في الحياة ، نحن محاطون بأجسام وأشياء مختلفة. على سبيل المثال ، في الداخل هو نافذة ، باب ، طاولة ، مصباح كهربائي ، فنجان ، في الشارع - سيارة ، إشارة مرور ، أسفلت. أي جسم أو شيء يتكون من مادة. ستناقش هذه المقالة ماهية المادة.
ما هي الكيمياء؟
الماء مذيب أساسي ومثبت. لديها قدرة حرارية قوية والتوصيل الحراري. البيئة المائية مواتية لتدفق المياه الرئيسية تفاعلات كيميائية. إنه شفاف ومقاوم عمليًا للضغط.
ما هو الفرق بين المواد العضوية وغير العضوية؟
لا توجد فروق خارجية قوية بشكل خاص بين هاتين المجموعتين من المواد. يكمن الاختلاف الرئيسي في الهيكل ، حيث تحتوي المواد غير العضوية على بنية غير جزيئية ، والمواد العضوية لها بنية جزيئية.
المواد غير العضوية لها بنية غير جزيئية ، لذلك فهي تتميز بنقاط انصهار وغليان عالية. لا تحتوي على الكربون. وتشمل هذه الغازات النبيلة (النيون والأرجون) والمعادن (الكالسيوم والكالسيوم والصوديوم) والمواد المذبذبة (الحديد والألمنيوم) وغير المعادن (السيليكون) والهيدروكسيدات والمركبات الثنائية والأملاح.
المواد العضوية التركيب الجزيئي. تتميز بنقاط انصهار منخفضة نسبيًا وتتحلل بسرعة عند تسخينها. تتكون في الغالب من الكربون. استثناءات: الكربيدات ، الكربونات ، أكاسيد الكربون والسيانيد. يسمح الكربون بتكوين عدد كبير من المركبات المعقدة (أكثر من 10 ملايين معروفة في الطبيعة).
تنتمي معظم فئاتهم إلى أصل بيولوجي (الكربوهيدرات والبروتينات والدهون والأحماض النووية). وتشمل هذه المركبات النيتروجين والهيدروجين والأكسجين والفوسفور والكبريت.
لفهم ماهية المادة ، من الضروري تخيل الدور الذي تلعبه في حياتنا. بالتفاعل مع المواد الأخرى ، فإنه يشكل مواد جديدة. بدونها ، فإن النشاط الحيوي للعالم المحيط لا ينفصل ولا يمكن تصوره. تتكون جميع الأشياء من مواد معينة ، لذا فهي تلعب دورًا مهمًا في حياتنا.
رقم الإزاحة 2.
يستكشف الفصل 2 "أصل الحياة على الأرض""الصفحات 30-80 من الكتاب المدرسي" علم الأحياء العام. مؤلف الصف 10 "، إلخ.
أولاً: أجب عن الأسئلة التالية كتابةً:
1. ما هي أسس الحياة وجوهرها حسب الفلاسفة اليونانيين القدماء؟
2. ما معنى تجارب ف. ريدي؟
3. وصف تجارب L. Pasteur التي تثبت استحالة التولد التلقائي للحياة في الظروف الحديثة.
4. ما هي نظريات خلود الحياة؟
5. ما هي النظريات المادية لأصل الحياة هل تعلم؟
ما هي تفاعلات الاندماج النووي؟ أعط أمثلة.
6. كيف ، وفقًا لفرضية Kant-Laplace ، تتشكل الأنظمة النجمية من مادة الغاز والغبار؟
7. هل هناك اختلافات في التركيب الكيميائي لكواكب نفس النظام النجمي؟
8. ضع قائمة بالمتطلبات الكونية والكوكبية لظهور الحياة بطريقة غير حيوية على كوكبنا.
9. ما هي أهمية ظهور الجزيئات العضوية من غير المواد العضويةعلى الأرض كانت الطبيعة التصالحية للغلاف الجوي الأساسي؟
10. وصف جهاز ومنهجية إجراء تجارب S. Miller و P. Urey.
11. ما هو التماسك ، التوحيد؟
12. ما هي الأنظمة النموذجية التي يمكن استخدامها لإثبات تكوين قطرات متماسكة في المحلول؟
13. ما هي الفرص الموجودة في مياه المحيط الأولي للتغلب على التركيزات المنخفضة للمواد العضوية؟
14. ما هي مزايا تفاعل الجزيئات العضوية في المناطق ذات التركيزات العالية من المواد؟
15. كيف يمكن توزيع الجزيئات العضوية ذات الخصائص المحبة للماء والطارئة للماء في مياه المحيط الأساسي؟
16. سمِّ مبدأ فصل المحلول إلى مراحل ذات تركيز عالٍ ومنخفض للجزيئات. ؟
17. ما هي قطرات coacervate؟
18. كيف يتم اختيار coacervates في "المرق الأولي"؟
19. ما هو جوهر فرضية ظهور حقيقيات النوى من خلال تكافل؟
20. بأي طرق استقبلت الخلايا حقيقية النواة الأولى الطاقة اللازمة لعمليات الحياة؟
21. في أي الكائنات الحية ظهرت العملية الجنسية لأول مرة في عملية التطور؟
22. وصف جوهر الفرضية حول ظهور الكائنات متعددة الخلايا؟
23- حدد المصطلحات التالية: البروتوبيونات ، المحفزات البيولوجية ، الكود الجيني، التكاثر الذاتي ، بدائيات النوى ، التمثيل الضوئي ، العملية الجنسية ، حقيقيات النوى.
اختبر معلوماتك حول الموضوع:
أصل الحياة وتطور العالم العضوي
1. أنصار التولد الحيوي يجادلون بذلك
كل الكائنات الحية - من الأحياء
كل الكائنات الحية خلقها الله
كل الكائنات الحية - من غير الحية
الكائنات الحية جلبت إلى الأرض من الكون
2. أنصار النشوء التلقائي يجادلون بأن جميع الكائنات الحية
يأتي من الجماد
ينشأ من العيش
خلقه الله
جلبت من الفضاء الخارجي
3. تجارب ل. باستير باستخدام قوارير ذات رقبة مستطيلة
ثبت التناقض في موقف النشوء التلقائي
أكد موقف النشوء التلقائي
أكد موقف التولد الحيوي
ثبت عدم تناسق موقف التولد الحيوي
4. دليل على أن الحياة لا تنشأ بشكل عفوي
L. باستير
أ. فان ليوينهوك
أرسطو
5. أرسطو يعتقد ذلك
على قيد الحياة فقط من العيش
تأتي الحياة من العناصر الأربعة
العيش يأتي من غير الأحياء
يمكن أن يأتي الأحياء من الجماد إذا كان لديه "مبدأ نشط"
6. فرضية
يقوي موقف أنصار التولد الحيوي
يقوي موقف أنصار التولد الذاتي
يؤكد فشل موقف التولد الحيوي
يؤكد فشل موقع النشوء التلقائي
7. وفقًا للفرضية ، فإن coacervates هي الأولى
· الكائنات الحية
"تنظيم" الجزيئات
مجمعات البروتين
تراكمات المواد غير العضوية
8. في مرحلة التطور الكيميائي ،
بكتيريا
بروتوبيونتس
البوليمرات الحيوية
مركبات عضوية منخفضة الوزن الجزيئي
9. في مرحلة التطور البيولوجي ،
البوليمرات الحيوية
· الكائنات الحية
مواد عضوية منخفضة الوزن الجزيئي
مواد غير عضوية
1. وفقًا للأفكار الحديثة ، تطورت الحياة على الأرض نتيجة لـ
· التطور الكيميائي
التطور البيولوجي
التطور الكيميائي ثم البيولوجي
· التطور الكيميائي والبيولوجي
التطور البيولوجي ثم الكيميائي
10. أكلت الكائنات الحية الأولى التي ظهرت على الأرض
التغذية التلقائية
مغاير التغذية
فطريات مترممة
11. نتيجة لظهور autotrophs في الغلاف الجوي للأرض
