3. Структурные уровни и системная организация материи

3-01. Микро-, макро-, мегамиры

Вселенная в разных масштабах:микро-, макро- и мегамир

Критерий разделения на микро-, макро- и мегамир:соизмеримость с человеком (макромир) и несоизмеримость с ним (микро- и мегамир)

Основные структуры микромира:элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы

Основные структуры мегамира:планеты, звёзды, галактики

Единицы измерения расстояний в мегамире: астрономическая единица (среднее расстоянию Земли от Солнца. 1 а. е. = 149,6 млн. км.), световой год (путь, который свет проходит за год, т. е. 9,46*10¹² км.), парсек (1 пк = 206 265 а. е. = 3,263 светового года = 3,086*10¹⁶ м.).

Звезда :-небесное тело, в котором естественным образом происходили, происходят или с необходимостью будут происходить реакции термоядерного синтеза

Атрибуты планеты:

- не звезда, - обращается вокруг звезды (например, Солнца)

- достаточно массивно, чтобы под действием собственного тяготения стать шарообразным и своим тяготением расчистить пространство вблизи своей орбиты от других небесных тел

Галактики —системы из миллиардов звёзд, связанных взаимным тяготением и общим происхождением

Наша Галактика, её основные характеристики:

- гигантская (около 200 млрд звезд), - спиральная,

- диаметр около 100 тыс. световых лет

Пространственные масштабы Вселенной:расстояние до наиболее удалённых из наблюдаемых объектов более 10 млрд. световых лет

Метагалактика:- лишьвидимая часть Вселенной (т.е. есть еще и невидимая часть, Метагалактика меньше чем Вселенная)

3-02. Системные уровни организации материи

Целостность природы:- всё в природе взаимосвязано, взаимозависимо, не изолировано друг от друга

Системность природы:-это огромнейшая система взаимодействующих элементов, объектов, систем из объектов

Аддитивные свойства систем (аддитивность):значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям

Интегративные свойства систем :-система не сводится к простой механической сумме её частей, т.к. связи между частями придают системе качества, которых нет ни у одной её части Совокупности, не являющиеся системами:- это наборы тел, взаимодействием между которыми можно пренебречь, пример - созвездия (участки звёздного неба, содержащие группы звёзд с характерным рисунком ) и др.

Иерархичность природных структур как отражение системности природы:одни структуры могут быть составной частью других, более крупных структур (иерархия структур, они вложены друг в друга как матрешки, пример вложенных структур - биологическая ткань-орган-организм)

Иерархические ряды природных систем ( от меньшего к большему):

- физических (фундаментальные частицы — составные элементарные частицы - атомные ядра - атомы - молекулы — макроскопические тела)

- химических (атом - молекула - макромолекула - вещество)

- астрономических (звёзды с их планетными системами — галактики — скопления галактик — сверхскопления галактик, метагалактика, Вселенная)

3-03. Структуры микромира

Элементарные частицы:- мельчайшие известные частицы физической материи

Фундаментальные частицы–те, что по современным представлениям, не имеют внутренней структуры и конечных размеров (например, кварки, лептоны), из них сложены другие(составные) частицы, таковых большинство их нескольких сотен известных частиц

Частицы и античастицы:-отличаются друг от друга только знаком заряда ( а всё остальное одинаково) или спина ( спин можно приближенно рассматривать как характеристику вращения частицы в роли маленького волчка)

Классификация элементарных частиц:- по массе: с нулевой массой (фотон); лёгкие (лептоны); тяжёлые (адроны)

- по времени жизни: стабильные (протон, электрон, нейтрино), нестабильные (свободный нейтрон и резонансы )

Взаимопревращения элементарных частиц:- распады на более легкие частицы , рождение новых частиц при столкновениях, аннигиляция ( это исчезновение частицы и античастицы при их столкновении с образованием при этом вспышки света – фотонов)

Возможны любые реакций элементарных частиц, не нарушающие законы сохранения (энергии, заряда и т.д.)

Вещество есть совокупность корпускулярных структур (иерархичных):-кварки — нуклоны — атомные ядра — атомы с их электронными оболочками

Размеры и масса ядра в сравнении с атомом: размер атомного ядра около 10^-15 м, размер атома около 10^-10 м, масса ядра практически равна массе атома

3-04. Химические системы

Атом:- мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства.

Изотопы:- разновидности химических элементов, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов, но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов.

