4.Характеристика основных физических
взаимодействий
В природе существуют четыре
фундаментальные силы и все
физические явления обусловлены
всего четырьмя видами взаимодействий
(в порядке убывания силы):
сильное взаимодействие соединяет
кварки в адроны и удерживает нуклоны
в составе атомного ядра (действует на
расстояниях порядка 10-13 см);
электромагнитное взаимодействие
действует между частицами, имеющими электрический
заряд, и «ответственно» за явления электромагнетизма;
слабое взаимодействие обусловливает
большинство распадов элементарных частиц,
взаимодействия нейтрино с веществом
и др. (действует на расстоянии порядка
10-16 см);
благодаря гравитационному взаимодействию
объекты, имеющие массу, притягиваются
друг к другу.
Согласно новейшим теориям,
взаимодействие происходит благодаря
переносу частицы-носителя взаимодействия
между взаимодействующими частицами.
Например, электромагнитное взаимодействие
между двумя электронами происходит
в результате переноса фотона
между ними. Природа гравитационного
взаимодействия пока точно неизвестна,
предположительно оно происходит
в результате переноса гипотетических
частиц гравитонов.
Многие физики-теоретики полагают,
что в момент Большого взрыва
действовало единое взаимодействие,
которое разделилось на четыре
в первые мгновения существования
нашего мира. К настоящему времени
разработана лишь теория электрослабого
взаимодействия, объединившего слабое
и электромагнитное взаимодействия.
Таким образом, фундаментальные
взаимодействия – различные, не
сводящиеся друг к другу типы
взаимодействия элементарных частиц
и составленных из них тел.
На сегодня достоверно известно
существование четырех фундаментальных
взаимодействий: гравитационного, электромагнитного,
сильного и слабого взаимодействий.
Ведутся поиски других типов
взаимодействий, как в явлениях
микромира, так и на космических
масштабах, однако пока существование
какого-либо другого типа взаимодействия
не обнаружено.
В физике причиной изменения
движения тел является. Исследуя
окружающий нас мир, мы можем
заметить множество самых разнообразных
сил: сила тяжести, сила натяжения
нити, сила сжатия пружины, сила,
возникающая при столкновении
тел, сила трения, сила сопротивления
воздуха, сила взрыва и т. д. Однако
как только была выяснена атомарная структура
вещества, стало понятно, что все разнообразие
этих сил есть результат взаимодействия
атомов друг с другом. Поскольку атомы
взаимодействуют в основном через электростатическое
взаимодействие электронных оболочек,
то, как оказалось, все эти силы – лишь
различные проявления электромагнитного
взаимодействия. Единственное исключение
– сила тяжести, причиной которой является
гравитационное взаимодействие между
двумя телами, обладающими массой. К началу
XX века выяснилось, что все известные к
тому моменту силы сводятся к двум фундаментальным
взаимодействиям: электромагнитному и
гравитационному.
В 1930-е годы выяснилось, что
атомы содержат ядра, которые
в свою очередь состоят из
нуклонов (протонов и нейтронов).
Ясно, что ни электромагнитные, ни
гравитационные взаимодействия
не могут объяснить, что удерживает
нуклоны в ядре. Было постулировано
существование нового фундаментального
взаимодействия: сильного взаимодействия.
Однако в дальнейшем оказалось,
что и оно способно объяснить
не все явления в микромире,
в частности, не было понятно,
что заставляет распадаться свободный
нейтрон. Так было постулировано
существование слабого взаимодействия,
и как оказалось, этого достаточно
для описания всех до сих
пор наблюдавшихся взаимодействий
в микромире.
5. Эволюция Вселенной. Модель Большого
взрыва и расширяющейся Вселенной
В соответствии с данными
космологии, Вселенная возникла
в результате взрывного процесса,
получившего название Большой
взрыв, произошедшего около 14 млрд.
лет назад. Теория Большого взрыва
хорошо согласуется с наблюдаемыми
фактами (например, расширением Вселенной
и преобладанием водорода) и позволила
сделать верные предсказания, в
частности, о существовании и
параметрах реликтового излучения.
В момент Большого взрыва Вселенная
занимала микроскопические, квантовые
размеры.
В соответствии с одной
из гипотез, связанных с Инфляционной
моделью, Большой взрыв порождён
флуктуацией вакуума, находящимся
в особом состоянии, называемом
ложным вакуумом или инфлатонным
скалярным полем. Причина флуктуации –
квантовые колебания, которые испытывает
любой объект на квантовом уровне; вероятность
крупной флуктуации низка, но отлична
от нуля. В результате флуктуации вакуум
вышел из состояния равновесия и перешёл
в новое состояние – обычного вакуума.
