Что такое газопылевое облако
Что такое газопылевое облако
Газово-пылевые облака
Молекулы и органическая химия
Основные свойства атомов
Существует несколько орбит на которых могут находиться электроны. На первой (ближней к ядру) орбите могут находиться 2, на остальных по 8 электронов. Чем больше в ядре протонов, тем ближе орбиты притягиваются к ядру, что проявляется в периодичности изменения размеров атомов, после семи уменьшений внешней орбиты на 8-м атоме начинает формироваться новая орбита и размер 8-го атома увеличивается.
Цветом обозначены атомы имеющие самое большое значение в образовании жизни.
На иллюстрациях и моделях, когда не требуется показ орбиталей, атом изображается сферой с радиусом равным длине орбиталей. На примере атома кислорода:
Молекулы метана, аммиака, воды и фтороводорода будут выглядеть так:
Для удобства отображения молекул используется шариково-палочная модель – орбитали атома с парами электронов не показываются, а незаполненные орбитали обозначаются палочкой, при этом атом рисуется шариком и уменьшается настолько, чтобы палочку было видно. Мы используем гибридный масштаб – диаметры атомов на 20% меньше, чем они были бы, если бы их рисовать в одном масштабе с расстоянием между центрами атомов в молекуле.
Геометрия молекул в большой мере определяется описанным выше свойством орбиталей создавать углы между собой 109 градусов.
По этой же причине углерод более прочный, чем силан.
Свойства углерода создавать цепочки. Углерод помимо кристаллов способен создавать из своих небольших атомов цепочки с ковалентно связанными различными атомами, которые располагаются перпендикулярно оси цепочки. Кремний такие цепочки создать не может из-за менее сильного взаимодействия между атомами ( кремний может создать ковалентные связи только с атомами меньшего, чем он сам размера).
Таким образом, углерод обладает уникальным свойством, которого больше нет ни у каких других атомов, – создание цепочек на основе связей между своими атомами.
Кроме этого, небольшой размер углерода позволяет создавать двойные и даже тройные связи между своими атомами, что ведет к еще большим возможностям с точки зрения разнообразия комбинаций.
Разнообразие соединений на основе углерода такое большое, что они выведены в отдельный раздел химии – органическая химия.
Распространенность атомов и газовопылевые облака
Распространение атомов в результате нуклеосинтеза в Галактике при достижении ей возраста несколько миллиардов лет следующее.
Распространенность атомов в Галкактике в процентах
Образовавшиеся в результате нуклеосинтеза (после взрывов сверхновых звезд) в галактике атомы под действием гравитации образуют гигантские облака (позже из них образуются звезды следующих поколений). Количество тяжелых атомов в гигантских облаков пропорционально количеству атомов образовавшихся в результате нуклеосинтеза. Такие облака называются молекулярными или газопылевыми облаками (ГПО), причина такого названия объяснена ниже.
ГПО имеют линейные размеры до 1% от размеров галактики, их в галактике около 1 тыс., они движутся и меняют форму под действием собственных гравитационных и магнитных полей и под действием излучения звезд.
ГПО как гигантские пылесосы собирают из галактики атомы образовавшиеся в результате нуклеосинтеза. Плотность вещества в ГПО в триллионы раз превышает плотность вещества в межзвездном пространстве. Со звездами ГПО не сталкиваются, т.к. звезды своим излучением отталкивают свободные легкие атомы водорода и гелия из которых ГПО состоят на 98% и гравитация ГПО притягивает остальные атомы к самому облаку не давая ему распасться.
Температура ГПО ниже минус 230 градусов, т.е. около 40 градусов выше абсолютного нуля. Образование молекул при низкой концентрации атомов при таких температурах идет медленно, существенным преимуществом в этом процессе обладают 4-х валентные атомы, это проявляется в присутствии в ГПО кристаллов алмаза и кремния.
В отсутствии факторов разрушения наименее устойчивых молекул, в ГПО достигается чрезвычайно большое разнообразие молекул.
Простейшие вещества в ГПО
В ГПО атомы до начала образования молекул перемешаны и низкие скорости движения атомов позволяют им сближаться самыми разными способами, в результате возникают практически любые не сложные молекулы, которые не противоречат валентностям атомов. Конечно, более вероятны молекулы, которые состоят из более распространенных атомов.
