Czy istnieje różnica w składzie chemicznym planet? Co to jest substancja? Jakie są klasy substancji? Różnica między substancjami organicznymi i nieorganicznymi. Jaka jest różnica między substancjami nieorganicznymi i organicznymi
Próba nr 2.
Badać Rozdział 2 „Pochodzenie życia na Ziemi”" s. 30-80 podręcznika „Biologia ogólna. Klasa 10” autor itp.
I. Odpowiedz pisemnie na pytania:
1. Jakie są podstawy i istota życia według starożytnych filozofów greckich?
2. Jaki jest sens eksperymentów F. Rediego?
3. Opisz doświadczenia L. Pasteura udowadniające niemożność samoistnego powstania życia we współczesnych warunkach.
4. Jakie są teorie wieczności życia?
5. Jakie znasz materialistyczne teorie pochodzenia życia?
Co to są reakcje syntezy jądrowej? Daj przykłady.
6. Jak, zgodnie z hipotezą Kanta-Laplace'a, z materii gazowo-pyłowej powstają układy gwiezdne?
7. Czy istnieją różnice w składzie chemicznym planet tego samego układu gwiezdnego?
8. Wymień kosmiczne i planetarne przesłanki pojawienia się życia abiogenicznego na naszej planecie.
9. Jakie znaczenie miał redukujący charakter atmosfery pierwotnej dla powstania cząsteczek organicznych z substancji nieorganicznych na Ziemi?
10.Opisać aparaturę i metody przeprowadzania doświadczeń przez S. Millera i P. Ury'ego.
11. Co to jest koacerwacja, koacerwat?
12. Jakie układy modelowe można zastosować do zademonstrowania powstawania kropelek koacerwatu w roztworze?
13. Jakie istniały możliwości przezwyciężenia niskich stężeń substancji organicznych w wodach oceanu pierwotnego?
14. Jakie są korzyści z oddziaływania cząsteczek organicznych w obszarach o wysokim stężeniu substancji?
15. W jaki sposób cząsteczki organiczne o właściwościach hydrofilowych i hydrofobowych mogą być rozmieszczone w wodach pierwotnego oceanu?
16. Wymień zasadę podziału roztworu na fazy o wysokim i niskim stężeniu cząsteczek. ?
17. Co to są krople koacerwatu?
18. Jak przebiega selekcja koacerwatów w „bulionie pierwotnym”?
19. Jaka jest istota hipotezy o powstaniu eukariontów w drodze symbiogenezy?
20. W jaki sposób pierwsze komórki eukariotyczne pozyskiwały energię niezbędną do procesów życiowych?
21. Które organizmy po raz pierwszy w procesie ewolucji rozwinęły proces płciowy?
22. Opisz istotę hipotezy o pojawieniu się organizmów wielokomórkowych?
23. Zdefiniuj następujące pojęcia: protobionty, katalizatory biologiczne, kod genetyczny, samoreprodukcja, prokarioty, fotosynteza, proces płciowy, eukarioty.
Sprawdź swoją wiedzę na ten temat:
Powstanie życia i rozwój świata organicznego
1. Zwolennicy biogenezy twierdzą, że
· Wszystkie żywe istoty pochodzą z żywych istot
· Wszystkie żyjące istoty zostały stworzone przez Boga
· Wszystkie żywe istoty pochodzą z nieożywionych istot
· Organizmy żywe zostały sprowadzone na Ziemię z Wszechświata
2. Zwolennicy abiogenezy twierdzą, że wszystko żyje
· Pochodzi z nieożywionych
· Powstaje z istot żywych
· Stworzony przez Boga
·Przywiezione z kosmosu
3. Doświadczenia L. Pasteura z użyciem kolb z wydłużoną szyjką
· Udowodniono niespójność stanowiska abiogenezy
· Potwierdził stanowisko abiogenezy
· Potwierdził stanowisko biogenezy
· Udowodniono niespójność stanowiska biogenezy
4. Dowód na to, że życie nie powstaje samoistnie, dostarczył:
· L. Pasteur
· A. Van Leeuwenhoek
· Arystoteles
5. Arystoteles w to wierzył
· Życie tylko z życia
· Życie powstaje z czterech żywiołów
· Istoty żywe powstają z rzeczy nieożywionych
· Istoty żywe mogą pochodzić z istot nieożywionych, jeśli mają „substancję czynną”
6. Hipoteza
· Wzmacnia pozycję zwolenników biogenezy
· Wzmacnia pozycję zwolenników abiogenezy
· Podkreśla niespójność stanowiska biogenezy
· Podkreśla niespójność stanowiska abiogenezy
7. Zgodnie z hipotezą, koacerwaty są pierwszymi
Organizmy
„Organizacje” cząsteczek
· Kompleksy białkowe
Nagromadzenia substancji nieorganicznych
8. Na etapie ewolucji chemicznej powstają
· Bakterie
· Protobionty
· Biopolimery
Związki organiczne o niskiej masie cząsteczkowej
9. Na etapie ewolucji biologicznej
· Biopolimery
Organizmy
Substancje organiczne o niskiej masie cząsteczkowej
· Substancje nieorganiczne
1. Według współczesnych wyobrażeń życie na Ziemi rozwinęło się w wyniku
Ewolucja chemiczna
Ewolucja biologiczna
· Ewolucja chemiczna, a następnie biologiczna
Ewolucja chemiczna i biologiczna
Ewolucja biologiczna, a następnie chemiczna
10. Pierwsze organizmy, które pojawiły się na Ziemi, jadły
Autotrofy
Heterotrofy
· Saprofity
11. W wyniku pojawienia się autotrofów w atmosferze ziemskiej
Zwiększona ilość tlenu
· Zmniejszona ilość tlenu
Zwiększona ilość dwutlenku węgla
· Pojawił się ekran ozonu
12. Z powodu tego zmniejszyła się ilość związków organicznych w pierwotnym oceanie
Wzrost liczby autotrofów
Wzrost liczby heterotrofów
Zmniejszenie liczby autotrofów
· Zmniejszenie liczby heterotrofów
13. Nastąpiło nagromadzenie tlenu w atmosferze
· Wygląd ekranu ozonowego
· Fotosynteza
· Fermentacja
· Cykl substancji w przyrodzie
14. Do czego doprowadził proces fotosyntezy
· Tworzenie się dużych ilości tlenu
· Wygląd ekranu ozonowego
Pojawienie się wielokomórkowości
Pojawienie się rozmnażania płciowego
15. Sprawdź prawidłowe stwierdzenia:
Heterotrofy - organizmy zdolne do samodzielnej syntezy substancji organicznych z nieorganicznych
· Pierwsze organizmy na Ziemi były heterotroficzne
Sinice – pierwsze organizmy fotosyntetyzujące
· Mechanizm fotosyntezy kształtował się stopniowo
16. Rozkład związków organicznych w warunkach beztlenowych:
· Fermentacja
· Fotosynteza
Utlenianie
Biosynteza
17. Wraz z pojawieniem się autotrofów na Ziemi:
Rozpoczęły się nieodwracalne zmiany warunków życia
W atmosferze utworzyły się duże ilości tlenu
· W wiązaniach chemicznych substancji organicznych doszło do kumulacji energii słonecznej
· Wszystkie heterotrofy zniknęły
18. Człowiek pojawił się na Ziemi w r
Era proterozoiczna
Era mezozoiczna
· Era kenozoiczna
Proterozoik
Mezozoik
· Paleozoik
era kenozoiczna
20. Uwzględniono największe wydarzenia proterozoiku
· Pojawienie się eukariontów
Wygląd roślin kwitnących
Pojawienie się pierwszych akordów
21. Proces powstawania gleby na Ziemi nastąpił dzięki
· Obieg wody w przyrodzie
· Kolonizacja górnej warstwy litosfery przez organizmy
Śmierć organizmów
· Niszczenie twardych skał poprzez tworzenie się piasku i gliny
22. Były szeroko rozpowszechnione w Archaiku
Gady i paprocie
· Bakterie i sinice
23. Pojawiły się rośliny, zwierzęta i grzyby
Proterozoik
· Paleozoik
Mezozoik
24. Era proterozoiczna
Ssaki i owady
Algi i koelenteraty
· Pierwsze rośliny lądowe
· Dominacja gadów
W życiu otaczają nas różne ciała i przedmioty. Na przykład w pomieszczeniu jest to okno, drzwi, stół, żarówka, kubek, na zewnątrz - samochód, sygnalizacja świetlna, asfalt. Każde ciało lub przedmiot składa się z materii. W tym artykule omówimy, czym jest substancja.
