¿Existen diferencias en la composición química de los planetas? ¿En qué se diferencian las reacciones químicas de las reacciones nucleares?
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Los científicos creen que las nebulosas son una etapa en la formación de galaxias o grandes sistemas estelares. En modelos de este tipo de teorías, los planetas son un subproducto de la formación estelar. Este punto de vista, expresado por primera vez en el siglo XVIII. I. Kant y desarrollado posteriormente por P. Laplace, D. Kuiper, D. Alfven y R. Cameron, está confirmado por una serie de pruebas.
Las estrellas jóvenes se encuentran dentro de nebulosas, regiones de gas y polvo interestelar relativamente concentrados que tienen años luz de diámetro. Las nebulosas se encuentran en toda nuestra galaxia; Se cree que las estrellas y los sistemas planetarios asociados se forman dentro de estas enormes nubes de materia.
Mediante espectroscopía se demostró que la materia interestelar está formada por gases (hidrógeno, helio y neón) y partículas de polvo, que miden del orden de varias micras y están compuestas de metales y otros elementos. Como la temperatura es muy baja (10-20 K), toda la materia, excepto los gases mencionados, está congelada en partículas de polvo. Los elementos más pesados y algo de hidrógeno proceden de estrellas de generaciones anteriores; Algunas de estas estrellas explotaron como supernovas, devolviendo el hidrógeno restante al medio interestelar y enriqueciéndolo con elementos más pesados formados en sus profundidades.
La concentración media de gas en el espacio interestelar es de sólo 0,1 átomos N/cm 3, mientras que la concentración de gas en las nebulosas es de aproximadamente 1.000 átomos N/cm 3, es decir, 10.000 veces más. (1 cm 3 de aire contiene aproximadamente 2,7 × 10 19 moléculas).
Cuando una nube de gas y polvo se vuelve lo suficientemente grande como resultado de la lenta sedimentación y adhesión (acreción) de gas y polvo interestelar bajo la influencia de la gravedad, se vuelve inestable: se altera la relación cercana al equilibrio entre la presión y las fuerzas gravitacionales. . Prevalecen las fuerzas gravitacionales y, por tanto, la nube se contrae. Durante las primeras fases de la compresión, el calor liberado cuando la energía gravitacional se convierte en energía de radiación abandona fácilmente la nube porque la densidad relativa del material es baja. A medida que aumenta la densidad de la materia, aparecen nuevos cambios importantes. Debido a fluctuaciones gravitacionales y de otro tipo, una nube grande se fragmenta en nubes más pequeñas, que a su vez forman fragmentos que, en última instancia, tienen una masa y un tamaño varias veces mayores que nuestro Sistema Solar (Fig. 2.2; 1-5). Estas nubes se llaman protoestrellas. Por supuesto, algunas protoestrellas son más masivas que nuestro Sistema Solar y forman estrellas más grandes y más calientes, mientras que las protoestrellas menos masivas forman estrellas más pequeñas y más frías que evolucionan más lentamente que las primeras. El tamaño de las protoestrellas está limitado por un límite superior, por encima del cual se produciría una mayor fragmentación, y un límite inferior, determinado por la masa mínima necesaria para soportar reacciones nucleares.
Arroz. 2.2. Evolución de una nebulosa de gas y polvo y formación de un disco protoplanetario
Primero, la energía gravitacional potencial, convertida en calor (energía radiativa), simplemente se irradia hacia afuera durante la compresión gravitacional. Pero a medida que aumenta la densidad de una sustancia, se absorbe cada vez más energía de radiación y, como resultado, aumenta la temperatura. Los compuestos volátiles que inicialmente estaban congelados en las partículas de polvo comienzan a evaporarse. Ahora gases como NH 3, CH 4, H 2 O (vapor) y HCN se mezclan con H 2, He y Ne. Estos gases absorben porciones posteriores de energía de radiación, se disocian y sufren ionización.
La compresión gravitacional continúa hasta que la energía de radiación liberada se disipa durante la evaporación e ionización de las moléculas de las partículas de polvo. Cuando las moléculas están completamente ionizadas, la temperatura aumenta rápidamente hasta que la compresión casi se detiene cuando la presión del gas comienza a equilibrar las fuerzas gravitacionales. Así finaliza la fase de rápida compresión gravitacional (colapso).
A estas alturas de su desarrollo, la protoestrella correspondiente a nuestro sistema es un disco con un engrosamiento en el centro y una temperatura de aproximadamente 1000 K al nivel de la órbita de Júpiter. Un disco protoestelar de este tipo continúa evolucionando: en él se produce una reestructuración y se contrae lentamente. La propia protoestrella se vuelve gradualmente más compacta, más masiva y más caliente, ya que el calor ahora sólo puede irradiar desde su superficie. El calor se transfiere desde las profundidades de la protoestrella a su superficie mediante corrientes de convección. La región desde la superficie de la protoestrella hasta una distancia equivalente a la órbita de Plutón está llena de niebla de gas y polvo.
Durante esta compleja serie de contracciones, que se cree que requirió unos 10 millones de años, el momento angular del sistema debería conservarse. Toda la galaxia gira, haciendo 1 revolución cada 100 millones de años. A medida que las nubes de polvo se comprimen, su momento angular no puede cambiar: cuanto más se comprimen, más rápido giran. Debido a la conservación del momento angular, la forma del comprimido nube de polvo cambia de esférico a disco.
A medida que la materia restante de la protoestrella se contrajo, su temperatura aumentó lo suficiente como para que comenzara la reacción de fusión de los átomos de hidrógeno. Con la entrada de más energía procedente de esta reacción, la temperatura se volvió lo suficientemente alta como para equilibrar las fuerzas de una mayor compresión gravitacional.