Простейшие неорганические молекулы
Временно здесь, далее переместится в следующие разделы.
кварц SiO2
полевой шпат
оливин
гранат
асбест
слюда
оксид алюминия
рабин, сапфир
оксид железа двувалентный
оксид железа трехвалентный
пироксен
гематит
амфибол
металлы
Разнообразие органических веществ в ГПО
В ГПО образовываются все основные виды органических веществ с дополимерной степенью сложности. Эти молекулы в органической химии группируются в соответствии с характерными особенностями их состава.
Начиная с органических молекул содержащих более 3 атомов, не считая водорода, для структурных формул применяется условность, позволяющая записывать их очень кратко: атомы водорода H не указываются, предполагается, что количество Н соответствует валентности других атомов в молекуле. Такие формулы частично отображают геометрию молекул и называются скелетными формулами.
Углеводороды с кратными связями
Спирты : соединения, в состав которых входит группа (-O-H)
,
,
Циклические углеводы. Получаются из нециклических с разрывом двойной связи кислорода с углеродом и замыканием на 4-м атоме углерода с образованием воды.
Двойные карбоновые кислоты:
Бескислородные серосодержащие органические соединения
Бескислородные азотосодержащие органические соединения
В зависимости от того, к какому атому углерода от карбоксильной группы присоединена аминогруппа, аминокислоты
делятся на альфа-аминокислоты, бета-аминокислоты и прочие.
Гетероциклические азотные соединения
Взаимодействие молекул и ограничение уровня сложности
Молекулы не только создавались случайным образом в соответствии с валентностями, но и реагировали между собой создавая более сложные молекулы. Для осуществления реакции необходимо, чтобы молекулы при сближении были точно сориентированы по отношению к друг другу. Даже для небольших молекул только одно из сотни сближений достаточно точное, чтобы произошла реакция.
Чем сложнее молекулы, тем менее вероятны взаимодействия между ними из-за того, что понижается вероятность точного правильного сближения таких молекул. Поэтому сложная большая молекула может среагировать с небольшой, но реакция двух больших молекул уже намного менее вероятна.
Кроме этого, в газообразном сильно разряженном холодном космосе концентрация одинаковых молекул мала и, соответственно, не возникают условия для регулярных комбинаций. Исключением является кристаллизации на основе углерода и кремния. При таких сверхнизких температурах вокруг преобладающих углерода и кремния собираются пылинки размером в миллионы атомов различных элементов. Молекулы слипаются в пылинки с непредсказуемым составом, поэтому часто газомолекулярные облака называют газопылевыми облаками.
Что такое газопылевое облако
СВЕТ ДАЛЕКИХ ЗВЕЗД И ЖИЗНЬ НА ЗЕМЛЕ
Недавно международная группа исследователей обнаружила еще одну любопытную связь биологии с астрономией. Оказывается, асимметрия в структуре молекул аминокислот, входящих в состав живых организмов, может быть непосредственно связана с особенностями звездного излучения на ранних этапах зарождения жизни на Земле.
МОЛЕКУЛЫ ЛЕВЫЕ И ПРАВЫЕ
Любопытно, что почти все природные белки состоят только из левых аминокислот. Этот факт тем более удивляет, что при синтезе аминокислот в лабораторных условиях образуется примерно одинаковое число правых и левых молекул. Оказывается, этой особенностью обладают не только аминокислоты, но и многие другие важные для живых систем вещества, причем каждое имеет строго определенный знак зеркальной симметрии во всей биосфере. Например, сахара, входящие в состав многих нуклеотидов, а также нуклеиновых кислот ДНК и РНК, представлены в организме исключительно правыми D-молекулами. Хотя физические и химические свойства «зеркальных антиподов» совпадают, их физиологическая активность в организмах различна: L-caxaра не усваиваются, L-фенилаланин в отличие от безвредных его D-молекул вызывает психические заболевания и т. д.
