Основы современного естествознания

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Химический элемент

Химические соединения

Движение Земли, строение геосфер и изучение процессов

Классы механизмов эволюции. Закон дивергенции

Законы Менделя. Основные понятия и термины современной генетики

Список литературы

Химический элемент

Каждый химический элемент - это совокупность атомов с одинаковым зарядом атомных ядер и одинаковым числом электронов в атомной оболочке. Ядро атома состоит из протонов, число которых равно атомному номеру элемента, и нейтронов, число которых может быть различным. Разновидности атомов одного и того же химического Элемента, имеющие различные массовые числа (равные сумме масс протонов и нейтронов, образующих ядро), называется изотопами.

В природе многие химические Элементы представлены двумя или большим числом изотопов. Известно 276 стабильных изотопов, принадлежащих 81 природному химическому Элементу, и около 2000 радиоактивных изотопов. Изотопный состав природных элементов на Земле, как правило, постоянен; поэтому каждый элемент имеет практически постоянную атомную массу, являющуюся одной из важнейших характеристик элемента.

Известно более 110 химических Элементов, они, преимущественно нерадиоактивные, создают все многообразие простых и сложных веществ. Простое вещество - форма существования элемента в свободном виде. Некоторые химические Элементы существуют в двух или более аллотропных модификациях (например, углерод в виде графита и алмаза), различающихся по физическим и химическим свойствам; число простых веществ достигает 400. Иногда понятия "элемент" и - "простое вещество" отождествляются, поскольку в подавляющем большинстве случаев нет различия в названиях химических Элементов и образуемых ими простых веществ; "...тем не менее в понятиях такое различие должно всегда существовать", - писал в 1869 году Д. И. Менделеев.1 Сложное вещество - химическое соединение - состоит из химически связанных атомов двух или нескольких различных элементов; известно более 100 тыс. неорганических и миллионы органических соединений.

Для обозначения химических элементов служат химические знаки, состоящие из первой или первой и одной из последующих букв латинского названия элемента (С одним исключением, вторая буква химического Элемента Кюрия, названного в честь Марии Складовской-Кюри, "m" означает Мария). В химических формулах и химических уравнениях каждый такой знак (символ) выражает, кроме названия элемента, относительную массу химического Элемента, равную его атомной массе. Изучение химических Элементов составляет предмет химии, в частности неорганической химии.

Историческая справка. В донаучный период химии как нечто непреложное принималось учение Эмпедокла о том, что основу всего сущего составляют четыре стихии: огонь, воздух, вода, земля. Это учение, развитое Аристотелем, полностью восприняли алхимики.

В 8-9 веках они дополнили его представлением о сере (начале горючести) и ртути (начале металличности) как составных частях всех металлов. В 16 веке возникло представление о соли как начале нелетучести, огнепостоянства. Против учения о 4 стихиях и 3 началах выступил Р. Бойль, который в 1661 году дал первое научное определение химических элементов как простых веществ, которые не состоят из каких-либо других веществ или друг из друга и образуют все смешанные (сложные) тела. В 18 веке почти всеобщее признание получила гипотеза И. И. Бехера и Г. Э. Шталя, согласно которой тела природы состоят из воды, земли и начала горючести - флогистона. В конце 18 века эта гипотеза была опровергнута работами А. Л. Лавуазье. Он определил химические Элементы как вещества, которые не удалось разложить на более простые и из которых состоят другие (сложные) вещества, то есть по существу повторил формулировку Бойля. Но, в отличие от него, Лавуазье дал первый в истории науки перечень реальных химических Элементов.

В него вошли все известные тогда (1789) неметаллы (О, N, H, S, Р, С), металлы (Ag, As, Bi, Co, Ca, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn), а также "радикалы" [муриевый (Cl), плавиковый (F) и борный (В)] и "земли" - еще не разложенные известь СаО, магнезия MgO, барит ВаО, глинозем Аl2О2 и кремнезем SiO2 (Лавуазье полагал, что "земли" - вещества сложные, но пока это не было доказано на опыте, считал их химическими Элементами).

