Κατά κανόνα, σε λίγους μαθητές αρέσει η σχολική επιστήμη σχετικά με τις ιδιότητες και τη δομή της ύλης. Και στην πραγματικότητα - μια κουραστική λύση στα προβλήματα, σύνθετους τύπους, ακατανόητοι συνδυασμοί ειδικών χαρακτήρων κ.λπ. Γενικά, σκέτη κατήφεια και μελαγχολία. Αν έτσι νομίζετε, τότε αυτό το υλικό- σίγουρα για σένα.
Σε αυτό το άρθρο θα σας πούμε τα πιο ενδιαφέροντα στοιχεία για τη φυσική, που θα κάνουν ακόμα και έναν αδιάφορο άνθρωπο να δει τη φυσική επιστήμη διαφορετικά. Χωρίς αμφιβολία, η φυσική είναι μια πολύ χρήσιμη και ενδιαφέρουσα επιστήμη και υπάρχουν πολλά ενδιαφέροντα στοιχεία για το Σύμπαν που σχετίζονται με αυτήν.
1. Γιατί ο ήλιος είναι κόκκινος το πρωί και το βράδυ;Ένα υπέροχο παράδειγμα γεγονότος από φυσικά φαινόμενα στη φύση. Στην πραγματικότητα, το φως είναι πυρακτωμένο ουράνιο σώμα- άσπρο. Η λευκή λάμψη, όταν αλλάζει φασματικά, τείνει να αποκτήσει όλα τα χρώματα του ουράνιου τόξου.
Τα πρωινά και τα βράδια, οι ακτίνες του ήλιου περνούν από πολλά στρώματα της ατμόσφαιρας. Τα μόρια του αέρα και τα μικροσκοπικά ξηρά σωματίδια σκόνης μπορούν να εμποδίσουν τη διέλευση του ηλιακού φωτός, επιτρέποντας καλύτερα να περάσουν μόνο οι κόκκινες ακτίνες.
2. Γιατί ο χρόνος τείνει να σταματά με την ταχύτητα του φωτός;Αν πιστεύεις γενική θεωρίαπροτεινόμενη σχετικότητα, η απόλυτη τιμή της ταχύτητας διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε ένα μέσο κενού είναι σταθερή και ίση με τριακόσια εκατομμύρια μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Αυτό είναι στην πραγματικότητα ένα μοναδικό φαινόμενο, δεδομένου ότι τίποτα στο σύμπαν μας δεν μπορεί να υπερβεί την ταχύτητα του φωτός, αλλά αυτό εξακολουθεί να είναι μια θεωρητική άποψη.
Σε μια από τις θεωρίες, που συντάχθηκε από τον Αϊνστάιν, υπάρχει μια ενδιαφέρουσα ενότητα που λέει ότι όσο περισσότερο κερδίζετε ταχύτητα, τόσο πιο αργός αρχίζει να κινείται ο χρόνος σε σύγκριση με τα γύρω αντικείμενα. Για παράδειγμα, αν οδηγείτε ένα αυτοκίνητο για μια ώρα, θα γερνάτε λίγο λιγότερο από ό,τι αν ήσασταν απλώς ξαπλωμένοι στο κρεβάτι σας στο σπίτι και περιηγείστε. τηλεοπτικά προγράμματα. Τα νανοδευτερόλεπτα είναι απίθανο να έχουν αξιοσημείωτο αντίκτυπο στη ζωή σας, αλλά το αποδεδειγμένο γεγονός παραμένει γεγονός.
3. Γιατί ένα πουλί που κάθεται σε ένα ηλεκτρικό καλώδιο δεν πεθαίνει από ηλεκτροπληξία;Ένα πουλί που κάθεται σε ένα καλώδιο τροφοδοσίας δεν σοκάρεται επειδή το σώμα του δεν είναι αρκετά αγώγιμο. Σε σημεία όπου το πουλί έρχεται σε επαφή με το σύρμα, δημιουργείται μια λεγόμενη παράλληλη σύνδεση και αφού Το καλώδιο υψηλής τάσης είναι ο καλύτερος αγωγός ρεύματος μόνο ένα ελάχιστο ρεύμα ρέει μέσα από το σώμα του ίδιου του πουλιού, το οποίο δεν είναι σε θέση να προκαλέσει σημαντική βλάβη στην υγεία του πουλιού.
Αλλά μόλις ένα φτερωτό και περονοφόρο σπονδυλωτό ζώο που στέκεται σε ένα σύρμα έρθει σε επαφή με ένα γειωμένο αντικείμενο, για παράδειγμα, ένα μεταλλικό μέρος μιας γραμμής υψηλής τάσης, καίγεται αμέσως, επειδή η αντίσταση σε αυτή την περίπτωση γίνεται πολύ μεγάλη , και ολόκληρο το ηλεκτρικό ρεύμα διαπερνά το σώμα του άτυχου πουλιού.
4. Πόση σκοτεινή ύλη υπάρχει στο Σύμπαν;Ζούμε σε έναν υλικό κόσμο και το μόνο που μπορούμε να δούμε γύρω μας είναι η ύλη. Έχουμε την ευκαιρία να το αγγίξουμε, να το πουλήσουμε, να το αγοράσουμε, μπορούμε να διαθέσουμε το υλικό κατά την κρίση μας. Ωστόσο, στο Σύμπαν δεν υπάρχει μόνο αντικειμενική πραγματικότηταμε τη μορφή της ύλης, αλλά και της σκοτεινής ύλης (οι φυσικοί μιλούν συχνά γι' αυτήν» ένα σκοτεινό άλογο") είναι ένας τύπος ύλης που δεν τείνει να εκπέμπει Ηλεκτρομαγνητικά κύματακαι αλληλεπιδρούν μαζί τους.