В результате фазового перехода
вакуума из одного состояния
в другое произошло резкое
расширение пространства и образовалось
вещество – массивные частицы
и излучение. При этом закон
сохранения энергии не нарушился
в том случае, если энергия
частиц и излучения в точности
равна отрицательной энергии
гравитационного поля. По другой
гипотезе энергия выделилась
в результате перехода вакуума
в состояние с меньшим энергетическим
уровнем. Появление массы из «ничего»
также не противоречит физическим
законам, например, рождение пары
частица-античастица из вакуума
можно наблюдать и сейчас в
некоторых научных экспериментах.
Предполагается, что в момент
инфляционного расширения Вселенная
была пустой и холодной (существовал
только вакуум), а затем заполнилась
горячим веществом, продолжавшим
расширяться.
Некоторые физики допускают
возможность множественности подобных
событий, а значит и множественность
вселенных, обладающих разными свойствами.
Тот факт, что наша Вселенная
приспособлена для образования
жизни может объясняться случайностью
– в «менее приспособленных»
вселенных просто некому это
анализировать. Ряд учёных выдвинули
концепцию «кипящей Мультивселенной»,
в которой непрерывно рождаются новые
вселенные и у этого процесса нет начала
и конца.
Необходимо отметить, что сам
факт Большого взрыва с высокой
долей вероятности можно считать
доказанным, но объяснения его
причин и подробные описания
того, как это происходило, пока
относятся к разряду гипотез.
Расширение и остывание Вселенной
в первые секунды существования
нашего мира привело к следующему
фазовому переходу – образованию
физических сил и элементарных
частиц в их современной форме.
Доминирующие гипотезы сводятся
к тому, что первые 300-400 тыс. лет
Вселенная была заполнена только
ионизированным водородом и гелием.
По мере расширения и остывания
Вселенной они перешли в стабильное
нейтральное состояние, образовав
обычный газ. Предположительно через
500 млн. лет зажглись первые звёзды,
а сгустки вещества, образовавшиеся
на ранних стадиях благодаря
квантовым флуктуациям, превратились
в галактики.
В результате термоядерных
реакций в звёздах были синтезированы
более тяжёлые элементы (вплоть
до углерода). Во время взрывов
сверхновых звёзд образовались
ещё более тяжёлые элементы. В
молодых галактиках процесс образования
и гибели звёзд шёл очень
бурно. Чем массивнее звезда, тем
быстрее она гибнет и рассеивает
большую часть своего вещества
в пространстве, обогащая его
разнообразными химическими элементами.
После взрывов вещество сгущалось
снова, в результате чего зажигались
звёзды следующих поколений, вокруг
которых образовывались планетные
системы. Поэтическая фраза «мы
состоим из пепла давно угасших
звёзд» полностью соответствует
действительности.
6. Естественнонаучные модели происхождения
жизни
Реконструкция появления органических
молекул трудна, так как ископаемые
и точные знания геохимических
условий земли древнее 3,8 млрд. лет
отсутствуют. Поэтому существуют
различные гипотезы о ходе
химической эволюции. В основном
они опираются на эксперименты,
основанные на предположениях
о тогдашнем химическом составе
атмосферы, гидросферы и литосферы,
а также климатических условиях.
Основанные на гипотезах, эксперименты
на данный момент недостаточны
для создания теории возникновения
жизни на земле. Однако уже
наблюдались процессы создания
комплексных молекул, которые необходимы
для органических процессов, но образование
сложных систем из них пока еще не было
достигнуто. Эти наблюдения считаются
уже большим успехом и достаточны для
разработки гипотез.
Гипотезы химической эволюции
должны объяснять различные аспекты:
Небиологическое начало биомолекул,
то есть их развитие из не живущих и, соответственно,
неорганических предшественников.
Появление способных к саморепликации
и самоизменению химических информационных
систем, то есть возникновение клетки.
Появление взаимной зависимости
функции (ферментов) и информации (РНК,
ДНК).
Условия среды Земли в
период от 4,5 до 3,5 млрд. лет назад.
Одна из самых известных
гипотез эволюции была опубликована
в двадцатые годы 20. столетия русским
исследователем А.И. Опариным и
британским исследователем Дж. Холдейном.
Теория утверждала, что условия на земле
того времени благоприятствовали химическим
реакциям. Из неорганических соединений
в атмосфере и море должны были синтезироваться
органические соединения. Необходимая
энергия поставлялась очень интенсивным
ультрафиолетовым облучением, которое
могло беспрепятственно проникать в атмосферу
в связи с малым содержанием в ней O2 и O3.