Co to jest chemia?
Woda jest niezbędnym rozpuszczalnikiem i stabilizatorem. Ma dużą pojemność cieplną i przewodność cieplną. Środowisko wodne sprzyja zachodzeniu podstawowych reakcji chemicznych. Charakteryzuje się przezroczystością i jest praktycznie odporna na ściskanie.
Jaka jest różnica między substancjami nieorganicznymi i organicznymi?
Nie ma szczególnie silnych różnic zewnętrznych pomiędzy tymi dwiema grupami substancji. Główna różnica polega na strukturze, gdzie substancje nieorganiczne mają strukturę niemolekularną, a substancje organiczne mają strukturę molekularną.
Substancje nieorganiczne mają budowę niemolekularną, dlatego charakteryzują się wysokimi temperaturami topnienia i wrzenia. Nie zawierają węgla. Należą do nich gazy szlachetne (neon, argon), metale (wapń, wapń, sód), substancje amfoteryczne (żelazo, aluminium) i niemetale (krzem), wodorotlenki, związki binarne, sole.
Substancje organiczne o strukturze molekularnej. Mają dość niską temperaturę topnienia i szybko rozkładają się po podgrzaniu. Składa się głównie z węgla. Wyjątki: węgliki, węglany, tlenki węgla i cyjanki. Węgiel umożliwia tworzenie ogromnej liczby złożonych związków (w przyrodzie znanych jest ponad 10 milionów z nich).
Większość ich klas ma pochodzenie biologiczne (węglowodany, białka, lipidy, kwasy nukleinowe). Związki te obejmują azot, wodór, tlen, fosfor i siarkę.
Aby zrozumieć, czym jest substancja, należy sobie wyobrazić, jaką rolę odgrywa ona w naszym życiu. Wchodząc w interakcję z innymi substancjami, tworzy nowe. Bez nich życie otaczającego świata jest nierozerwalne i nie do pomyślenia. Wszystkie przedmioty składają się z pewnych substancji, dlatego odgrywają ważną rolę w naszym życiu.
O atomach i pierwiastkach chemicznych
W przyrodzie nie ma nic innego
ani tu, ani tam, w głębinach kosmosu:
wszystko - od małych ziarenek piasku po planety -
składa się z jednolitych elementów.
S. P. Szczepaczow, „Czytanie Mendelejewa”.
W chemii, z wyjątkiem terminów "atom" I "cząsteczka" koncepcja ta jest często używana "element". Co te koncepcje mają ze sobą wspólnego, a czym się różnią?
Pierwiastek chemiczny – są to atomy tego samego typu . Na przykład wszystkie atomy wodoru są pierwiastkiem wodoru; wszystkie atomy tlenu i rtęci są odpowiednio pierwiastkami tlenu i rtęci.
Obecnie znanych jest ponad 107 rodzajów atomów, czyli ponad 107 pierwiastków chemicznych. Konieczne jest rozróżnienie pojęć „pierwiastek chemiczny”, „atom” i „substancja prosta”
Substancje proste i złożone
Wyróżnia się je według składu pierwiastkowego proste substancje, składający się z atomów jednego pierwiastka (H 2, O 2, Cl 2, P 4, Na, Cu, Au) i substancje złożone, składający się z atomów różnych pierwiastków (H 2 O, NH 3, OF 2, H 2 SO 4, MgCl 2, K 2 SO 4).
Obecnie znanych jest 115 pierwiastków chemicznych, które tworzą około 500 prostych substancji.
Złoto rodzime jest substancją prostą.
Nazywa się zdolność jednego pierwiastka do istnienia w postaci różnych prostych substancji różniących się właściwościami alotropia Na przykład pierwiastek tlen O ma dwie formy alotropowe - ditlen O 2 i ozon O 3 o różnej liczbie atomów w cząsteczkach.
Formy alotropowe pierwiastka węgiel C - diament i grafit - różnią się budową kryształów.Istnieją inne przyczyny alotropii.
związki chemiczne, na przykład tlenek rtęci(II) HgO (otrzymywany przez połączenie atomów prostych substancji - rtęci Hg i tlenu O 2), bromek sodu (otrzymywany przez połączenie atomów prostych substancji - sodu Na i bromu Br 2).
Podsumujmy zatem powyższe. Istnieją dwa rodzaje cząsteczek materii:
1. Prosty– cząsteczki takich substancji składają się z atomów tego samego typu. W reakcjach chemicznych nie mogą się rozłożyć, tworząc kilka prostszych substancji.
2. Złożony– cząsteczki takich substancji składają się z atomów różnego typu. W reakcjach chemicznych mogą rozkładać się, tworząc prostsze substancje.
Różnica między pojęciami „pierwiastek chemiczny” i „substancja prosta”
Rozróżnij pojęcia "pierwiastek chemiczny" I „prosta substancja” możliwe poprzez porównanie właściwości substancji prostych i złożonych. Na przykład prosta substancja - tlen– bezbarwny gaz niezbędny do oddychania i wspomagania spalania. Najmniejsza cząsteczka prostej substancji tlen to cząsteczka składająca się z dwóch atomów. Tlen jest również zawarty w tlenku węgla (tlenku węgla) i wodzie. Jednak woda i tlenek węgla zawierają chemicznie związany tlen, który nie ma właściwości prostej substancji, w szczególności nie może być wykorzystywany do oddychania. Ryby na przykład nie oddychają tlenem związanym chemicznie, który jest częścią cząsteczki wody, ale rozpuszczonym w niej wolnym tlenem. Dlatego mówiąc o składzie jakichkolwiek związków chemicznych, należy rozumieć, że związki te nie zawierają prostych substancji, ale atomy określonego typu, czyli odpowiednie pierwiastki.
Podczas rozkładu substancji złożonych atomy mogą zostać uwolnione w stanie wolnym i połączyć się, tworząc proste substancje. Substancje proste składają się z atomów jednego pierwiastka. Różnicę między pojęciami „pierwiastek chemiczny” i „substancja prosta” potwierdza także fakt, że z tego samego pierwiastka można utworzyć kilka substancji prostych. Na przykład atomy pierwiastka tlenu mogą tworzyć dwuatomowe cząsteczki tlenu i trójatomowe cząsteczki ozonu. Tlen i ozon to zupełnie różne proste substancje. Wyjaśnia to fakt, że znanych jest znacznie więcej prostych substancji niż pierwiastków chemicznych.
Używając pojęcia „pierwiastka chemicznego”, możemy podać następującą definicję substancji prostych i złożonych:
Substancje proste to takie, które składają się z atomów jednego pierwiastka chemicznego.
