1. Основные положения СТО.

Первый постулат - принцип относительности Эйнштейна: все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой. Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы (не только механические) имеют одинаковую форму. Таким образом, принцип относительности классической механики обобщается на все процессы природы, в том числе и на электромагнитные.

Примечание: инерциальные системы – системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона. И, собственно, первый закон: любая материальная точка будет находиться в покое или двигаться равномерно и прямолинейно, пока на нее подействует другая материальная точка.

Второй постулат: принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Таким образом, скорость света – предельная скорость передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую.

2. Основные положения ОТО:

1). Принцип относительности: все законы физики должны иметь один и тот же вид не только в инерциальных системах, но и в неинерциальных системах отсчета.

2). Принцип эквивалентности: не существует эксперимента (критерия), с помощью которого можно было бы отделить силы инерции от сил тяготения. Сила тяготения не зависит от массы тел.

ОТО – результат развития СТО, из нее вытекает, что свойства пространства-времени (хронотопа) зависят от поля тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства-времени может изменяться от одной области к другой в зависимости от концентрации масс материальных объектов и их движения. В поле тяготения хронотоп обладает кривизной. Слабой кривизне соответствует обычная ньютоновская гравитация, определяющая, например, движение планет в Солнечной системе. Однако в сильных гравитационных полях, создаваемых массивными космическими объектами, искривление пространства-времени становится существенным. Если подобного рода объект совершает колебательные или вращательные движения, кривизна периодически изменяется. Распространение таких изменений в пространстве рождает гравитационные волны. Квантом гравитационной волны является гравитон – частица с нулевой массой покоя.

Эйнштейн предположил, что гравитация – это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как считалось раньше; оно искривлено распределенными в нем массой и энергией. Такие тела, как Земля, вовсе не принуждаются двигаться по искривленным орбитам гравитационной силой; они движутся по линиям, которые в искривленном пространстве более всего соответствуют прямым в обычном пространстве и называются геодезическими. Геодезическая – это самый короткий (или самый длинный) путь между двумя соседними точками.

В ОТО вводится четвертое измерение – время. Но абсолютного времени в ОТО нет. Каждый индивидуум имеет свой собственный масштаб времени, зависящий от того, где этот индивидуум находится и как он движется. Пространство и время в ОТО – динамические величины : когда движется тело или действует сила, это изменяет кривизну пространства и времени, а структура пространства-времени в свою очередь влияет на то, как движутся тела и действуют силы. Старое представление о почти не меняющейся Вселенной сменилось картиной динамической, расширяющейся Вселенной, которая, по-видимому, возникла когда-то в прошлом и, возможно, закончит свое существование когда-то в будущем.

3. Структура атомов определяется четырьмя фундаментальными взаимодействиями: электромагнитным (константа взаимодействия – 10^-2), гравитационным (оно очень незначительно: константа взаим.: 10^-39), сильным (константа: 1) и слабым (10^-14). Согласно закону всемирного тяготения Ньютона гравитационное взаимодействие не играет существенной роли в микропроцессах, так как у тел микромира очень незначительные массы, и потому несущественно определяет структуру атома. Сильное взаимодействие проявляется в пределах размеров ядра (10^-15), оно обеспечивает связь нуклонов в ядре, обеспечивает стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем оно стабильнее, тем больше его удельная энергия связи. Слабое взаимодействие действует на гораздо меньшем расстоянии, чем сильное.

Движение электронов вокруг ядра определяется в первую очередь электромагнитным взаимодействием: у электронов нет определенных орбит движения: электроны в электронном облаке возникают хаотически, и лишь в местах их наиболее частого появления (95%) предполагаются условные орбитали.

4. Элементарные частицы – бозоны (переносчики взаимодействий: электромагн.: фотон, сильное – глюон между кварками, мезоны – между нуклонами); W- и Z- бозоны - слабое; и гравитоны – гравитационное); фермионы (непосредственно сами частицы материи, взаимодействующие бозонами: кварки, лептоны (электрон и подобные).

Квантами полей взаимодействия называются особые частицы, обмен которыми происходит при любом взаимодействии. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются частицы с нулевой массой покоя – фотоны, существование которых легко зарегистрировать на опытах. Квантами гравитационного поля и переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой покоя и нулевым электрическим зарядом. Кванты сильного взаимодействия – гипотетические электрически нейтральные частицы глюоны, которые получили свое название из-за того, что они как бы «склеивают» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц. Переносчиками слабого взаимодействия принято считать вионы – частицы с массой примерно в сто раз большей массы протонов и нейтронов. Обнаружены в 1983 году.

5. Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы – законом всемирного тяготения, сформулированным Ньютоном:

Между двумя материальными точками с массой m₁ и m_2, расположенными на расстоянии r друг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.

.

Здесь G — гравитационная постоянная, равная м³/(кг с²). Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда противоположна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, т. е. гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел.

То есть, чем больше массы материальных объектов, тем большую роль играет гравитация. Поэтому гравитационное взаимодействие незначительно в микромире, мире молекул, атомов, элементарных частиц, и наиболее значительно в мега мире, мире планет, звезд, галактик и т.д.

Сильные гравитационные поля существенно замедляют время. Это следует из E=hv (по Планку), но E=mc², значит m=E/с2=hv/c2.

Фотоны по мере удаления от Земли теряют свою кинетическую энергию, т.к. гравитационное поле Земли тормозит их. Но скорость движения их измениться не может, и согласно E=hv, уменьшение энергии уменьшают частоту луча света. Уменьшение v автоматически означает увеличение периода T (v=1/T), что эквивалентно замедлению времени.

В рамках Ньютоновской гравитации гравитационное взаимодействие является дальнодействующим. Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.

6. Агрегатные состояния вещества.

Твердое состояние – которое сохраняет как форму, так и объем.

Жидкое – плотность ниже, держит объем, но не форму;

Газообразное – низкая плотность, достаточно высокая температура; ни формы, ни объема.

Плазма – частично или полностью ионизированный газ, возникающий при высокой температуре, от нескольких тысяч кельвинов и выше. В целом ее свойства напоминают свойства газообразного состояния вещества, за исключением того факта, что для плазмы принципиальную роль играет электродинамика.

Кварк-глюонная плазма, жидкокристаллическое состояние. Иногда При глубоком охлаждении газы некоторых веществ переходят в состояние бозе-конденсата. Некоторые другие вещества при низких температурах переходят в сверхпроводящее или сверхтекучее состояние. Эти состояния являются отдельными термодинамическими фазами, но в силу их неуниверсальности их нельзя назвать термодинамическими фазами.

7. Современное представление о вакууме.

Физический вакуум – низшее энергетическое состояние квантового поля при отсутствии вещества. Этот термин введен в квантовой теории поля для объяснения некоторых микропроцессов. Среднее число частиц – квантов поля – в вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться виртуальные частицы - частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время. В физическом вакууме могут рождаться пары частица-античастицы разных типов. При достаточно большой концентрации энергии вакуум взаимодействует с реальными частицами, что подтверждается экспериментом. Предполагается, что из физического вакуума, находящегося в возбужденном состоянии, родилась Вселенная. Стр. 116

8. Когда, где и как родилась Вселенная.

Приблизительно 15 миллиардов лет назад, предположительно, из состояния сингулярности, при котором плотность и температура были бесконечно большими. При этих условиях понятия пространства и времени теряют смысл, так как пространство и время являются формами существования и движения материи, но Вселенная еще не родилась. Поэтому с пространственной точки зрения, нельзя сказать, где возникла Вселенная. Кагбэ нигде. Вселенная родилась в физическом вакууме, а место рождения Вселенной можно указать только геометрически, относительно каких-то космических объектов. Например, сегодня, когда Вселенная расширилась, можно выяснить, где находится ее центр. Также и как образовалась Вселенная, ученые до сих пор не знают. Но известны этапы развития Вселенной. Теория Большого взрыва является именно теорией о развитии Вселенной после Большого взрыва. На начальный момент (в точке сингулярности) Вселенная была размером с атомное ядро. По Гамову, вещество в самом начале было очень горячим и могло существовать только в виде элементарных частиц. Вселенная электронейтральна, поэтому могла родиться из ничего. Где родилась Вселенная – вопрос не вполне корректный.

Развитие Вселенной началось с «первоначального вещества» с плотностью 10³⁶ г/см³ и с температурой 10²⁸ К. Эволюция

Эволюция Вселенной основные этапы.

1. Период времени от 0 до 10^-35 с - раздувающаяся (инфляционная) Вселенная. Т10²⁷ К, единый тип взаимодействий и новые элементарные частицы - скалярные Х-бозоны.

2. 10^-33с. разделение кварков и лептонов на частицы и античастицы.

Дисимметрия между числом частиц и античастиц (антич.<частиц 10^-6). Таким образом, вещество во Вселенной преобладает над антивеществом.

3. 10^-10c – T=10¹⁵K Разделение сильного и слабого взаимодействий.

4. 10^-2с – стандартная модель развития Вселенной. Число фотонов=числу позитронов.

