Учения о составе вещества. Процесс фотосинтеза. Влияние солнечной активности на биосферу

Содержание



Уровни организации живой материи

Фотосинтез. Какие реакции входят в процесс фотосинтеза

Биосфера и солнечная активность

Основные направления в развитии учения о составе вещества

Докажите, что при смешении двух одинаковых количеств воды с различной температурой энтропия системы возрастает

Литература




1. Уровни организации живой материи



Живая природа представляет собой сложно организованную, иерархичную систему. Выделяют несколько уровней организации живой материи.







Молекулярно-генетический уровень. Как бы сложно ни была организована любая живая система, в ее основе лежит взаимодействие биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, углеводов, а также других органических веществ. С этого уровня начинаются важнейшие процессы жизнедеятельности организма: кодирование и передача наследственной информации, обмен веществ, превращение энергии.

Клеточный уровень. Клетка — это структурно-функциональная единица всего живого. Существование клетки лежит в основе размножения, роста и развития живых организмов. Вне клетки жизни нет, а существование вирусов только подтверждает это правило, потому что они могут реализовывать свою наследственную информацию только в клетке.

Тканевый уровень. Ткань — это совокупность клеток и межклеточного вещества, объединенных общностью происхождения, строения и выполняемой функции. В животных организмах выделяют четыре основных типа ткани: эпителиальную, соединительную, мышечную и нервную. В растениях различают образовательные, покровные, проводящие, механические, основные и выделительные (секреторные) ткани.

Органный уровень. Орган — это обособленная часть организма, имеющая определенную форму, строение, расположение и выполняющая конкретную функцию. Орган, как правило, образован несколькими тканями, среди которых одна (две) преобладает.

Организменный (онтогенетический) уровень. Организм — это целостная одноклеточная или многоклеточная живая система, способная к самостоятельному существованию. Многоклеточный организм образован совокупностью тканей и органов. Существование организма обеспечивается путем поддержания гомеостаза (постоянства структуры, химического состава и физиологических параметров) в процессе взаимодействия с окружающей средой.

Популяционно-видовой уровень. Популяция — совокупность особей одного вида, в течение длительного времени проживающих на определенной территории, внутри которой осуществляется в той или иной степени случайное скрещивание и нет существенных внутренних изоляционных барьеров; она частично или полностью изолирована от других популяций данного вида.

Вид — совокупность особей, сходных по строению, имеющих общее происхождение, свободно скрещивающихся между собой и дающих плодовитое потомство. Все особи одного вида имеют одинаковый ка-риотип, сходное поведение и занимают определенный ареал.

На этом уровне осуществляется процесс видообразования, который происходит под действием эволюционных факторов.

Биогеоценотический (экосистемный) уровень. Биогеоценоз — исторически сложившаяся совокупность организмов разных видов, взаимодействующая со всеми факторами их среды обитания. В биогеоценозах осуществляется круговорот веществ и энергии.

Биосферный (глобальный) уровень. Биосфера — биологическая система высшего ранга, охватывающая все явления жизни в атмосфере, гидросфере и литосфере, которая объединяет все биогеоценозы (экосистемы) в единый комплекс. Здесь происходят все вещественно-энергетические круговороты, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле.

Таким образом, жизнь на нашей планете представлена саморегулирующимися и самовоспроизводящимися системами различного ранга, открытыми для вещества, энергии и информации. Существование и взаимодействие этих систем обеспечивается происходящими в них процессами жизнедеятельности и развития.

На каждом уровне организации живой материи существуют свои специфические особенности, поэтому в любых биологических исследованиях, как правило, какой-то определенный уровень является ведущим. Так, например, изучение механизмов деления клетки осуществляется на клеточном уровне, а основные успехи в области генной инженерии достигнуты на молекулярно-генетическом. Но такое разделение проблем по уровням организации является весьма условным, потому что большинство задач биологии так или иначе касаются одновременно нескольких уровней, а порой и всех сразу. Например, проблемы эволюции затрагивают все уровни организации, а методы генной инженерии, реализуемые на молекулярно-генетическом уровне, направлены на изменение свойств всего организма.