زيادة كمية الأكسجين
انخفاض كمية الأكسجين
زيادة الكمية نشبع
ظهرت شاشة الأوزون
12. كانت كمية المركبات العضوية في المحيط البدائي تتناقص بسبب
زيادة في عدد autotrophs
زيادة في عدد الكائنات غيرية التغذية
تقليل عدد autotrophs
تقليل عدد الكائنات غيرية التغذية
13. ويرجع ذلك إلى تراكم الأكسجين في الغلاف الجوي
ظهور طبقة الأوزون
البناء الضوئي
التخمير
تداول المواد في الطبيعة
14. أدت عملية التمثيل الضوئي إلى
تكوين كمية كبيرة من الأكسجين
ظهور طبقة الأوزون
ظهور التعددية الخلوية
ظهور التكاثر الجنسي
15. تحقق من البيانات الصحيحة:
غيرية التغذية - كائنات حية قادرة على تصنيع المواد العضوية بشكل مستقل من المواد غير العضوية
كانت الكائنات الحية الأولى على الأرض غيرية التغذية
البكتيريا الزرقاء - أول كائنات التمثيل الضوئي
تم تشكيل آلية التمثيل الضوئي تدريجياً
16. انقسام المركبات العضوية في ظروف نقص الأكسجين:
التخمير
البناء الضوئي
· الأكسدة
التخليق الحيوي
17. مع ظهور autotrophs على الأرض:
بدأت تغييرات لا رجوع فيها في ظروف وجود الحياة
تشكلت عدد كبير منالأكسجين في الغلاف الجوي
كان هناك تراكم طاقة شمسيةفي الروابط الكيميائية للمواد العضوية
اختفت جميع الكائنات غيرية التغذية
18. ظهر الإنسان على الأرض في
عصر البروتيروزويك
عصر الدهر الوسيط
عصر حقب الحياة الحديثة
بروتيروزويك
الدهر الوسيط
حقب الحياة القديمة
حقب الحياة الحديثة
20. تعتبر أكبر أحداث البروتيروزويك
ظهور حقيقيات النوى
ظهور النباتات المزهرة
ظهور الحبليات الأولى
21. كانت عملية تكوين التربة على الأرض بسبب
دورة الماء في الطبيعة
تسوية بواسطة الكائنات الحية للطبقة العليا من الغلاف الصخري
موت الكائنات الحية
تدمير الصخور الصلبة بتكوين الرمل والطين
22. كانت منتشرة في الأركيا.
الزواحف والسراخس
البكتيريا والبكتيريا الزرقاء
23. جاءت النباتات والحيوانات والفطريات إلى الأرض
بروتيروزويك
حقب الحياة القديمة
الدهر الوسيط
24. عصر البروتيروزويك
الثدييات والحشرات
الطحالب والأمعاء
النباتات البرية الأولى
هيمنة الزواحف
تتطور الطبيعة في الديناميات ، وتخضع المادة الحية والخاملة لعمليات التحول باستمرار. أهم التحولات هي تلك التي تؤثر على تكوين المادة. تشكل الصخور ، والتآكل الكيميائي ، وولادة كوكب أو تنفس الثدييات ، كلها عمليات يمكن ملاحظتها تنطوي على تغييرات في المواد الأخرى. على الرغم من اختلافاتهم ، فإنهم جميعًا يشتركون في شيء مشترك: التغييرات على المستوى الجزيئي.
- في سياق التفاعلات الكيميائية ، لا تفقد العناصر هويتها. تشارك فقط إلكترونات الغلاف الخارجي للذرات في هذه التفاعلات ، بينما تظل نوى الذرات دون تغيير.
- تعتمد تفاعل عنصر ما مع تفاعل كيميائي على درجة أكسدة العنصر. في التفاعلات الكيميائية العادية ، يتصرف Ra و Ra 2+ بشكل مختلف تمامًا.
- النظائر المختلفة لعنصر ما لها نفس التفاعل الكيميائي تقريبًا.
- معدل التفاعل الكيميائي يعتمد بشكل كبير على درجة الحرارة والضغط.
- يمكن عكس التفاعل الكيميائي.
- التفاعلات الكيميائية مصحوبة بتغيرات صغيرة نسبيًا في الطاقة.
التفاعلات النووية
- أثناء التفاعلات النووية ، تخضع نوى الذرات للتغييرات ، وبالتالي تتشكل عناصر جديدة نتيجة لذلك.
- تفاعل عنصر ما مع تفاعل نووي مستقل عمليًا عن درجة أكسدة العنصر. على سبيل المثال ، تتصرف أيونات Ra أو Ra 2+ في Ka C 2 بشكل مشابه في التفاعلات النووية.
- في التفاعلات النووية ، تتصرف النظائر بشكل مختلف تمامًا. على سبيل المثال ، يخضع U-235 للانقسام بهدوء وسهولة ، لكن U-238 لا يخضع لذلك.
- معدل التفاعل النووي لا يعتمد على درجة الحرارة والضغط.
- لا يمكن التراجع عن تفاعل نووي.
- التفاعلات النووية مصحوبة بتغيرات كبيرة في الطاقة.
الفرق بين الطاقة الكيميائية والنووية
- الطاقة الكامنة التي يمكن تحويلها إلى أشكال أخرى من الحرارة والضوء بشكل أساسي عند تكوين الروابط.
- كلما كانت الرابطة أقوى ، زادت الطاقة الكيميائية المحولة.
- لا ترتبط الطاقة النووية بتكوين روابط كيميائية (نتيجة تفاعل الإلكترونات)
- يمكن تحويلها إلى أشكال أخرى عند حدوث تغيير في نواة الذرة.
يحدث التغيير النووي في جميع العمليات الرئيسية الثلاث:
- الانشطار النووي
- ربط نواتين لتشكيل نواة جديدة.
- إطلاق إشعاع كهرومغناطيسي عالي الطاقة (أشعة جاما) ، مما يخلق نسخة أكثر استقرارًا من نفس النواة.
مقارنة تحويل الطاقة
كمية الطاقة الكيميائية المنبعثة (أو المحولة) في انفجار كيميائي هي:
- 5 كيلو جول لكل جرام من مادة تي إن تي
- كمية الطاقة النووية المنبعثة قنبلة ذرية: 100 مليون كيلوجول لكل جرام من اليورانيوم أو البلوتونيوم
أحد الاختلافات الرئيسية بين التفاعلات النووية والكيميائيةتتعلق بكيفية حدوث التفاعل في الذرة. بينما يحدث التفاعل النووي في نواة الذرة ، فإن الإلكترونات الموجودة في الذرة هي المسؤولة عن التفاعل الكيميائي الذي يحدث.
تشمل التفاعلات الكيميائية:
- التحويلات
- خسائر
- ربح
- فصل الإلكترونات
وفقًا لنظرية الذرة ، يتم تفسير المادة كنتيجة لإعادة الترتيب لإعطاء جزيئات جديدة. يتم التعبير عن المواد المتضمنة في تفاعل كيميائي والنسب التي تتشكل بها في المقابل معادلات كيميائيةالأساسية لإجراء أنواع مختلفة من العمليات الحسابية الكيميائية.
التفاعلات النووية مسؤولة عن اضمحلال النواة وليس لها علاقة بالإلكترونات. عندما تتحلل النواة ، يمكن أن تنتقل إلى ذرة أخرى ، بسبب فقدان النيوترونات أو البروتونات. في التفاعل النووي ، تتفاعل البروتونات والنيوترونات داخل النواة. في التفاعلات الكيميائية ، تتفاعل الإلكترونات خارج النواة.
يمكن تسمية أي انشطار أو اندماج نتيجة تفاعل نووي. يتكون عنصر جديد بسبب عمل البروتون أو النيوترون. نتيجة لتفاعل كيميائي ، تتغير المادة إلى مادة واحدة أو أكثر بسبب تأثير الإلكترونات. يتكون عنصر جديد بسبب عمل البروتون أو النيوترون.