Για προφανείς λόγους, κανείς δεν μπόρεσε να δει ή να αγγίξει τη σκοτεινή ύλη. Οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι υπάρχει στο Σύμπαν, έχοντας επανειλημμένα παρατηρήσει έμμεσες ενδείξεις της ύπαρξής του. Είναι γενικά αποδεκτό ότι το μερίδιό της στη σύνθεση του Σύμπαντος καταλαμβάνει το 22%, ενώ η γνωστή σε εμάς ύλη καταλαμβάνει μόλις το 5%.
5. Υπάρχουν πλανήτες που μοιάζουν με τη Γη στο Σύμπαν;Αναμφίβολα υπάρχουν! Λαμβάνοντας υπόψη την κλίμακα του Σύμπαντος, η πιθανότητα κάτι τέτοιο εκτιμάται από τους επιστήμονες αρκετά υψηλή.
Ωστόσο, μόλις πρόσφατα επιστήμονες από τη NASA άρχισαν να ανακαλύπτουν ενεργά τέτοιους πλανήτες που βρίσκονται όχι περισσότερο από 50 έτη φωτός από τον Ήλιο, που ονομάζονται εξωπλανήτες. Οι εξωπλανήτες είναι πλανήτες σαν τη Γη που περιφέρονται γύρω από τον άξονα άλλων άστρων. Μέχρι σήμερα, έχουν βρεθεί περισσότεροι από 3.500 πλανήτες που μοιάζουν με τη Γη και οι επιστήμονες ανακαλύπτουν όλο και περισσότερο εναλλακτικά μέρη για να ζουν οι άνθρωποι.
6. Όλα τα αντικείμενα πέφτουν με την ίδια ταχύτητα.Μπορεί σε κάποιους να φαίνεται ότι τα βαριά αντικείμενα πέφτουν πολύ πιο γρήγορα από τα ελαφριά αντικείμενα - αυτή είναι μια απολύτως λογική υπόθεση. Σίγουρα ένα ξωτικό χόκεϊ πέφτει με πολύ μεγαλύτερη ταχύτητα από ένα φτερό πουλιού. Στην πραγματικότητα, αυτό είναι έτσι, αλλά όχι λόγω σφάλματος της παγκόσμιας βαρύτητας - ο κύριος λόγος για τον οποίο μπορούμε να το παρατηρήσουμε είναι ότι το κέλυφος αερίου που περιβάλλει τον πλανήτη παρέχει ισχυρή αντίσταση.
Έχουν περάσει 400 χρόνια από τότε που συνειδητοποίησα για πρώτη φορά ότι η παγκόσμια βαρύτητα ισχύει για όλα τα αντικείμενα εξίσου, ανεξάρτητα από τη βαρύτητα τους. Αν μπορούσατε να επαναλάβετε το πείραμα με ένα ξωτικό χόκεϊ και ένα φτερό πουλιού στο διάστημα (όπου δεν υπάρχει ατμοσφαιρική πίεση), θα έπεφταν κάτω με την ίδια ταχύτητα.
7. Πώς εμφανίζονται τα βόρεια σέλας στη Γη;Καθ 'όλη τη διάρκεια της ύπαρξής τους, οι άνθρωποι έχουν παρατηρήσει ένα από τα φυσικά θαύματα του πλανήτη μας - το βόρειο σέλας, αλλά ταυτόχρονα δεν μπορούσαν να καταλάβουν τι είναι και από πού προέρχεται. Οι αρχαίοι άνθρωποι, για παράδειγμα, είχαν τη δική τους ιδέα: μια ομάδα ιθαγενών Εσκιμώων πίστευαν ότι αυτό ήταν ένα ιερό φως που εκπέμπονταν από τις ψυχές των νεκρών ανθρώπων και στους αρχαίους ΕΥΡΩΠΑΙΚΕΣ ΧΩΡΕΣΥπέθεσαν ότι επρόκειτο για στρατιωτικές ενέργειες που οι υπερασπιστές του κράτους τους που πέθαναν σε πολέμους ήταν για πάντα καταδικασμένοι να κάνουν.
Οι πρώτοι επιστήμονες ήρθαν στη λύση μυστηριώδες φαινόμενολίγο πιο κοντά - πρότειναν για παγκόσμια συζήτηση τη θεωρία ότι η λάμψη προκύπτει ως αποτέλεσμα της ανάκλασης των ακτίνων φωτός από μπλοκ πάγου. Οι σύγχρονοι ερευνητές πιστεύουν ότι το πολύχρωμο φως προκαλείται από τη σύγκρουση εκατομμυρίων ατόμων και σωματιδίων σκόνης από το ατμοσφαιρικό μας κέλυφος. Το γεγονός ότι το φαινόμενο είναι διαδεδομένο κυρίως στους πόλους εξηγείται από το γεγονός ότι σε αυτές τις περιοχές η ισχύς του μαγνητικού πεδίου της Γης είναι ιδιαίτερα ισχυρή.
8. Γρήγορη άμμος ρουφώντας βαθιά.Η δύναμη τραβήγματος ενός κολλημένου ποδιού έξω από την άμμο, υπερκορεσμένου αέρα και υγρασίας από πηγές ανόδου, με ταχύτητα 0,1 m/s είναι ίση με τη δύναμη ανύψωσης ενός μέσου επιβατικού αυτοκινήτου. Ένα αξιοσημείωτο γεγονός: η κινούμενη άμμος είναι ένα μη νευτώνειο υγρό που δεν είναι σε θέση να απορροφήσει πλήρως το ανθρώπινο σώμα.
Ως εκ τούτου, οι άνθρωποι που βυθίζονται σε κινούμενη άμμο πεθαίνουν από εξάντληση ή αφυδάτωση, υπερβολική υπεριώδη ακτινοβολία ή άλλους λόγους. Ο Θεός φυλάξοι, να βρεθείτε σε μια τέτοια κατάσταση, αξίζει να θυμάστε ότι απαγορεύεται αυστηρά να κάνετε ξαφνικές κινήσεις. Προσπαθήστε να γείρετε το σώμα σας προς τα πίσω όσο πιο ψηλά γίνεται, απλώστε τα χέρια σας διάπλατα και περιμένετε να σας βοηθήσει η ομάδα διάσωσης.
