Скопление газово пылевой материи во вселенной это

Скопление газово пылевой материи во вселенной это

Наблюдения с помощью телескопов позволили обнаружить на небе большое количество слабосветящихся пятен — светлых туманностей. Систематическое изучение туманностей начал в XVIII в. Уильям Гершель. Он разделял их на белые и зеленоватые. Подавляющее большинство белых туманностей образовано множеством звезд — это звездные скопления и галактики, а некоторые оказались связанными с межзвездной пылью, которая отражает свет близко расположенных звезд, — это отражательные туманности. Как правило, в центре такой туманности видна яркая звезда. А вот зеленоватые туманности — не что иное, как свечение межзвездного газа. Самая яркая на небе газовая туманность — Большая туманность Ориона. Она видна в бинокль, а при хорошем зрении ее можно заметить и невооруженным глазом — чуть ниже трех звезд, расположенных в одну линию, которые образуют Пояс Ориона. Расстояние до этой туманности около 1000 световых лет.
Что заставляет светиться межзвездный газ? В межзвездном газе происходят процессы, приводящие к излучению света, однако они не всегда связаны с бомбардировкой газа быстрыми частицами. Объяснить, как возникает свечение межзвездного газа, можно на примере атомарного водорода. Атом водорода состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и вращающегося вокруг него отрицательно заряженного электрона. Они связаны между собой электрическим притяжением. Затратив определенную энергию, их можно разделить. Такое разделение приводит к ионизации атома. Но электроны и ядра могут вновь соединиться друг с другом. При каждом объединении частиц будет выделяться энергия. Она излучается в виде порции (кванта) света определенного цвета, соответствующего данной энергии. Итак, для того чтобы газ излучал, необходимо ионизировать атомы, из которых он состоит. Это может произойти в результате столкновения с другими атомами, но чаще ионизация возникает, когда атомы газа поглощают кванты ультрафиолетового излучения, например от ближайшей звезды. Если вблизи облака нейтрального водорода вспыхнет голубая горячая звезда, то при условии, что облако достаточно большое и массивное, почти все ультрафиолетовые кванты от звезды поглотятся атомами облака. Вокруг звезды складывается область ионизированного водорода. Освободившиеся электроны образуют электронный газ температурой около 10 тыс. градусов. Обратный процесс рекомбинации, когда свободный электрон захватывается протоном, сопровождается переизлучением освободившейся энергии в виде квантов света.

Свет излучается не только водородом. Как считалось в XIX в., цвет зеленоватых туманностей определяется излучением некоего «небесного» химического элемента, который назвали небулием («туманность»). Но впоследствии выяснилось, что зеленым цветом светится кислород. Часть энергии движения частиц электронного газа расходуется на возбуждение атомов кислорода, т.е. на перевод электрона в атоме на более далекую от ядра орбиту. При возвращении электрона на устойчивую орбиту атом кислорода должен испустить квант зеленого света. В земных условиях он не успевает этого сделать: плотность газа слишком высока и частые столкновения «разряжают» возбужденный атом. А в крайне разреженной межзвездной среде от одного столкновения до другого проходит достаточно много времени, чтобы электрон успел совершить этот запрещенный переход и атом кислорода послал в пространство квант зеленого света. Аналогичным образом возникает излучение азота, серы и некоторых других элементов.
Таким образом, область ионизированного газа вокруг горячих звезд можно представить в виде «машины», которая перерабатывает ультрафиолетовое излучение звезды в очень интенсивное излучение, спектр которого содержит линии различных химических элементов. И цвет газовых туманностей, как выяснилось позднее, различен: они бывают зеленоватые, розовые и других цветов и оттенков — в зависимости от температуры, плотности и химического состава газа. Газовые туманности бывают разной формы. Одни имеют форму кольца, в центре которого видна звездочка, — это планетарные туманности. Другие состоят из отдельных светящихся волокон газа. Многие туманности неправильной формы: они напоминают обыкновенную кляксу. Некоторые из них при наблюдении через светофильтр оказываются состоящими из отдельных волокн. Такова известная Крабовидная туманность. Это — наиболее широко изученный пример остатка взорвавшейся звезды (сверхновая).
Межзвездная пыль