عند مقارنة الطاقة ، فإن التفاعل الكيميائي ينطوي فقط على تغيير منخفض للطاقة ، في حين أن التفاعل النووي له تغير كبير في الطاقة. في تفاعل نووي ، تتغير الطاقة في الحجم 10 ^ 8 kJ. يكون 10-10 ^ 3 كيلوجول / مول في التفاعلات الكيميائية.
بينما يتم تحويل بعض العناصر إلى عناصر أخرى في النواة ، يظل عدد الذرات كما هو في المادة الكيميائية. في تفاعل نووي ، تتفاعل النظائر بشكل مختلف. ولكن نتيجة تفاعل كيميائي ، تتفاعل النظائر أيضًا.
على الرغم من أن التفاعل النووي لا يعتمد على المركبات الكيميائية ، إلا أن التفاعل الكيميائي يعتمد بشكل كبير على المركبات الكيميائية.
ملخص
- يحدث تفاعل نووي في نواة الذرة ، وتكون الإلكترونات في الذرة مسؤولة عنه مركبات كيميائية.
- تغطي التفاعلات الكيميائية نقل الإلكترونات وفقدها وتضخيمها وفصلها دون إشراك النواة في العملية. التفاعلات النووية تنطوي على اضمحلال النواة وليس لها علاقة بالإلكترونات.
- في التفاعل النووي ، تتفاعل البروتونات والنيوترونات داخل النواة ، وفي التفاعلات الكيميائية تتفاعل الإلكترونات خارج النواة.
- عند مقارنة الطاقات ، يستخدم التفاعل الكيميائي فقط تغييرًا منخفضًا للطاقة ، في حين أن التفاعل النووي له تغير كبير جدًا في الطاقة.
أثناء التفاعلات الكيميائية ، يتم الحصول على مواد أخرى من مادة واحدة (يجب عدم الخلط بينها التفاعلات النووية، في أي واحد عنصر كيميائييتحول إلى آخر).
يتم وصف أي تفاعل كيميائي بواسطة معادلة كيميائية:
الكواشف → منتجات التفاعل
يشير السهم إلى اتجاه رد الفعل.
علي سبيل المثال:
في هذا التفاعل ، يتفاعل الميثان (CH 4) مع الأكسجين (O 2) ، مما يؤدي إلى تكوين ثاني أكسيد الكربون (CO 2) والماء (H 2 O) ، أو بالأحرى بخار الماء. هذا هو بالضبط رد الفعل الذي يحدث في مطبخك عندما تشعل موقد غاز. يجب قراءة المعادلة على النحو التالي: يتفاعل جزيء واحد من غاز الميثان مع جزيئين من غاز الأكسجين ، مما ينتج عنه جزيء واحد من ثاني أكسيد الكربون وجزيئين من الماء (بخار).
تسمى الأرقام الموجودة أمام مكونات تفاعل كيميائي معاملات التفاعل.
التفاعلات الكيميائية ماص للحرارة(مع امتصاص الطاقة) و طارد للحرارة(مع إطلاق الطاقة). يعد احتراق الميثان مثالًا نموذجيًا على تفاعل طارد للحرارة.
هناك عدة أنواع من التفاعلات الكيميائية. الأكثر شيوعا:
- تفاعلات مركبة
- تفاعلات التحلل
- تفاعلات الاستبدال الفردي
- تفاعلات الاستبدال المزدوجة
- تفاعلات الأكسدة
- تفاعلات الأكسدة والاختزال.
تفاعلات الاتصال
في تفاعل مركب ، يشكل عنصران على الأقل منتجًا واحدًا:
2Na (t) + Cl 2 (g) → 2NaCl (t)- تكوين الملح.
يجب الانتباه إلى فارق بسيط أساسي في التفاعلات المركبة: اعتمادًا على ظروف التفاعل أو نسب المواد المتفاعلة المتضمنة في التفاعل ، يمكن أن تكون نتيجته نواتج مختلفة. على سبيل المثال ، في ظل ظروف الاحتراق العادية للفحم ، يتم الحصول على ثاني أكسيد الكربون:
C (t) + O 2 (g) → CO 2 (g)
إذا لم يكن هناك ما يكفي من الأكسجين ، يتشكل أول أكسيد الكربون القاتل:
2C (t) + O 2 (g) → 2CO (g)
تفاعلات التحلل
هذه التفاعلات ، كما كانت ، معاكسة في جوهرها لردود فعل المركب. نتيجة لتفاعل التحلل ، تنقسم المادة إلى قسمين (3 ، 4 ...) أكثر عنصر بسيط(روابط):
- 2H 2 O (g) → 2H 2 (g) + O 2 (g)- تحلل الماء
- 2H 2 O 2 (g) → 2H 2 (g) O + O 2 (g)- تحلل بيروكسيد الهيدروجين
تفاعلات الاستبدال الفردي
كنتيجة لتفاعلات الاستبدال الفردي ، يستبدل العنصر الأكثر نشاطًا العنصر الأقل نشاطًا في المركب:
Zn (t) + CuSO 4 (محلول) → ZnSO 4 (محلول) + Cu (t)
يحل الزنك في محلول كبريتات النحاس محل النحاس الأقل نشاطًا ، مما ينتج عنه محلول كبريتات الزنك.
درجة نشاط المعادن بترتيب تصاعدي للنشاط:
- الأكثر نشاطا هي الفلزات القلوية والقلوية الترابية.
ستكون المعادلة الأيونية للتفاعل أعلاه:
Zn (t) + Cu 2+ + SO 4 2- → Zn 2+ + SO 4 2- + Cu (t)
الرابطة الأيونية CuSO 4 ، عند إذابتها في الماء ، تتحلل إلى كاتيون نحاسي (شحنة 2+) وكبريتات أنيون (شحنة 2-). نتيجة لتفاعل الاستبدال ، يتم تكوين كاتيون الزنك (الذي له نفس شحنة الكاتيون النحاسي: 2-). لاحظ أن أنيون الكبريتات موجود على جانبي المعادلة ، أي بكل قواعد الرياضيات ، يمكن اختزاله. والنتيجة هي معادلة جزيئية أيونية:
Zn (t) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu (t)
تفاعلات الاستبدال المزدوجة
في تفاعلات الاستبدال المزدوج ، تم بالفعل استبدال إلكترونين. ردود الفعل هذه تسمى أيضا تبادل ردود الفعل. تحدث ردود الفعل هذه في شكل محلول:
- لا يتحلل في الماء صلب(ردود الفعل هطول الأمطار)؛
- الماء (تفاعلات التعادل).
ردود الفعل هطول الأمطار
عند خلط محلول من نترات الفضة (ملح) بمحلول كلوريد الصوديوم ، يتكون كلوريد الفضة:
المعادلة الجزيئية: بوكل (محلول) + AgNO 3 (p-p) → AgCl (t) + KNO 3 (p-p)
المعادلة الأيونية: K + + Cl - + Ag + + NO 3 - → AgCl (t) + K + + NO 3 -
المعادلة الجزيئية الأيونية: Cl - + Ag + → AgCl (t)
إذا كان المركب قابل للذوبان ، فسيكون في محلول في شكل أيوني. إذا كان المركب غير قابل للذوبان ، فسوف يترسب مكونًا مادة صلبة.
تفاعلات التعادل
هذه تفاعلات بين الأحماض والقواعد ، ونتيجة لذلك تتشكل جزيئات الماء.