Как дань времени он включил в список химических Элементов невесомые "флюиды" - свет и теплород. Едкие щелочи NaOH и KOH он считал веществами сложными, хотя разложить их электролизом удалось позже - только в 1807 году (Г. Дэви). Разработка Дж. Дальтоном атомной теории имела одним из следствий уточнение понятия элемента как вида атомов с одинаковой относительной массой (атомным весом).

Дальтон в 1803 составил первую таблицу атомных масс (отнесенных к массе атома водорода, принятой за единицу) пяти химических Элементов (О, N, С, S, P). Тем самым Дальтон положил начало признанию атомной массы как главной характеристики элемента. Дальтон, следуя Лавуазье, считал химические Элементы веществами не разложимыми на более простые.

Последующее быстрое развитие химии привело, в частности, к открытию большого числа химических Элементов. В списке Лавуазье было всего 25 химических Элементов, включая "радикалы", но не считая "флюидов" и "земель". Ко времени открытия периодического закона Менделеева (1869) было известно уже 63 элемента.

Открытие Д. И. Менделеева позволило предвидеть существование и свойства ряда неизвестных тогда химических Элементов и явилось основой для установления их взаимосвязи и классификации. Открытие радиоактивности в конце 19 века поколебало более чем столетнее убеждение в том, что атомы нельзя разложить.

В связи с этим почти до середины 20 века продолжалась дискуссия о том, что такое химические Элементы. Конец ей положила современное теория строения атома, которая позволила дать строго объективную дефиницию химических Элементов, приведенную в начале статьи

Распространенность в природе. Распространенность химических Элементов в космосе определяется нуклеогенезом внутри звезд. Образование ядер химических Элементов связано с различными ядерными процессами в звездах. Поэтому на разных этапах своей эволюции различные звезды и звездные системы имеют неодинаковый химические состав.

Распространенность и распределение химических Элементов во Вселенной, процессы сочетания и миграции атомов при образовании космического вещества, химические состав космических тел изучает космохимия. Основную массу космического вещества составляют H и He (99,9%). Наиболее разработанной частью космохимии является геохимия.

111 химических Элементов только 89 обнаружены в природе, остальные, а именно технеций (атомный номер Z = 43), прометий (Z = 61), астат (Z = 85), франций (Z = 87) и трансурановые элементы, получены искусственно посредством ядерных реакций (ничтожные количества Тс, Pm, Np, Fr образуются при спонтанном делении урана и присутствуют в урановых рудах). В доступной части Земли наиболее распространены 10 элементов с атомными номерами в интервале от 8 до 26. В земной коре они содержатся в следующих относительных количествах:

Химические соединения

В состав веществ, участвующих в реакциях и связанных с жизнедеятельностью живой материи, входят почти все элементы периодической системы Д. И. Менделеева. В клетках живых организмов обнаружено 86 постоянно присутствующих элементов.

Среди них есть такие, как селен, цинк, кобальт, фтор, молибден, ванадий, хром и др.

Почти 98% массы клетки приходится на долю четырёх основных элементов. Это кислород (65-70%), углерод (15-18%), водород (8-10%) и азот (1,5-3,0%). химический эволюция менделеев гендель

Среди остальных элементов одни (макроэлементы) встречаются в больших количествах (сера, хлор, магний, фосфор, калий, кальций, натрий, железо, магний) и составляют около 1,9-2% массы клетки, а другие (микроэлементы) содержатся в мизерных долях (0,1% массы клетки).

Многие из микроэлементов необходимы для нормальной жизнедеятельности и 18 из них незаменимы, т. е. абсолютно необходимы. Все элементы входят в состав различных соединений в живой клетке.

Клетки всех живых организмов содержат несколько различных групп органических соединений.

Неорганические вещества, содержащиеся в клетке, -- это вода, различные минеральные соли, двуокись углерода, кислоты и основания.

Вода является важнейшим химическим компонентом содержимого живой клетки. Она составляет в среднем около 70-80% от общей массы клетки. Все биохимические реакции, совершающиеся в клетке, идут в присутствии воды. Она является универсальным растворителем.