Los planetas se formaron a partir de los gases y polvo restantes en la periferia del disco protoestelar (Fig. 2.3). La aglomeración de polvo interestelar bajo la influencia de la atracción gravitacional conduce a la formación de estrellas y planetas en unos 10 millones de años (1–4). La estrella ingresa a la secuencia principal (4) y permanece en un estado estacionario (estable) durante aproximadamente 8000 millones de años, procesando gradualmente hidrógeno. Luego, la estrella abandona la secuencia principal, se expande hasta convertirse en una gigante roja (5 y 6) y "consume" sus planetas durante los próximos 100 millones de años. Después de pulsar como estrella variable durante varios miles de años (7), explota como supernova (8) y finalmente colapsa para formar enano blanco(9). Aunque los planetas suelen considerarse objetos masivos, peso total de todos los planetas constituye sólo el 0,135% de la masa del sistema solar.
Arroz. 2.3. Formación de un sistema planetario.
Nuestros planetas, y presumiblemente los planetas formados en cualquier disco protoestelar, están ubicados en dos zonas principales. La zona interior, que es sistema solar se extiende desde Mercurio hasta el cinturón de asteroides, es una zona pequeños planetas tipo de tierra. Aquí, en la fase de contracción lenta de la protoestrella, las temperaturas son tan altas que los metales se evaporan. La zona fría exterior contiene gases como H 2 O, He y Ne, y partículas recubiertas con volátiles congelados como H 2 O, NH 3 y CH 4. Esta zona exterior de los planetas tipo Júpiter contiene mucha más materia que la zona interior porque es grande y porque gran parte del material volátil que se encuentra originalmente en la zona interior es empujado hacia afuera por la actividad de la protoestrella.
Una forma de hacerse una idea de la evolución de una estrella y calcular su edad es analizar una gran muestra aleatoria de estrellas. Al mismo tiempo se miden las distancias a las estrellas, su brillo aparente y el color de cada estrella.
Si se conocen el brillo aparente y la distancia a una estrella, entonces se puede calcular su magnitud absoluta, ya que el brillo visible de una estrella es inversamente proporcional a su distancia. La magnitud absoluta de la estrella es función de la tasa de liberación de energía, independientemente de su distancia del observador.
El color de una estrella está determinado por su temperatura: el azul representa estrellas muy calientes, el blanco representa estrellas calientes y el rojo representa estrellas relativamente frías.
La Figura 2.4 muestra el diagrama de Hertzsprung-Russell, conocido por un curso de astronomía, que refleja la relación entre el valor absoluto magnitud y color para gran número estrellas Debido a que este diagrama clásico incluye estrellas de todos los tamaños y edades, corresponde a la estrella "promedio" en varias etapas de su evolución.
Arroz. 2.4. Diagrama de Hertzsprung-Russell
La mayoría de las estrellas se encuentran en la parte recta del diagrama; sólo experimentan cambios graduales en el equilibrio a medida que el hidrógeno que contienen se quema. En esta parte del diagrama, llamada secuencia principal, las estrellas con más masa tienen temperaturas más altas; En ellos, la reacción de fusión de los átomos de hidrógeno es más rápida y su esperanza de vida es más corta. Las estrellas con una masa menor que la del Sol tienen una temperatura más baja, la fusión de los átomos de hidrógeno en ellas ocurre más lentamente y su esperanza de vida es mayor. Una vez que una estrella de secuencia principal ha consumido aproximadamente el 10% de su suministro inicial de hidrógeno, su temperatura descenderá y se producirá una expansión. Se cree que las gigantes rojas son estrellas "envejecidas" de todos los tamaños que anteriormente pertenecían a la secuencia principal. A la hora de determinar con precisión la edad de una estrella, se deben tener en cuenta estos factores. Los cálculos que los tienen en cuenta muestran que ni una sola estrella en nuestra galaxia tiene más de 11.000 millones de años. Algunas estrellas pequeñas tienen esta edad; mucho mas grandes estrellas mucho más joven. Las estrellas más masivas no pueden permanecer en la secuencia principal más de 1 millón de años. El Sol y las estrellas de tamaños similares pasan unos 10.000 millones de años en la secuencia principal antes de alcanzar la etapa de gigante roja.
Puntos de anclaje
1. La materia está en continuo movimiento y desarrollo.
2. La evolución biológica es una determinada etapa cualitativa en la evolución de la materia en su conjunto.
3. Conversiones de elementos y moléculas en espacio exterior ocurren constantemente a una velocidad muy baja.
1. ¿Qué son las reacciones? fusión nuclear? Dar ejemplos.
2. ¿Cómo, según la hipótesis de Kant-Laplace, se forman los sistemas estelares a partir de materia gaseosa?
3. ¿Existen diferencias en composición química¿planetas del mismo sistema estelar?
Siguiendo el punto de vista anterior sobre el origen de los sistemas planetarios, es posible hacer estimaciones bastante razonables de la composición elemental de la atmósfera primaria de la Tierra. Parte de la visión moderna se basa, por supuesto, en el enorme predominio del hidrógeno en el espacio; también se encuentra en el sol. La Tabla 2.2 muestra la composición elemental de la materia estelar y solar.
Tabla 2.2. Composición elemental de la materia estelar y solar.
Se supone que la atmósfera de la Tierra primordial, que tenía una temperatura media alta, era algo así: antes de la pérdida gravitacional, la mayor parte era hidrógeno y los principales componentes moleculares eran metano, agua y amoníaco. Interesante comparar composición elemental materia estelar con la composición de la Tierra moderna y la materia viva en la Tierra.
Los elementos más comunes en la naturaleza inanimada son el hidrógeno y el helio; seguido del carbono, nitrógeno, silicio y magnesio. Observemos que la materia viva de la biosfera en la superficie de la Tierra se compone predominantemente de hidrógeno, oxígeno, carbono y nitrógeno, lo que, por supuesto, era de esperar, a juzgar por la naturaleza misma de estos elementos.