على سبيل المثال ، تفاعل خلط محلول حامض الكبريتيك ومحلول هيدروكسيد الصوديوم (محلول):
المعادلة الجزيئية: H 2 SO 4 (p-p) + 2 NaOH (p-p) → Na 2 SO 4 (p-p) + 2H 2 O (l)
المعادلة الأيونية: 2H + + SO 4 2- + 2Na + + 2OH - → 2Na + + SO 4 2- + 2H 2 O (l)
المعادلة الجزيئية الأيونية: 2H + 2OH - → 2H 2 O (g) أو H + + OH - → H 2 O (g)
تفاعلات الأكسدة
هذه هي تفاعلات تفاعل المواد مع الأكسجين الغازي في الهواء ، والتي ، كقاعدة عامة ، يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة في شكل حرارة وضوء. تفاعل الأكسدة النموذجي هو الاحتراق. في بداية هذه الصفحة ، يتم إعطاء رد فعل تفاعل الميثان مع الأكسجين:
CH 4 (g) + 2O 2 (g) → CO 2 (g) + 2H 2 O (g)
يشير الميثان إلى الهيدروكربونات (مركبات الكربون والهيدروجين). عندما يتفاعل الهيدروكربون مع الأكسجين ، يتم إطلاق الكثير من الطاقة الحرارية.
تفاعلات الأكسدة والاختزال
هذه هي التفاعلات التي يتم فيها تبادل الإلكترونات بين ذرات المتفاعلات. ردود الفعل التي نوقشت أعلاه هي أيضًا تفاعلات الأكسدة والاختزال:
- 2Na + Cl 2 → 2NaCl - تفاعل مركب
- CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - تفاعل الأكسدة
- Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu - تفاعل الاستبدال الفردي
تم وصف تفاعلات الأكسدة والاختزال الأكثر تفصيلاً مع عدد كبير من الأمثلة لحل المعادلات بطريقة توازن الإلكترون وطريقة نصف التفاعل في القسم
الصفحة الحالية: 3 (يحتوي الكتاب على إجمالي 18 صفحة) [مقتطف متاح للقراءة: 12 صفحة]
يعتقد العلماء أن السدم هي مرحلة في تكوين المجرات أو أنظمة النجوم الكبيرة. في نماذج من هذا النوع من النظرية ، تعتبر الكواكب نتاجًا ثانويًا لتشكيل النجوم. تم التعبير عن وجهة النظر هذه لأول مرة في القرن الثامن عشر. تم تأكيد I. Kant والذي طوره لاحقًا P. Laplace و D. Kuiper و D. Alven و R. Cameron ، من خلال عدد من الأدلة.
تم العثور على النجوم الفتية داخل السدم ، وهي مناطق تتركز نسبيًا فيها غاز وغبار بين نجمي يمتد عبر سنوات ضوئية. تم العثور على السدم في جميع أنحاء مجرتنا. يُعتقد أن النجوم وأنظمة الكواكب المرتبطة بها تتشكل داخل هذه الغيوم الشاسعة من المادة.
باستخدام التحليل الطيفي ، تبين أن المادة بين النجوم تتكون من غازات - الهيدروجين والهيليوم والنيون - وجزيئات الغبار التي لها أبعاد بترتيب عدة ميكرونات وتتكون من معادن وعناصر أخرى. نظرًا لأن درجة الحرارة منخفضة جدًا (10-20 كلفن) ، فإن جميع المواد ، باستثناء الغازات المذكورة ، تكون في حالة تجمد على جزيئات الغبار. أكثر العناصر الثقيلةوبعض الهيدروجين مشتق من نجوم الأجيال السابقة. انفجرت بعض هذه النجوم على شكل مستعرات عظمى ، مما أدى إلى إعادة الهيدروجين المتبقي إلى الوسط البينجمي وإثرائه بعناصر أثقل تكونت في أعماقها.
متوسط تركيز الغاز في الفضاء بين النجوم هو 0.1 ذرة نيوتن / سم 3 فقط ، في حين أن تركيز الغاز في السدم يبلغ حوالي 1000 ذرة نيوتن / سم 3 ، أي 10000 مرة أكبر. (يحتوي 1 سم 3 من الهواء على حوالي 2.7 × 10 19 جزيء).
عندما تصبح سحابة الغاز والغبار كبيرة بدرجة كافية نتيجة الاستقرار البطيء والالتصاق (تراكم) الغاز بين النجمي والغبار تحت تأثير الجاذبية ، فإنها تصبح غير مستقرة - العلاقة بين الضغط وقوى الجاذبية القريبة من التوازن تنتهك فيها . تسود قوى الجاذبية ، وبالتالي تتقلص السحابة. خلال المراحل المبكرة من الانكماش ، تترك الحرارة المنبعثة من تحويل طاقة الجاذبية إلى طاقة إشعاعية السحابة بسهولة ، لأن الكثافة النسبية للمادة منخفضة. مع زيادة كثافة المادة ، تبدأ تغييرات مهمة جديدة. بسبب الجاذبية والتقلبات الأخرى ، تنقسم السحابة الكبيرة إلى سحب أصغر ، والتي بدورها تشكل شظايا تتجاوز نظامنا الشمسي في النهاية بعدة مرات من حيث الكتلة والحجم (الشكل 2.2 ؛ 1-5). تسمى هذه الغيوم النجوم.بالطبع ، بعض النجوم الأولية أكثر ضخامة من نظامنا الشمسي ، فهي تشكل نجومًا أكبر وأكثر سخونة ، بينما تشكل النجوم الأولية الأقل ضخامة نجومًا أصغر وأكثر برودة تتطور بشكل أبطأ من السابق. يتم تقييد أحجام النجوم الأولية بحد أعلى يمكن أن يحدث المزيد من التشرذم فوقه ، والحد الأدنى بالكتلة الدنيا المطلوبة للحفاظ على التفاعلات النووية.
أرز. 2.2. تطور سديم الغاز والغبار وتكوين قرص كوكبي أولي
أولاً ، طاقة الجاذبية الكامنة ، والتي تتحول إلى حرارة (طاقة مشعة) ، تُشع ببساطة إلى الخارج أثناء انكماش الجاذبية. ولكن مع زيادة كثافة المادة ، يتم امتصاص المزيد والمزيد من الطاقة الإشعاعية ، ونتيجة لذلك ، ترتفع درجة الحرارة. تبدأ المركبات المتطايرة ، المجمدة في البداية على جزيئات الغبار ، في التبخر. الآن يتم خلط غازات مثل NH 3 و CH 4 و H 2 O (أبخرة) و HCN مع H 2 و He و Ne. تمتص هذه الغازات الأجزاء اللاحقة من الطاقة الإشعاعية ، وتتفكك وتخضع للتأين.
يستمر انكماش الجاذبية حتى تتبدد طاقة الإشعاع المنبعثة أثناء التبخر وتأين الجزيئات في جزيئات الغبار. عندما تتأين الجزيئات بالكامل ، ترتفع درجة الحرارة بسرعة حتى يتوقف الضغط تقريبًا حيث يبدأ ضغط الغاز في موازنة قوى الجاذبية. وهكذا تنتهي مرحلة الانكماش التثاقلي السريع (الانهيار).
في هذه اللحظة من تطوره ، يكون النجم الأولي المطابق لنظامنا عبارة عن قرص به سماكة في المركز ودرجة حرارة تقارب 1000 كلفن على مستوى مدار كوكب المشتري. يستمر هذا القرص النجمي في التطور: تتم إعادة هيكلة فيه ، ويتقلص ببطء. يصبح النجم الأولي نفسه تدريجياً أكثر إحكاما ، وأكثر ضخامة ، وأكثر سخونة ، حيث يمكن للحرارة الآن أن تشع فقط من سطحه. تنتقل الحرارة من أعماق النجم الأولي إلى سطحه عن طريق التيارات الحرارية. تمتلئ المنطقة من سطح النجم الأولي إلى مسافة مكافئة لمدار بلوتو بالغاز وضباب الغبار.
خلال هذه السلسلة المعقدة من الانقباضات ، والتي يعتقد أنها استغرقت حوالي 10 ملايين سنة ، يجب الحفاظ على الزخم الزاوي للنظام. تدور المجرة بأكملها ، مما يحدث ثورة واحدة في 100 مليون سنة. عندما تنضغط سحب الغبار ، لا يمكن أن يتغير زخمها الزاوي - فكلما زاد ضغطها ، زادت سرعة دورانها. بسبب الحفاظ على الزخم الزاوي ، يتغير شكل سحابة الغبار المنهارة من كروي إلى شكل قرص.