Если взглянуть на Млечный Путь в ясную безлунную ночь, то даже невооруженным глазом видно, что эта светлая полоса, пересекающая все небо, не является сплошной. На ее фоне выделяются многочисленные темные пятна и полосы. Одно из самых заметных таких пятен в созвездии Стрельца издавна известно под названием Угольный Мешок. Уже два столетия назад выдвигались гипотезы, что «дырки» в небе представляют собой облака поглощающей свет материи. Развитие наблюдательной астрономической техники подкрепило эти предположения вескими доказательствами. О природе поглощающей материи первоначально не было единого мнения. Считалось, например, что это маленькие метеоритные частицы, образующиеся при разрушении крупных астероидов. Исследование свойств межзвездного поглощения света позволило установить, что оно вызывается мельчайшими пылинками, которые заполняют космическое пространство. Размеры этих пылинок — порядка одной стотысячной доли сантиметра. Пылевые частицы в нашей Галактике сильно концентрируются к плоскости галактического диска, поэтому большая часть темных пятен сосредоточена именно на фоне Млечного Пути. Межзвездная пыль полностью закрывает от нас ядро нашей Галактики. Межзвездная пыль предстает перед наблюдателями не только в виде темных туманностей. Если вблизи пылевого облака находится звезда, которая его освещает, то это облако будет видно уже как светлая туманность. В таком случает ее называют отражательной туманностью.
В первое время после того, как было обнаружено существование межзвездной пыли, она рассматривалась лишь как досадная помеха астрономическим исследованиям. Пыль задерживает почти половину суммарного излучения всех звезд Галактики. В некоторых более плотных областях доля поглощенного света превышает 90%, а в молекулярных облаках, где образуются молодые звезды, достигает практически 100%. Плотность пыли в космосе ничтожно мала даже по сравнению с разреженным межзвездным газом. Так, в окрестностях Солнца в кубическом сантиметре пространства содержится в среднем один атом газа и на каждые сто миллиардов атомов приходится всего одна пылинка! Иными словами, расстояние между пылинками измеряется десятками метров. Масса же пыли в Галактике составляет приблизительно одну сотую от массы газа и одну десятитысячную от полной массы Галактики. Однако этого количества пыли достаточно для того, чтобы значительно ослаблять свет.
Сильнее всего поглощаются синие лучи. При переходе к красным и инфракрасным лучам поглощение постепенно ослабевает. Но свет некоторых избранных цветов поглощается сильнее других. Это связано с тем, что отдельные вещества особенно эффективно поглощают излучение с определенными длинами волн. Исследование свойств поглощения света на различных длинах волн показало, что в состав межзвездных пылинок входят соединения углерода, кремния, замерзшие газы, водяной лед, а также различные органические вещества. Изучать свойства космической пыли помогает поляризация света. В обычном излучении звезд имеются волны, колеблющиеся во всех направлениях. Когда поток света встречает на своем пути сферическую пылинку, все эти волны поглощаются одинаково. Но если пылинка вытянута вдоль одной оси, то колебания, параллельные этой оси, поглощаются сильнее, чем перпендикулярные. В потоке света, прошедшем через облако вытянутых, одинаково ориентированных пылинок, присутствуют уже не все направления колебаний, т.е. излучение становится поляризованным. Измерение степени поляризации света звезд позволяет судить о форме и размерах пылевых частиц. А иногда по пути поляризации можно определить и электрические свойства межзвездной пыли.
Сопоставление наблюдательных данных показало, что межзвездная пыль состоит из двух видов частиц: графитовых (углеродных) и силикатных (т.е. содержащих соединения кремния). Размеры пылинок неодинаковы, причем мелких частиц значительно больше, чем крупных. В целом размер пылинок колеблется от одной миллионной до одной десятитысячной доли сантиметра. Графитовые и силикатные частицы образуются во внешних оболочках старых холодных звезд. Понятие «холодная звезда», конечно, весьма условно. Вблизи звезды температура оболочки еще достаточно высока и все вещества находятся в газообразном состоянии. По мере старения звезда теряет массу. Вещество, истекающее из ее оболочки, удаляется от звезды и остывает. Когда температура газа опускается ниже температуры плавления вещества пылинки, составляющие газ молекулы начинают слипаться в группы, образуя зародыши пылинок. Сначала они растут медленно, но с уменьшением температуры их рост ускоряется. Этот процесс продолжается несколько десятков лет. При дальнейшем расширении вещества, теряемого звездой, постепенно падает не только его температура, но и плотность. Когда газ становится сильно разреженным, рост пылинок прекращается.
На скорость образования и разрушения пылевых частиц во многом влияют температура и плотность того вещества, в котором они находятся. Но межзвездное пространство крайне неоднородно. Газ и пыль конденсируются в облака, плотность которых может в миллионы раз превышать плотность межоблачного пространства. Давление излучения звезд и течение газа в Галактике могут переместить пылинку в области, где создаются благоприятные условия для ее роста или разрушения. Химический состав пылинок зависит от того, какого элемента больше содержится в оболочке звезды — кислорода или углерода. Дело в том, что при охлаждении вещества оболочки углерод и кислород образуют очень прочные молекулы окиси углерода (угарный газ). Если после этого остался избыток углерода, в звезде будут формироваться графитовые частицы. В противном случае весь углерод войдет в состав окиси углерода, а избыточный кислород начнет соединяться с кремнием, образуя молекулы окиси кремния, из которых затем возникают силикатные пылинки.
Структура «новорожденной» пылинки довольно проста. Она однородна по химическому составу и строению. Условия в межоблачной среде таковы, что структура пылинки не может существенно измениться. Иначе обстоит дело в областях межзвездного газа, плотность которого достигает тысяч атомов на кубический сантиметр. Низкая температура и высокая плотность обеспечивают необходимые условия для образования на поверхности графитовой или силикатной пылинки мантии из более легкоплавких веществ, таких, как замерзшая вода, формальдегид и аммиак. Смесь этих соединений часто обозначают одним словом «лед». Молекулы льда неустойчивы. Воздействие внешнего излучения и столкновения пылинок друг с другом приводят к преобразованию его в более устойчивые органические соединения, которые обволакивают поверхность пылинки своеобразной пленкой.
В очень плотных молекулярных облаках, куда не проникает излучение звезд, лед на поверхности пылевых частиц уже не разрушается. Таким образом, в недрах этих облаков пылинки могут иметь трехслойную структуру: тугоплавкое ядро, оболочка из органических соединений и ледяная мантия. Предполагается, что из таких пылинок, слипшихся в большие комья, состоят ядра комет — реликты, сохранившиеся от тех времен, когда наша Солнечная система сама была плотным непрозрачным облаком. С помощью больших радиотелескопов ученые обнаружили, что в молекулярных облаках помимо обычных для межзвездного газа одиночных атомов водорода, гелия и некоторых других химических элементов содержится большое количество достаточно сложных молекул. Молекулы в космическом пространстве образуются в ходе бесчисленных химических реакций. Но главная среди них, без которой все другие были бы невозможны, — образование молекул водорода — эффективно протекает только на поверхности пылинок. Без участия межзвездной пыли процесс формирования молекулярных облаков и звезд шел бы по-иному. Благодаря совершенствованию наблюдательной техники и активному использованию космических телескопов теперь