La atmósfera inicial de la Tierra podría cambiar como resultado de una variedad de procesos, principalmente como resultado de la difusión del hidrógeno y el helio, que constituían una parte importante de ella. Estos elementos son los más ligeros y deberían haberse perdido de la atmósfera, porque el campo gravitacional de nuestro planeta es pequeño en comparación con el campo de los planetas gigantes. Gran parte de la atmósfera inicial de la Tierra debió perderse en muy poco tiempo; Por lo tanto, se supone que muchos de los gases primarios de la atmósfera terrestre son gases que quedaron enterrados en las entrañas de la Tierra y fueron liberados nuevamente como resultado del calentamiento gradual de las rocas terrestres. La atmósfera primaria de la Tierra probablemente estaba compuesta de sustancias orgánicas del mismo tipo que se observan en los cometas: moléculas con enlaces carbono-hidrógeno, carbono-nitrógeno, nitrógeno-hidrógeno y oxígeno-hidrógeno. Además de ellos, durante el calentamiento gravitacional del interior terrestre probablemente también aparecieron hidrógeno, metano, monóxido de carbono, amoníaco, agua, etc. Estas son las sustancias con las que se realizaron la mayoría de experimentos para simular la atmósfera primaria.
¿Qué podría suceder realmente en las condiciones de la Tierra primordial? Para poder determinar esto es necesario saber qué tipos de energía probablemente afectaron su atmósfera.
El desarrollo y transformación de la materia sin un influjo de energía es imposible. Consideremos aquellas fuentes de energía que determinan la evolución futura de las sustancias, ya no en el espacio, sino en nuestro planeta, en la Tierra.
No es fácil evaluar el papel de las fuentes de energía; En este caso, es necesario tener en cuenta las condiciones de desequilibrio, el enfriamiento de los productos de reacción y el grado de protección de las fuentes de energía.
Al parecer, cualquier fuente de energía (Tabla 2.3) tuvo un impacto significativo en la transformación de sustancias en nuestro planeta. ¿Cómo pasó esto? Por supuesto, la evidencia objetiva simplemente no existe. Sin embargo, se pueden simular los procesos que tuvieron lugar en nuestra Tierra en la antigüedad. En primer lugar, es necesario determinar los límites temporales y, en segundo lugar, reproducir con la mayor precisión posible las condiciones en cada una de las eras discutidas de la existencia del planeta.
Para discutir cuestiones sobre el origen de la vida en la Tierra, además del conocimiento de las fuentes de energía necesarias para la transformación de la materia, también es necesario tener una idea bastante clara del momento de estas transformaciones.
Tabla 2.3. Posibles fuentes de energía para la evolución química primaria.
Tabla 2.4. Vidas medias y otros datos de algunos elementos utilizados para determinar la edad de la Tierra.
El desarrollo de las ciencias físicas ha proporcionado a los biólogos varias métodos efectivos determinar la edad de ciertas razas la corteza terrestre. La esencia de estos métodos es analizar la proporción de varios isótopos y productos finales de la desintegración nuclear en muestras y correlacionar los resultados de la investigación con el tiempo de fisión de los elementos originales (Tabla 2.4).
El uso de estos métodos permitió a los científicos construir una escala temporal de la historia de la Tierra desde el momento de su enfriamiento, hace 4.500 millones de años, hasta el presente (Tabla 2.5). Nuestra tarea ahora es establecer, dentro de esta escala de tiempo, cómo eran las condiciones en la Tierra primitiva, qué tipo de atmósfera tenía la Tierra, cómo eran la temperatura y la presión, cuándo se formaron los océanos y cómo se formó la Tierra misma.
Tabla 2.5. Escala geocronológica
Hoy en día, recrear las condiciones en las que surgieron los primeros “embriones de vida” es de fundamental importancia para la ciencia. Grande es el mérito de A.I. Oparin, quien en 1924 propuso el primer concepto de evolución química, según el cual se propuso una atmósfera libre de oxígeno como punto de partida en experimentos de laboratorio para reproducir las condiciones de la Tierra primordial.
En 1953, los científicos estadounidenses G. Urey y S. Miller expusieron una mezcla de metano, amoníaco y agua a descargas eléctricas (fig. 2.5). Por primera vez, mediante un experimento de este tipo, se identificaron aminoácidos (glicina, alanina, ácidos aspártico y glutámico) entre los productos resultantes.
Los experimentos de Miller y Urey estimularon la investigación sobre la evolución molecular y el origen de la vida en muchos laboratorios y condujeron al estudio sistemático del problema, durante el cual se sintetizaron compuestos biológicamente importantes. Las principales condiciones de la Tierra primitiva tomadas en cuenta por los investigadores se muestran en la Tabla 2.6.
presión, como composición cuantitativa La atmósfera es difícil de calcular. Las estimaciones realizadas teniendo en cuenta el efecto “invernadero” son muy arbitrarias.
Los cálculos que tienen en cuenta el efecto invernadero, así como la intensidad aproximada de la radiación solar en la era abiótica, arrojaron valores de varias decenas de grados por encima de la temperatura de congelación. Casi todos los experimentos para recrear las condiciones de la Tierra primitiva se llevaron a cabo a temperaturas de entre 20 y 200 °C. Estos límites no se establecieron mediante cálculo o extrapolación de algunos datos geológicos, sino probablemente teniendo en cuenta los límites de estabilidad de temperatura. compuestos orgánicos.
El uso de mezclas de gases similares a los gases de la atmósfera primaria. varios tipos energías que eran características de nuestro planeta hace 4–4,5 × 10 9 años, y teniendo en cuenta las condiciones climáticas, geológicas e hidrográficas de ese período hicieron posible en muchos laboratorios involucrados en el estudio del origen de la vida encontrar evidencia de la Vías de origen abiótico de moléculas orgánicas como aldehídos, nitritos, aminoácidos, monosacáridos, purinas, porfirinas, nucleótidos, etc.