2. Фотосинтез. Какие реакции входят в процесс фотосинтеза

биосфера фотосинтез материя

Фотосинтез (от греч.photos- свет + синтез) – превращение лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ зеленых растений и фотосинтезирующих микроорганизмов. Происходит с участием поглощающих свет пигментов, прежде всего хлорофилла.

Химический баланс фотосинтеза выглядит предельно просто: из 6 молекул CO2 строится молекула гексозы. Необходимый для этого процесса восстановления водород берется из воды; образующийся в ходе фотосинтеза молекулярный кислород является всего лишь побочным продуктом. Процесс нуждается в энергии света, так как вода — очень плохой восстановитель и не способна восстанавливать CO2.

В светозависимой части фотосинтеза, «световой реакции», происходит расщепление молекул H2O с образованием протонов, электронов и атома кислорода. Электроны, «возбужденные» энергией света, достигают уровня энергии, достаточного для восстановления НАДФ+ (NADP+), Образующийся НАДФ + Н+, в противоположность H2O, является подходящим восстановителем для «фиксации» CO2, т. е. для перевода диоксида углерода в органическое соединение. В световой реакции также образуется АТФ (АТР), который также необходим для фиксации CO2. Если в системе присутствуют НАДФН + Н+, АТФ и соответствующие ферменты, фиксация CO2 может протекать также в темноте; такой процесс называется «темновой реакцией».

Таким образом, мы видим, что в процессе фотосинтеза входят следующие реакции:

Фотолиз воды

Образование протонов НАДФ2Н

Синтез глюкозы с затратов АТФ

Причем первые две реакции протекают в световую фазу, а последняя – в темновую.


3. Биосфера и солнечная активность



Биосфера – область распространения жизни на Земле. Включает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и литосферу, населенные живыми организмами.

Под действием солнечной энергии развивается принципиально новая (планетарных масштабов) система – биосфера. В составе биосферы различают: живое вещество, образованное совокупностью организмов; биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, известняки и др.); косное вещество, образующееся без участия живых организмов (основные породы, лава вулканов, метеориты); биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы).

Проблема "Солнце - Земля" является на сегодняшний день актуальной по многим причинам. Во-первых, это проблема альтернативных источников энергии на Земле. Солнечная энергия - неисчерпаемый источник энергии, притом безопасный. Во-вторых, это влияние солнечной активности на земную атмосферу и магнитное поле Земли: магнитные бури, полярные сияния, влияния солнечной активности на качество радиосвязи, засухи, ледниковые периоды и др. Изменение уровня солнечной активности приводит к изменению величин основных метеорологических элементов: температуры, давления, числа гроз, осадков и связанных с ними гидрологических и дендрологических характеристик: уровня озер и рек, грунтовых вод, солености и оледенения океана, числа колец в деревьях, иловых отложений и т.п. Правда в отдельные периоды времени эти проявления происходят только частично или вовсе не наблюдаются. В-третьих, это проблема "Солнце - биосфера земли". С изменением солнечной активности учеными было замечено изменение численности насекомых и многих животных. В результате изучения свойств крови: числа лейкоцитов, скорости свертывания крови и др., были доказаны связи сердечно-сосудистых заболеваний человека с солнечной активностью.

В максимум активности на Солнце происходят мощные взрывы, часто развивающиеся в группах пятен со сложной структурой. Солнечная вспышка - своеобразный взрыв, в результате которого происходит внезапное освобождение энергии, накопленной в ограниченном объеме солнечной атмосферы. Установлено, что при вспышках выделяются радиоволны и потоки частиц. Электромагнитное излучение достигает Земли за 8 минут, следовательно, все волны достигают Земли в один и тот же момент - именно тогда, когда мы замечаем вспышку в поле зрения спектрогелиоскопа. Частицы же отстают и прибывают на Землю через различные интервалы времени, зависящие от их скоростей.

