5. Особенности биологического уровня организации материи.
Задание 1.Ниже приведены основные характеристики макро- и микромира. Используйте этот комментарий и другие источники информации для выполнения задания
Макромир и микромир - две специфические области объективной реальности, различающиеся уровнем структурной организации материи. Сфера макроявления - это обычный мир, в котором живет и действует человек (земные тела, кристаллы, большие молекулы и др.). Качественно иную область представляет микромир (атомы, ядра, элементарные частицы и др.), где размеры объектов меньше миллиардных долей сантиметра, а временные промежутки порядка миллиардных долей секунды, т. е. непосредственно недоступны наблюдению. Каждый из этих миров характеризуется своеобразием строения материи, пространственно-временных и причинных отношений, закономерностей движения. Так, в макромире материальные объекты имеют резко выраженную прерывную, корпускулярную или непрерывную, волновую природу и их движение подчиняется динамическим законам классической механики. Для явлений микромира, напротив, характерна тесная связь корпускулярных и волновых свойств, которая находит свое выражение в статистических законах квантовой механики. Своеобразная граница раздела макро- и микромира была установлена в связи с открытием так называемой постоянной Планка. Существенным аспектом этой новой константы явилась «конечность взаимодействия», означавшая, что любые взаимодействия между объектами в микромире (в т. ч. между прибором и микрочастицей) не могут быть меньше значения кванта действия. Специфика макро- и микромира находит свое отражение в познании, приводит к ограничению сферы применимости старых физических теорий и возникновению новых (теория относительности, квантовая механика, физика элементарных частиц). Современные «физические идеалисты», абсолютизируя различие макро- и микромира, особенности их познания, приходят к отрицанию объективности и познаваемости микромира. В действительности же наука показывает тесную связь между макро- и микромиром и обнаруживает, в частности, возможности появления макроскопических объектов при столкновении микрочастиц высокой энергии.
Задание:
1. По аналогии с характеристикой макро- и микромира приведите краткую характеристику мегамира.
2. Приведите примеры объектов, которые составляют мегамир. Дайте этим объектам краткое определение.
3. Ниже приведён список основных единиц, используемых для измерения расстояний в мегамире. Найдите в учебниках и справочниках значения этих единиц и выясните, какие единицы используются для измерения расстояний в Солнечной системе, в нашей Галактике (Млечный путь), в межгалактических пространствах Вселенной:
Название единицы
Количественная характеристика
Область применения
1. Астрономический год
2. Световой год
3. Астрономическая единица
4. Парсек
5. Километр
Задание 2.Воспользуйтесь тезаурусом из УМК по дисциплине «Концепции современного естествознания» для знакомства с системными уровнями организации материи (Тема 3, раздел 2). Найдите в справочниках, энциклопедических словарях, Интернете определения для следующих понятий:
1. Целостность:
2. Системность:
3. Аддитивность:
4. Интегративность:
5. Иерархичность:
Задание 3.Пояснительный текст даёт общую характеристику элементарным частицам как реально существующим или гипотетическим объектам микромира. Используйте его для поиска ответов на приведённые в задании вопросы
Всем элементарным частицам присущи две основные черты:
все частицы (пока существуют) остаются неизменными. Все частицы одного сорта остаются абсолютно одинаковыми, т.е. они неразличимы;
все частицы могут рождаться и исчезать, эти процессы, как правило, происходят при взаимодействии частиц. При столкновении двух и более энергетических частиц могут рождаться множество новых. Теоретики при рассмотрении взаимодействия частиц исходят из закона сохранении энергии и закона сохранения импульса при прогнозировании процессов.
Появившееся столь значительное количество элементарных частиц потребовало классификации, все частицы разбиты на 2 класса:
Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, такие частицы назвали адронами.
Частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях - лептоны.
Количество адронов оказалось столь большим, что многие физики сделали предположение, что они имеют сложную структуру. На сегодняшний день можно предположить, что адроны состоят из кварков. Самое необычное свойство кварков заключается в том, что они существуют только внутри адронов и не наблюдаются как самостоятельно существующие частицы.