Arroz. 2.5. Aparato de molinero
Tabla 2.6. Condiciones en la Tierra primitiva
La aparición de protobiopolímeros plantea un problema más complejo. La necesidad de su existencia en todos los sistemas vivos es obvia. Ellos son responsables de procesos protoenzimáticos(Por ejemplo, hidrólisis, descarboxilación, aminación, desaminación, peroxidación etc.), para algunos procesos muy simples, como fermentación, y para otros, más complejos, por ejemplo fotoquímico reacciones, fotofosforilación, fotosíntesis y etc.
La presencia de agua en nuestro planeta (océano primario) hizo posible que surgieran protobiopolímeros en el proceso de una reacción química: la condensación. Entonces, para la educación en soluciones acuosas enlace peptídico según la reacción:
Se requiere gasto de energía. Estos costos de energía aumentan muchas veces cuando se producen moléculas de proteínas en soluciones acuosas. La síntesis de macromoléculas a partir de “biomonómeros” requiere el uso de métodos específicos (enzimáticos) para eliminar el agua.
El proceso general de evolución de la materia y la energía en el Universo incluye varias etapas consecutivas. Entre ellos se puede reconocer la formación de nebulosas espaciales, su desarrollo y la estructuración de sistemas planetarios. Las transformaciones de sustancias que tienen lugar en los planetas están determinadas por algunas leyes naturales generales y dependen de la posición del planeta dentro del sistema estelar. Algunos de estos planetas, como la Tierra, se caracterizan por características que permiten el desarrollo de materia inorgánica hasta la aparición de diversas moléculas orgánicas complicadas.
Puntos de anclaje
1. La atmósfera primaria de la Tierra estaba formada principalmente por hidrógeno y sus compuestos.
2. La Tierra está a la distancia óptima del Sol y recibe cantidad suficiente energía para mantener el agua en estado líquido.
3. En soluciones acuosas, debido a diversas fuentes de energía, los compuestos orgánicos más simples surgen de forma no biológica.
Revisar preguntas y tareas
1. Enumere los requisitos previos cósmicos y planetarios para el surgimiento de vida abiogénicamente en nuestro planeta.
2. ¿Cuál es la importancia para la aparición de moléculas orgánicas a partir de no? materia orgánica¿Tenía la Tierra el carácter reductor de la atmósfera primaria?
3. Describa los aparatos y métodos para realizar experimentos de S. Miller y P. Urey.
Usando léxico títulos “Terminología” y “Resumen”, traducir al idioma en Inglés Elementos de “puntos de anclaje”.
Terminología
Para cada término indicado en la columna de la izquierda, seleccione la definición correspondiente que figura en la columna de la derecha en ruso e inglés.
Seleccione la definición correcta para cada término en la columna de la izquierda entre las variantes en inglés y ruso que figuran en la columna de la derecha.
2.3. Teorías del origen de los protobiopolímeros.Temas para discusión
¿Cuáles crees que eran las fuentes de energía dominantes en la Tierra antigua? ¿Cómo podemos explicar la influencia inespecífica de diversas fuentes de energía en los procesos de formación de moléculas orgánicas?
Diferentes evaluaciones de la naturaleza del medio ambiente en la Tierra primitiva llevaron a la creación de diferentes condiciones experimentales que tuvieron resultados fundamentalmente uniformes, pero no siempre idénticos.
Consideremos algunas de las teorías más importantes sobre la aparición de estructuras poliméricas en nuestro planeta, que se encuentran en el origen de la formación de biopolímeros, la base de la vida.
Teoría térmica. Las reacciones de condensación que conducirían a la formación de polímeros a partir de precursores de bajo peso molecular se pueden llevar a cabo mediante calentamiento. En comparación con otros componentes de la materia viva, la síntesis de polipéptidos es la mejor estudiada.
El autor de la hipótesis de la síntesis de polipéptidos por medios térmicos es el científico estadounidense S. Fox, quien durante mucho tiempo estudió las posibilidades de formación de péptidos en las condiciones que existían en la Tierra primitiva. Si una mezcla de aminoácidos se calienta a 180-200 °C en condiciones atmosféricas normales o en un ambiente inerte, se forman productos de polimerización, pequeños oligómeros en los que los monómeros están conectados por enlaces peptídicos, así como pequeñas cantidades de polipéptidos. En los casos en que los experimentadores enriquecieron las mezclas iniciales de aminoácidos con aminoácidos ácidos o básicos, por ejemplo, ácidos aspártico y glutámico, la proporción de polipéptidos aumentó significativamente. El peso molecular de los polímeros obtenidos de esta manera puede alcanzar varios miles de D (D es Dalton, una unidad de medida de masa numéricamente igual a la masa de 1/16 de un átomo de oxígeno).
Los polímeros obtenidos térmicamente a partir de aminoácidos (proteinoides) exhiben muchas de las propiedades específicas de los biopolímeros de tipo proteico. Sin embargo, en el caso de la condensación térmica de nucleótidos y monosacáridos de estructura compleja, parece improbable la formación de los ácidos nucleicos y polisacáridos actualmente conocidos.
Teoría de la adsorción. El principal contraargumento en el debate sobre el origen abiogénico de las estructuras poliméricas es la baja concentración de moléculas y la falta de energía para la condensación de monómeros en soluciones diluidas. De hecho, según algunas estimaciones, la concentración de moléculas orgánicas en el "caldo primario" era aproximadamente del 1%. Tal concentración, debido a la rareza y aleatoriedad de los contactos de varias moléculas necesarias para la condensación de sustancias, no podía garantizar una formación tan "rápida" de protobiopolímeros, como ocurría en la Tierra, según algunos científicos. Una de las soluciones a este problema, relacionada con la superación de dicha barrera de concentración, fue propuesta por el físico inglés D. Bernal, quien creía que la concentración de soluciones diluidas de sustancias orgánicas se produce mediante "su adsorción en depósitos acuosos de arcilla".
Como resultado de la interacción de sustancias durante el proceso de adsorción, algunos enlaces se debilitan, lo que conduce a la destrucción de algunos y a la formación de otros compuestos químicos.