Substancje złożone to takie, które składają się z atomów różnych pierwiastków chemicznych.
Różnica między pojęciami „mieszanina” i „związek chemiczny”
Często nazywane są substancjami złożonymi związki chemiczne.
Spróbuj odpowiedzieć na pytania:
1. Czym mieszaniny różnią się składem od związków chemicznych?
2. Porównywać właściwości mieszanin i związków chemicznych?
3. W jaki sposób można oddzielić składniki mieszaniny od związku chemicznego?
4. Czy na podstawie znaków zewnętrznych można ocenić powstanie mieszaniny i związku chemicznego?
Charakterystyka porównawcza mieszanin i substancji chemicznych
|
Pytania mające na celu dopasowanie mieszanin do związków chemicznych |
Porównanie |
|
|
Mieszanki |
Związki chemiczne |
|
|
Czym mieszaniny różnią się składem od związków chemicznych? |
Substancje można mieszać w dowolnych proporcjach, tj. zmienny skład mieszanin |
Skład związków chemicznych jest stały. |
|
Porównać właściwości mieszanin i związków chemicznych? |
Substancje w mieszaninach zachowują swoje właściwości |
Substancje tworzące związki nie zachowują swoich właściwości, ponieważ powstają związki chemiczne o innych właściwościach |
|
W jaki sposób można rozdzielić mieszaninę i związek chemiczny na składniki składowe? |
Substancje można oddzielić metodami fizycznymi |
Związki chemiczne można rozłożyć jedynie w wyniku reakcji chemicznych |
|
Czy na podstawie znaków zewnętrznych można ocenić powstanie mieszaniny i związku chemicznego? |
Mieszaniu mechanicznemu nie towarzyszy wydzielanie ciepła ani inne oznaki reakcji chemicznych |
Powstawanie związku chemicznego można ocenić na podstawie oznak reakcji chemicznych |
Zadania do konsolidacji
I. Praca z symulatorami
II. Rozwiąż problem
NaCl, H 2 SO 4, K, S 8, CO 2, O 3, H 3 PO 4, N 2, Fe.
W każdym przypadku uzasadnij swój wybór.
III. Odpowiedz na pytania
№1
Ile prostych substancji zapisanych jest w szeregu wzorów:
H 2 O, N 2, O 3, HNO 3, P 2 O 5, S, Fe, CO 2, KOH.
№2
Obie substancje są złożone:
A) C (węgiel) i S (siarka);
B) CO 2 (dwutlenek węgla) i H 2 O (woda);
B) Fe (żelazo) i CH 4 (metan);
D) H 2 SO 4 (kwas siarkowy) i H 2 (wodór).
№3
Wybierz prawidłowe stwierdzenie:
Substancje proste składają się z atomów tego samego typu.
A) Poprawnie
B) Niepoprawnie
№4
To, co jest typowe dla mieszanek, to właśnie to
A) Mają stały skład;
B) Substancje w „mieszaninie” nie zachowują swoich indywidualnych właściwości;
C) Substancje w „mieszaninach” można rozdzielić na podstawie właściwości fizycznych;
D) Substancje w „mieszaninach” można rozdzielić za pomocą reakcji chemicznej.
№5
Dla „związków chemicznych” typowe są:
A) Zmienny skład;
B) Substancje zawarte w „związku chemicznym” można oddzielić metodami fizycznymi;
C) Powstawanie związku chemicznego można ocenić na podstawie oznak reakcji chemicznych;
D) Stały skład.
№6
W jakim przypadku mówimy gruczoł Co powiesz na pierwiastek chemiczny?
A) Żelazo to metal przyciągany przez magnes;
B) Żelazo jest częścią rdzy;
C) Żelazo charakteryzuje się metalicznym połyskiem;
D) Siarczek żelaza zawiera jeden atom żelaza.
№7
W jakim przypadku mówimy o tlenie jako substancji prostej?
A) Tlen jest gazem, który wspomaga oddychanie i spalanie;
B) Ryby oddychają tlenem rozpuszczonym w wodzie;
C) Atom tlenu jest częścią cząsteczki wody;
D) Tlen jest częścią powietrza.
Podczas reakcji chemicznych jedna substancja zamienia się w drugą (nie mylić z reakcjami jądrowymi, podczas których jeden pierwiastek chemiczny przekształca się w inny).
Każdą reakcję chemiczną opisuje równanie chemiczne:
Reagenty → Produkty reakcji
Strzałka wskazuje kierunek reakcji.
Na przykład:
W tej reakcji metan (CH 4) reaguje z tlenem (O 2), w wyniku czego powstaje dwutlenek węgla (CO 2) i woda (H 2 O), a dokładniej para wodna. Dokładnie taka jest reakcja w Twojej kuchni, gdy zapalisz palnik gazowy. Równanie należy czytać w następujący sposób: Jedna cząsteczka metanu reaguje z dwiema cząsteczkami gazowego tlenu, tworząc jedną cząsteczkę dwutlenku węgla i dwie cząsteczki wody (pary wodnej).
Liczby umieszczone przed składnikami reakcji chemicznej nazywane są współczynniki reakcji.
Zachodzą reakcje chemiczne endotermiczny(z absorpcją energii) i egzotermiczny(z uwolnieniem energii). Spalanie metanu jest typowym przykładem reakcji egzotermicznej.
Istnieje kilka rodzajów reakcji chemicznych. Najpopularniejszy:
- reakcje połączeń;
- reakcje rozkładu;
- reakcje pojedynczej wymiany;
- reakcje podwójnego przemieszczenia;
- reakcje utleniania;
- reakcje redoks.
Reakcje złożone
W reakcjach złożonych co najmniej dwa pierwiastki tworzą jeden produkt:
2Na (t) + Cl 2 (g) → 2NaCl (t)- powstawanie soli kuchennej.
Należy zwrócić uwagę na istotny niuans reakcji złożonych: w zależności od warunków reakcji lub proporcji odczynników wchodzących do reakcji, jej wynikiem mogą być różne produkty. Na przykład w normalnych warunkach spalania węgla powstaje dwutlenek węgla:
C (t) + O 2 (g) → CO 2 (g)
Jeśli ilość tlenu jest niewystarczająca, powstaje śmiercionośny tlenek węgla:
2C (t) + O 2 (g) → 2CO (g)
Reakcje rozkładu
Reakcje te są w pewnym sensie zasadniczo odwrotne do reakcji związku. W wyniku reakcji rozkładu substancja rozkłada się na dwa (3, 4...) prostsze pierwiastki (związki):
- 2H 2 O (l) → 2H 2 (g) + O 2 (g)- rozkład wody
- 2H 2 O 2 (l) → 2H 2 (g) O + O 2 (g)- rozkład nadtlenku wodoru
Reakcje pojedynczego przemieszczenia
W wyniku reakcji pojedynczego podstawienia bardziej aktywny pierwiastek zastępuje w związku mniej aktywny:
Zn (s) + CuSO 4 (roztwór) → ZnSO 4 (roztwór) + Cu (s)
Cynk w roztworze siarczanu miedzi wypiera mniej aktywną miedź, w wyniku czego powstaje roztwór siarczanu cynku.