9. Γιατί η μονάδα μέτρησης της περιεκτικότητας των αλκοολούχων ποτών και της θερμοκρασίας ονομάζεται ίδια - βαθμός;Τον 17ο-18ο αιώνα ίσχυε η γενικά αποδεκτή επιστημονική αρχή της θερμιδικής αξίας - η λεγόμενη αβαρής ύλη, η οποία βρισκόταν σε φυσικά σώματα και ήταν η αιτία των θερμικών φαινομένων.
Σύμφωνα με αυτή την αρχή, τα πιο θερμαινόμενα φυσικά σώματα περιέχουν πολλές φορές πιο συμπυκνωμένα θερμιδικά από τα λιγότερο θερμαινόμενα, επομένως η περιεκτικότητα των αλκοολούχων ποτών προσδιορίστηκε ως η θερμοκρασία του μείγματος ουσίας και θερμίδων.
10. Γιατί μια σταγόνα βροχής δεν σκοτώνει ένα κουνούπι;Οι φυσικοί κατάφεραν να καταλάβουν πώς τα κουνούπια καταφέρνουν να πετάξουν σε βροχερό καιρό και γιατί οι σταγόνες της βροχής δεν σκοτώνουν τους αιμοβόρους. Το μέγεθος των εντόμων είναι το ίδιο με το μέγεθος μιας σταγόνας βροχής, αλλά μια σταγόνα ζυγίζει 50 φορές περισσότερο κουνούπι. Ο αντίκτυπος μιας πτώσης μπορεί να συγκριθεί με ένα αυτοκίνητο ή ακόμα και ένα λεωφορείο που προσκρούει στο σώμα ενός ατόμου.
Παρόλα αυτά, η βροχή δεν ενοχλεί τα έντομα. Γεννιέται το ερώτημα - γιατί; Η ταχύτητα πτήσης μιας σταγόνας βροχής είναι περίπου 9 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Όταν ένα έντομο μπαίνει μέσα στο κέλυφος μιας σταγόνας, ασκείται τεράστια πίεση σε αυτό. Για παράδειγμα, αν ένα άτομο υποβαλλόταν σε τέτοια πίεση, το σώμα του δεν θα μπορούσε να το αντέξει, αλλά ένα κουνούπι μπορεί να αντέξει με ασφάλεια τέτοιο άγχος λόγω της συγκεκριμένης δομής του σκελετού. Και για να συνεχίσει να πετάει προς μια δεδομένη κατεύθυνση, το κουνούπι χρειάζεται απλώς να τινάξει τις τρίχες του από μια σταγόνα βροχής.
Οι επιστήμονες λένε ότι ο όγκος της σταγόνας είναι αρκετός για να σκοτώσει ένα κουνούπι αν βρίσκεται στο έδαφος. Και η έλλειψη συνεπειών αφού μια σταγόνα βροχής χτυπήσει ένα κουνούπι αποδίδεται στο γεγονός ότι η κίνηση που σχετίζεται με την πτώση επιτρέπει σε κάποιον να ελαχιστοποιήσει τη μεταφορά ενέργειας στο έντομο.
Υπάρχει ακόμα ένας απεριόριστος αριθμός γεγονότων σε αυτή την επιστήμη. Και αν οι σημερινοί διάσημοι επιστήμονες δεν ενδιαφέρονταν για τη φυσική, δεν θα γνωρίζαμε όλα τα ενδιαφέροντα πράγματα που συμβαίνουν γύρω μας. Τα επιτεύγματα διάσημων φυσικών μας επέτρεψαν να κατανοήσουμε τη σημασία της τεκμηρίωσης νόμων-απαγορεύσεων, νόμων-δηλώσεων και απόλυτων νόμων για τη ζωή της ανθρωπότητας.
Ενδιαφέροντα γεγονότασχετικά με τη φυσική, μια φυσική σχολική επιστήμη, θα σας επιτρέψει να μάθετε τις πιο συνηθισμένες, με την πρώτη ματιά, διαδικασίες από μια ασυνήθιστη πλευρά.
Μια σταγόνα βροχής ζυγίζει περισσότερο από ένα κουνούπι. Αλλά οι τρίχες, που βρίσκονται στην επιφάνεια του σώματος του εντόμου, πρακτικά δεν μεταδίδουν ώθηση από τη σταγόνα στο κουνούπι. Ως εκ τούτου, το έντομο επιβιώνει ακόμη και σε δυνατή βροχή. Ένας άλλος παράγοντας συμβάλλει σε αυτό. Η σύγκρουση του νερού με ένα κουνούπι συμβαίνει σε μια χαλαρή επιφάνεια. Επομένως, εάν το χτύπημα πέσει στο κέντρο του εντόμου, πέφτει με μια σταγόνα για κάποιο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια απελευθερώνεται γρήγορα. Εάν η βροχή πέσει εκτός κέντρου, η τροχιά του κουνουπιού αποκλίνει ελαφρά.
Ενδιαφέροντα γεγονότα για το άτομο
Ο διαχωρισμός των ατόμων δεν είναι μόνο μια χημική διαδικασία, σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να είναι ένα ανθρώπινο χόμπι. Και υπάρχει ένα παράδειγμα από τη Σουηδία - ένας άνδρας (προφανώς δεν έχει καμία σχέση) δημιούργησε ένα μίνι εργαστήριο στη μικρή κουζίνα του με τη μορφή ενός "πυρηνικού αντιδραστήρα" και εκεί, στην πραγματικότητα, πραγματοποίησε τόσο απλά πειράματα, επενδύοντας μόνο λιγότερο από $1000 σε αυτή τη συναρπαστική αποστολή.
Ενδιαφέροντες παράγοντες για τη θερμοκρασία.