Teoría de la baja temperatura. Los autores de esta teoría, los científicos rumanos C. Simonescu y F. Denes, partieron de ideas ligeramente diferentes sobre las condiciones para la aparición abiogénica de los compuestos orgánicos más simples y su condensación en estructuras poliméricas. Los autores conceden una gran importancia a la energía del plasma frío como fuente de energía. Esta opinión no es infundada.
El plasma frío está muy extendido en la naturaleza. Los científicos creen que el 99% del Universo se encuentra en estado de plasma. Este estado de la materia también ocurre en Tierra moderna en forma de centellas, auroras y también un tipo especial de plasma: la ionosfera.
Independientemente de la naturaleza de la energía en la Tierra abiótica, cualquier tipo de ella transforma compuestos químicos, especialmente moléculas orgánicas, en partículas activas, como radicales libres mono y polifuncionales. Sin embargo, su evolución posterior depende en gran medida de la densidad del flujo de energía, que es más pronunciada cuando se utiliza plasma frío.
Como resultado de experimentos minuciosos y complejos con plasma frío como fuente de energía para la síntesis abiogénica de protobiopolímeros, los investigadores pudieron obtener tanto monómeros individuales como estructuras poliméricas y lípidos de tipo peptídico.
Oparin creía que la transición de la evolución química a la biológica requería la aparición obligatoria de sistemas individuales separados por fases capaces de interactuar con el entorno externo circundante, utilizando sus sustancias y energía, y sobre esta base capaces de crecer, multiplicarse y estar sujetos a la selección natural. .
El aislamiento abiótico de sistemas multimoleculares a partir de una solución homogénea de sustancias orgánicas, aparentemente, tuvo que realizarse repetidamente. Todavía está muy extendido en la naturaleza. Pero en las condiciones de la biosfera moderna, sólo se pueden observar directamente las etapas iniciales de la formación de tales sistemas. Su evolución suele ser muy breve en presencia de microbios que destruyen todos los seres vivos. Por lo tanto, para comprender esta etapa del surgimiento de la vida, es necesario obtener artificialmente fases separadas. sistemas organicos en estricto control condiciones de laboratorio y sobre los modelos así formados, establecer tanto los caminos de su posible evolución en el pasado como los patrones de este proceso. Cuando trabajamos con compuestos orgánicos de alto peso molecular en condiciones de laboratorio, nos encontramos constantemente con la formación de este tipo de sistemas de fases separadas. Por tanto, podemos imaginar las formas de su aparición y obtener experimentalmente varios sistemas en condiciones de laboratorio, muchos de los cuales podrían servirnos como modelos de los que alguna vez surgieron en superficie de la Tierra formaciones. Por ejemplo, podemos nombrar algunos de ellos: "burbujas" orocre, "microesferas" Zorro, "jayvan" Bahadur, "probiontes" Egami y muchos otros.
A menudo, cuando se trabaja con sistemas artificiales que se autoaíslan de la solución, se presta especial atención a su similitud morfológica externa con los objetos vivos. Pero esta no es la solución al problema, sino que el sistema puede interactuar con el entorno externo, utilizando sus sustancias y energía como sistemas abiertos, y sobre esta base crecer y multiplicarse, lo cual es típico de todos los seres vivos.
Los modelos más prometedores a este respecto pueden ser gotas de coacervado.
Cada molécula tiene una específica organización estructural, es decir, los átomos incluidos en su composición se ubican regularmente en el espacio. Como resultado, en la molécula se forman polos con diferentes cargas. Por ejemplo, una molécula de agua H2O forma un dipolo en el que una parte de la molécula lleva una carga positiva (+) y la otra una carga negativa (-). Además, algunas moléculas (por ejemplo, sales) se disocian en iones en un ambiente acuoso. Debido a tales características organización química moléculas a su alrededor en el agua, las “camisas” de agua se forman a partir de moléculas de agua orientadas de cierta manera. Usando el ejemplo de la molécula de NaCl, puedes notar que los dipolos de agua que rodean al ion Na + tienen polos negativos frente a él (figura 2.6) y los polos positivos están frente al ion Cl −.
Arroz. 2.6. Catión de sodio hidratado
Arroz. 2.7. Montaje de coacervados
Las moléculas orgánicas tienen una gran peso molecular y una configuración espacial compleja, por lo que también están rodeados por una capa de agua, cuyo espesor depende de la magnitud de la carga de la molécula, la concentración de sales en la solución, la temperatura, etc.
En ciertas condiciones la capa acuosa adquiere límites claros y separa la molécula de la solución circundante. Las moléculas rodeadas por una capa acuosa pueden combinarse para formar complejos multimoleculares. coacervados(Figura 2.7).
Las gotas de coacervado también surgen de la simple mezcla de varios polímeros, tanto naturales como obtenidos artificialmente. En este caso, el autoensamblaje de moléculas de polímero se produce en formaciones multimoleculares separadas en fases: gotitas visibles al microscopio óptico (Fig. 2.8). En ellos se concentra la mayoría de las moléculas de polímero, mientras que el medio ambiente está casi completamente desprovisto de ellas.
Gotas separadas de ambiente interfaz afilada, pero son capaces de absorber sustancias del exterior como sistemas abiertos.
Arroz. 2.8. Gotas de coacervado obtenidas en el experimento.
Al incorporar diversos catalizadores(incluidas las enzimas) pueden provocar una serie de reacciones, en particular la polimerización de monómeros procedentes del entorno externo. Debido a esto, las gotas pueden aumentar de volumen y peso y luego dividirse en formaciones hijas.