Геомагнитные бури особенно заметны на фоне влияния солнечной активности на биосферу Земли и в частности человека.

Медики обратили внимание на то обстоятельство, что число внезапных смертей и случаев обострения заболеваний сердечно-сосудистой системы, тесно связано с солнечной активностью и обусловлено геомагнитной возмущенностью магнитного поля Земли.



4. Основные направления в развитии учения о составе вещества



Демокрит и Эпикур считали, что все тела состоят из атомов различной величины и формы, чем и объясняли различие тел.

Аристотель и Эмпедокл видимое разнообразие тел природы объясняли посредством сочетания в телах различных стихий: тепла и холода, сухости и влажности. Переход одних веществ в другие, связанный с появлением их новых специфических свойств и «форм». В эпоху эллинизма (до н.э.) возникло учение о «трансмутации» (превращении), согласно которому можно, изменяя сочетание элементов, получать вещество с иными свойствами. Так, пытались получить золото из более распространенных металлов – ртути, свинца и др.

Главной целью алхимия считала поиски «философского камня» для превращения неблагородных металлов в благородные, получение эликсира долголетия, универсального растворителя и др.

В VIII в. широкое распространение в Западной Европе получила «ртутно-серной» теории алхимиков, согласно которой вначале образуется «сера» из огня из воздуха и «ртуть» из земли и воды, а уже из них получаются различные металлы.

Т. Парацельс, в отличие от алхимиков, подчеркнул вещественный характер трех начал: «серы» – начала горючести, «ртути» – начала летучести, «соли» – начала огнепостоянства. Он ставит задачу исследовать свойства веществ и найти новые соединения с более полезными для медицинских целей свойствами, чтобы помогать человеку от болезней, успешно применял препараты ртути против сифилиса. Вскоре медицинскую химию (иатрохимию) стали преподавать на медицинских факультетах университетов.

Научное изучение химических явлений начинается в 1600 г. с работ Р. Бойля. Он создает теорию, по которой окружающий нас мир построен из мельчайших частичек – корпускул, различных по размерам, форме и массе. Они, объединяясь и разъединяясь, образуют качественно различные тела – «структурные формы вещества», среди этих тел вода, земля, железо, ртуть. При получении химических элементов как «простых тел» пользовались универсальным по тому времени методом разложения «сложных тел» – прокаливанием.

Изучение процессов горения привело к появлению первой, хотя она и оказалась ложной, научной теории в химии – теории флогистона, основатель этой теории Г. Шталь. Наблюдая за процессом плавки металлов, например олова, он заметил, что часть металла теряется в виде окалины («извести», как тогда называли), но при соприкосновении с древесным углем вновь превращается в олово. Шталь сделал вывод о том, что уголь участвует в реакции, и предположил, что в угле содержится вещество, которое превращает «известь» в металл. Позже это вещество было названо флогистоном. При всех огромных недостатках теории флогистона (путаница в понятии простого и сложного вещества), впервые были разработаны научные представления о реакциях окисления-восстановления.

Основатель научной химии М.В. Ломоносов в 1756 г. сформулировал один из основополагающих, действующих и по сей день законов естествознания – закон сохранения материи массы: масса веществ, вступивших в реакцию равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции. «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что, сколько чего от одного тела отнимется, столько присовокупится к другому; так если где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. Сей всеобщий закон простирается и в самые правила движения; ибо тело, движущее своей силой другое тело, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Гипотеза флогистона была опровергнута А. Лавуазье после открытия кислорода и установлении его роли в процессах горения и окисления. Так, явление обжига металлов и горение стали рассматривать как процессы соединения элемента с кислородом, а не как процесс разложения «сложного вещества» на элемент и флогистон. Это была настоящая революция в химии. Лавуазье впервые разделил вещества на простые вещества (химические элементы) и химические соединения.