В воде растворяются соли, основания, углеводы, белки и кислоты. Лишь жиры и жироподобные вещества не растворяются в воде. Вода определяет также физические свойства клетки, такие, как плотность и теплоёмкость, обеспечивает тургор (напряженное состояние клеточной стенки) у растений.

Вещества, растворяющиеся в воде, называются гидрофильными(греч. hydor -- «вода»; philia -- «любовь», «дружба»), а не растворяющиеся -- гидрофобными (греч. hydor -- «вода»; phobos -- «страх»). Среди макромолекул есть такие, у которых один конец является гидрофильным, а другой -- гидрофобным.

К числу таких относятся, например, молекулы фосфолипидов, которые участвуют в образовании биологических мембран.

Органические вещества, входящие в состав клетки, всегда содержат атомы углерода и водорода. В органических соединениях углерод четырёхвалентен. При этом атомы обладают удивительной способностью, соединяясь друг с другом, образовывать длинные цепи: прямые, разветвлённые и замкнутые (циклические). Поэтому свойства органических веществ зависят не только от их качественного и количественного состава, но и от порядка соединения атомов в молекуле, т. е. от строения молекулы

Среди органических веществ в клетке важнейшими группами являются: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

Движение Земли, строение геосфер и изучение процессов

О строении Земли геологи судят в основном по сейсмическим данным, получаемым при регистрации колебаний, вызываемых землетрясениями и атомными взрывами. При этом учитывается скорость передачи колебаний, а также тот факт, что продольные волны распространяются в любой среде - жидкой, твердой, газообразной, а поперечные лишь в средах, обладающих большой упругостью, т.е. в твердых объектах.

Продольные волны связаны со сжатием среды (любой). В поперечной волне частицы среды колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения продольной волны. Поперечные волны связаны с деформацией сдвига упругой среды. Примером поперечных волн являются колебания, распространяющиеся вдоль струн музыкальных инструментов.

Итак, сейсмические данные позволяют судить о пространственных параметрах Земли и ее структурных компонентов, равно как о их агрегатном состоянии. Важные сведения о строении Земли получены также в результате сверхглубокого бурения (Кольская скважина имеет глубину более 12 км).

В глобальном масштабе форма Земли лучше всего аппроксимируется эллипсоидом вращения - равновесной фигурой вращающейся однородной жидкости. Форма Земли (геоид) незначительно отличается от сфероида вращения. Именно поэтому географические глобусы изготавливают в форме шаров. У современной Земли полярный радиус R_п = 6356, 78 км, а экваториальный Rэ = 6378, 16 км. Масса Земли Мз = 5,98 10²⁴ кг, а средняя плотность с_з = 5, 52 г/см ³.

Строение Земли очень сложное, оно постоянно детализируется. Поскольку Земля имеет форму шара, то ее структурные части обычно представляют в виде сферных оболочек, число которых растет вместе с развитием геологического знания. Для начала рассмотрим внутренние геосферные оболочки.

Первоначально Земля многими людьми воспринималась как твердый шар, более или менее однородный. Затем, в частности в связи с желанием осмыслить огненные выбросы вулканов, возникло представление о двухступенчатой структуре Земли: внутренняя оболочка, мантия, покрыта земной корой.

Переход к трехступенчатой структуре Земли был связан с выделением ядра Земли. Дальнейшая дифференциация представлений о структуре Земли оказалась связанной с выделением ее своеобразных подоболочек.

Согласно современным воззрениям, ядро Земли состоит из внутреннего и внешнего ядра. Мантия Земли состоит из верхней, средней и нижней мантии, отделенных друг от друга разделами. Что касается земной коры, то она отделена от верхней части мантии, превратившейся в результате остывания в горную породу, разделом Мохоровичича. Земная кора, раздел Мохоровичича и упомянутая верхняя часть мантии образуют литосферу (от греч. litos - камень).