Por ejemplo, los procesos que ocurren en una gota de coacervado se representan entre corchetes y las sustancias ubicadas en el ambiente externo se colocan fuera de ellos:
glucosa-1-fosfato → [glucosa-1-fosfato → almidón → maltosa] → maltosa
Una gotita de coacervado formada a partir de proteína y goma arábiga se sumerge en una solución de glucosa-1-fosfato. La glucosa-1-fosfato comienza a ingresar a la gota y se polimeriza en almidón bajo la acción de un catalizador, la fosforilasa. Debido al almidón formado, la gota crece, lo que puede determinarse fácilmente tanto mediante análisis químico como mediante mediciones microscópicas directas. Si se incluye otro catalizador, la b-amilasa, en la gota, el almidón se descompone en maltosa, que se libera al ambiente externo.
Así, la más sencilla metabolismo. La sustancia entra en la gota, se polimeriza y provoca altura sistema, y cuando se descompone, los productos de esta descomposición salen al ambiente externo, donde antes no estaban presentes.
Otro diagrama ilustra un experimento en el que el polímero es un polinucleótido. Una gota que consta de proteína histona y goma arábiga está rodeada por una solución de ADP.
Al ingresar a la gota, el ADP se polimeriza bajo la influencia de la polimerasa en ácido poliadenílico, por lo que la gota crece y el fósforo inorgánico ingresa al ambiente externo.
ADP → [ADP → Poli-A + F] → F
En este caso, la caída durante Corto plazo más del doble en volumen.
Tanto en el caso de la síntesis de almidón como en la formación de ácido poliadenílico, ricos en energía. (macroérgico) conexiones. Debido a la energía de estos compuestos proveniente del ambiente externo, se produjo la síntesis de polímeros y el crecimiento de gotitas de coacervado. En otra serie de experimentos del académico A.I. Oparin y sus colegas, se demostró que las reacciones asociadas con la disipación de energía también pueden ocurrir en las propias gotas de coacervado.
Durante las reacciones químicas, una sustancia produce otra (no confundir con las reacciones nucleares, en las que una elemento químico se convierte en otro).
Cualquier reacción química se describe mediante una ecuación química:
Reactivos → Productos de reacción
La flecha indica la dirección de la reacción.
Por ejemplo:
En esta reacción, el metano (CH 4) reacciona con el oxígeno (O 2), dando como resultado la formación de dióxido de carbono (CO 2) y agua (H 2 O), o más precisamente, vapor de agua. Esta es exactamente la reacción que ocurre en tu cocina cuando enciendes un quemador de gas. La ecuación debe leerse así: Una molécula de gas metano reacciona con dos moléculas de oxígeno para producir una molécula de dióxido de carbono y dos moléculas de agua (vapor de agua).
Los números colocados delante de los componentes de una reacción química se llaman coeficientes de reacción.
Las reacciones químicas suceden. endotérmico(con absorción de energía) y exotérmico(con liberación de energía). La combustión de metano es un ejemplo típico de reacción exotérmica.
Hay varios tipos de reacciones químicas. Los más comunes:
- reacciones de conexión;
- reacciones de descomposición;
- reacciones de reemplazo único;
- reacciones de doble desplazamiento;
- reacciones de oxidación;
- reacciones redox.
Reacciones compuestas
En reacciones compuestas, al menos dos elementos forman un producto:
2Na (t) + Cl 2 (g) → 2NaCl (t)- formación de sal de mesa.
Se debe prestar atención a un matiz esencial de las reacciones compuestas: dependiendo de las condiciones de la reacción o de las proporciones de los reactivos que entran en la reacción, su resultado puede ser productos diferentes. Por ejemplo, en condiciones normales de combustión del carbón, se produce dióxido de carbono:
C (t) + O 2 (g) → CO 2 (g)
Si la cantidad de oxígeno es insuficiente, se forma monóxido de carbono mortal:
2C (t) + O 2 (g) → 2CO (g)
Reacciones de descomposición
Estas reacciones son, por así decirlo, esencialmente opuestas a las reacciones del compuesto. Como resultado de la reacción de descomposición, la sustancia se descompone en dos (3, 4...) elementos (compuestos) más simples:
- 2H 2 O (l) → 2H 2 (g) + O 2 (g)- descomposición del agua
- 2H 2 O 2 (l) → 2H 2 (g) O + O 2 (g)- descomposición del peróxido de hidrógeno
Reacciones de desplazamiento simple
Como resultado de reacciones de sustitución única, un elemento más activo reemplaza a uno menos activo en un compuesto:
Zn (s) + CuSO 4 (solución) → ZnSO 4 (solución) + Cu (s)
El zinc en una solución de sulfato de cobre desplaza al cobre menos activo, lo que resulta en la formación de una solución de sulfato de zinc.
El grado de actividad de los metales en orden creciente de actividad:
- Los más activos son los metales alcalinos y alcalinotérreos.
La ecuación iónica para la reacción anterior será:
Zn (t) + Cu 2+ + SO 4 2- → Zn 2+ + SO 4 2- + Cu (t)
El enlace iónico CuSO 4, cuando se disuelve en agua, se descompone en un catión de cobre (carga 2+) y un anión sulfato (carga 2-). Como resultado de la reacción de sustitución se forma un catión zinc (que tiene la misma carga que el catión cobre: 2-). Tenga en cuenta que el anión sulfato está presente en ambos lados de la ecuación, es decir, de acuerdo con todas las reglas matemáticas, se puede reducir. El resultado es una ecuación ion-molecular:
Zn(t) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu(t)
Reacciones de doble desplazamiento
En las reacciones de doble sustitución, ya se reemplazan dos electrones. Este tipo de reacciones también se denominan reacciones de intercambio. Estas reacciones tienen lugar en solución con la formación de:
- sólido insoluble (reacción de precipitación);
- agua (reacción de neutralización).
Reacciones de precipitación
Cuando se mezcla una solución de nitrato de plata (sal) con una solución de cloruro de sodio, se forma cloruro de plata:
Ecuación molecular: KCl (solución) + AgNO 3 (p-p) → AgCl (s) + KNO 3 (p-p)
Ecuación iónica: K + + Cl - + Ag + + NO 3 - → AgCl (t) + K + + NO 3 -
Ecuación iónica molecular: Cl - + Ag + → AgCl (s)
Si un compuesto es soluble, estará presente en solución en forma iónica. Si el compuesto es insoluble, precipitará para formar un sólido.