عندما تنضغط المادة المتبقية من النجم الأولي ، أصبحت درجة حرارته عالية بما يكفي لبدء تفاعل اندماج ذرات الهيدروجين. مع تدفق المزيد من الطاقة ، بسبب هذا التفاعل ، أصبحت درجة الحرارة عالية بما يكفي لموازنة قوى المزيد من الانكماش التثاقلي.
تشكلت الكواكب من الغازات والغبار المتبقية في محيط القرص الأولي (الشكل 2.3). يؤدي تكتل الغبار بين النجوم تحت تأثير الجاذبية إلى تكوين نجم وكواكب في حوالي 10 ملايين سنة (1-4). يدخل النجم التسلسل الرئيسي (4) ويبقى في حالة ثابتة (مستقرة) لنحو 8000 مليون سنة ، ويقوم بمعالجة الهيدروجين تدريجياً. ثم يترك النجم التسلسل الرئيسي ، ويتوسع إلى عملاق أحمر (5 و 6) و "يمتص" كواكبه خلال المائة مليون سنة القادمة. بعد عدة آلاف من السنين من النبض كنجم متغير (7) ، ينفجر على شكل مستعر أعظم (8) وينهار أخيرًا إلى قزم أبيض (9). على الرغم من أن الكواكب تعتبر عادة أجسام ضخمة، الكتلة الكلية لجميع الكواكب هي فقط 0.135٪ من كتلة النظام الشمسي.
أرز. 2.3 تشكيل نظام الكواكب
تقع كواكبنا ، وربما الكواكب التي تتكون في أي قرص نجمي ، في منطقتين رئيسيتين. المنطقة الداخلية التي النظام الشمسيتمتد من عطارد إلى حزام الكويكبات ، وهي منطقة الكواكب الأرضية الصغيرة. هنا ، في مرحلة الانكماش البطيء للنجم الأولي ، تكون درجات الحرارة عالية جدًا بحيث تتبخر المعادن. تحتوي المنطقة الباردة الخارجية على غازات مثل H 2 O و He و Ne وجسيمات مغطاة بمواد متطايرة مجمدة مثل H 2 O و NH 3 و CH 4. تحتوي هذه المنطقة الخارجية ، التي بها كواكب مثل المشتري ، على مادة أكثر بكثير من تلك الداخلية ، لأنها كبيرة ولأن معظم المواد المتطايرة الموجودة أصلاً في المنطقة الداخلية يتم دفعها للخارج بفعل نشاط النجم الأولي.
تتمثل إحدى طرق تكوين صورة لتطور النجم وحساب عمره في تحليل عينة عشوائية كبيرة من النجوم. في الوقت نفسه ، يتم قياس المسافات إلى النجوم وسطوعها الظاهري ولون كل نجم.
إذا كان السطوع الظاهري والمسافة إلى النجم معروفين ، فيمكن حساب مقدارها المطلق ، لأن السطوع الظاهر للنجم يتناسب عكسياً مع المسافة إليه. المقدار المطلق هو دالة لمعدل إطلاق الطاقة ، بغض النظر عن بعده عن المراقب.
يتم تحديد لون النجم حسب درجة حرارته: الأزرق حار جدًا ، والأبيض ساخن ، والأحمر بارد نسبيًا.
يوضح الشكل 2.4 مخطط Hertzsprung-Russell الذي تعرفه من الدورة التدريبية لعلم الفلك ، ويوضح العلاقة بين الحجم المطلق واللون لعدد كبير من النجوم. بما أن هذا المخطط الكلاسيكي يتضمن نجومًا من جميع الأحجام والأعمار ، فإنه يتوافق مع النجم "المتوسط" في مراحل مختلفة من تطوره.
أرز. 2.4 مخطط هيرتزبرونج-راسل
تقع معظم النجوم في الجزء المستقيم من الرسم التخطيطي ؛ إنهم لا يواجهون سوى تغيرات تدريجية في التوازن حيث يحترق الهيدروجين الذي تحتويه. في هذا الجزء من المخطط ، المسمى التسلسل الرئيسي ، تتمتع النجوم ذات الكتلة الأكبر بدرجة حرارة أعلى ؛ في نفوسهم ، يستمر تفاعل اندماج ذرات الهيدروجين بشكل أسرع ، ويكون عمرهم أقصر. النجوم ذات الكتلة الأقل من الشمس لديها أكثر درجة حرارة منخفضةيستمر اندماج ذرات الهيدروجين فيها بشكل أبطأ ، ويكون متوسط العمر المتوقع لها أطول. نجم من أي وقت مضى التسلسل الرئيسيسوف تستهلك حوالي 10٪ من احتياطياتها الأصلية من الهيدروجين ، وستنخفض درجة حرارتها وسيحدث تمدد. كما هو مقترح ، العمالقة الحمراء هم نجوم "قديمة" من جميع الأحجام التي كانت تنتمي سابقًا إلى التسلسل الرئيسي. عند تحديد عمر النجم بدقة ، يجب مراعاة هذه العوامل. تظهر الحسابات المبنية عليها أنه لا يوجد نجم واحد في مجرتنا يزيد عمره عن 11000 مليون سنة. بعض النجوم الصغيرة من هذا العصر ؛ اكثر كثير النجوم الكبارأصغر بكثير. يمكن أن تكون النجوم الأكثر ضخامة في التسلسل الرئيسي لمدة لا تزيد عن مليون سنة. تبقى الشمس والنجوم ذات الأحجام المتشابهة في التسلسل الرئيسي لحوالي 10000 مليون سنة قبل أن تصل إلى مرحلة العملاق الأحمر.
نقاط الربط
1. المسألة في حركة مستمرة وتطور.
2. التطور البيولوجي هو مرحلة نوعية معينة في تطور المادة ككل.
3. تحدث تحولات العناصر والجزيئات في الفضاء الخارجي باستمرار بمعدل منخفض للغاية.
1. ما هي تفاعلات الاندماج النووي؟ أعط أمثلة.
2. كيف ، وفقًا لفرضية كانط لابلاس ، تتشكل الأنظمة النجمية من مادة الغاز والغبار؟
3. هل توجد اختلافات في التركيب الكيميائي لكواكب نفس النظام النجمي؟
بالتمسك بوجهة النظر المذكورة أعلاه حول أصل أنظمة الكواكب ، يمكن للمرء إجراء تقديرات معقولة إلى حد ما للتكوين الأولي للغلاف الجوي الأساسي للأرض. جزء من النظرة الحديثة يعتمد ، بالطبع ، على الهيمنة الواسعة للهيدروجين في الفضاء ؛ يوجد أيضًا في الشمس. يوضح الجدول 2.2 التركيب الأولي للمادة النجمية والشمسية.
الجدول 2.2. التركيب الأولي للمادة النجمية والشمسية
يُفترض أن الغلاف الجوي للأرض الأولية ، الذي كان متوسط درجة الحرارة فيه مرتفعًا ، كان شيئًا من هذا القبيل: قبل فقدان الجاذبية ، كان الهيدروجين يتكون معظمه ، وكان الميثان والماء والأمونيا المكونات الجزيئية الرئيسية. من المثير للاهتمام مقارنة التركيب الأولي للمادة النجمية بتكوين الأرض الحديثة والمواد الحية على الأرض.
أكثر العناصر شيوعًا في الطبيعة غير الحية هي الهيدروجين والهيليوم. ويليهم الكربون والنيتروجين والسيليكون والمغنيسيوم. لاحظ أن المادة الحيةيتكون المحيط الحيوي الموجود على سطح الأرض بشكل أساسي من الهيدروجين والأكسجين والكربون والنيتروجين ، والذي كان بالطبع متوقعًا ، بناءً على طبيعة هذه العناصر.