Γνωρίζατε ότι ο άνθρωπος κατάφερε να δημιουργήσει μια απίστευτα υψηλή θερμοκρασία -4 δισεκατομμυρίων βαθμών Κελσίου σε έναν ζωντανό οργανισμό; Και αυτό, για να μπορείτε να πλοηγηθείτε, είναι 250 φορές περισσότερο από τη θερμοκρασία του ηλιακού πυρήνα!
Ενδιαφέροντα γεγονότα για το φως.
Το φως έχει μηδενική μάζα αλλά έχει τεράστια κινητική ενέργεια, ασκώντας πίεση σε οποιοδήποτε αντικείμενο φωτίζει. Αυτό καταπληκτική ικανότηταΟι σχεδιαστές προσπαθούν να χρησιμοποιήσουν το φως για να μετακινήσουν δορυφόρους στο διάστημα.
Ενδιαφέρον γεγονός για τις καταιγίδες .
Δεν γνωρίζουν όλοι γιατί δεν μπορείτε να κολυμπήσετε κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας.Δεδομένου ότι το νερό είναι ένας εξαιρετικός αγωγός του ηλεκτρισμού, χάρη στα διάφορα ορυκτά άλατα που είναι διαλυμένα σε αυτό, η πιθανότητα να χτυπηθεί από κεραυνό είναι αρκετά υψηλή. Εάν το νερό αποστάζεται, τότε, αντίθετα, θα μετατραπεί σε διηλεκτρικό.
Ένα ενδιαφέρον γεγονός για τη λειτουργία του ανελκυστήρα.
Οποιοσδήποτε έχει επιβιβαστεί σε ασανσέρ τουλάχιστον μία φορά στη ζωή του. Και πολλοί σκέφτηκαν τι να κάνουν αν άρχιζε να πέφτει από ύψος. Οι περισσότεροι θα συμπέραναν ότι δεν υπήρχε καμία πιθανότητα επιβίωσης κάτω από τέτοιες συνθήκες. Ή ότι τη στιγμή της πρόσκρουσης πρέπει να πηδήξεις. Στην πραγματικότητα, είναι αδύνατο να υπολογιστεί αυτός ο χρόνος. Αλλά αν βεβαιωθείτε ότι η δύναμη κρούσης πέφτει σε όσο το δυνατόν μεγαλύτερη επιφάνεια του σώματος, ίσως όλα να πάνε καλά. Δηλαδή, απλά πρέπει να ξαπλώσετε στο πάτωμα. Όπως φαίνεται, ενδιαφέροντα στοιχεία για τη φυσική μπορεί να σώσει ζωές.
Γιατί ένα πουλί που κάθεται σε ένα σύρμα δεν πεθαίνει από ηλεκτροπληξία;
Ένα πουλί που κάθεται σε μια γραμμή ρεύματος υψηλής τάσης δεν υποφέρει από ρεύμα, επειδή το σώμα του είναι κακός αγωγός ρεύματος. Όπου τα πόδια του πουλιού ακουμπούν το σύρμα, δημιουργείται μια παράλληλη σύνδεση και δεδομένου ότι το σύρμα άγει τον ηλεκτρισμό πολύ καλύτερα, ένα πολύ μικρό ρεύμα ρέει μέσα από το ίδιο το πουλί, το οποίο δεν μπορεί να προκαλέσει βλάβη. Ωστόσο, μόλις το πουλί στο σύρμα αγγίξει ένα άλλο γειωμένο αντικείμενο, για παράδειγμα, ένα μεταλλικό μέρος ενός στήριγμα, πεθαίνει αμέσως, γιατί τότε η αντίσταση του αέρα είναι πολύ μεγάλη σε σύγκριση με την αντίσταση του σώματος και όλο το ρεύμα ρέει μέσα από το πουλί.
Ποια στοιχειώδη σωματίδια ονομάζονται από τους ήχους των πάπιων;
Ο Murray Gell-Mann, ο οποίος υπέθεσε ότι τα αδρόνια αποτελούνται από ακόμη μικρότερα σωματίδια, αποφάσισε να ονομάσει αυτά τα σωματίδια τον ήχο που κάνουν οι πάπιες. Το μυθιστόρημα του James Joyce "Finnegans Wake" τον βοήθησε να διατυπώσει αυτόν τον ήχο σε μια κατάλληλη λέξη, δηλαδή τη γραμμή: "ΤρίακουάρκΓιαΜαζεύωΣημάδι! Ως εκ τούτου, τα σωματίδια έλαβαν το όνομα κουάρκ, αν και δεν είναι καθόλου σαφές τι νόημα είχε αυτή η προηγουμένως ανύπαρκτη λέξη για τον Τζόις.
Ενδιαφέρον γεγονός για τον υπέρηχο.
Είναι γνωστό ότι ο υπέρηχος είναι ήχος με δονήσεις μικρότερες από 16 Hertz. Κάποτε, λοιπόν, για ένα έργο για τον Μεσαίωνα, ένας σωλήνας μήκους σχεδόν 40 μέτρων μεταφέρθηκε στο θέατρο όπου υποτίθεται ότι θα διαδραματιζόταν η δράση. Δεδομένου ότι είναι γνωστό ότι όσο μεγαλύτερος είναι ο σωλήνας, τόσο χαμηλότερος είναι ο ήχος που παράγει. Υπολογίστηκε ότι η συχνότητα του ήχου του νέου σωλήνα θα έπρεπε να είναι 8Hz και θεωρητικά, κάποιος δεν θα έπρεπε να τον ακούσει, αλλά ήταν sold out. Όταν παιζόταν η τρομπέτα, ο ήχος έβγαινε σε συχνότητα 5 Hz, που αντιστοιχεί στον άλφα ρυθμό ανθρώπινος εγκέφαλος. Στην αίθουσα επικράτησε πανικός καθώς αυτός ο ήχος προκάλεσε φόβο σε όλους τους παρευρισκόμενους.Ως αποτέλεσμα, το κοινό κάποιος έφυγε τρέχοντας.