В 1953 эта теория была обоснована химиками
Стэнли Миллер и Гарольдом К. Юри очень
хорошими результатами эксперимента с
первичным бульоном. Опытом они доказывают,
что в похожей на предположительные пребиотические
условия среды, посредством притока энергии
(молнии), из неорганических соединений
(вода, метан, аммиак и водород) могут возникнуть
аминокислоты и более простые карбоксиловые
и жирные кислоты – одни из важнейших
строительных элементов более комплексных
биомолекул. В более поздних, в большинстве
случаев более сложно построенных опытах
с первичным бульоном смогли получить
как все важнейшие строительные элементы
живых существ: аминокислоты, жиры, пурины
(основа нуклеотидов) и сахар, – так и сложные
органические соединения порфины и изопрены.
Хотя этим показана возможность
естественного образования органических
молекул, сегодня рассматриваются
эти результаты для настоящего
происхождения жизни на земле
довольно критично. В эксперименте
с первичным бульоном исходили
из того, что атмосфера на тот
период времени имела щелочной
характер, что соответствовало научным
представлениям того времени. Сегодня
же исходят из слабощелочного
или даже нейтрального характера
атмосферы, хотя вопрос еще не
окончательно решен и обсуждаются
также локальные химические отклонения
атмосферных условий, например в
окрестностях вулканов. Позднейшими
экспериментами была доказана
возможность появления органических
молекул и в этих условиях,
даже таких, которые не получились
при первых опытах, но в значительно
меньших количествах. Этим часто
аргументируется, что происхождение
органических молекул другим
путем, играло как минимум дополнительную
роль. Приводятся происхождение
органики в космосе и занесение
ее на землю метеоритами или
происхождение в окрестностях
гидротермальных источников срединно-океанических
хребтов.
Дальнейшим аргументом против
происхождения органических молекул
из первичного бульона приводят
то, что во время опыта получается
рацемат, то есть смесь из аминокислот
L и D-форм. Соответственно должен
был существовать естественный
процесс, в котором отдавалось
предпочтение определенному вращению
хиральных молекул. Космобиологи утверждают,
что легче доказать происхождение органических
соединений в космосе, так как фотохимические
процессы с циркулярно-поляризированым
излучением, например от пульсаров, в состоянии
уничтожить молекулы только определенного
вращения. И действительно у найденных
в метеоритах хиральных органических
молекул преобладали на 9 % левовращающиеся.
Однако в 2001 году стало известно, что самореплицирующиеся
пептидные системы тоже в состоянии эффективно
усиливать молекулы определенного вращения
в рацематной смеси, что, по мнению этого
ученого, поддерживает земное происхождение
вращения биологических молекул.
Известно, что с повышением
концентрации многие органические
соединения, молекулы которых содержат
как гидрофильные, так и гидрофобные
участки, способны в водных растворах
к мицеллообразованию, т.е. выделению
микрокапелек органической фазы. Мицеллообразование
наблюдается также при высаливании, т.е.
при увеличении концентрации солей в коллоидных
растворах биополимеров-полиэлектролитов,
при этом выделяются микрокапли диаметром
1–500 мкм, содержащие биополимеры в высокой
концентрации. Александр Иванович Опарин
показал, что ограниченные среды с простым
обменом веществ могут возникнуть исключительно
самоорганизацией, при условии присутствия
катализаторов со специфическими свойствами.
Так как использованные субстанции входят
в состав живущих сегодня организмов,
Опаринские коацерваты нужно видеть не
как предшественники клеток, а как модель-аналог
для возникновения предшественников клеток.
7. Функции ДНК и ее химическая
характеристика
Живые организмы состоят
из органических веществ. Характеристики
организмов кодируются набором
генов, в которых записана вся
наследственная информация. Количество
генов может варьировать от
нескольких сотен у простейших
вирусов до десятков тысяч
у высших организмов (около 30 тыс.
у человека).
Носителем генетической информации
является ДНК – органическая
структура в виде двойной спирали.
Информация записана с помощью
последовательности нуклеотидов. В
генетическом коде используется
всего лишь 4 «буквы»-нуклеотида; код
един для всех живых организмов.
Генетическая информация реализуется
при экспрессии генов в процессах
транскрипции и трансляции. Передача
генетической информации следующему
поколению происходит в результате
репликации (самокопирования ДНК). Помимо
генов в ДНК имеются некодирующие
участки, функции которых пока ещё не ясны.