Невозможно классически описать поведение электронов в атоме;

Дискретность электронных состояний в атоме:- электронам разрешен только некий набор энергий в атоме (энергии Е₁, Е₂, Е₃, ……) , т.е. это квантование энергий и, аналогично, импульсов, орбит и т.д.

Переходы электронов между электронными состояниями как основные атомные процессы (возбуждение и ионизация) :- переходы идут скачком, практически мгновенно. Переход на более высокую энергию – возбуждение, вообще отрыв электрона от атома - ионизация

Химический элемент:- совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Молекула:- микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию.

Вещества: простые и сложные (соединения): вид материи, который обладает массой покоя (элементарные частицы, атомы, молекулы и др.). В химии вещества принято подразделять на простые, образованные атомами одного химического элемента, и сложные (химические соединения).

Катализаторы:- вещества, ускоряющие химические реакции. Вещества, замедляющие реакции, называются ингибиторами.

Биокатализаторы (ферменты) : специфические белки, увеличивающие скорость химических реакций в клетках всех живых организмов. Ферменты — самые активные среди всех катализаторов.

Полимеры: вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся звеньев; Полимеры делят на природные, или биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук), и синтетические (полиэтилен, полиамиды, эпоксидные смолы)

Из биополимеров построены клетки всех живых организмов.

Мономеры : вещество, молекулы которого способны реагировать между собой или с молекулами др. веществ с образованием полимера. Важнейшие мономеры — этилен, пропилен, изопрен, винилхлорид, стирол, бутадиен, фенол.

3-05. Особенности биологического уровня организации материи

Системность живого:-любое живое есть набор сложнейших тесно взаимосвязанных систем

Иерархическая организация живого:клетка – единица живого

Иерархическая организация природных биологических систем:

биополимеры – органеллы – клетки – ткани – органы – организмы – популяции – виды

Иерархическая организация природных экологических систем (от меньшего к больш.):

особь – популяция – биоценоз – биогеоценоз – экосистемы более высокого ранга (саванна, тайга, океан) – биосфера)

Химический состав живого:элементы-органогены, микроэлементы, макроэлементы,

Химический состав живого:атом углерода – главный элемент живого, его уникальные особенности:

- способность атомов связываться друг с другом с образованием разнообразных структур, являющихся несущей основой органических молекул

- способность связываться с другими атомами близких радиусов (кислородом, азотом, серой) с образованием менее прочных связей , которые обусловливают химическую активность органических соединений

Химический состав живого:вода, ее роль для живой природы:

- высокая растворяющая способность

- высокая теплоемкость воды как основа для поддержания температуры организмов и регулирования тепла планеты

- аномальная плотность в твердом состоянии – причина существования жизни в замерзающих водоемах

- высокое поверхностное натяжение – жизнь на поверхности гидросферы, передвижение растворов по сосудам растений

Химический состав живого: особенности органических биополимеров как высокомолекулярных соединений –высокая молекулярная масса, способность образовывать пространственные и надмолекулярные структуры, разнообразие строения и свойств

Симметрия и асимметрия живого : Хиральность молекул живого – отсутствие симметрии у органических молекул, например, все спиралевидные молекулы ДНК закручены левосторонним образом, а правозакрученных молекул ДНК не бывает

Открытость живых систем:-живые существа открыты внешнему влиянию, например, это проявляется в обмене веществ, т.е. жизнь берет извне вещества для пропитания и выносит наружу отходы этого питания

Самовоспроизведение: -живое оставляет своё потомство, т.к. каждое существо смертно и потомство необходимо для продолжения рода

Гомеостазкак относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды живой системы . Понятие «гомеостаз» применяют и к биоценозам (сохранение постоянства видового состава и числа особей)

Каталитический ( ферментативный) характер химии живого:-Ферменты участвуют в осуществлении всех процессов обмена веществ, в реализации генетической информации. Переваривание и усвоение пищевых веществ, синтез и распад белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других соединений в клетках и тканях всех организмов —невозможны без участия ферментов.

Специфические свойства ферментативного катализа:чрезвычайно высокие избирательность и скорость, главные причины которых – комплементарность фермента и реагента, высокомолекулярный характер фермента

КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬ, в биохимии: — взаимное соответствие в химическом строении двух макромолекул, обеспечивающее их взаимодействие — спаривание двух нитей ДНК, соединение антигена с антителом. Комплементарные структуры подходят друг к другу как ключ к замку.