К литосфере примыкает астеносфера (от греч. astenes - слабый), слой пониженной вязкости в верхней части мантии Земли. Над земной корой находится атмосфера, а области океанов, морей, озер и рек образуют гидросферу. Магнитное поле Земли образует ее магнитосферу.

Итак, восхождение от центра Земли к ее периферии связано с пересечением следующих геосферных оболочек:

1) внутреннего ядра Земли;

2) внешнего ядра Земли;

3) нижней мантии Земли;

4) средней мантии Земли;

5) верхней мантии Земли;

6) астеносферы;

7) нижнего слоя литосферы;

8) раздела Мохоровичича;

9) земной коры (верхнего слоя литосферы);

10) гидросферы;

11) атмосферы;

12) магнитосферы.

Геосфемры (от греч. г? -- Земля и уцб?сб -- шар) -- географические концентрические оболочки (сплошные или прерывистые), из которых состоит планета Земля^[1].

Выделяются следующие геосферы: атмосфера, гидросфера, литосфера, земная кора, мантия и ядро Земли. Ядро Земли делится на внешнее ядро (жидкое) и центральное -- субъядро (твёрдое).

Геосферы условно делятся на базовые или главные (литосфера, атмосфера и гидросфера и другие), а также относительно автономно развивающиеся вторичные геосферы: педосфера, антропосфера , социосфера и ноосфера. Область обитания организмов, включающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть земной коры, называется биосферой. Криосфера характеризуется отрицательной или нулевой температурой, при которых вода, содержащаяся в парообразном, свободном или химически и физически связанном с другими компонентами виде, может существовать в твёрдой фазе (лёд, снег, иней и другие).

Статус геосферы им придаётся лишь исходя из значения в жизни человека на Земле, соизмеримого с ролью первичных геосфер.

Каждая из перечисленных выше геосфер изучается отдельной наукой или набором отдельных наук, изучающих каждую сферу на разных системных уровнях.

Первые предложения по сохранению единства знания о Земле и созданию обобщающей его науки прозвучали в виде синтетической концепции геосфер.

По совокупности природных условий и процессов, протекающих в области соприкосновения и взаимодействия геосфер, выделяют специфические оболочки (например, географическую оболочку.

В пределах географической оболочки сталкиваются и сложно взаимодействуют силы разного происхождения (в частности -- солнечная энергия, энергия внутренних слоёв Земли, сила тяжести, движения воздушных, водных и литогенных потоков).

Классы механизмов эволюции. Закон дивергенции

В явлениях самой различной природы важнейшую роль играют классы механизмов эволюции; среди них можно выделить катастрофические, или пороговые, и адаптационные. Адаптационный механизм эволюции - это логическая цепочка, которая приспосабливает данную систему (или организм) к окружающей среде.

Адаптация обеспечивает развивающейся системе определённую стабильность в данных конкретных условиях. Поэтому, изучая особенности среды, можно предвидеть тенденцию в изменении параметров системы.

Действие пороговых механизмов состоит в том, что существует некоторое критическое значение внешнего воздействия, выше которого прежняя форма уже существовать не может.

Переход системы через это пороговое состояние ведёт к резкому качественному изменению протекающих в ней процессов. При этом заранее невозможно предсказать, по какой ветви эволюции пойдёт развитие дальше, т.к. это зависит от неизбежно присутствующих случайных воздействий внешней среды.

Суть закона дивергенции заключается в следующем: процесс развития характеризуется непрерывным усложнением и ростом разнообразия организационных форм материи. Сам термин «дивергенция» в переводе означает расхождение. Здесь имеется в виду расхождение признаков и свойств у первоначально близких групп организмов в процессе эволюции.

Это результат неодинаково направленного естественного отбора и обитания в разных условиях среды. Закон дивергенции характерен для всех трёх форм развития материального мира: он действует в мире неживой природы, эволюции живых существ и обществе. С ростом сложности системы возрастает вероятность увеличения числа возможных путей дальнейшего развития, т.е. дивергенции.