5. 1 сек. Т=10¹⁰К.

Вселенная остыла. Остались только фотоны (кванты света), нейтрино и антинейтрино, электроны и позитроны и маленькая примесь нуклонов.

6. 3 мин. Т=10⁹К

Нуклоны участвуют в термоядерных реакциях: происходит космологический нуклеосинтез легких элементов (в основном ядра гелия), и, конечно, в наибольшем количестве остается основной элемент Вселенной - водород.

Вещество – гелий – 22-28%, остальное – протоны. Основная энергия – в излучении – фотоны – 69%, нейтрино – 31%.

7. Миллион лет спустя Вселенная остывает настолько, что электроны и ядра рекомбинируют, образуя нейтральные атомы водорода, которые составляют 90% всех атомов, гелия -10%. Фотоны (кванты электромагнитного излучения - света) перестают взаимодействовать с веществом и остаются в виде фона - так называемого реликтового излучения.

Сейчас температура Вселенной - 2.7 К.

Вся информация о процессах, протекавших во Вселенной, осталась «записанной» в особом типе космического излучения – так называемого реликтового излучения. Реликтовое излучение было экспериментально обнаружено в 1965 г. американскими радиоастрономами А.Пензиасом и Р.Вилсоном.

9. Основные положения концепции Большого Взрыва

С течением времени изменяются расстояния между галактиками.

В прошлом был момент t=0, когда радиус Вселенной был равен нулю, а значит, плотность ее стремилась к бесконечности (момент сингулярности). При t=0 произошел Большой взрыв, в результате которого образовалась Вселенная.

В основе этой концепции лежит предположение о том, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15-20 миллиардов лет назад, когда все вещество и энергия современной Вселенный были сконцентрированы в сгустке с плотность свыше 10³⁶ г/см³ и с температурой 10²⁸ К. Такое представление соответствует модели горячей Вселенной Гамова.

Расширение Вселенной – естественное следствие теории Большого взрыва. Гамов также предположил, что все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после Большого взрыва. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но привели только к образованию гелия. Современные методы анализа показали, что почти все звезды и галактики состоят из водорода (60%) и гелия (20%). Лишь малая часть водорода и гелия содержится в звездах, остальное количество распределено в межзвездном пространстве. В звездах атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвездном пространстве водород и гелий находятся в атомарном состоянии.

10. Основная часть вещества Вселенной – темная материя, не участвующая в сильном и элеткромагнитном взаимодействиях, составляющая 22% всего объёма Вселенной. Массивные Астрофизические Компактные Гало Объекты и Слабо Взаимодействующие Массивные Частицы. MACHOs и WIMPs. Макосы: черные дыры, нейтронные звезды, темные карлики (сгустки водорода с массой, значительно меньшей солнечной, малой светимостью (из-за малого кол-ва тепла от ядерных реакций – из-за слабости гравитационных полей), возможно, белые карлики.

11. Основная часть энергии Вселенной – темная энергия, составляющая 74% объёма Вселенной. По данным WMAP

Межгалактический газ = 3,6%, звезды и пр. = 0,4%

12. Галактики – это стационарные звездные системы, удерживаемые за счет гравитации. Наша Галактика Млечный Путь состоит примерно из 150-200 млрд звезд. Галактика очень велика: от одного ее края до другого световой луч путешествует около 100 тысяч земных лет. Диаметр ее – 100 тысяч световых лет, а толщина около 1500 световых лет. По форме она напоминает сплюснутый шар, по строению – она является спиральной галактикой. Наше Солнце находится на периферии Галактики вблизи от ее экваториальной плоскости. В состав нашей Галактики входят звезды, туманности, планеты: Земля и Солнечная Система, астероиды. Но основное содержание Галактики – звезды. Однако физические характеристики различных звезд существенно различаются. В состав галактик входят: звезды-гиганты и сверхгиганты, значительно превосходящие по объему Солнце (например, объём одной из звезд в созвездии Цефея больше объема Солнца в 14 млрд раз), существуют звезды-карлики (некоторые из них меньше Земли и даже Луны), вещество которых отличается чрезвычайно высокой плотностью; существуют нейтронные звезды, плотность которых еще выше (их диаметр всего – 20-30 км, а средняя плотность вещества – более 100 млн т/см³, нейтронные звезды очень быстро вращаются и излучают импульсы, поэтому их также называют пульсарами, большинство пульсаров излучает в радиодиапазоне от метровых до сантиметровых волн; наблюдаются также вспышки новых и сверхновых звезд – звезд, которые в результате активных физических процессов неожиданно увеличиваются в объеме, «раздуваются», сбрасывают свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяют чудовищное количество энергии – в миллиарды раз больше, чем излучает Солнце; затем исчерпав свои ресурсы, они постепенно тускнеют, превращаясь в газовую туманность.