Reacciones de neutralización
Son reacciones entre ácidos y bases que dan como resultado la formación de moléculas de agua.
Por ejemplo, la reacción de mezclar una solución de ácido sulfúrico y una solución de hidróxido de sodio (lejía):
Ecuación molecular: H 2 SO 4 (p-p) + 2NaOH (p-p) → Na 2 SO 4 (p-p) + 2H 2 O (l)
Ecuación iónica: 2H + + SO 4 2- + 2Na + + 2OH - → 2Na + + SO 4 2- + 2H 2 O (l)
Ecuación iónica molecular: 2H + + 2OH - → 2H 2 O (l) o H + + OH - → H 2 O (l)
Reacciones de oxidación
Se trata de reacciones de interacción de sustancias con oxígeno gaseoso del aire, durante las cuales, por regla general, se libera una gran cantidad de energía en forma de calor y luz. Una reacción de oxidación típica es la combustión. Al principio de esta página está la reacción entre el metano y el oxígeno:
CH 4 (g) + 2O 2 (g) → CO 2 (g) + 2H 2 O (g)
El metano pertenece a los hidrocarburos (compuestos de carbono e hidrógeno). Cuando un hidrocarburo reacciona con el oxígeno, se libera mucha energía térmica.
Reacciones redox
Son reacciones en las que se intercambian electrones entre átomos reactivos. Las reacciones discutidas anteriormente también son reacciones redox:
- 2Na + Cl 2 → 2NaCl - reacción compuesta
- CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - reacción de oxidación
- Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu - reacción de sustitución única
Las reacciones redox con una gran cantidad de ejemplos de resolución de ecuaciones utilizando el método del equilibrio electrónico y el método de la semirreacción se describen con el mayor detalle posible en la sección
Prueba número 2.
Explorar Capítulo 2 "El origen de la vida en la Tierra"" págs. 30-80 del autor del libro de texto "Biología general Grado 10", etc.
I. Responder las preguntas por escrito:
1. ¿Cuáles son los fundamentos y la esencia de la vida según los antiguos filósofos griegos?
2. ¿Cuál es el significado de los experimentos de F. Redi?
3. Describa los experimentos de L. Pasteur que demuestran la imposibilidad de la generación espontánea de vida en las condiciones modernas.
4. ¿Cuáles son las teorías de la eternidad de la vida?
5.¿Qué teorías materialistas sobre el origen de la vida conoces?
¿Qué son las reacciones de fusión nuclear? Dar ejemplos.
6. ¿Cómo, según la hipótesis de Kant-Laplace, se forman los sistemas estelares a partir de materia gaseosa?
7. ¿Existen diferencias en la composición química de los planetas de un mismo sistema estelar?
8. Enumere los requisitos previos cósmicos y planetarios para el surgimiento de vida abiogénicamente en nuestro planeta.
9. ¿Cuál fue la importancia del carácter reductor de la atmósfera primaria para el surgimiento de moléculas orgánicas a partir de sustancias inorgánicas en la Tierra?
10.Describa los aparatos y métodos para realizar experimentos de S. Miller y P. Ury.
11. ¿Qué es coacervación, coacervado?
12. ¿Qué sistemas modelo se pueden utilizar para demostrar la formación de gotitas de coacervado en solución?
13. ¿Qué oportunidades existían para superar las bajas concentraciones de sustancias orgánicas en las aguas del océano primario?
14. ¿Cuáles son las ventajas de la interacción de moléculas orgánicas en zonas de altas concentraciones de sustancias?
15. ¿Cómo podrían distribuirse en las aguas del océano primario moléculas orgánicas con propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas?
16. Nombra el principio de dividir una solución en fases con concentraciones altas y bajas de moléculas. ?
17. ¿Qué son las gotas coacervadas?
18. ¿Cómo ocurre la selección de coacervados en el “caldo primario”?
19. ¿Cuál es la esencia de la hipótesis del surgimiento de eucariotas mediante simbiogénesis?
20. ¿De qué manera obtuvieron las primeras células eucariotas la energía necesaria para los procesos vitales?
21. ¿Qué organismos desarrollaron el proceso sexual por primera vez en el proceso de evolución?
22. Describe la esencia de la hipótesis sobre el surgimiento de organismos multicelulares.
23. Defina los siguientes términos: protobiontes, catalizadores biológicos, código genético, autorreproducción, procariotas, fotosíntesis, proceso sexual, eucariotas.
Pon a prueba tus conocimientos sobre el tema:
Origen de la vida y desarrollo del mundo orgánico.
1. Los defensores de la biogénesis argumentan que
· Todos los seres vivos provienen de seres vivos.
· Todos los seres vivos son creados por Dios
· Todos los seres vivos provienen de seres no vivos.
· Los organismos vivos fueron traídos a la Tierra desde el Universo.
2. Los defensores de la abiogénesis sostienen que todo lo que vive
· Proviene de lo no vivo
·Surge de los seres vivos
· Creado por Dios
·Traído del espacio
3. Experimentos de L. Pasteur utilizando matraces de cuello alargado.
· Demostró la inconsistencia de la posición de la abiogénesis.
· Afirmó la posición de la abiogénesis
· Afirmó la posición de la biogénesis
· Demostró la inconsistencia de la posición de la biogénesis.
4. La prueba de que la vida no surge espontáneamente la proporcionó
· L. Pasteur
· A. Van Leeuwenhoek
· Aristóteles
5. Aristóteles creía que
· Vivir sólo de vivir
· La vida surge de cuatro elementos
· Los seres vivos provienen de los seres no vivos.