Stopień aktywności metali według rosnącej aktywności:
- Najbardziej aktywne są metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych
Równanie jonowe powyższej reakcji będzie wyglądało następująco:
Zn (t) + Cu 2+ + SO 4 2- → Zn 2+ + SO 4 2- + Cu (t)
Wiązanie jonowe CuSO 4 po rozpuszczeniu w wodzie rozpada się na kation miedzi (ładunek 2+) i anion siarczanowy (ładunek 2-). W wyniku reakcji podstawienia powstaje kation cynku (który ma taki sam ładunek jak kation miedzi: 2-). Należy pamiętać, że anion siarczanowy występuje po obu stronach równania, czyli zgodnie ze wszystkimi zasadami matematyki można go zredukować. Rezultatem jest równanie jonowo-molekularne:
Zn (t) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu (t)
Reakcje podwójnego przemieszczenia
W reakcjach podwójnego podstawienia dwa elektrony są już zastąpione. Takie reakcje są również nazywane reakcje wymiany. Takie reakcje zachodzą w roztworze, tworząc:
- nierozpuszczalne ciało stałe (reakcja strącania);
- woda (reakcja neutralizacji).
Reakcje strącania
Kiedy roztwór azotanu srebra (soli) miesza się z roztworem chlorku sodu, powstaje chlorek srebra:
Równanie molekularne: KCl (roztwór) + AgNO 3 (p-p) → AgCl (s) + KNO 3 (p-p)
Równanie jonowe: K + + Cl - + Ag + + NO 3 - → AgCl (t) + K + + NO 3 -
Molekularne równanie jonowe: Cl - + Ag + → AgCl (s)
Jeśli związek jest rozpuszczalny, będzie obecny w roztworze w postaci jonowej. Jeśli związek jest nierozpuszczalny, wytrąci się, tworząc substancję stałą.
Reakcje neutralizacji
Są to reakcje pomiędzy kwasami i zasadami, w wyniku których powstają cząsteczki wody.
Na przykład reakcja zmieszania roztworu kwasu siarkowego i roztworu wodorotlenku sodu (ługu):
Równanie molekularne: H 2 SO 4 (p-p) + 2NaOH (p-p) → Na 2 SO 4 (p-p) + 2H 2 O (l)
Równanie jonowe: 2H + + SO 4 2- + 2Na + + 2OH - → 2Na + + SO 4 2- + 2H 2O (l)
Molekularne równanie jonowe: 2H + + 2OH - → 2H 2 O (l) lub H + + OH - → H 2 O (l)
Reakcje utleniania
Są to reakcje oddziaływania substancji z gazowym tlenem zawartym w powietrzu, podczas których z reguły uwalniana jest duża ilość energii w postaci ciepła i światła. Typową reakcją utleniania jest spalanie. Na samym początku tej strony jest reakcja pomiędzy metanem i tlenem:
CH 4 (g) + 2O 2 (g) → CO 2 (g) + 2H 2 O (g)
Metan należy do węglowodorów (związków węgla i wodoru). Kiedy węglowodór reaguje z tlenem, uwalniana jest duża ilość energii cieplnej.
Reakcje redoks
Są to reakcje, w których dochodzi do wymiany elektronów pomiędzy atomami reagentów. Reakcje omówione powyżej są również reakcjami redoks:
- 2Na + Cl 2 → 2NaCl - reakcja złożona
- CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - reakcja utleniania
- Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu - reakcja pojedynczego podstawienia
Reakcje redoks z dużą liczbą przykładów rozwiązywania równań metodą równowagi elektronowej i metodą półreakcji opisano możliwie szczegółowo w rozdziale
Bieżąca strona: 3 (książka ma łącznie 18 stron) [dostępny fragment do czytania: 12 stron]
Naukowcy uważają, że mgławice są etapem powstawania galaktyk lub dużych układów gwiezdnych. W modelach tego typu teorii planety są produktem ubocznym powstawania gwiazd. Ten punkt widzenia został po raz pierwszy wyrażony w XVIII wieku. I. Kanta, a później rozwiniętą przez P. Laplace’a, D. Kuipera, D. Alfvena i R. Camerona, potwierdza szereg dowodów.
Młode gwiazdy znajdują się wewnątrz mgławic – obszarów stosunkowo skoncentrowanego gazu i pyłu międzygwiazdowego o średnicy lat świetlnych. Mgławice można znaleźć w całej naszej galaktyce; Uważa się, że gwiazdy i powiązane z nimi układy planetarne powstają w tych ogromnych obłokach materii.
Za pomocą spektroskopii wykazano, że materia międzygwiazdowa składa się z gazów – wodoru, helu i neonu – oraz cząstek pyłu o wielkości rzędu kilku mikronów i składających się z metali i innych pierwiastków. Ponieważ temperatura jest bardzo niska (10–20 K), cała materia, z wyjątkiem wspomnianych gazów, zamarza na cząstkach pyłu. Cięższe pierwiastki i część wodoru pochodzą z gwiazd poprzednich generacji; Niektóre z tych gwiazd eksplodowały jako supernowe, zwracając pozostały wodór do ośrodka międzygwiazdowego i wzbogacając go w cięższe pierwiastki powstałe w ich głębinach.
Średnie stężenie gazu w przestrzeni międzygwiazdowej wynosi zaledwie 0,1 atomu N/cm 3, podczas gdy stężenie gazu w mgławicach wynosi około 1000 atomów N/cm 3, czyli 10 000 razy więcej. (1 cm 3 powietrza zawiera około 2,7 × 10 19 cząsteczek.)
Kiedy obłok gazu i pyłu w wyniku powolnego osiadania i adhezji (akrecji) międzygwiazdowego gazu i pyłu pod wpływem grawitacji stanie się wystarczająco duży, staje się niestabilny – bliska równowagowej zależność pomiędzy ciśnieniem i siłami grawitacyjnymi zakłócony. Przeważają siły grawitacyjne i dlatego chmura się kurczy. We wczesnych fazach kompresji ciepło uwalniane podczas przekształcania energii grawitacyjnej w energię promieniowania łatwo opuszcza chmurę, ponieważ względna gęstość materiału jest niska. Wraz ze wzrostem gęstości materii rozpoczynają się nowe ważne zmiany. W wyniku fluktuacji grawitacyjnych i innych duża chmura rozpada się na mniejsze obłoki, które z kolei tworzą fragmenty, które ostatecznie mają masę i rozmiar kilka razy większy niż nasz Układ Słoneczny (ryc. 2.2; 1–5). Takie chmury nazywane są protogwiazdy. Oczywiście niektóre protogwiazdy są masywniejsze niż nasz Układ Słoneczny i tworzą większe, gorętsze gwiazdy, podczas gdy mniej masywne protogwiazdy tworzą mniejsze, chłodniejsze gwiazdy, które ewoluują wolniej niż te pierwsze. Rozmiar protogwiazd jest ograniczony górną granicą, powyżej której nastąpi dalsza fragmentacja, oraz dolną granicą, określoną przez minimalną masę wymaganą do podtrzymania reakcji jądrowych.
Ryż. 2.2. Ewolucja mgławicy gazowo-pyłowej i powstanie dysku protoplanetarnego
Po pierwsze, potencjalna energia grawitacyjna, zamieniona na ciepło (energię radiacyjną), jest po prostu wypromieniowywana na zewnątrz podczas kompresji grawitacyjnej. Jednak wraz ze wzrostem gęstości substancji pochłanianych jest coraz więcej energii promieniowania, a w rezultacie wzrasta temperatura. Lotne związki, które początkowo zamarzły na cząsteczkach pyłu, zaczynają odparowywać. Teraz gazy takie jak NH3, CH4, H2O (para) i HCN miesza się z H2, He i Ne. Gazy te pochłaniają kolejne porcje energii promieniowania, dysocjują i ulegają jonizacji.
