Читать книгу Естествознание. Базовый уровень. 10 класс - Н. С. Пурышева, О. С. Габриелян - Страница 8

1. Изложите историю создания оптических приборов от XVI–XVII вв. до наших дней.

2. Перечислите доказательства учёными Средневековья шарообразности Земли, покажите на примерах от Леонардо да Винчи до К. Э. Циолковского и С. П. Королёва стремление человечества освоить воздушное пространство и вырваться в космос.

3. Назовите имена писателей-фантастов, которые предсказали в своих романах создание приборов, машин и аппаратов, помогающих людям проникнуть в глубины космоса и океана.

Многообразие миров

Человека всегда привлекали таинства запредельно больших расстояний и бесконечно малых величин. Трудно себе представить расстояние в несколько миллионов световых лет, осмыслить размеры галактик и Вселенной. Так уж устроен человеческий разум, что мы всегда задаёмся вопросом: а что находится дальше, за той умозрительной границей, которую рисует воображение?

Не менее интересно мысленно проникать в глубь материального мира. Мы уже уверены в сложности строения атома и элементарных частиц, его составляющих. Доказано, что и они, элементарные частицы, не такие уж элементарные. Протон, например, образован частицами, которые называют кварками и глюонами. А дальше?

Желание человечества проникнуть в самые глубины мироздания заставляет тратить баснословные средства на научные исследования и проектные разработки, к примеру, на создание Большого адронного коллайдера, с помощью которого предполагается зафиксировать ещё более мелкие «кирпичики» материи.

Проникновение в безгранично малые или необозримо большие миры – не простое любопытство. Человечество так и осталось бы на уровне первобытно-общинного строя, если бы не научилось использовать во благо себе научные знания и практический опыт, почерпнутый при исследовании окружающего мира. Человек стремится познать устройство миров, существующих объективно и независимо от его воли, – мира, в котором живёт он сам, и миров, которые живут в нём. Границы этих миров достаточно условны.

Рис. 19. Объекты различных миров: мегамира – галактика (а); человек (б); макромира – клетка (в); микромира – молекула ДНК (г)

Мегамир – это мир, объекты которого имеют неограниченные масштабы (например, Вселенная, галактики; рис. 19, а).

Макромир – это мир, объекты которого окружают нас и видны невооружённым глазом либо их можно увидеть с помощью микроскопов и телескопов с небольшим увеличением (например, планета Земля, её спутник – Луна, человек, растительные и животные клетки; рис. 19, б, в).

Микромир – это мир, объекты которого имеют размеры меньше 10^-8 м (это молекулы, атомы и элементарные частицы – протоны, нейтроны, электроны; рис. 19, г).

Уровень развития современной техники позволяет уже различать структуры размером от 1 до 100 нм (1 нм = 10^-9 м; например, молекула ДНК имеет диаметр 2 нм), поэтому эту часть микромира выделяют в наномир.

Изучение объектов мега– и макромира

Все объекты мегамира – галактики и Вселенную – невозможно увидеть целиком, равно как и некоторые объекты макромира, например Землю, – в силу больших размеров. Если человек находится на её поверхности, то он может увидеть отдельные горы, небольшие озёра, фрагменты островов, лесов и рек, а земной шар может рассмотреть лишь из космоса. Недаром в древности люди представляли себе Землю плоской. В докосмическое время доказательствами того, что Земля имеет форму шара, служили следующие наблюдения: постепенное исчезновение корабля, уплывающего за линию горизонта, кругосветные плавания и т. д.

Основными приборами, с помощью которых изучают Вселенную, являются телескопы разных типов, с которыми вы познакомитесь в следующей главе учебника.

Некоторые объекты макромира можно наблюдать непосредственно и проводить различные их исследования. Например, измерять вес, рост, пульс, давление, остроту зрения человека или животного и т. п. Изучение более мелких объектов макромира неразрывно связано с усовершенствованием оптических приборов, которые сыграли большую роль в развитии, например, клеточной теории. В 1665 г., изучая срез пробки, Р. Гук (1635–1703) обнаружил структуры, похожие на соты, и назвал их клетками. А. Левенгук (1632–1723) усовершенствовал микроскоп и смог наблюдать живые клетки с увеличением более чем в 200 раз. В 1831–1833 гг. Р. Брбун (1773–1858) обнаружил в растительных клетках ядро. Проанализировав все существующие на тот момент знания о клеточном строении живой природы, в том числе труды ботаника М. Я. Шлейдена (1804–1831), в 1838 г. Т. Шванн (1810–1882) сформулировал основные положения клеточной теории. Однако более детальное изучение объектов микромира с помощью оптических микроскопов ограничено тем, что они имеют определённый предел разрешения, т. е. возможность увидеть по отдельности мелкие объекты или их части.