Короче: новые, сверхновые; белые карлики (масса, сравнивая с Солнцем, но радиус в 100 раз меньше и светимость в 10000 меньше солнечной) 3-10%; туманности – остатки взрывов сверхновых; скопления звезд; пульсары; Окрестностями Солнца принято считать объем Галактики, в котором современными средствами можно наблюдать излучение звезд разных типов. Объем этот равен примерно 1,5 тысяч звезд. В настоящее время исследованы почти все звезды, кроме самых карликовых. В радиусе 5 парсек исследованы все звезды. Их около 100. Большинство их них – красные карлики с массой в 3-10 раз меньше, чем у Солнца. 7 белых карликов. От Солнца до ядра Галактики 30 тысяч световых лет.

13. Разбегание галактик

Время рождения Вселенной грубо можно оценить из закона Хаббла: зная расстояние между галактиками и скорость их расхождения, можно найти t. После введения поправок на замедление расширения получаем время рождения Вселенной – примерно 15 млрд лет назад. Вся информация о процессах, протекавших во Вселенной, осталась «записанной» в особом типе космического излучения – так называемого реликтового излучения. Реликтовое излучение было обнаружено экспериментально в 1965 году радиоастрономами А.Пензиасом и Р.Вилсоном. Реликтовое излучение – космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3K, примерно -270C.

14. Будущее Вселенной

Будет ли разлет галактик продолжаться всегда или расширение сменится сжатием? Для этого необходимо рассчитать, хватит ли сил гравитации остановить расширение (расширение идет по инерции, действуют лишь силы тяготения). Рассчитанное критическое значение плотности составляет 10^-28 г/см³, а экспериментальное значение = 3x10^-29 г/см³, то есть меньше критического значения. Но мы не знаем точную плотность Вселенной. Как определить массу, а следовательно и плотность Вселенной? В галактиках много темной, скрытой массы. Этой массы почти в 10 раз больше (90%), чем «видимой массы». С точки зрения форм материи, во Вселенной доминирует вакуум: по плотности он превосходит все «обычные» формы космической энергии, вместе взятые. Динамикой космологического расширения управляет антигравитация. Вакуум создает поле антигравитации, которое вызывает ускорение космологического расширения. Значит, Вселенная будет расширяться неограниченно долго.

15. Строение атома и атомного ядра.

Атом состоит из нейтрально заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. В свою очередь в состав ядра входят нейтрально заряженные нейтроны и положительно заряженные протоны. Нейтроны и протоны связаны при помощи сильного взаимодействия. Если число нейтронов оказывается в целом равно числу электронов, то атом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Ядро несет основную массу атома (99,9%).

15. Квантовая механика.

Элементарные частицы – бозоны (переносчики взаимодействий: электромагн.: фотон, сильное – глюон между кварками, мезоны – между нуклонами); W- и Z- бозоны - слабое; и гравитоны – гравитационное); фермионы (непосредственно сами частицы материи, взаимодействующие бозонами: кварки, лептоны (электрон и подобные).

Кварки – фундаментальные частицы.

Гейзенберг в 1927 году сформулировал принцип неопределенности: частица может иметь одновременно определенную координату x и определенный импульс p, а неопределенность координаты (дельта x) и импульса (дельта p) связаны с соотношением неопределенностей. (дельта x) умножить на (дельта p) больше, либо равно h

H=6,662x10^-27 эрг.сек (постоянная планка). Принцип неопределенности говорит о том, что не следует пытаться вычислить точную траекторию движения электронов вокруг ядра. Можно лишь указать вероятность нахождения электрона в том или ином участке пространства около ядра в любой момент времени.

17. Черная дыра – это область пространства-времени, из которой ничто, даже свет, не может выбраться наружу, потому в ней чрезвычайно сильно действие гравитации. Сущность гипотезы о черных дырах заключается в следующем. Если некоторое вещество оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для него, то под действием сил собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация вещества. Наконец, наступает момент, когда сила тяготения на ее поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо развить скорость, превосходящую скорость света. Такие скорости практически недостижимы, и из замкнутого пространства черной дыры не могут вырваться ни лучи света, ни частицы материи. Излучение черной дыры оказывается «запертым» гравитацией. Черные дыры способны только поглощать излучение.