Когда провели изменение импульса протона (адронной частицы), движущегося с высокой скоростью, обнаружили, что полный импульс кварков не равен импульсу протона. Это привело к мысли о том, что помимо кварков в ядре есть еще частицы (суммарные количество энергии кварков около 50% от протона), которые не обладают зарядом. Эти частицы названы глюоны, посчитали, что именно они осуществляют взаимодействие между кварками.
Элементарными частицами называют такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. В соответствии с этим определением атомы и молекулы не являются элементарными частицами. Термин "элементарные частицы" не следует воспринимать слишком буквально. Элементарными частицами следует считать электроны, протоны, нейтроны, фотоны и нейтрино.Нейтрино - это частица, предсказанная в 1930 г. физиком Пауэлем. Она уникальна, подвержена действию только слабых сил, ее взаимодействие с веществом ничтожно, поэтому эта частичка может легко проходить сквозь Землю. Античастицы отличаются от соответствующих им частиц только зарядом. Все остальные характеристики подобны им. Из этого следует, что в системе частиц и античастиц сумма зарядов равна нулю. Когда говорят о частицах, выделяют стабильные (указанные выше фотоны, нейтрино и т.п.) и нестабильные. В 1932 г. в составе космических лучей был открыт позитрон, имеющий такую же массу как электрон, но противоположный по знаку заряда. В 1936 г. были открыты частицы - мюоны, с положительным и отрицательным зарядом. По своим свойствам они похожи на электроны, но в 200 раз тяжелее. В 1947 г. в космических лучах обнаружены положительные и отрицательные частицы п-мезоны, они в 280 раз тяжелее электрона. С 1949-52 были открыты к-мезоны и гипероны - эти частицы получили название странных частиц, поскольку оказалось, что прямого отношения к образованию вещества эти частицы не имеют.
1. Приведите определение фундаментальных частиц. Какие из них являются базовыми структурными элементами микромира?
2. Раскройте физическую сущность античастиц. Приведите их определение и примеры. Какова функция античастиц с точки зрения современного естествознания? Воспользуйтесь рисунком ниже и другими источниками информации.
3. Самой крупной композицией элементарных частиц является ядро атома. Приведите общие характеристики структуры и свойств ядра атома.
Задание 4.С античных времён атом считается материальной основой мира. Однако представления о нём изменились в связи с достижениями физики. Воспользуйтесь учебной литературой и другими источниками информации для выполнения задания.
Планетарная модель атома
В конце 90-ых гг. 19-го века, при изучении распада радиоактивных веществ были получены данные, свидетельствующие о делимости атомов. А в 1897 г. английский физик Томсон открыл электрон, измерил заряд и массу. Далее Резерфорд (физик) и Содди (химик) представили радиоактивность как результат изменения внутренней структуры атомов и превращения одних химических элементов в другие. Проводя дальнейшие исследования, учёные вывели планетарную модель строения атомов. Согласно этой модели, атом состоит из ядра имеющего положительный заряд и вращающихся вокруг него по определенным орбитам отрицательно заряженных электронов.
Задание:
1. Приведите современное определение атома как объекта микромира:
2. Приведите определение изотопов как вариантов атомов одного элемента
3. Дайте характеристику электрону и понятию электронных состояний в атоме.
4. Приведите характеристики, которые помогают различить понятие атома и химического элемента.
Задание 5.Атомизм стал основой для развития химии. В этой отрасли естествознания появилось несколько концепций, которые продолжают развиваться. Ниже приведено задание, где предлагается дать формулировки и краткое содержание некоторых концепций химии.
Модель молекулы сложного органического вещества
Основу химических взаимодействий составляют электромагнитные поля и электромагнитные взаимодействия. Пояснительный текст справа даёт общую характеристику электромагнетизму с физической точки зрения и с позиций химического взаимодействия.
