Энергия и движение. Мутация и генная инженерия. Планета Земля: эволюция, строение, динамика. Теория атомного строения

-
...

Содержание

Энергия и движение. 2
Мутация и генная инженерия. 8
Планета Земля: эволюция, строение, динамика. 12
Теория атомного строения. 17
Список использованных источников 19

Энергия и движение. Одним из фундаментальных понятий как философии, так и современного естествознания является движение. В Философском энциклопедическом словаре движение определяется, как «форма существования материи; способ бытия материальных объектов, состоящий в их изменениях и взаимопревращениях ». Ф. Энгельс, а за ним и прочие философы, стоящие на материалистических позициях, различали следующие формы движения:
• Механическое (перемещение в пространстве относительно некоей системы отсчета);
• Физическое (тепловое, электромагнитное, гравитационное и т.д.);
• Химическое (связанное с химическими превращениями веществ);
• Биологическое (обусловленное биологическими процессами);
• Социальное (связанное с разумной деятельностью человека в обществе).
Собственно говоря, в «чистом виде» на пра ктике ни одна из форм движения не наблюдается. Так, механическое перемещение тела, обычно, сопровождается неким изменением его температуры и электрических параметров, все виды физического движения связаны с механическим перемещением молекул, атомов, субатомных частиц и квантов. Химическое движение также всегда сопровождается процессами механического перемещения частиц и различными видами физического движения. В свою очередь, биологическое движение немыслимо без химического, физического и механического, а социальное движение без биологического. Кроме того, понятие движения тесно связано с принципом относительности: однозначно сказать, находится ли объект в движении или нет возможно, только сопоставляя его с некоей системой отсчета, связанной с другим объектом или, в ряде случаев, с неким начальным состоянием самого исследуемого объекта. Последнее часто применяется для изучения химических, биологических или географических объектов: например, скорости роста кристаллов, интенсивности роста деревьев, скорости и направления роста оврагов и т.д.

с – скорость света.
Уравнение Эйнштейна говорит о том, что исчезновение энергии возможно только в случае, если исчезнет материя, во всяком случае ее часть, обладающая массой (вещество). Однако, данное соотношение показывает полный объем энергии, которым располагает некий конечный участок пространства (система). В реальности во взаимодействиях внутри большинства систем используется заметно меньший объем энергии. Кроме того, система, как правило, функционирует, используя небольшое количество видов энергии, остальная их чать представляет собой энтропийное рассеивание энергии внутри системы.
Энергия подчиняется закону сохранения: в замкнутой системе она не может самопроизвольно появляться и исчезать, а только переходит из одного вида в другой. Для открытой системы (некоторые или все элементыкоторой участвуют во взаимодействии с другими системами) получение/отдача энергии ее элементом извне/вовне увеличивает/уменьшает на соответствующую величину энергию всей системы в целом. Следствием закона сохранения энергии является переход системы к новому состоянию (новым формам движения) при достижении видами энергии, обеспечивавшими прежние формы движения, некоего критического минимума, а другими (прежде воспринимавшимися системой, как энтропийные) некоего критического максимума. Как результат, в закрытой системе может наступить состояние, когда ни один вид энергии недостигнет критического максимума, необходимого для порождения нового типа движения, т.е. система достигнет равновесного состояния, известного в термодинамике под названием «тепловая смерть». Эффективно противостоять ей могут только открытые системы (имеющие внешний приток энергии), а отсрочить на значительный промежуток времени наступление «тепловой смерти» могут системы с высоким уровнем самоорганизации, в том числе биологические и социальные.
Мутация и генная инженерия. Мутациями называются изменения в структуре генетического аппарата. При этом сам термин «мутация» имеет, как расширенное, так и узкое толкование. В широком смысле, под мутациями понимается любое изменение генетического аппарата, поэтому при таком применении данного термина выделяют хромосомные, генные и геномные мутации. В узком толковании мутацией называется устойчивое наследуемое изменение в ДНК, независимо от его природы и функциональной значимости. При узком толковании мутации представляют собой изменение последовательностей нуклеотидов в ДНК. Изменения в хромосомах в этом случае носят название аберраций3.