МОЛЕКУЛЫ И ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ
ЗАГАДКА МЕРЧИСОНСКОГО МЕТЕОРИТА
Итак, не только на Земле, но, возможно, и во всей Солнечной системе левые аминокислоты преобладают над правыми. Чтобы понять, где и каким образом впервые зародилась эта асимметрия, исследований одного только метеорита явно недостаточно. Однако эксперименты Энгеля и Марко дают важную подсказку: измеренное ими соотношение изотопов азота совпало со значениями, полученными астрономами в ходе спектроскопических исследований межзвездного вещества. Похоже, что аминокислоты Мерчисонского метеорита состоят из атомов, которые ранее были частью межзвездных газопылевых облаков. Но если аминокислоты с зеркальной асимметрией впервые образовались именно в межзвездном веществе, то как же они попали на Землю?
Примерно половина межзвездного вещества нашей галактики диффузно рассеяна в космическом пространстве. Другая половина, напротив, сконцентрирована в гигантских молекулярных облаках. Млечный Путь содержит несколько тысяч таких скоплений, поперечные размеры которых достигают 250 световых лет. Молекулярные облака состоят главным образом из водорода (около 75%) и гелия (около 23%). На оставшиеся 2 процента приходятся все остальные химические элементы. Несмотря на очень низкую температуру открытого космоса, водород и гелий пребывают в газообразном состоянии, а углерод, кислород, азот, неон, сера, магний, аргон, кремний, железо и другие элементы образуют твердые частицы космической пыли. Столкновения движущихся частиц могут приводить к химическим реакциям на их поверхности и, следовательно, к образованию новых, более сложных соединений. При этом за счет энергии столкновения некоторые молекулы отрываются от поверхности пылинки и становятся частью межзвездного газа. С помощью радиотелескопов астрономам уже удалось обнаружить в гигантских молекулярных облаках монооксид углерода, этанол, циано-тетрацетилен и другие вещества (правда, аминокислоты в молекулярных облаках пока не найдены).
Казалось бы, сложные молекулы, свободно дрейфующие в открытом космосе, неминуемо должны быть разрушены ультрафиолетовым излучением ближайших звезд. Однако пыль гигантских молекулярных облаков служит им защитным экраном, рассеивая и поглощая лучи ультрафиолета. Эффективность такой экранировки определяется как плотностью пылевых частиц, так и длиной волны излучения. Зависимость поглощающей способности вещества от длины волны света помогает астрономам исследовать молекулярные облака: практически непроницаемые для ультрафиолета, они легко пропускают свет в инфракрасном и радиодиапазонах.
Газопылевые облака привлекают астрономов в первую очередь потому, что именно там зарождаются звезды. Когда газ в одном из облаков начинает концентрироваться, он увлекает за собой и окружающие частицы пыли, в результате чего рождающаяся звезда оказывается «обернутой» в пылевой кокон. Поскольку этот газопылевой шар постоянно вращается вокруг своей оси, то по мере сжатия ему приходится крутиться все быстрее и быстрее в силу закона сохранения момента импульса. Вращение приводит к тому, что пылевая оболочка постепенно вытягивается и образует толстый диск, напоминающий огромный пирог, в центре которого в конце концов и формируется новая звезда. Типичный пылевой диск имеет диаметр порядка 1000 астрономических единиц (а.е.) и толщину примерно несколько сотен а.е. (одна астрономическая единица равна расстоянию от Земли до Солнца, приблизительно 150 миллионам километров). С помощью космического телескопа «Хаббл» были получены впечатляющие изображения пылевых дисков в виде темных силуэтов на фоне ярко пылающего газа.
ЦИРКУЛЯРНО ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ ЗВЕЗДНЫЙ СВЕТ
Конечно, в реальности все несколько сложнее, поскольку на ориентацию плоскости поляризации могут влиять различные факторы. Например, внутри одной туманности может находиться несколько источников излучения, а на пути к Земле свет может встретить скопления удлиненных частиц пыли, которые изменят его поляризацию. Чтобы учесть все подобные факторы, приходится строить сложные теоретические модели и применять компьютерное моделирование.