Чёрные дыры образуются, когда умирают звезды. Звезда сжимается и становится все плотнее. Если звезда достаточно большая, в 20 раз больше Солнца, то она превратится в крошечную точку, появится очень большое углубление в пространстве, в которой будет существовать сингулярность с бесконечной плотностью и температурой, с бесконечной кривизной пространства-времени.

Границу области, за которую не может выйти свет называют горизонтом событий. Чтобы поле тяготения смогло запереть излучение, создающее это поле масса должна сжаться до объема с радиусом, меньшим гравитационного радиуса.

18. Когда и как образовалась Солнечная система?

Согласно современным представлениям, планеты Солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Подобная точка зрения наиболее полно отражена в гипотезе Шмидта. По его мнению, планеты образовались в результате объединения пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако сначала состояло из 98% водорода и гелия. Остальные элементы конденсировались в пылевые частицы. Беспорядочное движение газа в облаке быстро прекратилось и сменилось равномерным движением облака вокруг Солнца. Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя достигла некоторого критического значения, его собственное тяготение стало «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них начали двигаться по круговым орбитам и в своем росте обгонять другие тела, став потенциальными зародышами будущих планет. Как более массивные тела, они присоединяли к себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на протяжении миллиардов лет. По современным оценкам, возраст Солнца не менее 5 миллиардов лет.

19. Строение Солнечной системы. В центре Солнечной системы находится звезда Солнце. Вокруг него обращаются девять больших планет вместе со своими спутниками, множество малых планет – астероидов. В Солнечную систему входят, кроме того, многочисленные кометы и межпланетная среда. Большие планеты располагаются в порядке убывания от Солнца следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс. Их вещество отличается относительно высокой плотностью, в 5,5 раз плотнее воды. Планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромной массой.

Возраст Земли составляет примерно 4,55 млрд лет. Это время, которое прошло с момента образования Земли как самостоятельного планетарного тела.

20. Образование атмосферы и гидросферы.

Атмосфера. Согласно наиболее распространенной теории, атмосфера Земли во времени пребывала в трех различных составах. Первоначально она состояла из легких газов (водорода и гелия), захваченных из межпланетного пространства. Первичная атмосфера (около 4 млрд лет назад). На следующем этапе активная вулканическая деятельность привела к насыщению атмосферы и другими газами, кроме водорода (углекислым газом, аммиаком, водяным паром). Так образовалась вторичная атмосфера (около 3 млрд лет назад до наших дней). Далее процесс образования атмосферы образовался следующими факторами: утечка летучих газов в межпланетное пространство; химические реакции, происходящие в атмосфере под влиянием ультрафиолетового излучения, грозовых разрядов и некоторых других факторов. Постепенно эти факторы привели к образованию третичной атмосферы, характеризующейся гораздо меньшим содержанием водорода и гораздо большим – азота и углекислого газа (образованы в результате химических реакций из аммиака и углеводородов). Азот = 75%, кислород = 24%. Гидросфера – водная оболочка Земли, включающая химически не связанную воду независимо от ее состояния: жидкую, твердую, газообразную. Гидросфера, вероятно, образовалась одновременно с литосферой и атмосферой в результате остывания и дегазации вещества мантии. Химически связанная вода была уже в веществе холодно-пылевого протопланетного облака. Под влиянием глубинного тепла Земли она выделялась и перемещалась к поверхности Земли. Первичный океан, возможно, покрывал почти всю Землю, но не был глубоким. Океаническая вода, вероятно, была теплой, высоко минерализованной. Океан углублялся, а площадь его сокращалась. С поверхности Океана испарялась влага, выпадали обильные дожди. Пресная вода на суше – результат прохождения океанской воды через атмосферу. Выделение воды из магмы продолжается до настоящего времени. При извержении вулканов выделяется в среднем за год 1,310⁸т воды. Термальные источники и фумаролы выносят 10⁸ т. Если допустить, что поступление воды из мантии в литосферу и на ее поверхность было равномерным и составляло в год на 1 см² поверхности планеты всего 0,00011г, то и этого достаточно, чтобы за время существования Земли образовалась гидросфера. Предполагают также поступления воды из космоса в результате падения на Землю ледяных ядер комет, но ее количество в этом случае невелико. Гидросфера также теряет воду с испарением ее в Космос, где под действием у/ф лучей H₂O распадается на H₂ и O₂.

21. Какие химические элементы наиболее распространены вне Земли?

Наиболее распространенными вне Земли химическими элементами являются водород (60%) и гелий (20%).

Наиболее распространенными химическими элементами в земной коре являются кислород (50%) и кремний (25%).