По происхождению различают внутренние (т.е. вызванные самими особенностями клетки) и внешние (обусловленные влиянием внешних агентов – химических веществ, радиоактивного излучения, вирусов и т.п.) мутации. По месту возникновения различают мутации соматических и половых клеток. При этом если мутации соматических клеток передаются при делении другим клеткам соответствующей ткани и могут вызвать в ней определенные изменения (например, сформировать раковую опухоль), т.е. кроме организма, несущего мутировавшие клетки, никому более не угрожают, то мутации половых клеток приводят к передаче измененных признаков потомству. При этом сами родители могут быть внешне совершенно здоровы (если мутагенный фактор подействовал на них, как на первое поколение или мутации связаны с проявлением рецессивных генов). По характеру проявления в потомстве различают доминантные и рецессивные мутации.
Подавляющее число мутаций неблагоприятно или даже смертельно для организма, так как они разрушают отрегулированный на протяжении миллионов лет естественного отбора целостный генотип. Однако мутации возникают постоянно, и способностью мутировать обладают все живые организмы4. При этом, значительное число мутаций может носить нейтральный или даже полезный в приспособительном отношении характер. В результате значительного изменения условий проживания вида или отдельных его представителей, мутации, являвшиеся ранее нейтральными или вредными, могут стать полезными и наоборот. Таким образом, мутационный процесс является источником генного материала для естественного отбора.
Использованием механизма мутирования для получения организмов с необходимыми хозяйственными свойствами занята такая отрасль биотехнологии, как генная инженерия. По своей сути методы генной инженерии являются контролируемыми мутациями. Перенос генов дает возможность преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим. Методами генной инженерии получены данные о структуре и функционировании генов разнообразных организмов, что дало возможность
переноса гена в новое для него генетическое окружение с дальнейшей его экспрессией, что ведет к изменению свойств организма, в геном которого вводится ген (например, создание продуцентов биологически активных веществ или трансгенных организмов), а также осуществление генотерапии наследственных и приобретенных заболеваний путем искусственного замещения мутантных аллелей;
конструирование новых генов путем объединения in vitro (в пробирке) как известных, так и новых, искусственно синтезированных последовательностей нуклеотидов (используется в белковой инженерии для исследования функциональной значимости отдельных аминокислот и доменов в полипептидных цепях ферментов, а также для создания новых белков);
применять изолированные гены в составе генно-инженерных конструкций для получения пищевых продуктов и биологически активных веществ белковой природы.
Для получения копий гена используют метод молекулярного клонирования, сущность которого заключается в ковалентном встраивании в самореплицирующиеся молекулы нуклеиновой кислоты, называемые векторами. Для выделения нуклеиновых кислот в нативном состоянии необходимо использовать мягкие условия разрушения тканей биологического объекта и инактивировать гидролитические ферменты (ДНКазы или РНКазы) до того, как они гидролизуют молекулы нуклеиновых кислот. Затем такая последовательность нуклеотидов в составе вектора вводится в клетки, которые в селективных условиях, обеспечивающих сохранение вектора внутри клеток, выращивают на питательной среде. В результате образуется клон клеток, теоретически содержащих идентичные векторные молекулы с одной и той же вставкой чужеродной последовательности нуклеотидов. Разработаны методы, позволяющие выделять определенные последовательности нуклеотидов из сложной смеси фрагментов хромосомной ДНК, а также осуществлять обмен между строго определенными фрагментами генов и другими последовательностями нуклеиновых кислот5.
Генная инженерия в последние десятилетия позволила совершенно изменить технологии получения таких веществ, как соматотропин, инсулин и другие биологически активные вещества. В настоящее время в достаточно большом объеме создаются трансгенные организмы, обладающие определенными хозяйственными свойствами. Тем не менее, при всех плюсах технологий генной инженерии для сельского хозяйства и промышленности, применять их надо осторожно, так как неизвестны последствия долговременного использования искусственных организмов (которыми трансгенные организмы и являются).
Планета Земля: эволюция, строение, динамика. Земля – планета Солнечной системы (третья по счету от Солнца), относящейся к так называемой земной группе (внутренние планеты с твердой литосферой). На сегодняшний день это единственная планета Солнечной системы, имеющая на своей поверхности значительные запасы воды в жидком состоянии и развитую биосферу.
По современным представлениям (впервые сформированным в виде гипотезы Кантом и Лапласом, затем развитым другими теоретиками и исследователями) Земля, как и Солнечная система в целом, возникла в результате уплотнения газопылевого облака, окружавшего Солнце. В настоящее время существуют гипотезы первоначально горячей (имеющей активную литосферу и характеризующуюся интенсивным вулканизмом на поверхности) и первоначально холодной (с не разогретыми ядерными реакциями недрами) Земли. Возраст Земли оценивается в 4,6 млрд. лет6, хотя наиболее древние породы, известные на поверхности Земли (архейские) имеют возраст порядка 4,0 млрд. лет. Такая разница в возрасте пород обусловлена тем, что слагавшие первичную земную кору катархейские породы в результате архейского эпизода расплавления верхней мантии и образования магматического океана, были утоплены в мантии.
В настоящее время предполагается, что с архейской эры Земля эволюционирует, как первично горячая остывающая планета с постепенным снижением интенсивности вулканизма и горообразовательных процессов, нарастанием размеров платформенных участков и площади континентальной коры, стремлением к разделению и распределению крупных массивов суши по поверхности планеты. С архея на планете существует биосфера, сначала построенная на анаэробных организмах, а с начала протерозоя (после кислородной катастрофы – увеличения содержания кислорода в атмосфере до 1% от современного уровня) преимущественно на аэробных организмах7.
Около 570 млн. лет назад началось бурное развитие живых организмов - наступило «время явной жизни» - фанерозой, Этот эон подразделяют на три эры - палеозой, мезозой и кайнозой. Последняя эра с точки зрения гео- и биологии продолжается до сих пор8.
По современным представлениям Земля имеет оболочечную структуру, т.е. состоит из относительно однородных оболочек (сфер), границами между которыми служат зоны скачкообразного изменения физических параметров. Наиболее выражено такое изменение на поверхности Земли в зоне контакта трех ее важнейших оболочек: твердой (литосферы), водной (гидросферы) и газовой (атмосферы). Данная зона контакта характеризуется наиболее резкими из известных на Земле изменениями физических параметров и носит название географической оболочки. С нею тесно сопряжена биосфера – зона скопления земной жизни.
Внутреннее строение Земли неоднородно. Литосфера, по современным представлениям подразделяется на три основных слоя: земную кору, мантию и ядро. Эти слои, в свою очередь, также неоднородны и состоят из меньших по мощности слоев.
Самые верхние слои земной коры состоят преимущественно из пластов осадочных горных пород. Общая мощность (толщина) осадочных пород не превышает 15 - 20 км.
На Земле существуют два главных типа земной коры: континентальный и океанический. Мощность коры континентального типа в среднем 30 - 40 км, а под горными странам может достигать 80 км. Обычно ниже осадочных пород выделяют два главных слоя: верхний – «гранитный», близкий по физическим свойствам и составу к граниту и нижний, состоящий из более тяжелых пород, - «базальтовый» (предполагается, что он состоит главным образом из базальта). Толщина каждого из этих слоев в среднем 15 - 20 км. Океаническая кора гораздо тоньше (5 - 8 км). По составу и свойствам она близка к веществу нижней части базальтового слоя континентов. Но этот тип коры свойствен только глубоким участкам дна океанов, не менее 4 тыс. м. Поверхность Мохоровичича на границе которой резко изменяется скорость сейсмических волн, отделяет земную кору от мантии.
Мантия распространяется до глубины 2900 км. Она подразделяется на три слоя: верхний, промежуточный и нижний. В верхнем слое скорости сейсмических волн сразу за границей Мохоровичича растут, затем на глубине 100 - 120 км под континентами и 50 - 60 км под океанами этот рост сменяется слабым уменьшением скоростей, а далее на глубине 250 км под континентами и 400 км под океанами уменьшение вновь сменяется ростом. Таким образом, в этом слое имеется область пониженных скоростей - астеносфера, характеризуемая относительно малой вязкостью вещества. В астеносфере находятся очаги вулканов.
Промежуточный слой характеризуется сильным возрастанием скоростей сейсмических волн и увеличением электропроводности вещества Земли. Большинство ученых считают, что в промежуточном слое изменяется состав вещества или слагающие его минералы переходят в иное состояние, с более плотной «упаковкой» атомов. Нижний слой мантии отличается большей однородностью по сравнению с верхним слоем. Вещество в этих двух слоях находится в твердом, по-видимому, кристаллическом состоянии.
Под мантией находится земное ядро с радиусом 3471 км. Оно подразделяется на жидкое внешнее ядро (слой между 2900 и 5100 км) и твердое ядрышко.9.
Температура внутри Земли с глубиной повышается до 2000 -3000°С, при этом наиболее интенсивный ее рост отмечается в земной коре, далее он замедляется, и на больших глубинах температура остается, вероятно постоянной. Плотность Земли возрастает с 2,6 г / см3 на поверхности до 6,8 г / см3 на границе ядра Земли, а в центральных областях составляет примерно 16 г/см3. Давление возрастает с глубиной и достигает на границе между мантией и ядром 1,3 млн. атм, а в центре ядра - 3,5 млн. атм10.
Внешние оболочки: гидросфера и атмосфера также неоднородны. Гидросфера, собственно говоря, не является сплошной оболочкой, хотя, занимает 70% земной поверхности, а кроме того, помимо объектов из жидкой воды, расположенных на земной поверхности, она включает и криосферу, состоящую из ледников Антарктиды и Гренландии, горных стран, а также массивов многолетнемерзлых грунтов и ископаемых льдов.
Атмосфера насчитывает пять слоев: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. Данные сферы разделены промежуточными слоями (паузами), в которых происходят резкие скачки физических параметров воздушной среды, главным образом, температуры и давления. Паузы называются по названию нижележащего слоя атмосферы. Так, тропосферу и стратосферу разделяет тропопауза, стратосферу и мезосферу – стратопауза и т.д.
Нижний слой атмосферы – тропосфера распространяется до высоты 9 – 17 км (выше над экватором) и концентрирует в себе около 80% массы земной атмосферы. Верхняя граница стратосферы расположена на высоте 50 – 55 км, мезосферы – 85 км, термосферы – около 400 км11. Вопрос о верхней границе экзосферы дискуссионен.
До высоты около 100 км атмосфера Земли имеет относительно однородный газовый состав. В более высоких слоях, концентрация более тяжелых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли.
Динамика физических и биологических процессов на Земле обусловлена, прежде всего, циклами ее вращения вокруг своей оси, вокруг центра масс Земля-Луна, обращением Земли вокруг Солнца, а Луны вокруг Земли, движением Солнечной системы по Галактике. С этими движениями связаны смена дня и ночи, времен года, приливно-отливные явления, изменение наклона земной оси под влиянием прецессии, а также, предположительно, потепления и похолодания климата, увеличение и снижение вулканической активности и т.д. Кроме того, динамика Земли связана с периодами солнечной активности (что влияет на глобальную температуру, состояние магнитосферы и т.д.). Предполагается наличие и других динамических зависимостей, которые, однако, изучены не до конца.
Теория атомного строения. Атомом называется мельчайший (неразделимый химическими методами) объект элемента периодической системы (простого вещества), обладающий всеми его химическими свойствами.
В настоящее время в физике используется волновая модель атома Шредигера, предполагающая (как и в существовавшей ранее планетарной модели Бора) наличие у атома ядра, состоящего из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (частиц, не несущих заряда, но по массе равных протону) и окружающего их электронного облака, с количеством электронов, равным количеству протонов. При этом заряд электрона отрицателен, а по модулю равен заряду протона, в то же время масса электрона практически в 2000 раз меньше массы протона. Электроны движутся по орбиталям (траекториям, где согласно принципу неопределенности Гейзенберга вероятность их нахождения составляет около 90%). Форма орбиталей весьма разнообразна (шаровидная, гантелевидная и др.) и зависит от энергии электрона и, соответственно, степени его свободы в атоме. квантовой механике каждая атомная орбиталь определяется тремя квантовыми числами.