· Los seres vivos pueden provenir de seres no vivos si tienen un “principio activo”
6. Hipótesis
· Fortalece la posición de los partidarios de la biogénesis.
· Fortalece la posición de los partidarios de la abiogénesis
· Destaca la inconsistencia de la posición de la biogénesis
· Destaca la inconsistencia de la posición de la abiogénesis
7. Según la hipótesis, los coacervados son los primeros
· Organismos
"Organizaciones" de moléculas
· Complejos proteicos
Acumulaciones de sustancias inorgánicas.
8. En la etapa de evolución química, se forman.
· Bacterias
· Protobiontes
· Biopolímeros
Compuestos orgánicos de bajo peso molecular.
9. En el escenario evolución biológica están formados
· Biopolímeros
· Organismos
Sustancias orgánicas de bajo peso molecular.
· Sustancias inorgánicas
1. Por ideas modernas La vida en la Tierra se desarrolló como resultado
Evolución química
Evolución biológica
· Evolución química y luego biológica.
Evolución química y biológica.
Evolución biológica y luego química.
10. Los primeros organismos que aparecieron en la Tierra comieron
autótrofos
heterótrofos
· Saprofitos
11. Como resultado de la aparición de autótrofos en la atmósfera terrestre.
Mayor cantidad de oxígeno
· Disminución de la cantidad de oxígeno
Mayor cantidad de dióxido de carbono.
· Apareció la pantalla de ozono
12. La cantidad de compuestos orgánicos en el océano primordial disminuyó debido a
Aumento del número de autótrofos.
Aumento del número de heterótrofos.
Reducir el número de autótrofos.
· Disminución del número de heterótrofos
13. La acumulación de oxígeno en la atmósfera se produjo debido a
· La apariencia de la pantalla de ozono.
· Fotosíntesis
· Fermentación
· El ciclo de las sustancias en la naturaleza.
14. El proceso de la fotosíntesis condujo a
· Formación de grandes cantidades de oxígeno.
· La apariencia de la pantalla de ozono.
El surgimiento de la multicelularidad.
El surgimiento de la reproducción sexual.
15. Marque las afirmaciones correctas:
Heterótrofos: organismos capaces de sintetizar de forma independiente sustancias orgánicas a partir de inorgánicas.
· Los primeros organismos de la Tierra fueron heterótrofos
Cianobacterias: los primeros organismos fotosintéticos
· El mecanismo de la fotosíntesis se formó gradualmente
16. Descomposición de compuestos orgánicos en condiciones sin oxígeno:
· Fermentación
· Fotosíntesis
Oxidación
Biosíntesis
17. Con la aparición de autótrofos en la Tierra:
Han comenzado cambios irreversibles en las condiciones de vida.
Se formó una gran cantidad de oxígeno en la atmósfera.
· Se ha producido acumulación energía solar V enlaces químicos materia orgánica
· Todos los heterótrofos desaparecieron
18. El hombre apareció en la Tierra en
era proterozoica
Era Mesozoica
· Era Cenozoica
Proterozoico
mesozoico
· Paleozoico
Cenozoico
20. Se consideran los mayores eventos del Proterozoico.
· Aparición de eucariotas
La aparición de plantas con flores.
La aparición de los primeros cordados.
21. El proceso de formación del suelo en la Tierra se produjo gracias a
· El ciclo del agua en la naturaleza
· Colonización de la capa superior de la litosfera por organismos
La muerte de los organismos.
· Destrucción de rocas duras con formación de arena y arcilla.
22. Estaban muy extendidos en Arcaico.
Reptiles y helechos
· Bacterias y cianobacterias
23. Plantas, animales y hongos llegaron a la tierra en
Proterozoico
· Paleozoico
mesozoico
24. era proterozoica
Mamíferos e insectos
Algas y celentéreos
· Primeras plantas terrestres
· Dominio de los reptiles
En la vida estamos rodeados de diversos cuerpos y objetos. Por ejemplo, en el interior es una ventana, puerta, mesa, bombilla, taza, en el exterior: un automóvil, un semáforo, asfalto. Cualquier cuerpo u objeto está formado por materia. Este artículo discutirá qué es una sustancia.
¿Qué es la química?
El agua es un disolvente y estabilizador esencial. Tiene una gran capacidad calorífica y conductividad térmica. Medio ambiente acuático favorable para la ocurrencia de reacciones químicas básicas. Se caracteriza por la transparencia y es prácticamente resistente a la compresión.
¿Cuál es la diferencia entre sustancias inorgánicas y orgánicas?
No existen diferencias externas particularmente fuertes entre estos dos grupos de sustancias. La principal diferencia está en la estructura, donde sustancias inorgánicas tienen una estructura no molecular, mientras que los orgánicos tienen una estructura molecular.
Las sustancias inorgánicas tienen una estructura no molecular, por lo que se caracterizan altas temperaturas derritiéndose y hirviendo. No contienen carbono. Estos incluyen gases nobles (neón, argón), metales (calcio, calcio, sodio), sustancias anfóteras (hierro, aluminio) y no metales (silicio), hidróxidos, compuestos binarios y sales.
Sustancias orgánicas de estructura molecular. Tienen puntos de fusión bastante bajos y se descomponen rápidamente cuando se calientan. Compuesto principalmente de carbono. Excepciones: carburos, carbonatos, óxidos de carbono y cianuros. El carbono permite la formación gran cantidad compuestos complejos (más de 10 millones de ellos se conocen en la naturaleza).
La mayoría de sus clases pertenecen a origen biológico (carbohidratos, proteínas, lípidos, ácidos nucleicos). Estos compuestos incluyen nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, fósforo y azufre.
Para entender qué es una sustancia es necesario imaginar qué papel juega en nuestras vidas. Al interactuar con otras sustancias, forma otras nuevas. Sin ellos, la vida del mundo circundante es inseparable e impensable. Todos los objetos están compuestos por determinadas sustancias, por lo que desempeñan un papel importante en nuestras vidas.