Sprężanie grawitacyjne trwa do momentu rozproszenia uwolnionej energii promieniowania podczas parowania i jonizacji cząsteczek w cząstkach pyłu. Kiedy cząsteczki są całkowicie zjonizowane, temperatura gwałtownie rośnie, aż kompresja prawie ustanie, gdy ciśnienie gazu zacznie równoważyć siły grawitacyjne. Tym samym kończy się faza gwałtownej kompresji grawitacyjnej (zapadnięcia).
Na tym etapie rozwoju protogwiazda odpowiadająca naszemu układowi jest dyskiem z pogrubieniem w środku i temperaturą około 1000 K na poziomie orbity Jowisza. Taki dysk protogwiazdowy nadal ewoluuje: następuje w nim restrukturyzacja i powoli się kurczy. Sama protogwiazda stopniowo staje się coraz bardziej zwarta, masywna i gorętsza, ponieważ ciepło może teraz promieniować tylko z jej powierzchni. Ciepło jest przenoszone z głębi protogwiazdy na jej powierzchnię za pomocą prądów konwekcyjnych. Obszar od powierzchni protogwiazdy do odległości odpowiadającej orbicie Plutona jest wypełniony mgłą gazowo-pyłową.
Podczas tej złożonej serii skurczów, która, jak się uważa, trwała około 10 milionów lat, moment pędu układu powinien zostać zachowany. Cała galaktyka obraca się, wykonując 1 obrót na 100 milionów lat. Gdy obłoki pyłu ulegają kompresji, ich moment pędu nie może się zmienić – im bardziej się kompresują, tym szybciej się obracają. Ze względu na zachowanie momentu pędu kształt zapadającej się chmury pyłu zmienia się z kulistego na dyskowy.
W miarę jak pozostała materia protogwiazdy kurczyła się, jej temperatura stała się wystarczająco wysoka, aby rozpocząć reakcję syntezy atomów wodoru. Wraz z dopływem większej ilości energii z tej reakcji temperatura stała się wystarczająco wysoka, aby zrównoważyć siły dalszej kompresji grawitacyjnej.
Planety powstały z pozostałych gazów i pyłu na obrzeżach dysku protogwiazdowego (ryc. 2.3). Aglomeracja pyłu międzygwiazdowego pod wpływem przyciągania grawitacyjnego prowadzi do powstania gwiazd i planet w ciągu około 10 milionów lat (1–4). Gwiazda wchodzi w ciąg główny (4) i pozostaje w stanie stacjonarnym (stabilnym) przez około 8000 milionów lat, stopniowo przetwarzając wodór. Następnie gwiazda opuszcza ciąg główny, rozszerza się, stając się czerwonym olbrzymem (5 i 6) i „konsumuje” swoje planety w ciągu następnych 100 milionów lat. Po pulsowaniu jako gwiazda zmienna przez kilka tysięcy lat (7), eksploduje jako supernowa (8) i ostatecznie zapada się w białego karła (9). Chociaż planety są zwykle uważane za obiekty masywne, całkowita masa wszystkich planet wynosi tylko 0,135% masy Układu Słonecznego.
Ryż. 2.3. Tworzenie układu planetarnego
Nasze planety i prawdopodobnie planety utworzone w dowolnym dysku protogwiazdowym znajdują się w dwóch głównych strefach. Strefa wewnętrzna, która w Układzie Słonecznym rozciąga się od Merkurego do pasa asteroid, jest strefą małych planet ziemskich. Tutaj, w fazie powolnego kurczenia się protogwiazdy, temperatury są tak wysokie, że metale wyparowują. Zewnętrzna strefa zimna zawiera gazy, takie jak H2O, He i Ne, oraz cząstki pokryte zamrożonymi substancjami lotnymi, takimi jak H2O, NH3 i CH4. Ta zewnętrzna strefa z planetami typu Jowisza zawiera znacznie więcej materii niż wewnętrzna, ponieważ jest duża i ponieważ większość lotnego materiału pierwotnie znalezionego w strefie wewnętrznej jest wypychana na zewnątrz w wyniku aktywności protogwiazdy.
Jednym ze sposobów zbudowania obrazu ewolucji gwiazdy i obliczenia jej wieku jest analiza dużej losowej próbki gwiazd. Jednocześnie mierzone są odległości do gwiazd, ich pozorna jasność i kolor każdej gwiazdy.
Jeśli znana jest pozorna jasność i odległość do gwiazdy, można obliczyć jej wielkość bezwzględną, ponieważ widzialna jasność gwiazdy jest odwrotnie proporcjonalna do jej odległości. Bezwzględna wielkość gwiazdy jest funkcją szybkości uwalniania energii, niezależnie od jej odległości od obserwatora.
Kolor gwiazdy zależy od jej temperatury: niebieski oznacza bardzo gorące gwiazdy, biały oznacza gorące gwiazdy, a czerwony oznacza stosunkowo chłodne gwiazdy.
Rysunek 2.4 przedstawia diagram Hertzsprunga-Russella, znany ci z zajęć z astronomii, odzwierciedlający związek pomiędzy wielkością bezwzględną a kolorem dużej liczby gwiazd. Ponieważ ten klasyczny diagram obejmuje gwiazdy każdej wielkości i wieku, odpowiada on „przeciętnej” gwieździe na różnych etapach jej ewolucji.
Ryż. 2.4. Diagram Hertzsprunga-Russella
Większość gwiazd znajduje się na prostej części diagramu; doświadczają jedynie stopniowych zmian równowagi w miarę wypalania się zawartego w nich wodoru. W tej części diagramu, zwanej ciągiem głównym, gwiazdy o większej masie mają wyższe temperatury; W nich reakcja topnienia atomów wodoru przebiega szybciej, a ich oczekiwana długość życia jest krótsza. Gwiazdy o masie mniejszej niż Słońce mają niższą temperaturę, fuzja atomów wodoru w nich zachodzi wolniej, a ich przewidywana długość życia jest dłuższa. Gdy gwiazda ciągu głównego zużyje około 10% początkowego zapasu wodoru, jej temperatura spadnie i nastąpi ekspansja. Uważa się, że czerwone olbrzymy to „stare” gwiazdy wszelkich rozmiarów, które wcześniej należały do ciągu głównego. Przy dokładnym określaniu wieku gwiazdy należy wziąć pod uwagę te czynniki. Obliczenia uwzględniające je pokazują, że żadna gwiazda w naszej galaktyce nie jest starsza niż 11 miliardów lat. Niektóre małe gwiazdy są w tym wieku; wiele większych gwiazd jest znacznie młodszych. Najbardziej masywne gwiazdy mogą pozostać w ciągu głównym nie dłużej niż 1 milion lat. Słońce i gwiazdy o podobnych rozmiarach spędzają w ciągu głównym około 10 000 milionów lat, zanim osiągną etap czerwonego olbrzyma.
Punkty kontrolne
1. Materia znajduje się w ciągłym ruchu i rozwoju.
2. Ewolucja biologiczna jest pewnym jakościowym etapem ewolucji materii jako całości.
3. Transformacje pierwiastków i cząsteczek w przestrzeni kosmicznej zachodzą stale i z bardzo małą prędkością.
1. Czym są reakcje syntezy jądrowej? Daj przykłady.
2. Jak, zgodnie z hipotezą Kanta-Laplace'a, z materii gazowo-pyłowej powstają układy gwiezdne?
3. Czy istnieją różnice w składzie chemicznym planet tego samego układu gwiezdnego?
Trzymając się powyższego punktu widzenia na pochodzenie układów planetarnych, możliwe jest dokonanie dość rozsądnych szacunków składu pierwiastkowego pierwotnej atmosfery ziemskiej. Część współczesnego poglądu opiera się oczywiście na ogromnej przewadze wodoru w kosmosie; występuje także na Słońcu. Tabela 2.2 przedstawia skład pierwiastkowy materii gwiazdowej i słonecznej.