22. Основные теории зарождения жизни.

Гипотеза самозарождения. Опровергнута рядом опытов, окончательно опровергнута опытами Луи Пастера.

Гипотеза стационарного состояния жизни. Согласно этой теории, жизнь не возникала, а существовала вечно. Доказательством несостоятельности этой теории является конечное время существование любых звезд, а следовательно и всяких планетных систем вокруг них.

Панспермия

Теория о занесении жизни на Землю из космоса.

Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому, вакууму, низким температурам и другим воздействиям. Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, найденных в метеоритах. Но если бы даже они попали на Землю и дали начало жизни на нашей планете, вопрос об изначальном возникновении жизни оставался бы без ответа.

Гипотеза первичного бульона

Теория Опарина-Холдейна

Согласно его теории процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа:

• Возникновение органических веществ

• Возникновение белков

• Возникновение белковых тел

Как звезды, так и планеты образовались из газов и межзвездной пыли — газопылевого облака, в состав которого входили металлы, их оксиды, а также водород, аммиак, вода и простейший углеводород — метан. Условия для процесса формирования белковых структур установились с появлением первичного бульона 4 млрд лет назад. В водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям, в том числе под действием ультрафиолетовых лучей. В результате такого усложнения образовались более сложные органические вещества, углеводы. Теорию проверил Стэнли Мюрер в 1953 году, поместив смесь H2O, CO2, NH3, CH4 и CO в замкнутый сосуд и начав пропускать через нее электрические заряды (при температуре 80 градусов по Цельсию). Оказалось, что образуются аминокислоты. Было доказано, что спонтанно могут образовываться единичные удачные конструкции белковых молекул. Однако не было объяснено, как эти молекулы могут копироваться внутри коацервата и для передачи коацерватам-потомкам. Тем не менее было показано, что первые коацерваты могли образовываться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем, и вступать в симбиоз с «живыми растворами» - колониями самовоспроизводящихся РНК.

23. Основные характеристики живых организмов.

Основные критерии живых организмов

1. Единство химического состава. Живые организмы образованы молекулами органических и неорганических веществ. Основную массу органических веществ клетки составляют белки, иры, углеводы, нуклеиновые кислоты, АТФ, другие вещества. Неорганические вещества — вода, минеральные соли, др.

2. Клеточное строение

3. Обмен веществ. Свойство, лежащее в основе поддержания жизни. Живые организмы способны поглощать определенные вещества из окружающей среды, преобразовывать их, получать энергию за счет этих преобразований и выделять ненужные остатки этих веществ обратно в окружающую среду. Обмен веществ (метаболизм) делится на пластический (сшпез, запасание веществ) и энергетический (расщепление). Для извлечения энергии вещества разлагаются, для ее запасания — синтезируются.

4. Питание

5. Дыхание

6. Самовоспроизведение (репродукция). Свойство, обеспечивающее непрерывность жизни в ряду поколений, т. е. исторически. Это не простая способность к самокопированию. В ходе размножения сохраняются свойства и признаки исходного материнского (предкового) организма. Но наряду с этим проявляется и изменчивость.

7. Наследственность.

8. Присобленность.

9. Рост и развитие. Размножение клеток в многоклеточном организме лежит в основе их роста. Рост одноклеточных достигается за счет обмена веществ и увеличения объема цитоплазмы и количества органоидов. Только живое способно развиваться, повышая степень своей организации.

10. Раздражимость. Способность живых систем реагировать на внешние или внутренние воздействия. Человек, например, реагируют на внешние воздействия выработкой нервного импульса, мышечным сокращением или секрецией веществ (слюны, гормонов). Организмы, лишенные нервной системы, выражают раздражимость движением. Так, амеба покидает неблагоприятные растворы с высокой концентрацией соли. Возбудимость. Способность живых систем отвечать на действие раздражителя.

11. Дискретность. Отдельный организм или иная биологическая система (вид, биоценоз, др.) состоит из отдельных изолированных, т.е. обособленных или ограниченных в пространстве, но тем не менее связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Это свойство позволяет осуществить замену части без остановки функционирования целостной системы.

12. Целостность.

13. Саморегуляция. Способность живых систем автоматически устанавливать и поддерживать на определенном уровне свои показатели (физиологические и др.). Только живое может реагировать на изменения окружающей среды таким образом, что показатели внутренней среды остаются постоянными, не изменяются. Так, гормон инсулин понижает количество глюкозы в крови, если ее много, а глюкагон и адреналин повышают количество глюкозы при ее недостатке. Как пример: теплорегуляция у теплокровных. Саморегуляция численности. Например, если хищников становится больше, чем жертв, то они поедают слишком много жертв и затем сами погибают от голода, давая таким образом возможность уцелевшим жертвам размножиться до нормального уровня

14. Ритмичность. Повторяющиеся процессы жизнедеятельности. Например, размножение строго ритмично (половые циклы, вынашивание, выкармливание, сезонные миграции).