Λίγο περισσότερο φυσική.
1) Τίποτα δεν μπορεί να καεί ξανά αν έχει ήδη καεί.
2) Η φυσαλίδα είναι στρογγυλή, αφού ο αέρας στο εσωτερικό της πιέζει εξίσου όλα τα μέρη της, η επιφάνεια της φυσαλίδας απέχει ίση από το κέντρο της.
3) Το μαύρο έλκει τη θερμότητα, το λευκό την αντανακλά.
4) Το μαστίγιο κάνει έναν ήχο κρότου επειδή η άκρη του κινείται πιο γρήγορα από την ταχύτητα του ήχου.
5) Η βενζίνη δεν έχει συγκεκριμένο σημείο πήξης - μπορεί να παγώσει σε οποιαδήποτε θερμοκρασία από -118 C έως -151 C. Όταν η βενζίνη παγώνει, δεν γίνεται εντελώς στερεή, αλλά μάλλον μοιάζει με καουτσούκ ή κερί.
6) Το αυγό θα επιπλέει σε νερό στο οποίο έχει προστεθεί ζάχαρη.
7) Το βρώμικο χιόνι λιώνει πιο γρήγορα από το καθαρό χιόνι.
8) Ο γρανίτης μεταφέρει τον ήχο δέκα φορές πιο γρήγορα από τον αέρα.
9) Το νερό σε υγρή μορφή έχει μεγαλύτερη μοριακή πυκνότητα από ότι σε στερεή μορφή. Γι' αυτό επιπλέει ο πάγος.
10) Αν ένα ποτήρι νερό μεγεθύνεται στο μέγεθος της Γης, τότε τα μόρια που το αποτελούν θα έχουν το μέγεθος ενός μεγάλου πορτοκαλιού.
11) Εάν αφαιρέσετε τον ελεύθερο χώρο στα άτομα και αφήσετε μόνο τα στοιχειώδη σωματίδια που τα αποτελούν, τότε ένα κουταλάκι του γλυκού μιας τέτοιας «ουσίας» θα ζυγίζει 5.000.000.000.000 κιλά. Τα λεγόμενα αστέρια νετρονίων αποτελούνται από αυτό.
12) Η ταχύτητα του φωτός εξαρτάται από το υλικό στο οποίο διαδίδεται. Οι επιστήμονες κατάφεραν να επιβραδύνουν τα φωτόνια στα 17 μέτρα ανά δευτερόλεπτο περνώντας τα μέσα από μια ράβδο ρουβιδίου που έχει ψυχθεί σε θερμοκρασία πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273 Κελσίου).
Ενδιαφέροντα γεγονότα για τη φυσική, μια φυσική σχολική επιστήμη, θα σας επιτρέψουν να μάθετε τις πιο συνηθισμένες, με την πρώτη ματιά, διαδικασίες από μια ασυνήθιστη πλευρά.
- 1. Η θερμοκρασία του κεραυνού είναι πέντε φορές υψηλότερη από τη θερμοκρασία στην επιφάνεια του Ήλιου και είναι 30.000Κ.
- 2. Μια σταγόνα βροχής ζυγίζει περισσότερο από ένα κουνούπι. Αλλά οι τρίχες που βρίσκονται στην επιφάνεια του σώματος του εντόμου πρακτικά δεν μεταδίδουν ώθηση από τη σταγόνα στο κουνούπι. Ως εκ τούτου, το έντομο επιβιώνει ακόμη και σε δυνατή βροχή. Ένας άλλος παράγοντας συμβάλλει σε αυτό. Η σύγκρουση του νερού με ένα κουνούπι συμβαίνει σε μια χαλαρή επιφάνεια. Επομένως, εάν το χτύπημα χτυπήσει το κέντρο του εντόμου, πέφτει με μια σταγόνα για κάποιο χρονικό διάστημα και στη συνέχεια απελευθερώνεται γρήγορα. Εάν η βροχή πέσει εκτός κέντρου, η τροχιά του κουνουπιού αποκλίνει ελαφρά.
- 3. Η δύναμη τραβήγματος ενός ποδιού από την κινούμενη άμμο με ταχύτητα 0,1 m/s είναι ίση με τη δύναμη ανύψωσης ενός αυτοκινήτου. Ενδιαφέρον γεγονός: η κινούμενη άμμος είναι ένα νευτώνειο υγρό που δεν μπορεί να απορροφήσει πλήρως ένα άτομο. Επομένως, οι άνθρωποι που έχουν κολλήσει στην άμμο πεθαίνουν από αφυδάτωση, έκθεση στον ήλιο ή άλλους λόγους. Αν βρεθείτε σε μια τέτοια κατάσταση, καλύτερα να μην κάνετε απότομες κινήσεις. Προσπαθήστε να κυλήσετε στην πλάτη σας, απλώστε τα χέρια σας και περιμένετε βοήθεια.
- 4. Ακούσατε ένα κλικ μετά από μια απότομη αιώρηση του μαστίγιου; Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η άκρη του κινείται με υπερηχητική ταχύτητα. Παρεμπιπτόντως, το μαστίγιο είναι η πρώτη εφεύρεση που έσπασε το υπερηχητικό φράγμα. Και το ίδιο συμβαίνει με ένα αεροπλάνο που πετά με ταχύτητα μεγαλύτερη από τον ήχο. Το κρότο που μοιάζει με έκρηξη οφείλεται στο ωστικό κύμα που δημιουργείται από το αεροσκάφος.
- 5. Ενδιαφέροντα στοιχεία για τη φυσική ισχύουν και για τα έμβια όντα. Για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια της πτήσης, όλα τα έντομα καθοδηγούνται από το φως του Ήλιου ή της Σελήνης. Διατηρούν μια γωνία όπου ο φωτισμός είναι πάντα στη μία πλευρά. Εάν ένα έντομο πετάει στο φως ενός λαμπτήρα, κινείται σε μια σπείρα, αφού οι ακτίνες του αποκλίνουν όχι παράλληλα, αλλά ακτινικά.