Законы Менделя. Основные понятия и термины современной генетики

В 1865 году монах Грегор Мендель (занимавшийся изучением гибридизации растений в Августинском монастыре в Брюнне (Брно), ныне на территории Чехии) обнародовал на заседании местного общества естествоиспытателей результаты исследований о передаче по наследству признаков при скрещивании гороха (работа «Опыты над растительными гибридами» была опубликована в трудах общества в 1866 году). Мендель показал, что некоторые наследственные задатки не смешиваются, а передаются от родителей к потомкам в виде дискретных (обособленных) единиц. Сформулированные им закономерности наследования позже получили название законов Менделя.

При жизни его работы были малоизвестны и воспринимались критически (результаты опытов на другом растении, ночной красавице, на первый взгляд, не подтверждали выявленные закономерности, чем весьма охотно пользовались критики его наблюдений)

Законы Менделя -- принципы передачи наследственных признаков от родительских организмов к их потомкам, вытекающие из экспериментов Грегора Менделя. Эти принципы послужили основой для классической генетики и впоследствии были объяснены как следствие молекулярных механизмов наследственности. Хотя в русскоязычных учебниках обычно описывают три закона, «первый закон» открыт не Менделем. Особое значение из открытых Менделем закономерностей имеет «гипотеза чистоты гамет

Основные законы наследуемости были описаны чешским монахом Грегором Менделем (1822-1884). Мендель занимался селекцией гороха и именно гороху обязан открытием основных законов наследственности. Свою работу Мендель вёл 8 лет, изучил более 10000 растений гороха, результаты своей работы предоставил в статье в 1865 году. В этой статье он подвёл итог своей работы и сформулировал 3 основных закона наследственности.»

Закон единообразия гибридов первого поколения (первый закон Менделя). Данный закон утверждает, что скрещивание гомозиготных особей, различающихся по изучаемому признаку, даёт генетически и фенотипически однородное потомство, все особи которого гетерозиготны.

В опытах Менделя все гибриды первого поколения имели фенотип одного из родителей (полное доминирование). В экспериментах он скрещивал зелёный и жёлтый горох. И все гибриды первого поколения были жёлтыми. Данный признак (жёлтый цвет) был назван доминантным

Закон расщепления гибридов второго поколения (второй закон Менделя). При скрещивании между собой среди гибридов второго поколения в определённых соотношениях восстанавливаются исходные родительские формы. В случае полного доминирования -- это соотношение 3 : 1. Три четверти гибридов несут доминантный признак, одна четверть -- рецессивный.

Закон независимого комбинирования (наследования) признаков (третий закон Менделя). Этот закон говорит о том, что каждая пара разных признаков ведёт себя в ряду поколений независимо друг от друга. Так, независимо наследуется цвет и форма горошин. Цвет (жёлтый или зелёный) никак не связан с формой (гладкой или морщинистой) горошин

Современная генетика установила, что третий закон Менделя выполняется только для признаков, гены которых расположены на разных хромосомах.

Список литературы

1. В. А. Канке. Концепции современного естествознания. М.: Логос, 2004.

2. Забелин И. М. Физическая география в современном естествознании: вопросы истории и теории. М.: Наука, 1978.

3. Остроумов Г. Анатомия земного шара, какой она представляется сегодня // Наука и жизнь. 1996. №6.

4. Резанов И. А. История взаимодействия наук о Земле. М.: Наука, 1998.

5. Фишер Д. Рождение Земли. М.: Мир, 1990.

6. В.Ф. Тулинов «Концепции современного естествознания»: Учебник для вузов.- М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004 г.

7. А.В. Бялко «Наша планета - Земля»- М. Наука, 1989 г.

8. Г.В. Войткевич «Основы теории происхождения Земли» - М Недра, 1988 г.

9. Физическая энциклопедия. Тт. 1-5. - М. Большая Российская энциклопедия, 1988-1998 .

10. Тейлор Г. Основы органической химии для студентов нехимических специальностей.- М.:1989.

11. Артеменко А.И. Органическая химия.- М., 2007

12. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия.- М., 2003

Размещено на Allbest.ru