يمكن أن يتغير الغلاف الجوي الأولي للأرض نتيجة لعمليات مختلفة ، في المقام الأول نتيجة هروب انتشار الهيدروجين والهيليوم ، اللذين يشكلان جزءًا مهمًا منه. هذه العناصر هي الأخف وزنا ، وكان ينبغي أن تضيع من الغلاف الجوي ، لأن مجال الجاذبية لكوكبنا صغير مقارنة بمجال الكواكب العملاقة. يجب أن يكون جزء كبير من الغلاف الجوي الأولي للأرض قد فُقد في لحظة وقت قصير؛ لذلك ، يُفترض أن العديد من الغازات الأولية للغلاف الجوي للأرض هي غازات دفنت في أحشاء الأرض وتم إطلاقها مرة أخرى نتيجة التسخين التدريجي لصخور الأرض. ربما كان الغلاف الجوي الأساسي للأرض مكونًا من مواد عضوية من نفس النوع تُلاحظ في المذنبات: جزيئات بها روابط كربون-هيدروجين ، كربون-نيتروجين ، نيتروجين-هيدروجين ، وأكسجين-هيدروجين روابط. بالإضافة إلى ذلك ، من المحتمل أيضًا ظهور الهيدروجين ، والميثان ، وأول أكسيد الكربون ، والأمونيا ، والماء ، وما إلى ذلك أثناء تسخين الجاذبية باطن الأرض ، وهي المواد التي أجريت بها معظم التجارب لنمذجة الغلاف الجوي الأولي.
ما الذي يمكن أن يحدث بالفعل في ظروف الأرض البدائية؟ من أجل تحديد ذلك ، من الضروري معرفة أنواع الطاقة التي من المرجح أن تؤثر على الغلاف الجوي.
إن تطوير المادة وتحويلها دون تدفق الطاقة أمر مستحيل. دعونا ننظر في مصادر الطاقة التي تحدد التطور الإضافي للمواد التي لم تعد موجودة في الفضاء ، ولكن على كوكبنا - على الأرض.
إن تقييم دور مصادر الطاقة ليس بالأمر السهل ؛ في هذه الحالة ، من الضروري مراعاة ظروف عدم التوازن ، وتبريد نواتج التفاعل ، ودرجة تدريعها من مصادر الطاقة.
على ما يبدو ، كان لأي مصادر طاقة (الجدول 2.3) تأثير كبير على تحول المواد على كوكبنا. كيف حدث هذا؟ بالطبع ، الدليل الموضوعي ببساطة غير موجود. ومع ذلك ، يمكن نمذجة العمليات التي حدثت على أرضنا في العصور القديمة. أولاً ، من الضروري تحديد الحدود الزمنية ، وثانيًا ، إعادة إنتاج الظروف بدقة ممكنة في كل فترة من فترات وجود الكوكب التي تمت مناقشتها.
لمناقشة أسئلة حول أصل الحياة على الأرض ، بالإضافة إلى معرفة مصادر الطاقة اللازمة لتحويل المادة ، يجب أن يكون لدى المرء فكرة واضحة إلى حد ما عن وقت هذه التحولات.
الجدول 2.3. مصادر الطاقة المحتملة للتطور الكيميائي الأولي
الجدول 2.4. نصف العمر وبيانات أخرى عن بعض العناصر المستخدمة في تحديد عمر الأرض
التطور العلوم الفيزيائيةلقد قدم الآن لعلماء الأحياء عدة طرق فعالة لتحديد عمر سلالات معينة قشرة الأرض. يتمثل جوهر هذه الطرق في تحليل نسبة النظائر المختلفة والمنتجات النهائية للانحلال النووي في العينات وربط نتائج الدراسة بوقت تقسيم العناصر الأولية (الجدول 2.4).
سمح استخدام مثل هذه الأساليب للعلماء ببناء مقياس زمني لتاريخ الأرض من لحظة تبريدها ، قبل 4500 مليون سنة ، إلى الوقت الحاضر (الجدول 2.5). الآن مهمتنا هي تحديد ، ضمن هذا النطاق الزمني ، ما كانت الظروف على الأرض البدائية ، وما نوع الغلاف الجوي للأرض ، وما هي درجة الحرارة ، والضغط ، ومتى تشكلت المحيطات ، وكيف تشكلت الأرض نفسها.
الجدول 2.5. المقياس الجيولوجي
اليوم ، إعادة بناء الظروف التي نشأت فيها "جراثيم الحياة" الأولى ذات أهمية أساسية للعلم. ميزة عظيمة هي ميزة A. I. Oparin ، الذي اقترح في عام 1924 المفهوم الأول للتطور الكيميائي ، والذي بموجبه تم اقتراح الغلاف الجوي الخالي من الأكسجين كنقطة انطلاق في التجارب المعملية لإعادة إنتاج ظروف الأرض الأولية.
في عام 1953 ، أخضع العالمان الأمريكيان ج. التفريغ الكهربائي(الشكل 2.5). لأول مرة ، باستخدام مثل هذه التجربة ، تم تحديد الأحماض الأمينية (الجلايسين ، الألانين ، الأسبارتيك وأحماض الجلوتاميك) من بين المنتجات التي تم الحصول عليها.
حفزت تجارب ميلر وأوري البحث في التطور الجزيئي وأصل الحياة في العديد من المختبرات وأدت إلى دراسة منهجية للمشكلة ، تم خلالها تصنيع مركبات مهمة بيولوجيًا. تظهر الظروف الرئيسية على الأرض البدائية ، التي أخذها الباحثون في الاعتبار ، في الجدول 2.6.
من الصعب حساب الضغط ، مثل التركيب الكمي للغلاف الجوي. التقديرات التي يتم إجراؤها مع الأخذ في الاعتبار تأثير "الدفيئة" اعتباطية تمامًا.
الحسابات التي تأخذ في الاعتبار تأثير "الدفيئة" ، وكذلك الشدة التقريبية للإشعاع الشمسي في العصر اللاأحيائي ، أدت إلى قيم عدة عشرات من الدرجات فوق نقطة التجمد. أجريت جميع التجارب تقريبًا لإعادة تكوين ظروف الأرض البدائية في درجات حرارة تتراوح بين 20 و 200 درجة مئوية. لم يتم إنشاء هذه الحدود من خلال الحسابات أو الاستقراء لبعض البيانات الجيولوجية ، ولكن بالأخذ في الاعتبار حدود درجة الحرارة لاستقرار المركبات العضوية.
استخدام مخاليط غازية شبيهة بغازات الغلاف الجوي الأولي ، أنواع مختلفة من الطاقة التي كانت مميزة لكوكبنا منذ 4-4.5 × 10 9 سنوات ، ومع مراعاة الظروف المناخية والجيولوجية والهيدروغرافية لتلك الفترة ، جعلها من الممكن في العديد من المعامل التي تدرس أصل الحياة ، العثور على دليل على طرق التواجد اللاأحيائي للجزيئات العضوية مثل الألدهيدات ، والنتريت ، والأحماض الأمينية ، والسكريات الأحادية ، والبورينات ، والبورفيرينات ، والنيوكليوتيدات ، إلخ.
أرز. 2.5 جهاز ميلر
الجدول 2.6. الظروف على الأرض البدائية
يعد ظهور البوليمرات الأولية مشكلة أكثر تعقيدًا. ضرورة وجودهم في جميع النظم الحية أمر واضح. هم مسؤولون عن عمليات بروتوزيماتيك(علي سبيل المثال، التحلل المائي ، نزع الكربوكسيل ، الأمين ، نزع الأمين ، بيروكسيدإلخ) ، لبعض العمليات البسيطة جدًا ، مثل التخميرولأخرى أكثر تعقيدًا ، مثل الضوئيةتفاعلات، الفسفرة الضوئية ، التمثيل الضوئي وإلخ.