Электромагнитные поля составляют неотъемлемую часть факторов, при воздействии которых формировалась живая природа. Электрические, электрохимические, электробиологические процессы являются необходимой частью процессов функционирования живого организма. Наша среда обитания крайне насыщена различными излучениями, космического и земного происхождения. Эти излучения были всегда, и жизнь сформировалась при их присутствии. Живые организмы сами являются источниками слабых электромагнитных излучений. Электромагнитные взаимодействия - тип фундаментальных взаимодействий (наряду с гравитационным, слабым и сильным), который характеризуется участием электромагнитного поля в процессах взаимодействия. Электромагнитное поле (в квантовой физике — фотоны) либо излучается или поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. Так, притяжение между двумя неподвижными телами, обладающими разноимёнными электрическими зарядами, осуществляется посредством электрического поля, создаваемого этими зарядами; сила притяжения пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (закон Кулона)
1. Приведите основные положения концепции химического вещества и молекулы.
2. Концепция химической реакции является основой современной химии. Приведите её основные положения.
3. Для химических реакций имеют значение некоторые условия и катализаторы. Приведите разъяснения относительно приведённых ниже участников реакции и внешних условий.
1. Концентрация вещества:
2. Температура:
3. Катализатор:
4. Полимеризация:
Задание 6. Живое является одним из определяющих структурных уровней организации материи. Оно имеет особенности и в строении и в функциях. Изучите эти отличия, выполнив предложенные задания.
Таракан
Живые организмы относятся к числу открытых систем, где многочисленные структурные элементы объединяются в единство за счёт потока вещества и энергии от входа в систему к выходу из неё. Такой принцип организации имеют и неживые системы. Отличие живых систем состоит в их неимоверной сложности, поразительном неравновесном состоянии в окружении неживой среды и очень высокой эффективности в окружении чрезвычайно неэффективных неживых систем. Благодаря этим системным особенностям, живое уже сотни миллионов лет назад образовало поразительно сложные и необычайно выносливые формы (см. пример слева).
1. Особенностью химического состава живых организмов являются химические элементы, которые в высокой концентрации встречаются только в живых системах. Дайте определение некоторым группам химических элементов и характеристику некоторых веществ.
1. Элементы-органогены (список):
2. Углерод (особенности)
3. Вода (химические и физические свойства):
2. Особенностью структуры живого является клетка. Приведите её определение и перечислите основные структурные элементы.
3. Живые организмы существуют в форме видов, которые имеют исторически сложившуюся иерархию от наиболее простых по строению до самых сложных. Предложите свой ряд видов (семейств, отрядов, типов) от простых к сложным.
→ → → → →
Задание 7.К системным особенностям живого относятся некоторые функциональные свойства живого. Ниже приведены некоторые примеры, которые следует охарактеризовать на уровне определения и краткого пояснения.
1. Хиральность:
2. Метаболизм:
3. Самовоспроизведение (размножение):
4. Гомеостаз:
Задание 8. Органические биополимеры (макромолекулы) являются особенностью живого вообще и ядерного вещества клеток – в частности. Ниже приведены задания, выполнение которых позволит вспомнить важные особенности и процессы, отличающие живое от неживого.
Схема молекулы ДНК
Модель молекулы
ДНК
Нуклеиновые кислоты относятся к биополимерам по своей химической природе. Однако они отличаются рядом свойств, которые могут проявляться только в составе живого организма в присутствии биокатализаторов. К таким свойствам относится их способность к самоудвоению, передаче информации от ДНК к РНК, а также способность кодировать структуру молекул белка и строить их в результате специфического биохимического процесса.
1. Расшифруйте аббревиатуры ДНК и РНК.
2. Дайте краткую характеристику некоторым процессам, характерным для биополимеров в клетке:
1. Репликация:
2. Транкрипция:
3. Трансляция:
4. Комплементарность:
3. Нуклеотиды являются основой нуклеиновых кислот (их мономерами). Ниже приведено задание, которое можно выполнить, воспользовавшись приведённым выше принципом комплементарности.
3.1. Последовательность нуклеотидов в одной цепочке ДНК: Г А Ц Т
↓ ↓ ↓ ↓
Последовательность нуклеотидов в другой цепочке ДНК:
Планетарная модель атома
Модель молекулы сложного органического вещества
Основу химических взаимодействий составляют электромагнитные поля и электромагнитные взаимодействия. Пояснительный текст справа даёт общую характеристику электромагнетизму с физической точки зрения и с позиций химического взаимодействия.
Таракан
Схема молекулы ДНК
Модель молекулы
ДНК