- 6. Οι ακτίνες του Ήλιου που διέρχονται από σταγονίδια στον αέρα σχηματίζουν ένα φάσμα. Και οι διαφορετικές αποχρώσεις του διαθλώνται σε διαφορετικές γωνίες. Ως αποτέλεσμα αυτού του φαινομένου, σχηματίζεται ένα ουράνιο τόξο - ένας κύκλος, μέρος του οποίου οι άνθρωποι βλέπουν από το έδαφος. Το κέντρο του ουράνιου τόξου βρίσκεται πάντα σε μια ευθεία γραμμή από το μάτι του παρατηρητή προς τον Ήλιο. Ένα δευτερεύον ουράνιο τόξο μπορεί να φανεί όταν το φως σε μια σταγόνα ανακλάται ακριβώς δύο φορές.
- 7. Οι πάγοι των μεγάλων παγετώνων χαρακτηρίζονται από παραμόρφωση, δηλαδή ρευστότητα λόγω καταπόνησης. Για το λόγο αυτό, οι παγετώνες των Ιμαλαΐων κινούνται με ταχύτητα δύο έως τριών μέτρων την ημέρα.
- 8. Ξέρετε τι είναι το φαινόμενο Mpemba; Αυτό το φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1963 από έναν μαθητή από την Τανζανία ονόματι Erasto Mpemba. Το αγόρι παρατήρησε ότι το ζεστό νερό ήταν επιρρεπές να παγώσει στην κατάψυξη πιο γρήγορα από το κρύο νερό. Μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες δεν μπορούν να δώσουν μια ξεκάθαρη εξήγηση για αυτό το φαινόμενο.
- 9. Σε ένα διαφανές μέσο, το φως ταξιδεύει πιο αργά από ότι στο κενό.
- 10. Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι καμία νιφάδα χιονιού δεν έχει το ίδιο μοτίβο. Υπάρχουν ακόμη περισσότερες επιλογές σχεδίασης για αυτούς από ό, τι υπάρχουν άτομα στο Σύμπαν.
1. Πώς ξεκίνησε η ζωή;
Η εμφάνιση του πρώτου ζωντανού πλάσματος από ανόργανο υλικό πριν από περίπου 4 δισεκατομμύρια χρόνια εξακολουθεί να καλύπτεται από μυστήριο. Πώς τα σχετικά απλά μόρια που περιέχονται στον αρχέγονο ωκεανό σχημάτισαν όλο και πιο πολύπλοκες ουσίες; Γιατί μερικά από αυτά απέκτησαν την ικανότητα να απορροφούν και να μετασχηματίζουν την ενέργεια, καθώς και την αυτοαναπαραγωγή (οι δύο τελευταίες ιδιότητες είναι τα διακριτικά γνωρίσματα των ζωντανών όντων); Σε μοριακό επίπεδο, όλα αυτά τα γεγονότα αναμφίβολα αντιπροσωπεύουν χημικές αντιδράσεις, και ως εκ τούτου το ζήτημα της προέλευσης της ζωής θα πρέπει να εξεταστεί στο πλαίσιο της χημείας.
Οι χημικοί δεν είναι επιφορτισμένοι με την κατανόηση των μυριάδων σεναρίων για το πώς θα μπορούσαν να είχαν εξελιχθεί τα πράγματα πριν από δισεκατομμύρια χρόνια. Αν οι ανόργανοι καταλύτες, όπως οι σβώλοι αργίλου, συμμετείχαν ή όχι στη δημιουργία αυτοαναπαραγόμενων πολυμερών (όπως μόρια DNA ή πρωτεΐνης). ή αν στο μακρινό παρελθόν υπήρχε ένας «κόσμος RNA» στον οποίο « ξαδερφος ξαδερφη»Το DNA (μόριο RNA) καταλύει το σχηματισμό πρωτεϊνών και εμφανίστηκε νωρίτερα από άλλα βιοπολυμερή.
Είναι απαραίτητο να ελεγχθεί η εγκυρότητα αυτών των υποθέσεων με τη διεξαγωγή χημικών αντιδράσεων σε δοκιμαστικό σωλήνα. Έχει ήδη αποδειχθεί ότι ορισμένες σχετικά απλές χημικές ουσίες μπορούν να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους για να σχηματίσουν τα «δομικά στοιχεία» των βιοπολυμερών όπως οι πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα, δηλ. αμινοξέα και νουκλεοτίδια, αντίστοιχα. Το 2009, μια ομάδα μοριακών βιολόγων με επικεφαλής τον Τζον Σάδερλαντ από το Εργαστήριο Μοριακής Βιολογίας στο Κέιμπριτζ απέδειξε τη δυνατότητα λήψης νουκλεοτιδίων από μόρια που πιστεύεται ότι υπάρχουν στον αρχέγονο ωκεανό. Μια άλλη ομάδα ερευνητών ενδιαφέρθηκε για την ικανότητα ορισμένων RNA να δρουν ως καταλύτες, υποδεικνύοντας την πιθανή ύπαρξη ενός κόσμου RNA. Με αυτόν τον τρόπο, βήμα προς βήμα, μπορούμε να οικοδομήσουμε μια γέφυρα από την άψυχη ύλη στα αυτοαναπαραγόμενα ζωντανά συστήματα.