أدى وجود الماء على كوكبنا (المحيط الأساسي) إلى احتمال ظهور البوليمرات الأولية في عملية تفاعل كيميائي - التكثيف. لذلك ، لتشكيل رابطة الببتيد في المحاليل المائية حسب التفاعل:
تكاليف الطاقة مطلوبة. تزداد تكاليف الطاقة هذه عدة مرات عندما يتم الحصول على جزيئات البروتين في المحاليل المائية. يتطلب تخليق الجزيئات الكبيرة من "علماء الأحياء" إشراك طرق محددة (إنزيمية) لإزالة المياه.
تتضمن العملية العامة لتطور المادة والطاقة في الكون عدة مراحل متتالية. من بينها تشكيل السدم الفضائية ، ويمكن التعرف على تطورها وهيكلها لأنظمة الكواكب. يتم تحديد تحولات المواد التي تحدث على الكواكب من خلال بعض القوانين الطبيعية العامة وتعتمد على موقع الكوكب داخل النظام النجمي. تتميز بعض هذه الكواكب ، مثل الأرض ، بالسمات التي تتيح تطور المواد غير العضوية نحو ظهور جزيئات عضوية معقدة متنوعة.
نقاط الربط
1. يتألف الغلاف الجوي الأساسي للأرض بشكل أساسي من الهيدروجين ومركباته.
2. الأرض على مسافة مثالية من الشمس وتتلقى طاقة كافية لإبقاء الماء في حالة سائلة.
3. في المحاليل المائية ، بسبب مصادر الطاقة المختلفة ، تنشأ أبسط المركبات العضوية بطريقة غير بيولوجية.
مراجعة الأسئلة والواجبات
1. ضع قائمة بالمتطلبات الكونية والكوكبية لظهور الحياة على كوكبنا بطريقة غير حيوية.
2. ما أهمية ظهور الجزيئات العضوية من المواد غير العضوية على الأرض هل كانت الطبيعة المختزلة للغلاف الجوي الأولي؟
3. وصف الجهاز والمنهجية لإجراء التجارب بواسطة S. Miller و P. Urey.
باستخدام مفردات أقسام "المصطلحات" و "الملخص" ، قم بالترجمة إلى اللغة الإنجليزيةنقاط المرجع.
المصطلح
لكل مصطلح مشار إليه في العمود الأيسر ، حدد التعريف المقابل الوارد في العمود الأيمن باللغتين الروسية والإنجليزية.
حدد التعريف الصحيح لكل مصطلح في العمود الأيسر من المتغيرات الإنجليزية والروسية المدرجة في العمود الأيمن.
2.3 نظريات حول أصل البوليمرات الأوليةقضايا للمناقشة
ما هي برأيك مصادر الطاقة التي كانت سائدة على الأرض القديمة؟ كيف يمكن للمرء أن يفسر التأثير غير المحدد لمصادر الطاقة المختلفة على عمليات تكوين الجزيئات العضوية؟
أدت التقييمات المختلفة لطبيعة البيئة على الأرض البدائية إلى خلق ظروف تجريبية مختلفة ، والتي كانت لها نفس النتائج بشكل أساسي ، ولكن ليس دائمًا نفس النتائج على وجه الخصوص.
دعونا ننظر في بعض أهم النظريات حول ظهور الهياكل البوليمرية على كوكبنا ، والتي تكمن في أصول تكوين البوليمرات الحيوية - أساس الحياة.
النظرية الحرارية.يمكن إجراء تفاعلات التكثيف التي قد تؤدي إلى تكوين بوليمرات من سلائف ذات وزن جزيئي منخفض عن طريق التسخين. بالمقارنة مع المكونات الأخرى للمادة الحية ، فإن تركيب البولي ببتيدات هو الأكثر دراسة جيدًا.
مؤلف فرضية التوليف الحراري لعديد الببتيدات هو العالم الأمريكي S. إذا تم تسخين خليط من الأحماض الأمينية إلى 180-200 درجة مئوية في ظل الظروف الجوية العادية أو في بيئة خاملة ، فإن منتجات البلمرة ، أوليغومرات صغيرة ، حيث يتم توصيل المونومرات بواسطة روابط الببتيد ، بالإضافة إلى كميات صغيرة من عديد الببتيدات ، شكلت. في الحالات التي تم فيها إثراء الخلائط الأولية للأحماض الأمينية من قبل المجربين بالأحماض الأمينية من النوع الحمضي أو الأساسي ، على سبيل المثال ، الأحماض الأسبارتيك والغلوتاميك ، زادت نسبة البولي ببتيدات بشكل كبير. يمكن أن يصل الوزن الجزيئي للبوليمرات التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة إلى عدة آلاف من دال (D - Dalton ، وحدة كتلة تساوي عدديًا كتلة 1/16 من ذرة الأكسجين.)
تظهر البوليمرات التي يتم الحصول عليها حرارياً من الأحماض الأمينية - البروتينات - العديد من الخصائص المحددة للبوليمرات الحيوية من نوع البروتين. ومع ذلك ، في حالة التكثيف الحراري للنيوكليوتيدات والسكريات الأحادية التي لها بنية معقدة ، يبدو من غير المحتمل تكوين الأحماض النووية والسكريات المعروفة حاليًا.
نظرية الامتزاز.الحجة المضادة الرئيسية في النزاعات حول التواجد غير الحيوي لهياكل البوليمر هي التركيز المنخفض للجزيئات ونقص الطاقة لتكثيف المونومرات في المحاليل المخففة. في الواقع ، وفقًا لبعض التقديرات ، كان تركيز الجزيئات العضوية في "الحساء البدائي" حوالي 1٪. مثل هذا التركيز ، بسبب ندرة وعشوائية ملامسات الجزيئات المختلفة الضرورية لتكثيف المواد ، لا يمكن أن يوفر مثل هذا التكوين "السريع" للبوليمرات الأولية ، كما كان الحال على الأرض ، وفقًا لبعض العلماء. أحد الحلول لهذه المشكلة ، المتعلق بالتغلب على حاجز التركيز هذا ، اقترحه الفيزيائي الإنجليزي د. برنال ، الذي اعتقد أن تركيز المحاليل المخففة للمواد العضوية يحدث عن طريق "امتصاصها في رواسب طينية مائية".
نتيجة لتفاعل المواد في عملية الامتزاز ، تضعف بعض الروابط مما يؤدي إلى تدمير بعضها وتكوين مركبات كيميائية أخرى.
نظرية درجات الحرارة المنخفضة.انطلق مؤلفو هذه النظرية ، العالمان الرومانيان سي.سيمونيسكو وف. دينش ، من أفكار مختلفة إلى حد ما حول شروط التواجد غير الحيوي لأبسط المركبات العضوية وتكثيفها في هياكل بوليمرية. يعلق المؤلفون الأهمية الرئيسية كمصدر للطاقة على طاقة البلازما الباردة. مثل هذا الرأي لا أساس له من الصحة.
يتم توزيع البلازما الباردة على نطاق واسع في الطبيعة. يعتقد العلماء أن 99٪ من الكون في حالة من البلازما. تحدث حالة المادة هذه أيضًا على الأرض الحديثة على شكل كرة برق ، وشفق قطبي ، بالإضافة إلى نوع خاص من البلازما - الأيونوسفير.
بغض النظر عن طبيعة الطاقة على الأرض اللاأحيائية ، فإن أي نوع من الطاقة يحول المركبات الكيميائية ، وخاصة الجزيئات العضوية ، إلى جسيمات نشطة ، مثل الجذور الحرة أحادية ومتعددة الوظائف. ومع ذلك ، فإن تطورها الإضافي يعتمد إلى حد كبير على كثافة تدفق الطاقة ، والتي تكون أكثر وضوحًا في حالة استخدام البلازما الباردة.
نتيجة للتجارب المضنية والمعقدة مع البلازما الباردة كمصدر للطاقة من أجل التوليف غير الحيوي للبروتوبيوليمرات ، تمكن الباحثون من الحصول على كل من المونومرات الفردية وتركيبات البوليمر من نوع الببتيد والدهون.