В 1869г. Д.И. Менделеев систематизировал известных тогда 62 элементов на основании их атомного веса и представил это в виде таблицы, которая и получила название «Периодическая таблица Менделеева». Периодический закон, сформулированный Менделеевым, гласит: «Физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел ими образованных, состоят в периодической зависимости от их атомного веса».

Современная формулировка периодического закона: свойства химических элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от величины положительного заряда ядра их атомов.

В этой таблице ярко выявлена периодичность изменения свойств элементов с увеличением их сложности в каждом новом периоде. Систематизация элементов, выполненная Менделеевым, оказала основополагающее влияние на дальнейшее развитие химических исследований. На основании выявленных общностей он предсказал существование неизвестных элементов, оставив для них вакантные места в периодической таблице. Впоследствии эти элементы были открыты и свойства их оказались такими, какие предсказал Менделеев.

С начала ХIХ в. активно обсуждался вопрос о том, что относится к химическим соединениям, а что к смесям.

Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом, «прочным притяжением составных частей» (атомов) и тем отличается от смесей.

С позиций атомно-молекулярного учения данный закон был обоснован химиком Д. Дальтоном; он утверждал, что все простые и сложные индивидуальные вещества состоят из мельчайших частиц – молекул, которые в свою очередь образованы из атомов химических элементов. Так, молекулы простых веществ – водорода (Н2), кислорода (О2), озона (О3), – образованные из атомов одного элемента. Молекулы сложных веществ образованы из разных атомов.

К. Бертолле утверждал возможность существования индивидуальных химических соединений переменного состава с непрерывным изменением. Так, интерметаллические соединения, состоящие из 2 металлов: цинк-сурьма, магний-серебро и др. образуют соединения, как с постоянным, так и с переменным составом. Н.С. Курнаков первые из них назвал дальтонидами в честь Ж. Дальтона, а вторые – бертоллидами в честь К. Бертолле.



5. Докажите, что при смешении двух одинаковых количеств воды с различной температурой энтропия системы возрастает



Если обозначить энтропию через S, то







что и соответствует первой части второго начала по Зоммерфельду.

Можно подставить выражение для энтропии в уравнение первого начала термодинамики:



dU = T × dS – dU.



Эта формула известна в литературе как соотношение Гиббса. Это фундаментальное уравнение объединяет первое и второе начала термодинамики и определяет, по существу, всю равновесную термодинамику.

Второе начало устанавливает определенное направление течения процессов в природе, то есть «стрелу времени».

Наиболее глубоко смысл энтропии вскрывается при статической оценке энтропии. В соответствии с принципом Больцмана энтропия связана с вероятностью состояния системы известным соотношением



S = K × LnW,



где W – термодинамическая вероятность, а К – постоянная Больцмана.

Под термодинамической вероятностью, или статическим весом, понимается число различных распределений частиц по координатам и скоростям, соответствующих данному термодинамическому состоянию. При любом процессе, который протекает в изолированной системе и переводит ее из состояния 1 в состояние 2, изменение ΔW термодинамической вероятности положительно или равно нулю:



ΔW = W2– W1≥ 0



В случае обратимого процесса ΔW = 0, то есть термодинамическая вероятность, постоянна. Если происходит необратимый процесс, то ΔW > 0 и W возрастает. Это означает, что необратимый процесс переводит систему из менее вероятного состояния в более вероятное. Второе начало термодинамики является статистическим законом, оно описывает закономерности хаотического движения большого числа частиц, составляющих замкнутую систему, то есть энтропия характеризует меру беспорядочности, хаотичности частиц в системе.

Р. Клаузиус определил второе начало термодинамики так: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому (1850).

В связи с этой формулировкой в середине XIX в. была определена проблема так называемой тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему, Р. Клаузиус, опираясь на второе начало термодинамики, утверждал, что рано или поздно энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Переход теплоты от более нагретых тел к менее нагретым приведет к тому, что температура всех тел Вселенной будет одинаковой, наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной.