Английский физик Дж. У. Рэлей (1842–1919) доказал, что предел разрешения микроскопа, ограничивающий минимальные размеры рассматриваемого объекта, равен ¹/₂ длины световой волны. Поскольку самые короткие длины волн видимого света составляют 400 нм, то разрешающая способность оптических микроскопов – около 200 нм.

Изучение объектов микро– и наномира

Исследование объектов микромира (структуры клеточной мембраны, органоидов растительной и животной клеток, двойной спирали ДНК и т. п.) связано с созданием электронного микроскопа. Он позволил значительно расширить возможности исследования веществ на микроскопическом уровне. В электронном микроскопе вместо света используются такие же, как в обычном телевизоре, пучки электронов, ускоренные электрическим полем до больших энергий. В качестве линз выступают электромагнитные поля соответствующей конфигурации, т. е. своеобразные электронные линзы. Магнитное и электрическое поля изменяют движение потока электронов, что делает возможной фокусировку электронных лучей (в оптическом микроскопе фокусируются световые лучи).

Изображение, подобное телевизионному, наблюдают на экране, покрытом специальным составом, который светится при попадании на него потока электронов, либо фиксируют на фотопластинке.

Увидеть объекты наномира можно с помощью сканирующих зондовых микроскопов. Зондовыми они называются потому, что в роли своеобразного щупа, или зонда, выступает чрезвычайно тонкая игла.

Рис. 20. Схема устройства и работы сканирующего туннельного микроскопа: 1 – образец; 2 – остриё иглы; 3– СТМ-изображение после компьютерной обработки; 4 – регулировка цепи обратной связи

Такие микроскопы обладают по сравнению с обычными электронными более высокой разрешающей способностью. Так, они могут сканировать профиль поверхности изучаемого объекта с точностью до отдельных атомов.

Различают два основных типа сканирующих зондовых микроскопов: сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ).

Рассмотрим принцип действия СТМ (рис. 20).

Металлическая игла подводится к образцу на расстояние не скольких десятков нанометров. При таком сближении некоторые электроны, не обладающие достаточной энергией для преодоления электростатического притяжения к ядру, могут покидать электронные оболочки своих атомов. Это возможно из-за двойственной природы электрона, который является одновременно и частицей, и волной. Именно волновые свойства электрона позволяют ему покинуть «родную оболочку» через «туннель» в энергетическом барьере притяжения к ядру. (Своеобразной моделью к сказанному может служить фрагмент из голливудского блокбастера Бекмамбетова «Особо опасен», в котором наглядно представлен процесс огибания пулей (аналога электрона) препятствия (аналога энергетического барьера).)

Рис. 21. Схема устройства и работы атомно-силового микроскопа

При подаче на иглу относительно небольшого напряжения возникает так называемый туннельный ток.

Сила тока зависит от расстояния между образцом и иглой. Типичные значения 1 – 1000 пА[1]при расстояниях около 1 мкм.

В процессе сканирования игла движется вдоль поверхности образца, сила туннельного тока меняется в зависимости от формы поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта поверхности (см. рис. 20).

В каждом мире, как и в каждом государстве, действуют свои собственные законы. Мега– и макромиры подчиняются законам классической физики. Однако «туннельный эффект», о котором говорилось выше, не может быть объяснён этими законами. В микромире «работают» свои, особые законы, основанные на принципах корпускулярно-волнового дуализма частиц.

Другой «инструмент» для исследования, например, диэлектриков, – это атомно-силовой микроскоп (АСМ). В нём измеряются силы взаимодействия между атомами зонда и атомами поверхности. В АСМ зонд прикреплён к концу кронштейна (плоской пружины) и его положение определяется именно величиной сил межатомного взаимодействия (рис. 21).

Своеобразной моделью принципа работы АСМ является чтение слепыми специальных печатных изданий, изготовленных на основе метода Брайля. Проводя по строчкам таких изданий, слепые люди осязают выпуклые буквы текста рецепторами пальцев – «читают» его.

Молекулярное распознавание и изменяющиеся свойства веществ в наномире

Геометрия, или архитектура, молекул обусловливает молекулярное распознавание.