15. Энергозависимость. Живые тела представляют собой «открытые» для поступления энергии системы. То есть живые системы устойчивы только при непрерывном доступе к ним энергии и материи извне.

24. Что такое популяция?

Популяция — это совокупность живых организмов одного вида, длительное время обитающих на одной территории. Популяция — группа особей, способная к более-менее устойчивому самовоспроизводству, относительно обособленная (обычно географически) от других групп, с представителями которых (при половой репродукции) потенциально возможен генетический обмен. С точки зрения популяционной генетики, популяция — это группа особой, в пределах которой вероятность скрещивания во много раз превосходит вероятность скрещивания с представителями других подобных групп. Обычно говорят о популяциях как о группах в составе вида или подвида. В современных эволюционных теориях популяция считается элементарной единицей эволюционного процесса. В экологии популяция — совокупность особей одного вида, занимающих определенный ареал, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, генетическую основу и в той или иной степени изолированных от других популяций данного вида.

24. Что является единицей строения живых организмов?

Клетка является элементарной единицей строения и жизнедеятельности всех живых организмов (кроме вирусов), потому что клетка обладает всей совокупностью свойств живого, собственным механизмом обмена веществ, способна к самостоятельному существованию, самовоспроизведению и развитию. Все живые организмы состоят из множества клеток (многоклеточные животные, грибы, растения), либо являются одноклеточными организмами (простейшие, бактерии). Элементарной она является, потому что в природе нет более мелких систем, которым были бы присущи все без исключения признаки живого.

24. Строение клетки.

Самые простые клетки – прокариотические, безъядерные клетки. В цитоплазме находятся молекулы ДНК, рибосомы и различные включения в виде гранул липидов и других веществ. Более сложные – эукариотические, ядерные клетки. 1. Мембрана – регулирует обмен различными веществами между клеткой и внешней средой. 2. Цитоплазматический матрикс – водная фаза с белковыми макромолекулами: ядро, митохондрии, рибосомы (все это органеллы) и др. 3. Ядерная мембрана – отделяет ядро от цитоплазмы. 4. Ядро – содержит одно или два ядрышка, состоящих из РНК. Центр управления всеми процессами в клетке. Также хромосомы. 5. Ядрышко (участвует в образовании рибосом). 6. Хромосомы – в ядре (палочки, нити, петли). Количество хромосом в клетках постоянно. В хромосоме – молекула ДНК (занимает всю длину хромосомы). 7. Рибосомы – гранулы, состоящие из белка и РНК. На рибосомах происходит синтез белка. 8. Митохондрии – структуры в виде палочек, нитей или гранул, образованные с помощью мембран. До 7 мкм. Содержат белки, фосфолипиды, РНК, ДНК, рибосомы. 50-5000 в клетке. В них питательные вещества окисляются, а высвобождаемая энергия запасается в АТФ (аденозин-трифосфат). 9. Лизосомы (содержат гидролитические ферменты, окружены мембраной). С помощью лизосом из клетки удаляются клеточные продукты обмена.