Τώρα που μάθαμε πολλά για τους γείτονές μας στο ηλιακό σύστημα - για την παρουσία νερού στον Άρη, για τις λίμνες υδρογονανθράκων στον Τιτάνα, ένα φεγγάρι του Κρόνου, για τους κρύους αλμυρούς ωκεανούς που προφανώς κρύβονται κάτω από έναν παγωμένο φλοιό στην Ευρώπη και τον Γανυμήδη, φεγγάρια του Δία, και για πολλά άλλα πράγματα - το ζήτημα της προέλευσης των επίγειων μορφών ζωής έχει γίνει μέρος ενός παγκόσμιου προβλήματος: ποιες συνθήκες είναι απαραίτητες για την προέλευση της ζωής και σε ποια όρια μπορούν να ποικίλουν οι χημικές βάσεις της; Το φάσμα των ερωτήσεων έχει επεκταθεί περαιτέρω τα τελευταία 15 χρόνια, κατά τη διάρκεια των οποίων έχουν ανακαλυφθεί περισσότεροι από 500 πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από άλλα αστέρια εκτός του ηλιακού συστήματος. Αυτοί οι κόσμοι, με εξαιρετική ποικιλομορφία, μένουν να εξερευνηθούν.
Τέτοιες ανακαλύψεις ανάγκασαν τους χημικούς να αλλάξουν τις ιδέες τους για τη χημική βάση της ζωής. Έτσι, για πολύ καιρό πίστευαν ότι απολύτως απαραίτητη προϋπόθεση για την προέλευσή του είναι η παρουσία νερού. Σήμερα οι επιστήμονες δεν είναι σίγουροι για αυτό. Ίσως αντί για νερό, υγρή αμμωνία, φορμαμίδιο, υγρό μεθάνιο ή υδρογόνο θα ήταν κατάλληλα κάτω από συνθήκες εξαιρετικά υψηλής πίεσης στα ανώτερα στρώματα του Δία; Και γιατί η εμφάνιση DNA, RNA και πρωτεϊνών να είναι απαραίτητη προϋπόθεση για το σχηματισμό ζωντανών συστημάτων; Έχουν δημιουργηθεί τεχνητές χημικές δομές που μπορούν να αυτοαναπαραχθούν χωρίς καθόλου νουκλεϊκά οξέα. Ίσως αρκεί απλώς να έχουμε ένα συγκεκριμένο μοριακό σύστημα που μπορεί να χρησιμεύσει ως μήτρα για την αντιγραφή του εαυτού του;
«Η ανάλυση των σύγχρονων μορφών ζωής στη Γη», λέει ο Steven Benner του Ιδρύματος Εφαρμοσμένης Μοριακής Εξέλιξης στο Gainesville της Φλόριντα, «δεν απαντά στο ερώτημα εάν οι θεμελιώδεις ομοιότητές τους (η χρήση του DNA και των πρωτεϊνών) οφείλονται στην παρουσία κοινός πρόγονος ή μαρτυρεί την καθολικότητα της ζωής». Ωστόσο, αν επιμείνουμε στο γεγονός ότι πρέπει να παραμείνουμε στο πλαίσιο της γνωστά γεγονότα, τότε δεν θα φτάσουμε πουθενά.
2 Πώς σχηματίζονται τα μόρια;
Η δομή των μορίων είναι το κύριο θέμα που μελετούν φοιτητές χημικών ειδικοτήτων, ενώ η γραφική αναπαράσταση μορίων με τη μορφή ενός συνόλου κύκλων και γραμμών μεταξύ τους, που αντιστοιχούν σε άτομα και χημικούς δεσμούς, είναι μια καθαρή σύμβαση, στην οποία καταφεύγουν για ευκολία. Δεν υπάρχει ακόμη συμφωνία μεταξύ των επιστημόνων σχετικά με το ποια εικόνα των μορίων είναι πιο κοντά στην πραγματικότητα.
Στη δεκαετία του 1920 Οι Γερμανοί θεωρητικοί φυσικοί Walter Heitler και Fritz London έδειξαν ότι οι χημικοί δεσμοί μπορούν να αναπαρασταθούν χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις της νεοεμφανιζόμενης κβαντικής φυσικής και ο μεγάλος Αμερικανός χημικός Linus Poling υπέθεσε ότι οι δεσμοί σχηματίζονται όταν επικαλύπτονται στο χώρο των νεφών ηλεκτρονίων διαφορετικών ατόμων. Μια εναλλακτική θεωρία των Robert Milliken και Friedrich Hund πρότεινε ότι οι χημικοί δεσμοί (εκτός από τους ιοντικούς) είναι το αποτέλεσμα των επικαλυπτόμενων ατομικών τροχιακών των εξωτερικών ηλεκτρονίων των αλληλεπιδρώντων ατόμων και της εμφάνισης ενός μοριακού τροχιακού που περικλείει αυτά τα άτομα. Εδώ εμπίπτουμε στη σφαίρα ικανότητας της θεωρητικής χημείας, η οποία είναι ουσιαστικά ένας από τους τομείς της φυσικής.
Η έννοια του σχηματισμού χημικών δεσμών με επικαλυπτόμενα ατομικά τροχιακά έχει γίνει ευρέως διαδεδομένη, αλλά δεν πιστεύουν όλοι ότι είναι καθολική. Το γεγονός είναι ότι οι δομές μοντέλων των μορίων που κατασκευάζονται στη βάση του βασίζονται σε έναν αριθμό απλοποιητικών υποθέσεων και, επομένως, αντιπροσωπεύουν μόνο μια προσέγγιση. Στην πραγματικότητα, κάθε μόριο είναι μια συγκεκριμένη ομάδα ατομικών πυρήνων βυθισμένη σε ένα σύννεφο ηλεκτρονίων και οι πυρήνες, μεταφορικά μιλώντας, ανταγωνίζονται μεταξύ τους στο «τράβηγμα προς τον εαυτό τους», έτσι ώστε ολόκληρη η δομή να «αναπνέει» και να αλλάζει. Στα σημερινά μοντέλα, τα μόρια είναι στατικοί σχηματισμοί, που κατασκευάζονται λαμβάνοντας υπόψη μόνο μέρος των σημαντικών ιδιοτήτων.