Источник

Тема 1.2 Возникновение жизни на Земле

Терминология

1. Туманность – скопление газово-пылевой материи во вселенной, имеющее большие размеры.

2. Галактика – звезда и окружающие ее планеты.

3. Звездная система – система звезд с окружающими их планетами, развивающаяся из одной туманности.

4. Планета – небесное тело, совершающее движение по близкой к круговой орбите вокруг звезды, светящееся отраженным светом.

5. Абиогенный синтез – образование органических молекул из неорганических вне живых организмов.

6. Энергия – общая количественная мера количества движения материи.

7. Раствор – однородные смеси двух или нескольких веществ, распределенных в растворителе.

8. Коацервация – разделение раствора ВМС на фазы с большей и меньшей концентрацией молекул.

9. Коацерват – пузырьки жидкости, окружённые белковыми пленками.

10. Адсорбция – поглощение вещества из жидкой среды поверхностью твердого тела.

Вопрос о происхождении жизни на Земле, а так же, вероятно и на других планетах иных звездных систем волновал человека с той поры, как он начал осознавать себя человеком, стал познавать себя и окружающий мир. Первые попытки теоретического решения вопроса восходят к глубокой древности и носят отпечатки тех эпох и воззрений. В этом вопросе с глубокой древности существуют две точки зрения: одна утверждает возможность происхождения живого от неживого – это теория абиогенеза, другая – теория биогенеза – отрицает самопроизвольное зарождение жизни. Современные воззрения позволяют только поставить этот спор на научную почву и тем самым обосновать правильность теории абиогенеза.