Ошибочность вывода о тепловой смерти Вселенной заключается в том, что нельзя применять второе начало термодинамики к системе, которая является не замкнутой, а бесконечно развивающей системой. Вселенная расширяется, галактики разбегаются со скоростями, которые нарастают. Вселенная нестационарна.

В основу формулировок второго начала термодинамики положены постулаты, являющиеся результатом многовекового человеческого опыта. Кроме указанного постулата Клаузиуса наибольшую известность получил постулат Томсона (Кельвина), который говорит о невозможности построения вечного теплового двигателя второго рода (perpetuum mobile), то есть двигателя, полностью превращающего теплоту в работу. Согласно этому постулату, из всей теплоты, полученной от источника тепла с высокой температурой – теплоотдатчика, только часть может быть превращена в работу. Остальная часть должна быть отведена в теплоприемник с относительно низкой температурой, то есть для работы теплового двигателя необходимы по крайней мере два тепловых источника различной температуры.

Этим и объясняется причина, по которой нельзя перевести в работу теплоту окружающей нас атмосферы или теплоту морей и океанов при отсутствии таких же масштабных источников теплоты с более низкой температурой.

При повышении температуры растет скорость различных видов движения частиц. Отсюда число микросостояний частиц, а соответственно и термодинамическая вероятность W, и энтропия вещества растут. При переходе вещества из твердого состояния в жидкое увеличивается неупорядоченность частиц и соответственно энтропия (ΔSплавл). Особенно резко растет неупорядоченность и соответственно энтропия при переходе вещества из жидкого состояния в газообразное (ASкипен). Энтропия увеличивается при превращении кристаллического вещества в аморфное. Чем выше твердость вещества, тем меньше его энтропия. Увеличение атомов в молекуле и усложнение молекул ведет к увеличению энтропии. Энтропия измеряется в Кал/моль·К (энтропийная единица) и в Дж/моль·К При расчетах применяют значения энтропии в так называемом стандартном состоянии, то есть при 298,15 К (25 °C). Тогда энтропию обозначают S0298. Например, энтропия кислорода 03 – S0298 = 238,8 ед. э., а 02 – S0298 = 205 ед. э.

Абсолютные значения энтропии многих веществ являются табличными и приведены в справочниках. Например:

Н20(ж) = 70,8; Н20(г) = 188,7; СО(г) = 197,54;

СН4(r) = 186,19; Н2(г) = 130,58; НС1(г) = 186,69; НСl(р) = 56,5;

СН30Н(ж) = 126,8; Са(к) = 41,4; Са(ОН)2(к) = 83,4; С(алмаз) = 2,38;

С(графит) = 5,74 и т. д.

Примечание: ж – жидкость, г – газ, к – кристаллы; р – раствор.

Изменение энтропии системы в результате химической реакции (ΔS) равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом энтропий исходных веществ. Например:

СН4 +Н20(г) = С0 + 3Н2– здесь ΔS0298 = S0co.298 + 3S0H2.298 – S0H4.298 – S0H2.298 =

197,54 = 3 · 130,58 – 188,19 – 188,7 = 214,39 Дж/моль · К.

В результате реакции энтропия возросла (AS > 0), возросло число молей газообразных веществ.




Литература



Кажанов В. Солнечная активность вчера и сегодня [Электронный ресурс] // Харьковский планетарий: астрономический портал : [сайт]. – [Харьков, 2007]. - URL: http://planetarium-kharkov.org/?q=solar-activity

Савченко В.Н., Смагин В.П. Курс концепций современного естествознания: Учебное пособие. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2002. – 296 с.

 Бочкарёв А. И. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов / А. И. Бочкарёв, Т. С. Бочкарёва, С. В. Саксонов; под ред. проф. А. И. Бочкарёва. – Тольятти : ТГУС, 2008. – 386 с.

Концепции современного естествознания./ под ред. проф. С.А. Самыгина, 2-е изд. – Ростов н/Д: «Феникс», 1999.- 576 с.