يعتقد Oparin أن الانتقال من التطور الكيميائي إلى التطور البيولوجي يتطلب الظهور الإجباري لأنظمة منفصلة عن الطور قادرة على التفاعل مع البيئة الخارجية ، باستخدام موادها وطاقتها ، وعلى هذا الأساس قادرة على النمو والتكاثر والخضوع للانتقاء الطبيعي.
يبدو أن العزلة اللاأحيائية للأنظمة متعددة الجزيئات عن محلول متجانس للمواد العضوية يجب أن تتم بشكل متكرر. لا يزال منتشرًا جدًا في الطبيعة. ولكن في ظل ظروف المحيط الحيوي الحديثة ، يمكن فقط ملاحظة المراحل الأولية لتشكيل مثل هذه الأنظمة مباشرة. عادة ما يكون تطورها قصير المدى في وجود الميكروبات التي تدمر جميع الكائنات الحية. لذلك ، لفهم هذه المرحلة من ظهور الحياة ، من الضروري الحصول بشكل مصطنع على أنظمة عضوية مفصولة بمرحلة خاضعة لرقابة صارمة ظروف المختبروعلى النماذج التي تشكلت بهذه الطريقة لتحديد طرق تطورها المحتمل في الماضي ، وقوانين هذه العملية. عند العمل بوزن جزيئي مرتفع مركبات العضويةفي ظل ظروف المختبر ، يجتمعون باستمرار مع تشكيل هذا النوع من أنظمة فصل الطور. لذلك ، يمكن للمرء أن يتخيل طرق حدوثها والحصول تجريبيًا على أنظمة مختلفة في ظل ظروف معملية ، يمكن أن يخدمنا الكثير منها كنماذج للتكوينات التي ظهرت مرة واحدة على سطح الأرض. على سبيل المثال ، فيما يلي بعض منها: "فقاعات" Goldeicra ، "المجهرية"الثعلب "جيفانو"بهادور ، "بربيونات" Egami والعديد من الآخرين.
في كثير من الأحيان ، عند العمل مع مثل هذه الأنظمة الاصطناعية التي تعزل نفسها عن المحلول ، يتم إيلاء اهتمام خاص لتشابهها المورفولوجي الخارجي مع الكائنات الحية. لكن ليس هذا هو الحل للمشكلة ، ولكن يمكن للنظام أن يتفاعل مع البيئة الخارجية ، باستخدام مواده وطاقته مثل الأنظمة المفتوحة ، وعلى هذا الأساس ينمو ويتكاثر ، وهو أمر نموذجي لجميع الكائنات الحية.
أكثر النماذج الواعدة في هذا الصدد هي قطرات متماسكة.
يحتوي كل جزيء على تنظيم هيكلي معين ، أي أن الذرات التي يتكون منها تركيبه توجد بشكل طبيعي في الفضاء. نتيجة لذلك ، تتشكل أقطاب ذات شحنات مختلفة في الجزيء. على سبيل المثال ، يشكل جزيء الماء H 2 O ثنائي القطب ، حيث يحمل أحد أجزاء الجزيء شحنة موجبة (+) ، بينما يحمل الجزء الآخر شحنة سالبة (-). بالإضافة إلى ذلك ، تنفصل بعض الجزيئات (على سبيل المثال ، الأملاح) إلى أيونات في وسط مائي. بسبب هذه السمات للتنظيم الكيميائي للجزيئات من حولهم في الماء ، تتشكل "قمصان" الماء من جزيئات ماء موجهة معينة. باستخدام جزيء NaCl كمثال ، يمكن للمرء أن يلاحظ أن ثنائيات أقطاب الماء المحيطة بأيون Na + تتحول إليها بواسطة أقطاب سالبة (الشكل 2.6) ، وإلى Cl - أيون بواسطة أقطاب موجبة.
أرز. 2.6. أيونات الصوديوم المميعة
أرز. 2.7. جمعية coacervates
الجزيئات العضوية كبيرة الوزن الجزيئي الغراميوالتكوين المكاني المعقد ، لذا فهي محاطة أيضًا بقشرة مائية ، يعتمد سمكها على شحنة الجزيء ، وتركيز الأملاح في المحلول ، ودرجة الحرارة ، إلخ.
في ظل ظروف معينة ، تكتسب قشرة الماء حدودًا واضحة وتفصل الجزيء عن المحلول المحيط. يمكن للجزيئات المحاطة بقشرة مائية أن تتحد لتشكل مجمعات متعددة الجزيئات - يتلاحم(الشكل 2.7).
تنشأ قطرات Coacervate أيضًا من الخلط البسيط للبوليمرات المختلفة ، الطبيعية منها والمصطنعة. في هذه الحالة ، يحدث التجميع الذاتي لجزيئات البوليمر في تشكيلات متعددة الجزيئات منفصلة الطور - قطرات مرئية تحت المجهر الضوئي (الشكل 2.8). تتركز معظم جزيئات البوليمر فيها ، بينما تكاد تكون البيئة خالية تمامًا منها.
يتم فصل القطرات من بيئةواجهة حادة ، لكنها قادرة على امتصاص المواد من الخارج كنظم مفتوحة.
أرز. 2.8 تم الحصول على قطرات Coacervate في التجربة
عن طريق الدمج في coacervate قطرات مختلفة المحفزات(بما في ذلك الإنزيمات) من الممكن إحداث عدد من التفاعلات ، على وجه الخصوص ، بلمرة المونومرات القادمة من البيئة الخارجية. نتيجة لذلك ، يمكن أن تزيد القطرات من حيث الحجم والوزن ، ثم تتفكك إلى تكوينات ابنة.
على سبيل المثال ، يتم عرض العمليات التي تحدث في حالة انخفاض متزامن بين قوسين مربعين ، وخارجها عبارة عن مواد موجودة في البيئة الخارجية:
جلوكوز 1 فوسفات ← [جلوكوز 1 فوسفات ← نشا ← مالتوز] ← مالتوز
يتم غمر قطرة متماسكة مكونة من البروتين والصمغ العربي في محلول من الجلوكوز -1 فوسفات. يبدأ الجلوكوز -1 فوسفات في الدخول إلى القطرة ويتبلمر فيه إلى نشا تحت تأثير عامل حفاز - فسفوريلاز. بسبب النشا المتكون ، ينمو القطرة ، والتي يمكن تحديدها بسهولة عن طريق التحليل الكيميائي والقياسات المجهرية المباشرة. إذا تم تضمين محفز آخر ، b-amylase ، في القطرة ، فإن النشا يتحلل إلى مالتوز ، والذي يتم إطلاقه في البيئة الخارجية.
وهكذا ، أبسط التمثيل الغذائي.تدخل المادة في القطرة وتتبلمر مسببة نموالنظام ، وخلال اضمحلاله ، تذهب منتجات هذا الاضمحلال إلى البيئة الخارجية ، حيث لم تكن موجودة من قبل.
مخطط آخر يوضح تجربة حيث يكون البوليمر متعدد النيوكليوتيد. قطرة تتكون من بروتين هيستون والصمغ العربي محاطة بمحلول ADP.
عند دخول القطرة ، تتم بلمرة ADP تحت تأثير البوليميراز إلى حمض متعدد الأدينيل ، بسبب نمو القطرة ، ويدخل الفوسفور غير العضوي إلى البيئة الخارجية.
ADP → [ADP → Poly-A + P] → P.
في هذه الحالة ، يزيد الانخفاض خلال فترة زمنية قصيرة في الحجم بأكثر من مرتين.
سواء في حالة تخليق النشا أو في تكوين حمض البولي أدنيليك ، الغني بالطاقة (ماكرويرجيك)روابط. بسبب طاقة هذه المركبات القادمة من البيئة الخارجية ، حدث تخليق البوليمرات ونمو قطرات متماسكة. في سلسلة أخرى من التجارب التي أجراها الأكاديمي A.I. Oparin وزملاؤه ، تم إثبات أن التفاعلات المرتبطة بتبديد الطاقة يمكن أن تحدث أيضًا في القطرات المصاحبة نفسها.