Tabela 2.2. Skład pierwiastkowy materii gwiazdowej i słonecznej
Zakłada się, że atmosfera pierwotnej Ziemi, która miała wysoką średnią temperaturę, była mniej więcej taka: przed utratą grawitacji większość stanowił wodór, a głównymi składnikami molekularnymi były metan, woda i amoniak. Interesujące jest porównanie składu pierwiastkowego materii gwiezdnej ze składem współczesnej Ziemi i materii żywej na Ziemi.
Najczęstszymi pierwiastkami w przyrodzie nieożywionej są wodór i hel; następnie węgiel, azot, krzem i magnez. Zauważmy, że materia żywa biosfery na powierzchni Ziemi składa się głównie z wodoru, tlenu, węgla i azotu, czego oczywiście należało się spodziewać, sądząc po samej naturze tych pierwiastków.
Początkowa atmosfera Ziemi mogła ulec zmianie w wyniku różnorodnych procesów, przede wszystkim w wyniku dyfuzyjnej ucieczki wodoru i helu, które stanowiły jej znaczną część. Pierwiastki te są najlżejsze i powinny zostać utracone z atmosfery, ponieważ pole grawitacyjne naszej planety jest małe w porównaniu z polem planet-olbrzymów. Duża część początkowej atmosfery Ziemi musiała zostać utracona w bardzo krótkim czasie; Dlatego zakłada się, że wiele gazów pierwotnych atmosfery ziemskiej to gazy, które zostały zakopane we wnętrzu Ziemi i zostały ponownie uwolnione w wyniku stopniowego nagrzewania się skał ziemskich. Pierwotna atmosfera Ziemi prawdopodobnie składała się z substancji organicznych tego samego rodzaju, które obserwuje się w kometach: cząsteczek z wiązaniami węgiel-wodór, węgiel-azot, azot-wodór i tlen-wodór. Oprócz nich podczas grawitacyjnego nagrzewania wnętrza Ziemi prawdopodobnie pojawił się także wodór, metan, tlenek węgla, amoniak, woda itp. Są to substancje, z którymi przeprowadzono najwięcej eksperymentów symulujących atmosferę pierwotną.
Co właściwie mogło się wydarzyć w warunkach pierwotnej Ziemi? Aby to ustalić, należy wiedzieć, jakie rodzaje energii najprawdopodobniej wpływają na atmosferę.
Rozwój i przemiana materii bez dopływu energii jest niemożliwa. Rozważmy te źródła energii, które determinują dalszą ewolucję substancji, już nie w kosmosie, ale na naszej planecie - na Ziemi.
Ocena roli źródeł energii nie jest łatwa; Należy przy tym uwzględnić warunki nierównowagowe, ochłodzenie produktów reakcji oraz stopień ich ekranowania od źródeł energii.
Najwyraźniej wszelkie źródła energii (tabela 2.3) miały znaczący wpływ na przemiany substancji na naszej planecie. Jak to się stało? Oczywiście obiektywny dowód po prostu nie istnieje. Można jednak symulować procesy zachodzące na naszej Ziemi w czasach starożytnych. Po pierwsze, konieczne jest określenie granic czasowych, a po drugie, jak najdokładniejsze odtworzenie warunków panujących w każdej z omawianych epok istnienia planety.
Aby dyskutować nad pytaniami o pochodzenie życia na Ziemi, oprócz wiedzy o źródłach energii niezbędnych do przemian materii, trzeba mieć także w miarę jasne pojęcie o czasie tych przemian.
Tabela 2.3. Możliwe źródła energii dla pierwotnej ewolucji chemicznej
Tabela 2.4. Okresy półtrwania i inne dane niektórych pierwiastków wykorzystywane do określania wieku Ziemi
Rozwój nauk fizycznych zapewnił biologom kilka skutecznych metod określania wieku niektórych skał skorupy ziemskiej. Istotą tych metod jest analiza stosunku różnych izotopów i końcowych produktów rozpadu jądrowego w próbkach i korelacja wyników badań z czasem rozszczepienia pierwiastków pierwotnych (tabela 2.4).
Zastosowanie takich metod pozwoliło naukowcom skonstruować skalę czasową historii Ziemi od momentu jej ochłodzenia, czyli 4500 milionów lat temu, do chwili obecnej (tabela 2.5). Naszym zadaniem jest teraz ustalenie, w tej skali czasu, jakie warunki panowały na prymitywnej Ziemi, jaki rodzaj atmosfery panowała na Ziemi, jaka była temperatura i ciśnienie, kiedy powstały oceany i jak powstała sama Ziemia.
Tabela 2.5. Skala geochronologiczna
Odtworzenie warunków, w jakich powstały pierwsze „zarodki życia”, ma dziś dla nauki fundamentalne znaczenie. Wielka jest zasługa A.I. Oparina, który w 1924 roku zaproponował pierwszą koncepcję ewolucji chemicznej, zgodnie z którą proponowano atmosferę beztlenową jako punkt wyjścia w eksperymentach laboratoryjnych mających na celu odtworzenie warunków pierwotnej Ziemi.
W 1953 roku amerykańscy naukowcy G. Urey i S. Miller wystawili mieszaninę metanu, amoniaku i wody na wyładowania elektryczne (ryc. 2.5). Po raz pierwszy w wyniku takiego eksperymentu wśród otrzymanych produktów zidentyfikowano aminokwasy (glicynę, alaninę, kwas asparaginowy i glutaminowy).
Eksperymenty Millera i Ureya pobudziły badania nad ewolucją molekularną i pochodzeniem życia w wielu laboratoriach i doprowadziły do systematycznych badań problemu, podczas których syntetyzowano związki ważne biologicznie. Główne warunki panujące na prymitywnej Ziemi, jakie uwzględnili badacze, przedstawiono w tabeli 2.6.
Ciśnienie, podobnie jak skład ilościowy atmosfery, jest trudne do obliczenia. Szacunki dokonane z uwzględnieniem efektu cieplarnianego są bardzo arbitralne.
Obliczenia uwzględniające efekt cieplarniany, a także przybliżone natężenie promieniowania słonecznego w epoce abiotycznej, dały wartości kilkadziesiąt stopni powyżej temperatury zamarzania. Prawie wszystkie eksperymenty mające na celu odtworzenie warunków panujących na pierwotnej Ziemi przeprowadzono w temperaturach 20–200 °C. Granice te zostały ustalone nie poprzez obliczenia czy ekstrapolację pewnych danych geologicznych, ale najprawdopodobniej poprzez uwzględnienie temperaturowych granic stabilności związków organicznych.
Zastosowanie mieszanin gazów podobnych do gazów atmosfery pierwotnej, różnych rodzajów energii charakterystycznych dla naszej planety 4–4,5 × 10 9 lat temu oraz uwzględnienie warunków klimatycznych, geologicznych i hydrograficznych tamtego okresu sprawiło, że możliwe w wielu laboratoriach badających pochodzenie życia, znaleźć dowody na ścieżki abiotycznego występowania cząsteczek organicznych, takich jak aldehydy, azotyny, aminokwasy, monosacharydy, puryny, porfiryny, nukleotydy itp.