Представления древних и средневековых философов

Общий уровень знаний в древнем мире был невысок, взгляды отличались фантастичностью. Незнание способов размножения организмов служило причиной того, что считалось возможным возникновение живых существ из мертвых останков, либо неорганических веществ. Эти взгляды поддерживались церковью. Открытие микроскопа расширило представления о строении организмов, теория происхождения живого от неживого была отвергнута. Опытами итальянца Реди (середина XVII в.) было доказано что все живое происходит от живого. Однако теория самозарождения живого из неживого еще долго существовало в ушах ученых. Опыты француза Л. Пастера окончательно развеяли эту теорию. На основе работ Пастера были разработаны методы стерилизации и консервирования. Это произошло в 1870г.

В дальнейшем этот вопрос был перенесен на клетку, а микроорганизмы больше не рассматривались. Одновременно с работами Пастера возникла теория вечности жизни. Согласно теории Рихтера в 1865г жизнь на Землю была занесена с других планет. Эта теория не раскрывает сути происхождения жизни, она лишь пытается объяснить ее появление.

Автором теории вечности жизни был немецкий ученый Прейер. Согласно Прейеру жизнь существовала вечно, а все неживое происходит от живого.

Особое место в решении вопроса принадлежит материалистическим теориям. Ключевым вопросом здесь являются различия между живым и неживым. За основу происхождения живого ученые принимают образование белковых соединений. Согласно теории англичанина Эллена в 1899г. первое появление азотистых соединений на Земле приурочено к периоду, когда пары воды сконденсировались в воду и покрыли поверхность планеты. Вода была насыщена солями, имеющими большое значение для образования и деятельности белка. В этом горячем растворе, в присутствии ультрафиолета, электрических разрядов, большого количества углекислоты началось зарождение живого, которое впоследствии прошло длительный путь эволюции.

Исследуя вопрос о происхождении живого одновременно следует понять процессы, протекающие при образовании планеты. Ответ на эти вопросы дают астрономия и химия. Основным методом исследования космоса является спектроскопия. Анализ света, излучаемого звездами дает богатые сведения об их химическом составе. С конца 19 в. было зарегистрировано 2млн. спектров 15 тыс. звезд и Солнца. Вывод – всюду существуют одни и те же химические элементы и выполняются одни и те же физические законы. Формирование планеты.

Самым распространенным элементом является водород (Н-Н, Н-Не). Во вселенной образованной из водорода, как первичное вещество формируются звезды. Основной ядерной реакцией является слияние ядер водорода и образование атома гелия и выделение энергии. Эта энергия движет вселенной. По закону сохранения масс энергия выделившаяся при образовании превращается в энергию излучения. Дальнейшее взаимодействие элементов приводит к образованию других химических элементов. Эти реакции выражаются в образовании более сложных молекул и их агрегатов – пылевых частиц. Они образуют в пространстве скопления газопылевой материи. Например, гигантская туманность в созвездии Ориона. Ее диаметр 15 световых лет, количества пыли достаточно для образования 100 тыс. звезд размером с Солнце. Туманность Млечный путь имеет диаметр 100 тыс. световых лет. Туманность Ориона – ближайшая к нам, на расстоянии 1500 световых лет. Из газопылевого облака 4,5 млрд. лет назад образовалась Земля и другие планеты солнечной системы. Несмотря на общность происхождения планет, только на Земле появилась жизнь и достигла исключительного многообразия. Для возникновения жизни на Земле необходимы были космические и планетные условия. Во-первых, это оптимальные размеры планеты. Во-вторых – движение по круговой орбите обеспечивает постоянное тепло. В-третьих – постоянное излучение светила. Всем этим условиям удовлетворяла Земля, на которой около 4,5 млрд. лет назад создались условия для более высоко уровня развития материи и ее эволюции в направлении возникновения жизни.

Современные представления о возникновении жизни. Все современные представления о происхождении жизни на Земле основываются на признании абиогенного, т.е. небиологического возникновения органических веществ из неорганических молекул. Это мнение русского ученого А.И.Опарина (1924).