В середине 90-х годов Стюарт Кларк и его коллеги из университета в Хертфордшире (Великобритания), занимавшиеся компьютерным моделированием рассеяния света в отражательных туманностях, решили проверить экспериментально некоторые результаты своих вычислений. Проведенный ими теоретический расчет показывал, что в толстом слое пыли вблизи звезды свет может рассеиваться не один, а несколько раз, в результате чего небольшая часть фотонов должна приобрести сначала линейную, а потом циркулярную поляризацию. Эксперимент по обнаружению циркулярно поляризованного излучения решено было провести на телескопе Англо-австралийской обсерватории в Новом Южном Уэльсе (Австралия) с применением инфракрасной камеры и специально сконструированного циркулярного поляриметра. Стоит отметить, что в то время исследователи еще ничего не знали ни о Мерчисонском метеорите, ни о гипотезе влияния поляризованного света на формирование жизни на Земле.
При исследовании Кассиопеи и ряда других туманностей Кларк и его коллеги либо вовсе не обнаружили циркулярно поляризованного света, либо его доля в общем излучении по-прежнему не превышала одного-двух процентов. Однако в созвездии Ориона ученых ждал настоящий сюрприз!
Неожиданные экспериментальные результаты требовали тщательной проверки теоретической модели и компьютерного расчета. Однако повторные вычисления убедительно показали, что при рассеянии света на частицах сферической формы доля циркулярно поляризованного излучения должна быть значительно ниже той, что наблюдается в эксперименте. Так в чем же дело?
Исследователи пребывали в некотором замешательстве до тех пор, пока Алан Маккол не выдвинул одну, в общем-то не новую, идею: а что если свет рассеивается не сферическими, а слегка удлиненными частицами пыли, ориентированными вблизи звезды ее магнитным полем? При такой конфигурации рассеивающей среды доля циркулярно поляризованного света действительно будет большой, даже если перед этим свет не обладал линейной поляризацией.
Чем определяются границы этого диапазона? С одной стороны, для того чтобы энергии света хватило на разрушение связей в органических молекулах, его длина волны должна быть меньше 230 нанометров. С другой стороны, основная часть излучения звезд имеет длину волны, превышающую 200 нанометров. На меньших длинах волн звезды излучают сравнительно мало: интенсивность светового потока с длиной волны 150 нанометров падает на два порядка по сравнению с излучением на 220 нанометрах. Следовательно, основной вклад в излучение дает свет в узком диапазоне от 200 до 230 нанометров. Лабораторные эксперименты подтвердили, что оно действительно обладает избирательным воздействием на молекулы. Следовательно, подобный механизм должен действовать и в космосе.
Возможно, избыток тех или иных энантиомеров впервые появился на нашей планете примерно 5 миллиардов лет назад, когда ее поверхность подверглась мощной бомбардировке кометами и астероидами. По мнению геохимиков, именно в этот период на Землю попали вода, газы и большая часть летучих соединений, в результате чего образовалась атмосфера. Вероятно, тогда же на Землю из космоса были занесены и органические молекулы с преобладанием тех или иных зеркальных антиподов: L-аминокислоты, D-caxap? и т.д. Хотя органические молекулы могли появиться на Земле и на более ранних этапах ее формирования, однако в отсутствии атмосферы большая часть из них должна была бы погибнуть. Казалось бы, в ходе мощных столкновений метеоритов с поверхностью Земли хрупкие органические молекулы также должны были бы разрушиться, но обилие органических соединений, найденное в Мерчисонском метеорите, свидетельствует об обратном.
Гипотезу о космическом происхождении земной жизни можно будет подтвердить (или опровергнуть), получив пробы грунта с других планет. Не исключено, что в глубинных слоях почвы Марса, Луны или спутников Юпитера сохраняется какая-то органика, защищенная от губительных излучений толщей грунта.
По материалам журнала «American Scientist» и Интернета.
• ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
ЧТО ТАКОЕ ПОЛЯРИЗАЦИЯ
Журнал уже рассказывал о том, что такое поляризованный свет, чем он отличается от природного и как его можно получить (см. «Наука и жизнь» № 7, 1999 г.). Напомним основные его свойства.
Пусть на вертикальной оси вращается планка, на конце которой укреплена спица с шариком. Если осветить ее двумя перпендикулярными пучками света, тени от шарика станут совершать правильные, гармонические колебания. Круговое вращение оказалось разложенным на два колебания. А поскольку физические явления такого рода обратимы, то и сумма двух гармонических колебаний даст круговое движение.