Ryż. 2.5. Aparat Millera
Tabela 2.6. Warunki na prymitywnej Ziemi
Pojawienie się protobiopolimerów stwarza bardziej złożony problem. Potrzeba ich istnienia we wszystkich żywych systemach jest oczywista. Są odpowiedzialni za procesy protoenzymatyczne(Na przykład, hydroliza, dekarboksylacja, aminacja, deaminacja, peroksydacja itp.), w przypadku niektórych bardzo prostych procesów, takich jak fermentacja, a dla innych bardziej złożone, np fotochemiczne reakcje, fotofosforylacja, fotosynteza i itp.
Obecność wody na naszej planecie (ocean pierwotny) umożliwiła powstanie protobiopolimerów w procesie reakcji chemicznej – kondensacji. Zatem do tworzenia wiązania peptydowego w roztworach wodnych zgodnie z reakcją:
wymagany jest wydatek energetyczny. Te koszty energii zwiększają się wielokrotnie podczas wytwarzania cząsteczek białka w roztworach wodnych. Synteza makrocząsteczek z „biomonomerów” wymaga zastosowania specyficznych (enzymatycznych) metod usuwania wody.
Ogólny proces ewolucji materii i energii we Wszechświecie składa się z kilku następujących po sobie etapów. Wśród nich można wyróżnić powstawanie mgławic kosmicznych, ich rozwój i strukturę układów planetarnych. Przemiany substancji zachodzące na planetach zdeterminowane są pewnymi ogólnymi prawami przyrody i zależą od położenia planety w układzie gwiezdnym. Niektóre z tych planet, jak Ziemia, charakteryzują się cechami umożliwiającymi rozwój materii nieorganicznej w kierunku pojawienia się różnych skomplikowanych cząsteczek organicznych.
Punkty kontrolne
1. Pierwotna atmosfera Ziemi składała się głównie z wodoru i jego związków.
2. Ziemia znajduje się w optymalnej odległości od Słońca i otrzymuje wystarczającą ilość energii, aby utrzymać wodę w stanie ciekłym.
3. W roztworach wodnych, ze względu na różne źródła energii, najprostsze związki organiczne powstają w sposób niebiologiczny.
Przejrzyj pytania i zadania
1. Wymień kosmiczne i planetarne przesłanki pojawienia się życia abiogenicznego na naszej planecie.
2. Jakie znaczenie miał redukujący charakter atmosfery pierwotnej dla powstawania cząsteczek organicznych z substancji nieorganicznych na Ziemi?
3. Opisz aparaturę i metody przeprowadzania doświadczeń przez S. Millera i P. Ureya.
Używając słownictwa zawartego w nagłówkach „Terminologia” i „Podsumowanie”, przetłumacz akapity „Punktów kontrolnych” na język angielski.
Terminologia
Dla każdego terminu wskazanego w lewej kolumnie wybierz odpowiednią definicję podaną w prawej kolumnie w języku rosyjskim i angielskim.
Wybierz poprawną definicję każdego terminu w lewej kolumnie spośród wariantów angielskich i rosyjskich wymienionych w prawej kolumnie.
2.3. Teorie pochodzenia protobiopolimerówZagadnienia do dyskusji
Jak myślisz, jakie źródła energii były dominujące na starożytnej Ziemi? Jak wytłumaczyć niespecyficzny wpływ różnych źródeł energii na procesy powstawania cząsteczek organicznych?
Różne oceny natury środowiska na prymitywnej Ziemi doprowadziły do stworzenia różnych warunków eksperymentalnych, które dały zasadniczo jednolite, choć nie zawsze w szczególności identyczne wyniki.
Rozważmy niektóre z najważniejszych teorii powstawania struktur polimerowych na naszej planecie, które leżą u podstaw powstawania biopolimerów - podstawy życia.
Teoria termiczna. Reakcje kondensacji, które prowadzą do powstania polimerów z prekursorów o niskiej masie cząsteczkowej, można przeprowadzić przez ogrzewanie. W porównaniu z innymi składnikami żywej materii najlepiej poznana jest synteza polipeptydów.
Autorem hipotezy syntezy polipeptydów metodą termiczną jest amerykański naukowiec S. Fox, który przez długi czas badał możliwości powstawania peptydów w warunkach panujących na prymitywnej Ziemi. Jeśli mieszaninę aminokwasów ogrzeje się do temperatury 180–200°C w normalnych warunkach atmosferycznych lub w obojętnym środowisku, wówczas powstają produkty polimeryzacji, małe oligomery, w których monomery są połączone wiązaniami peptydowymi, a także niewielkie ilości polipeptydów. W przypadkach, gdy eksperymentatorzy wzbogacili początkowe mieszaniny aminokwasów o aminokwasy kwasowe lub zasadowe, na przykład kwas asparaginowy i glutaminowy, udział polipeptydów znacznie wzrósł. Masa cząsteczkowa otrzymanych w ten sposób polimerów może sięgać kilku tysięcy D. (D to Dalton, jednostka miary masy liczbowo równa masie 1/16 atomu tlenu).
Polimery otrzymywane termicznie z aminokwasów – proteinoidów – wykazują wiele specyficznych właściwości biopolimerów białkowych. Jednakże w przypadku termicznej kondensacji nukleotydów i monosacharydów o złożonej strukturze powstanie znanych obecnie kwasów nukleinowych i polisacharydów wydaje się mało prawdopodobne.
Teoria adsorpcji. Głównym kontrargumentem w debacie na temat abiogennego pochodzenia struktur polimerowych jest niskie stężenie cząsteczek i brak energii do kondensacji monomerów w rozcieńczonych roztworach. Rzeczywiście, według niektórych szacunków, stężenie cząsteczek organicznych w „bulionie pierwotnym” wynosiło około 1%. Taka koncentracja, ze względu na rzadkość i losowość kontaktów różnych cząsteczek niezbędnych do kondensacji substancji, nie mogła zapewnić tak „szybkiego” tworzenia się protobiopolimerów, jak to miało miejsce na Ziemi, zdaniem niektórych naukowców. Jedno z rozwiązań tego problemu, związane z pokonaniem takiej bariery koncentracji, zaproponował angielski fizyk D. Bernal, który uważał, że zagęszczanie rozcieńczonych roztworów substancji organicznych następuje poprzez „ich adsorpcję w wodnych złożach gliny”.
W wyniku oddziaływania substancji podczas procesu adsorpcji niektóre wiązania ulegają osłabieniu, co prowadzi do zniszczenia części i powstania innych związków chemicznych.
Teoria niskich temperatur. Autorzy tej teorii, rumuńscy naukowcy C. Simonescu i F. Denes, wyszli z nieco odmiennych pomysłów na temat warunków abiogennego występowania najprostszych związków organicznych i ich kondensacji do struktur polimerowych. Autorzy przywiązują wiodącą wagę do energii zimnej plazmy jako źródła energii. Opinia ta nie jest bezpodstawna.
Zimna plazma jest szeroko rozpowszechniona w przyrodzie. Naukowcy uważają, że 99% Wszechświata znajduje się w stanie plazmy. Ten stan materii występuje także na współczesnej Ziemi w postaci błyskawic kulistych, zorzy polarnej, a także specjalnego rodzaju plazmy – jonosfery.
Niezależnie od charakteru energii na Ziemi abiotycznej, każdy rodzaj energii przekształca związki chemiczne, zwłaszcza cząsteczki organiczne, w formy aktywne, takie jak jedno- i wielofunkcyjne wolne rodniki. Jednak ich dalsza ewolucja w dużej mierze zależy od gęstości strumienia energii, która jest najbardziej widoczna w przypadku zastosowania zimnej plazmy.