Химическая эволюция

На первых этапах Земля имела очень высокую температуру. По мере ее остывания тяжелые элементы перемещались к ее центру, а легкие оставались на поверхности. Металлы окислялись и свободного кислорода в атмосфере не было. Она состояла из H₂, CH₄, NH₃, HCN и носила восстановительный характер. Это служило предпосылкой возникновения органических веществ небиологическим путем. До начала 20 века считалось, что они могут возникать только в организме. В связи с этим их назвали органическими, а вещества – минералы, неорганическими. В 1953г. было доказано, что пропуская ток через смесь газов H₂, CH₄, NH₃, HCN при отсутствии кислорода получена смесь аминокислот. В дальнейшем абиогенным путем были получены многие органические соединения. Все они впоследствии обнаружены в космосе.

Более 4 млрд. лет назад «колбой Миллера» был весь земной шар. Извергались вулканы, стекала лава, клубился пар, сверкали молнии. По мере остывания планеты водяные пары конденсировались и ливнями в течение миллионов лет обрушивались на планету. Сформировался первичный океан, горячий и насыщенный солями, кроме того туда попадали образующиеся сахара, аминокислоты, органические кислоты. По мере смягчения климата стало возможным образование более сложных соединений, в результате чего появились первичные биополимеры – полинуклеотиды и полипиптиды.

Первичный океан содержал в растворимом виде различные органические и неорганические молекулы. Концентрация их постоянно увеличивалась и постепенно воды стали «бульоном» из питательных органических соединений. Каждая молекула имеет определенную структурную организацию: некоторые диссоциированы, некоторые имеют гидратные оболочки. Органические молекулы имеют большую молекулярную массу и сложное строение. Молекулы, окруженные водной оболочкой объединяются образуя высокомолекулярные комплексы – коацерваты. В первичном океане коацерватные капли поглощали другие вещества либо разрушались, либо укрупнялись. В результате капли усложнялись и приспосабливались к внешним условиям. Среди коацерватов начался отбор наиболее устойчивых форм. Появились различия между химсоставом внутренней и внешней среды. В результате химической эволюции сохранились те формы, которые при распаде на дочерние не утратили особенностей структуры. Это способность к самовоспроизведению. В процессе эволюции связь нуклеиновых кислот и белковых молекул привела к возникновению генетического кода. Это последовательность нуклеотидов служила информацией для последовательности аминокислот в молекуле белка. (Воспроизведение себе подобных). Постепенно слои липидов вокруг коацерватов преобразовались в наружную мембрану. Это предопределило пути дальнейшей эволюции. Образование первичных клеточных организмов положило начало биологической эволюции.

Возникновение прокариот

Отбор коацерватов продолжался около 750 млн. лет. В результате появились безъядерные – прокариоты. По способу решения они были гетеротрофы – использовали органику первичного океана. При отсутствии кислорода атмосферы у них протекал анаэробный обмен веществ. Он малоэффективен. Постепенно запасы питания в океане истощались. Началась конкуренция за питание.

В более выгодном положении оказались организмы способные использовать солнечную энергию для синтеза органики. Так возник фотосинтез. Это привело к появлению нового источника питания. Затем фотосинтезирующие организмы научились использовать воду, как источник водорода. Усвоение углекислого газа у них сопровождалось выделением кислорода и включением углерода в органические соединения. (Сегодня прокариоты поверхности океана производят до 78% возобновляемого кислорода.)

Переход от первичной атмосферы к кислородной среде – очень важное событие. В верхних слоях образуется озоновый экран, появляется более выгодный, кислородный тип обмена веществ. На Земле стали возникать новые формы жизни с более широким использованием окружающей среды.

Возникновение эукариот

Эукариоты возникли в результате симбиоза различных прокариот. Так возникли предки примитивных ныне живущих жгутиковых простейших. Симбиоз жгутиковых с фотосинтезирующими дали водоросли или растения.

Возможности одноклеточных в освоении среды обитания были ограничены. 2,6 млрд. лет назад появились многоклеточные. Основу современных представлений о возникновении объясняет теория фагоцителлы И.И.Мечникова. Многоклеточные произошли от колониальных жгутиковых. Они существуют и сейчас. Эти колонии превратились в простейший, но целостный организм.

Таким образом возникновение жизни на Земле связано с длительным процессом химической эволюции. Формирование мембраны – оболочки способствовало началу биологической эволюции. Как простейшие, так и сложно устроенные в основе своей структурной организации имеют клетку.

1. История представлений о возникновении жизни.

2. Работы Л. Пастера.

3. Теория вечности жизни.

4. Образование неорганических веществ и формирование планеты.

Источник