так как явление клатратообразования необычайно чувствительно к стерическим особенностям неэлектролита. Открытие клатратных гидратов в системах экстрагент — вода положило начало развитию новых фундаментальных направлений — супрамолекулярной и клатратной химии.

Особые свойства критического состояния

Важнейшая особенность поведения растворов вблизи критических точек расслаивания — сильно выраженные эффекты нелинейности. Эта особенность существенна для протекания химических реакций вблизи критического состояния, поскольку эффект нелинейности эквивалентен влиянию катализатора, ускоряющего (или тормозящего) только определенный тип реакций. В этой связи заслуживают более детального рассмотрения сами свойства критического состояния.

Понятие о критическом состоянии вещества впервые введено Д.Менделеевым в 1860 г. при описании равновесия жидкость—пар. Известно, что температура кипения растет при увеличении давления, но при этом уменьшается скачок объема, занимаемого одним молем вещества (жидкости или пара). Температура и давление, при которых скачок объема обращается в нуль, названа критической точкой на диаграмме давление — температура ("р-Т-диаграмма"). Можно утверждать, что в критической точке исчезает различие между жидкостью и паром.

Поведение расслаивающихся растворов в широком интервале температур и концентраций компонентов во многом сходно с поведением системы жидкость—пар. Следует отметить, что в многочисленных исследованиях установлено существование глубокой аналогии между явлениями расслоения растворов и кипения жидкостей, известное как "гипотеза универсальности" Л.Каданова, сформулированная следующим образом: ". все фазовые переходы обладают идентичным поведением в критической области, меняется лишь наименование переменных" (Л.Каданов, в кн. "Квантовая теория поля и физика фазовых переходов", Мир, 1975, с.11).

По мере приближения к критическому состоянию уменьшается коэффициент диффузии, на что впервые обратил внимание еще в 1903 г. выдающийся русский физико-химик Д.Коновалов. А это, очевидно, должно приводить к замедлению химических реакций, и, следовательно, является нелинейным элементом. Можно предполагать, что ферментативные строго контролируемые управляемые биохимические реакции, лежащие в основе жизнедеятельности, в некоторых случаях протекают вблизи критической точки расслоения воды и растворенных в ней органических веществ. В связи с этим становится более понятным, почему установленная Л. Полингом чувствительность биохимической системы передачи нервного импульса к влиянию анестетиков оказалась столь тесным образом связанной с явлениями клатратообразования.

Эксперименты по фракционированию изотопов

Результаты изучения экстракционных систем и свойств критического состояния представлялись далекими от проблем классической теории химической эволюции. Эта теория, сформулированная Нобелевским лауреатом Ильей Пригожиным, связывает возникновение высокоупорядоченных биохимических систем из первобытного беспорядка с влиянием сильной неравновесности протекающих процессов. Один из основополагающих фактов этой теории — данные о способности живых организмов избирательно ассимилировать изотопно-легкие формы соединений. Однако, в 1973-82 гг. в работах академика Э.Галимова (ГЕОХИ РАН) и ряда зарубежных авторов была обнаружена неожиданная закономерность, давшая начало новому пониманию природы биологического фракционирования изотопов, и противоречившая представлениям о принципиальной неравновесности биологических систем. Суть этой закономерности заключается в том, что распределение изотопов по различным структурным позициям в биомолекулах как раз соответствует равновесному характеру распределения, и не согласуется с представлением о принципиальной неравновесности биологических систем (Э.Галимов. Вестник АН СССР, N 10, 1982). Закономерность эта носит универсальный характер. Она присуща соединениям разного строения и состава, организмам разной экологической и таксономической принадлежности, проявляется как на межмолекулярном, так и на внутримолекулярном уровне.

Микроскопический механизм возникновения подобной обратимости, вероятно, может быть связан с замедлением диффузии вблизи критического состояния. В ИНХ СО РАН под руководством проф. Э.Матизена проводились эксперименты по изучению диффузии в смеси СО2-Ar методом капилляра вблизи критической точки. Было высказано предположение о том, что вблизи критической точки в диффузионном процессе могут участвовать рои молекул, или кластеры примеси размером порядка радиуса корреляции. Гипотеза о кластерном механизме диффузии в непосредственной близости от критической точки была подтверждена в работах по изучению рассеяния света.

Живое с точки зрения химии

Результаты изучения эффектов анестезии и распределения изотопов в биологических системах позволят уточнить и прояснить наиболее общие характеристики элементарного акта химической передачи сигналов в биологических системах. Будучи в своей основе существенно физико-химическими, эти характеристики оказываются весьма нетривиальными, а их дальнейший анализ может иметь практические последствия для ряда областей — от медицины и наркологии до самовоспроизводящихся химических машин и автоматов футурологии. Если работа триггеров в подобных автоматах будет базироваться на нелинейных свойствах критического состояния, то вероятно, что подобное самовоспроизводящееся устройство будущего придется рассматривать как истинно "живое" (с точки зрения химии), независимо от используемой конкретной "элементной базы". Главное, чтобы критические флуктуации концентраций веществ были самоподдерживающимися, и включали способность к самокопированию.

Читайте также: