Файл: УМК КСЕ ФГОС-3 для студентов.doc

Исключительно важную роль в высокой эффективности биохимических процессов играют ферменты – биокатализаторы. Поэтому для практических нужд ведутся исследования моделирования ферментов с целью использования их в химических реакциях, а также повышения их устойчивости (вне живой клетки ферменты обычно быстро разрушаются). И в этом направлении уже достигнуты определенные успехи.

В концептуальном плане очень важным оказалось осознание идеи эволюции вещества, которая до последней трети 20-го века химиков практически не интересовала (в отличие от биологии, где эволюционные идеи развивались с конца 18-го века, и физики, куда идея эволюции материи стала внедряться со второй четверти 20-го века).

Первые атомы – водорода и гелия возникли примерно через миллион лет после начала расширения Вселенной (Большого Взрыва) еще в дозвездную эру. Ядра атомов более тяжелых химических элементов стали синтезироваться в звездах первого поколения и при взрывах сверхновых через несколько миллиардов лет от Начала. Таким образом, вторичный межзвездный газ был уже существенно богаче по составу химических элементов.

По мере понижения его температуры и возникновения первых твердых тел возникают первые проявления катализа. Однако его роль в химической эволюции до появления более или менее сложных органических молекул была крайне невелика. После того как физические условия приблизились к условиям, существовавшим на молодой Земле, где был накоплен необходимый минимум неорганических и органических соединений, роль катализаторов начала резко возрастать.

В 1964 г. А.П.Руденко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем, которая вскоре переросла в общую теорию химической эволюции и биогенеза. В ней показано, что эволюционирующими элементами в развитии химических систем являются те структуры и органические соединения, которые усиливали активность и селективность действия катализаторов. Таким образом, на предбиологической стадии развития химических систем происходил отбор тех веществ и химических реакций, которые необходимы для возникновения живых организмов. Саморазвитие каталитической системы происходит за счет поглощения катализаторами энергии, выделяющейся в ходе реакции, т.е., эволюционное преимущество получают каталитические системы, в которых протекают экзотермические реакции, являющиеся средством отбора прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Космогония

Космогония (греч. kosmogonía, от kósmos — мир, Вселенная и gone, goneia — рождение) – область науки, в которой изучается происхождение и развитие космических тел и их систем: звёзд и звёздных скоплений, галактик, туманностей, Солнечной системы и всех входящих в неё тел — Солнца, планет (включая Землю), их спутников, астероидов (или малых планет), комет, метеоритов. Поскольку все небесные тела возникают и развиваются, идеи об их эволюции тесно связаны с представлениями о природе этих тел вообще.

Космогонические гипотезы 18—19 вв. относились главным образом к происхождению Солнечной системы. Лишь в 20 в. развитие наблюдательной и теоретической астрофизики и физики позволило начать серьёзное изучение происхождения и развития звёзд. В 60-х гг. 20 в. началось изучение происхождения и развития галактик, природа которых была выяснена только в 20-х гг.

История космогонических исследований

После общих идей о развитии небесных тел, высказанных ещё греческими философами 4—1 вв. до н. э. (Левкипп, Демокрит, Лукреций), наступил многовековой период господства теологии. Лишь в 17 в. Р. Декарт отбросил миф о сотворении мира и нарисовал картину образования всех небесных тел в результате вихревого движения мельчайших частиц материи. Фундамент научной планетной К. заложил И. Ньютон, который обратил внимание на закономерности движения планет. Открыв основные законы механики и закон всемирного тяготения, он пришёл к выводу, что устройство планетной системы не может быть результатом случайного стечения обстоятельств.

В 1755 И. Кант опубликовал книгу "Всеобщая естественная история и теория неба...", в которой впервые дал космогоническое объяснение закономерностям движения планет, выдвинув гипотезу об образовании планетной системы из рассеянной материи, заполнявшей всё пространство этой системы и находившейся в единообразном вращательном движении вокруг центрального сгущения — Солнца. В конце 18 в. В. Гершель, наблюдая небо в построенные им большие телескопы, открыл туманности овальной формы, обладающие различными степенями сгущения к центральному яркому ядру. Возникла гипотеза об образовании звёзд из туманностей путём их "сгущения".

Опираясь на эти наблюдения Гершеля и на закономерности движения планет, П. Лаплас выдвинул гипотезу о происхождении Солнечной системы, во многом сходную с гипотезой Канта. (Когда интересуются главным образом идеей естественного образования Солнечной системы из протяжённой рассеянной среды, часто говорят о единой гипотезе Канта — Лапласа.) Гипотеза Лапласа об образовании Солнечной системы — Солнца, планет и их спутников из вращающейся и сжимающейся газовой туманности состояла в том, что в результате ускорения вращения при сжатии разряженная внешняя часть туманности (протяжённая атмосфера образующегося Солнца) становится всё более сплюснутой, а когда центробежная сила на экваторе стала равной по величине силе тяготения, она приняла чечевицеобразную форму. Вещество на остром ребре чечевицы перестало участвовать в дальнейшем сжатии, а оставалось на месте, образуя газовый диск. Затем он разделился на отдельные кольца и вещество каждого кольца собралось в сгусток, превратившийся затем в планету. При сжатии этих сгустков процесс зачастую повторялся, приводя к образованию спутников планет. Центральный сгусток туманности превратился в Солнце.

Гипотеза Лапласа не смогла объяснить медленное вращение Солнца, прямое вращение планет, наличие спутников с обратным движением и спутников, период обращения которых меньше периода вращения планеты. Привлечение современных астрофизических данных позволило в середине 20 в. по-новому развить идею Лапласа об отделении вещества от сжимающегося протосолнца в результате наступления ротационной неустойчивости. При этом механизм формирования планет оказался отличным от предполагавшегося Лапласом. Тем не менее гипотеза Лапласа сыграла выдающуюся роль в истории науки.

В конце 19 в. появилась гипотеза американских учёных Ф. Мультона и Т. Чемберлина, предполагавшая образование планет из мелких твёрдых частиц, названных ими "планетезималями". Они ошибочно считали, что обращающиеся вокруг Солнца планетезимали могли возникнуть путём застывания вещества, выброшенного Солнцем в виде огромных протуберанцев. (Такое образование планетезималей противоречит закону сохранения момента количества движения.) В то же время в планетезимальной гипотезе были правильно обрисованы многие черты процесса образования планет.

Идея об образовании звёзд путём сгущения рассеянного туманного вещества сохранилась до нашего времени и разделяется большинством исследователей. После открытия механического эквивалента тепла была подсчитана энергия. освобождающаяся при сжатии звезды. Оказалось, что её хватило бы для поддержания излучения Солнца в течение 10⁷—10⁸ лет. В то время такой срок казался достаточным. Но позже изучение истории Земли показало, что Солнце излучает несравненно дольше. В начале 20 в. проблему источников энергии звёзд безуспешно пытались решить с помощью радиоактивных элементов, в то время лишь недавно открытых. Установление взаимосвязи массы и энергии, показавшее, что звёзды, излучая, теряют массу, привело к гипотезам о возможности аннигиляции вещества в недрах звёзд, т. е. превращения вещества в излучение. В этом случае превращение массивных звёзд в звёзды малой массы длилось бы 10¹³—10¹⁵ лет. Правильной оказалась гипотеза о трансмутации элементов, т. е. об образовании более сложных атомных ядер из простых, в первую очередь — гелия из водорода. В 1938—39 были выяснены конкретные ядерные реакции, могущие обеспечить излучение звёзд, и это явилось началом современного этапа развития звёздной К.

В разработке К. галактик делаются лишь первые шаги. Проводится классификация галактик и их скоплений. Изучаются эволюционные изменения звёзд и газовой составляющей галактик, их химического состава и др. параметров. Изучается природа начальных возмущении, развитие которых привело к распаду расширяющегося газа Метагалактики на отдельные сгущения. Рассчитывается, как зависят морфологический тип и др. свойства галактик от массы и вращения этих первичных сгущений. Большое внимание привлекают компактные плотные ядра, имеющиеся у ряда галактик. Изучается природа мощного радиоизлучения, которым обладают некоторые галактики, и связь его с взрывными процессами в ядрах. Мощные взрывы, происходящие в квазарах и ядрах активных галактик — сейфертовских, N-галактик и др., — представляют собой существенные этапы эволюции галактик.

Планетная космогония

При выяснении вопроса, в каком состоянии находилось ранее вещество, ныне образующее планеты, важную роль играют закономерности движения планет — их обращение вокруг Солнца в одном направлении по почти круговым орбитам, лежащим почти в одной плоскости, — и деление планет на 2 группы, отличающиеся по массе и составу,— группу близких к Солнцу планет земного типа и группу далёких от Солнца планет-гигантов. При выяснении вопроса о том, откуда взялось около Солнца допланетное вещество, важную роль играет проблема распределения момента количества движения (МКД) между Солнцем и планетами: почему всего 2% общего МКД всей Солнечной системы заключено в осевом вращении Солнца, а 98% приходится на орбитальное движение планет, суммарная масса которых в 750 раз меньше массы Солнца?

В 40-х гг. 20 в. планетная космогония вернулась к классическим идеям Канта и Лапласа об образовании планет из рассеянного вещества, которые развивал советскийц ученый О.Ю. Шмидт. В настоящее время (70-е гг. 20 в.) является общепризнанным, что большинство планет аккумулировалось из твёрдого, а Юпитер и Сатурн также и из газового вещества, По-видимому, существовавшее вблизи экваториальной плоскости Солнца газово-пылевое облако простиралось до современных границ Солнечной системы.

Исходя из господствующих представлений об образовании Солнца из сжимающейся и вращающейся туманности, большинство астрономов считает, что протопланетное облако той или иной массы отделилось под действием центробежной силы от этой туманности на заключительной стадии её сжатия [Ф. Хойл (Великобритания), А. Камерон (США), Э. Шацман (Франция)]. Но, в отличие от Лапласа, рассматривавшего это отделение чисто механически, сейчас учитываются эффекты, связанные с наличием магнитного поля и корпускулярного излучения Солнца, Именно это позволило объяснить распределение МКД между Солнцем и планетами в рамках гипотез о совместном образовании Солнца и протопланетного облака.

Образование планет из протопланетного облака наиболее полно исследовано О. Ю. Шмидтом и его сотрудниками и сторонниками. Процесс можно условно разделить на 2 этапа. На первом этапе длившемся, вероятно, менее 10⁶ лет из пылевой компоненты облака образовалось множество "промежуточных" тел размером в сотни км. На втором этапе длительностью около 10⁸ лет из роя "промежуточных" тел и их обломков аккумулировались планеты. (У наиболее далёких планет — Урана, Нептуна, вещество которых было рассеяно по огромным кольцевым зонам, второй этап мог длиться около 10⁹ лет.) Самые крупные планеты — Юпитер и Сатурн — на основной стадии аккумуляции вбирали в себя не только твёрдые тела, но и газы.

Разные гипотетические варианты процесса образования облака ведут к разным вариантам протекания первого этапа. "Промежуточные" тела должны были образоваться либо в результате собирания пыли в тонкий диск и распада этого диска на сгущения, либо в результате коагуляции пылинок, т. е. их "слипания".

Протекание аккумуляции планет из роя "промежуточных" тел практически не зависит от механизма их образования. Сперва они двигались по круговым орбитам в плоскости породившего их пылевого слоя. Они росли, сливаясь друг с другом и вычерпывая окружающее рассеянное вещество — остатки "первичной" пыли и обломки, образовавшиеся, когда "промежуточные" тела сталкивались с большими относительными скоростями. Гравитационное взаимодействие "промежуточных" тел, усиливающееся по мере их роста, постепенно изменяло их орбиты, увеличивая средний эксцентриситет и средний наклон к центральной плоскости. Те из "промежуточных" тел, которые вырвались вперед в процессе роста, оказались зародышами будущих планет. При объединении многих тел в планеты произошло усреднение индивидуальных свойств движения отдельных объединяющихся тел, и потому орбиты планет получились почти круговыми и компланарными. Анализ процесса аккумуляции планет из роя твёрдых тел позволил О. Ю. Шмидту указать путь к объяснению происхождения прямого вращения планет и закона планетных расстояний.

Рост планет земной группы прекратился тогда, когда они вобрали в себя практически всё твёрдое вещество, имевшееся в районе их орбит (только у Марса часть вещества из его "зоны питания", вероятно, была поглощена массивным Юпитером). Но у планет-гигантов рост прекратился тогда, когда они действием своего притяжения выбросили из зоны своего формирования все "промежуточные" тела и их обломки, а также газы (в рассеянии последних важную роль могло сыграть интенсивное корпускулярное излучение молодого Солнца).

Эволюция Земли

Вопрос ранней эволюции Земли тесно связан с теорией ее происхождения. Сегодня известно, что наша планета образовалась около 4,5 млрд. лет назад. В процессе формирования Земли из частиц протопланетного облака постепенно увеличивалась ее масса. Росли силы тяготения, а следовательно, и скорости частиц, падавших на планету. Кинетическая энергия частиц превращалась в тепло, и Земля все сильнее разогревалась. При ударах на ней возникали кратеры, причем выбрасываемое из них вещество уже не могло преодолеть земного тяготения и падало обратно.