Молекулярное распознавание – это способность одной молекулы притягивать другую молекулу, соответствующую первой структурно и энергетически, за счёт электростатических сил.

Молекулярное распознавание служит химической основой для работы рецепторов органов чувств, в первую очередь вкуса и обоняния. Действие биологических катализаторов белковой природы – ферментов также основано на молекулярном распознавании. Каждый фермент ускоряет только одну какую-либо реакцию или группу однотипных реакций. Эту их особенность называют селективностью (избирательностью). Она позволяет организму быстро и точно выполнить чёткую программу синтеза нужных ему соединений на основе молекул пищевых веществ или продуктов их превращения. Располагая богатым набором ферментов, клетка разлагает молекулы белков, жиров и углеводов до небольших фрагментов – мономеров (аминокислот, глицерина и жирных кислот, моносахаридов) и заново строит из них белковые и другие молекулы, которые будут точно соответствовать потребностям организма. Недаром великий русский физиолог И. П. Павлов (1849–1936) назвал ферменты носителями жизни. Ферменты, как правило, ускоряют однотипные реакции, и лишь немногие из них действуют на определённую, единственную реакцию. К таким абсолютно специфичным ферментам относится, например, уреаза, разлагающая одно-единственное вещество – мочевину.

В сырых овощах, сыром мясе, в крови содержится фермент каталаза, с помощью которого происходит разложение пероксида водорода:

2H₂O₂ 2H₂O + O₂↑.

А поскольку ферменты – катализаторы белковой природы, они, как и любые белки, подвергаются денатурации (изменению природной структуры) и теряют каталитическую активность.

Лабораторный опыт

В два химических стакана налейте по 3–5 мл раствора пероксида водорода. В первый стакан опустите кусочек сырого картофеля, во второй – кусочек варёного картофеля. Что вы наблюдаете в том и другом стакане?

В наномире меняются физические свойства веществ – цвет, температура плавления, там действуют другие законы. Например, с по-мощью электронного сканирующего микроскопа можно увидеть изменение цвета коллоидных растворов золота (рис. 22). Коллоидные (микроскопические) частицы обычно состоят из большого числа молекул и ионов.

Рис. 22. Изменение цвета у частиц золота в зависимости от их размера

Первыми «нанотехнологами» были древние гончары и средневековые стеклодувы. Они оставили нам в наследство изумительные по цветовой гамме керамические изделия и великолепные цветные витражи церквей и дворцов.

В наномире изменяются и химические свойства некоторых веществ. Например, наночастицы серебра способны реагировать с соляной кислотой с выделением водорода:

2Ag + 2HCl = 2AgCl + H₂↑.

Одной из главных причин изменения химических и физических свойств вещества в наномире является увеличение числа атомов, находящихся на поверхности наночастицы, поэтому их химическая активность очень велика.

Такое необычное поведение веществ в наномире может иметь практическое применение – например, в хранении и передаче наследственной информации, в ориентировке живых организмов в пространстве, поисках питания, в тропизме (движении) у растений. Именно молекулярное распознавание лежит в основе реакций матричного синтеза – самоудвоения молекул ДНК и процессов биосинтеза белка.

Вы знаете

♦ что мир многообразен: выделяют мега– и макромир, микро– и наномир

♦ как изучают объекты мега-, макромира, микро– и наномира

♦ что такое молекулярное распознавание

Вы можете

♦ привести примеры объектов мега-, макро-, микро– и наномира и способы их изучения

♦ проиллюстрировать на примерах, как усовершенствовались на протяжении веков оптические приборы, аппараты, механизмы, помогающие людям в изучении мира

♦ объяснить, чем микромир отличается от наномира и что необычного происходит с законами физики, химии, биологии в наномире

Выполните задания

1. Назовите миры, которые различают в естествознании, приведите примеры объектов каждого мира.

2. Докажите, что наномир – особый мир.

3. Объясните, что такое молекулярное распознавание и какое значение оно имеет для живой природы.

4. Как соблюдаются закономерности химической, биологической и физической наук в макро– и микромирах?

5. Какое практическое значение имеет познание наномира?

6. Сравните принципы работы современных микроскопов (СТМ и АСМ).

Темы для рефератов

1. Современные открытия в астрономии, которые произвели сенсации в естествознании. 2. Атомный силовой и сканирующий туннельный микроскопы: принципы работы. 3. Наномир, его особенности и перспективы.