W wyniku żmudnych i złożonych eksperymentów z zimną plazmą jako źródłem energii do abiogennej syntezy protobiopolimerów badaczom udało się otrzymać zarówno pojedyncze monomery, jak i struktury polimerowe i lipidy typu peptydowego.
Oparin uważał, że przejście od ewolucji chemicznej do biologicznej wymaga obowiązkowego pojawienia się poszczególnych układów rozdzielonych fazowo, zdolnych do interakcji z otaczającym środowiskiem zewnętrznym, wykorzystując jego substancje i energię i na tej podstawie zdolnych do wzrostu, rozmnażania się i podlegania doborowi naturalnemu .
Najwyraźniej abiotyczna izolacja układów wielocząsteczkowych z jednorodnego roztworu substancji organicznych musiała być przeprowadzana wielokrotnie. Jest nadal bardzo rozpowszechniony w przyrodzie. Ale w warunkach współczesnej biosfery można bezpośrednio zaobserwować tylko początkowe etapy powstawania takich systemów. Ich ewolucja jest zwykle bardzo krótkotrwała w obecności drobnoustrojów, które niszczą wszystkie żywe istoty. Dlatego też, aby zrozumieć ten etap powstawania życia, należy w sposób sztuczny uzyskać w ściśle kontrolowanych warunkach laboratoryjnych układy organiczne z separacją fazową i na podstawie powstałych w ten sposób modeli ustalić zarówno ścieżki ich ewentualnej ewolucji w przeszłości, jak i wzorce tego procesu. Pracując z wielkocząsteczkowymi związkami organicznymi w warunkach laboratoryjnych, stale spotykamy się z powstawaniem tego rodzaju układów z separacją faz. Możemy zatem wyobrazić sobie sposoby ich występowania i eksperymentalnie uzyskać w warunkach laboratoryjnych różne układy, z których wiele mogłoby nam posłużyć za modele formacji, które kiedyś pojawiały się na powierzchni Ziemi. Na przykład możemy wymienić niektóre z nich: "bąbelki" Goldacre, „mikrosfery” Lis, „jayvan” Bahadura, „próbenci” Egamiego i wiele innych.
Często podczas pracy z takimi sztucznymi systemami, które samoizolują się od rozwiązania, szczególną uwagę zwraca się na ich zewnętrzne podobieństwo morfologiczne do żywych obiektów. Ale to nie jest rozwiązanie problemu, ale to, że system może oddziaływać ze środowiskiem zewnętrznym, wykorzystując swoje substancje i energię jak systemy otwarte i na tej podstawie rosnąć i rozmnażać się, co jest typowe dla wszystkich żywych istot.
Najbardziej obiecujące modele pod tym względem to krople koacerwatu.
Każda cząsteczka ma określoną organizację strukturalną, to znaczy atomy tworzące jej skład są regularnie rozmieszczone w przestrzeni. W rezultacie w cząsteczce powstają bieguny o różnych ładunkach. Na przykład cząsteczka wody H 2 O tworzy dipol, w którym jedna część cząsteczki niesie ładunek dodatni (+), a druga ładunek ujemny (-). Ponadto niektóre cząsteczki (na przykład sole) dysocjują na jony w środowisku wodnym. Ze względu na te cechy chemicznej organizacji otaczających je cząsteczek w wodzie, wodne „koszule” powstają z cząsteczek wody zorientowanych w określony sposób. Na przykładzie cząsteczki NaCl można zauważyć, że dipole wody otaczające jon Na + mają bieguny ujemne zwrócone w jego stronę (ryc. 2.6), a bieguny dodatnie zwrócone w stronę jonu Cl −.
Ryż. 2.6. Uwodniony kation sodu
Ryż. 2.7. Montaż koacerwatów
Cząsteczki organiczne mają dużą masę cząsteczkową i złożoną konfigurację przestrzenną, dlatego są również otoczone powłoką wodną, której grubość zależy od ładunku cząsteczki, stężenia soli w roztworze, temperatury itp.
W pewnych warunkach powłoka wodna uzyskuje wyraźne granice i oddziela cząsteczkę od otaczającego roztworu. Cząsteczki otoczone wodną powłoką mogą łączyć się, tworząc kompleksy wielocząsteczkowe - koacerwatuje(ryc. 2.7).
Krople koacerwatu powstają także w wyniku prostego zmieszania różnych polimerów, zarówno naturalnych, jak i uzyskanych sztucznie. W tym przypadku następuje samoorganizacja cząsteczek polimeru w wielocząsteczkowe formacje z separacją fazową - kropelki widoczne pod mikroskopem optycznym (ryc. 2.8). W nich skoncentrowana jest większość cząsteczek polimerów, podczas gdy środowisko jest ich prawie całkowicie pozbawione.
Krople są oddzielone od otoczenia ostrą granicą, ale są w stanie absorbować substancje z zewnątrz niczym systemy otwarte.
Ryż. 2.8. Krople koacerwatu otrzymane w doświadczeniu
Włączając różne katalizatory(w tym enzymy) mogą powodować szereg reakcji, w szczególności polimeryzację monomerów pochodzących ze środowiska zewnętrznego. Z tego powodu krople mogą zwiększyć swoją objętość i wagę, a następnie podzielić się na formacje potomne.
Przykładowo w nawiasach kwadratowych przedstawiono procesy zachodzące w kropli koacerwatu, a poza nimi umieszczono substancje znajdujące się w środowisku zewnętrznym:
glukozo-1-fosforan → [glukozo-1-fosforan → skrobia → maltoza] → maltoza
Kroplę koacerwatu utworzoną z białka i gumy arabskiej zanurza się w roztworze glukozo-1-fosforanu. Glukozo-1-fosforan zaczyna wchodzić do kropli i polimeryzuje w niej do skrobi pod działaniem katalizatora, fosforylazy. Dzięki powstającej skrobi kropla rośnie, co można łatwo określić zarówno na podstawie analizy chemicznej, jak i bezpośrednich pomiarów mikroskopowych. Jeśli do kropli dodany zostanie inny katalizator, b-amylaza, skrobia rozkłada się do maltozy, która jest uwalniana do środowiska zewnętrznego.
Zatem najprościej metabolizm. Substancja dostaje się do kropli, polimeryzuje, powodując wysokość a w przypadku jego rozpadu produkty tego rozpadu przedostają się do środowiska zewnętrznego, w którym wcześniej ich nie było.
Inny diagram ilustruje eksperyment, w którym polimerem jest polinukleotyd. Kropelka składająca się z białka histonowego i gumy arabskiej jest otoczona roztworem ADP.
Wchodząc do kropli, ADP polimeryzuje pod wpływem polimerazy do kwasu poliadenylowego, dzięki czemu kropla rośnie, a nieorganiczny fosfor przedostaje się do środowiska zewnętrznego.
ADP → [ADP → Poli-A + F] → F
W tym przypadku spadek objętości zwiększa się ponad dwukrotnie w krótkim czasie.
Zarówno w przypadku syntezy skrobi, jak i przy tworzeniu kwasu poliadenylowego, jest bogaty w energię (makroergiczny) znajomości. Dzięki energii tych związków pochodzącej ze środowiska zewnętrznego nastąpiła synteza polimerów i wzrost kropelek koacerwatu. W innej serii eksperymentów przeprowadzonej przez akademika AI Oparina i jego współpracowników wykazano, że reakcje związane z rozpraszaniem energii mogą również zachodzić w samych kropelkach koacerwatu.
Ładowanie...