В растительных клетках есть органеллы – пластиды. Хлоропласты - в которых содержится хлорофилл. Хлоропласты служат для связывания энергии солнечного света при фотосинтезе. В клетке более 70 элементов, но лишь 10 их них (кислород, углерод, водород, азот, кальций, фосфор, кремний, сера, натрий, хлор) встречаются в большом количестве. Вода – 70% массы протоплазмы. Вода уже была на Земле, поэтому создавать ее из атомов для клетки нет необходимости. Основные органические соединения клетки – углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и стероиды. Углеводы – соединения углерода, водорода и кислорода с общей формулой Cn(H2O)n. К углеводам относятся моносахариды и полисахариды. Моносахариды – группа содержит рибозу и дезоксирибозу – сахара, входящие в состав мономеров нуклеиновых кислот РНК и ДНК. Сюда же относятся глюкоза (у животных) и крахмал (у растений). Полисахариды – целлюлоза и клетчатка – содержат около 50% всего углерода биосферы. Липиды – соединения, получающиеся из высших жирных кислот и глицерина. Белки – наиболее сложные химические соединения в клетках. Они построены из аминокислот. Молекула белка – неопределенно длинная цепь аминокислот. Белки – строительный материал живых клеток. Белки выступают в качестве биологических катализаторов – ферментов. Нуклеиновые кислоты – помимо углеводов, содержат кислород, водород, азот и фосфор. В клетках находятся дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты. ДНК и РНК являются носителями генетической информации. 27. Митохондрии являются «силовой станцией» клетки, поскольку за счет окислительной деградации питательных веществ в них синтезируется большая часть необходимого клетке АТФ. 28. Молекула ДНК и ген. Как известно, генетическая информация записана в цепи молекулы ДНК в виде последовательности более простых молекул – нуклеотидных остатков, содержащих одно из четырех оснований: аденин, гуанин – пуриновые основания, цитозин и тимин – пиримидиновые основания. Структура молекулы ДНК была изучена в 1953 году Дж.Уотсоном и Ф.Криком. Они установили, что молекула ДНК состоит из двух цепей, образующих двойную спираль, которая закручена вправо (по часовой стрелке). К полимерному остову спиральной ДНК (состоит из чередующихся остатков фосфата и сахара дезоксирибозы) «прикреплены» нуклеотидные остатки. Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Пиримидиновое основание комплементарно пуриновому основанию. Цепи ДНК – комплементарны, т.е. имеется взаимное соответствие между их нуклеотидами, которые образуют уотсон-книковские пары Г-Ц и А-Т. Сами же цепи в двойной спирали антипараллельны. Репликация ДНК основана на принципе комплементарности. В живой клетке удвоение происходит потому, что две спиральные цепи расходятся, а потом каждая цепь служит матрицей, на которой с помощью особых ферментов собирается подобная ей новая спиральная цепь ДНК. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называется геном.

29. Основные принципы современной теории эволюции живого. Синтетическая теория эволюции – современная эволюционная теория, которая является синтезом различных дисциплин, прежде всего, генетики и дарвинизма. СТЭ отличается от дарвиновской по ряду важнейших пунктов:

1. СТЭ выделяет элементарную структуру, с которой начинается эволюция. Это популяция (т.е. совокупность индивидов одного вида, способных скрещиваться между собой), а не отдельная особь или вид, который включает в свой состав несколько популяций;

2. В качестве элементарного явления или процесса эволюции современная теория рассматривает устойчивое изменение генотипа популяции;

3. СТЭ шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции, выделяя среди них основные и неосновные. К ведущим факторам относят мутационные процессы, популяционные волны численности и изоляцию.

4. Материалом для эволюции являются мутационная и рекомбинационная изменчивость. 5. Естественный отбор рассматривается как главная причина развития адаптаций, видообразования и происхождения надвидовых таксонов. 6. Дрейф генов и принцип основателя выступают причинами формирования нейтральных признаков. Таким образом, синтетическую теорию эволюции можно охарактеризовать, как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных

30. Неандерталец — ископаемый вид человека, обитавший 140-24 тысячи лет назад, и который, согласно современным научным данным, частично является предком современного человека (ассимиляция с кроманьонцами). Неандертальцы обладали средним ростом (около 165 см), массивым телосложением, большой головой (объем черепной коробки 1400-1740 см3). Их отличали мощные надбровные дуги, выступающий широкий нос и очень малеький подбородок, шея короткая и как будто под тяжестью головы наклонена вперед, руки короткие и лапообразные. Возможно, они были рыжими и бледнолицыми. Средняя продолжительность жизни составляла 22,9 лет. Вероятно, они обладали речью. В 2006 году началась расшифровка генома неандертальцев. Выяснилось, что генетическое расхождение между современными людьми и неандертальцами произошло около 500 тыся лет назад. Два вида людей преимущественно враждовали. В 2010 году были найдены в геномах целого ряда современных народов. Сванте Паабо из Института эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге. Унаследованный от неандертальцев генетический материал составляет от 1 до 4%. Признаки унаследованы всеми, кроме африканцев. Скрещивание, вероятно, произошло вскоре после миграции предков современного человека из Африки, на территории Ближнего Востока. Скрещивание — наиболее вероятная версия. Вероятно, что небольшая группа, от которой произошло все население Евразии, Америки и Австралии, изначально отличалась от остального африканского населения и была ближе к неандертальцам, чем остальные. ДНК неандертальца и современного человека идентичны примерно на 99,5%. Неандертальцы исчезли, по разным версиям: из-за климатических изменений во время последнего обледенения; из-за распространения болезней, в том числе занесенных из Африки современным видом людей и распространявшихся среди каннибалов; произошла ассимиляция людьми современного типа; вытеснение людьми современного типа.