Στο πλαίσιο της κβαντικής θεωρίας είναι αδύνατο να δοθεί γενικός ορισμόςχημικός δεσμός, που θα αντιστοιχούσε στις ιδέες των χημικών για αυτόν, των οποίων το έργο καταλήγει τελικά στην καταστροφή ορισμένων χημικών δεσμών και στο σχηματισμό άλλων. Επί του παρόντος, υπάρχουν πολλοί τρόποι να αναπαραστήσουμε τα μόρια ως άτομα συνδεδεμένα μεταξύ τους. Σύμφωνα με τον κβαντοχημικό Dominic Marx του Πανεπιστημίου του Μπόχουμ στη Γερμανία, σχεδόν όλοι είναι «καλοί σε ορισμένες περιπτώσεις και εντελώς ακατάλληλοι σε άλλες».
Χρησιμοποιώντας μοντελοποίηση υπολογιστή, σήμερα είναι δυνατό να προβλέψουμε με υψηλή ακρίβεια τη δομή και τις ιδιότητες των μορίων με βάση τις αρχές της κβαντικής μηχανικής - αλλά μόνο εφόσον ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εμπλέκονται στο σχηματισμό χημικών δεσμών είναι σχετικά μικρός. «Η υπολογιστική χημεία σάς επιτρέπει να έχετε την πιο ρεαλιστική εικόνα του τι συμβαίνει», λέει ο Marks. Η μοντελοποίηση υπολογιστή μπορεί να θεωρηθεί ως ένα εικονικό πείραμα που αναπαράγει την πορεία μιας χημικής αντίδρασης. Αλλά μόλις ο αριθμός των ηλεκτρονίων πλησιάζει αρκετές δεκάδες, οι αριθμητικές μέθοδοι γίνονται αδύναμες ακόμη και με τους πιο ισχυρούς υπολογιστές. Από αυτή την άποψη, τίθεται το ερώτημα: πώς, για παράδειγμα, μπορούμε να μοντελοποιήσουμε πολύπλοκες βιοχημικές διεργασίες που συμβαίνουν σε ένα κύτταρο ή τη συμπεριφορά συστημάτων πολλαπλών συστατικών;
3. Πώς επηρεάζουν εξωτερικοί παράγοντες τα γονίδιά μας;
Για πολύ καιρό, η ιδέα που επικρατούσε στη βιολογική κοινότητα ήταν ότι η ατομικότητα του καθενός μας καθορίζεται από τα γονίδια που κατέχουμε. Ωστόσο, αυτό που είναι εξίσου σημαντικό είναι ποιες χρησιμοποιούμε. Όπως αλλού στη βιολογία, η τελευταία είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την ίδια χημεία.
Τα κύτταρα του εμβρύου στα πιο πρώιμα στάδια δημιουργούν ιστούς όλων των πιθανών τύπων. Καθώς αναπτύσσεται, τα λεγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα διαφοροποιούνται και μετατρέπονται σε εξειδικευμένα (κύτταρα αίματος, μυϊκά κύτταρα, νευρικά κύτταρακαι τα λοιπά.). Τα τελευταία διατηρούν τις ατομικές τους ιδιότητες σε όλη τη διάρκεια της ζωής του οργανισμού. Ο σχηματισμός του ανθρώπινου σώματος είναι ουσιαστικά ένας χημικός μετασχηματισμός των χρωμοσωμάτων των βλαστοκυττάρων, με αποτέλεσμα να αλλάζει το σύνολο των λειτουργικών και σιωπηλών γονιδίων.
Μία από τις επαναστατικές ανακαλύψεις στον τομέα της κλωνοποίησης και της μελέτης βλαστοκυττάρων είναι ότι αυτοί οι μετασχηματισμοί είναι αναστρέψιμοι. Κατά τη διαδικασία της διαφοροποίησης, τα κύτταρα δεν αδρανοποιούν ορισμένα γονίδια, διατηρώντας σε κατάσταση λειτουργίας μόνο αυτά που χρειάζονται τώρα. Τα σβήνουν και τα κρατούν σε κατάσταση μάχης. Αυτά τα γονίδια μπορούν να ενεργοποιηθούν, για παράδειγμα, υπό την επίδραση ορισμένων ΧΗΜΙΚΕΣ ΟΥΣΙΕΣεξωτερικό περιβάλλον.
Ιδιαίτερα ενδιαφέρον και μυστηριώδες από τη σκοπιά της χημείας είναι το γεγονός ότι η ρύθμιση της γονιδιακής δραστηριότητας πραγματοποιείται σε υπερατομικό και υπερμοριακό επίπεδο, με τη συμμετοχή ολόκληρων ομάδων μορίων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Η χρωματίνη, το σύμπλεγμα μεταξύ DNA και πρωτεϊνών που σχηματίζει τα χρωμοσώματα, έχει μια ιεραρχική δομή. Πρώτον, ένα δίκλωνο μόριο DNA τυλίγεται γύρω από κυλινδρικά σωματίδια που αποτελούνται από ειδικές πρωτεΐνες - ιστόνες. Στη συνέχεια, η προκύπτουσα "χορδή από χάντρες" διατάσσεται στο χώρο σε δομές υψηλότερης τάξης. Το κύτταρο ελέγχει αυστηρά τη διαδικασία αναδίπλωσης - η δραστηριότητά του εξαρτάται από το πού στη χρωματίνη καταλήγει ένα δεδομένο γονίδιο.
Η αναδιάρθρωση της δομής της χρωματίνης συμβαίνει με τη συμμετοχή ειδικών ενζύμων που παίζουν βασικό ρόλο στη διαφοροποίηση των κυττάρων. Στα εμβρυϊκά βλαστοκύτταρα, η χρωματίνη έχει μια χαλαρή, διαταραγμένη δομή, η οποία γίνεται πιο πυκνή καθώς τα γονίδια απενεργοποιούνται κατά τη διαφοροποίηση.
Η δόμηση της χρωματίνης συνοδεύεται από χημικούς μετασχηματισμούς τόσο του DNA όσο και των ιστονών. Σε αυτά προσκολλώνται μικρά μόρια - δείκτες που υποδεικνύουν στο κύτταρο ποια γονίδια να απενεργοποιήσει και ποια, αντίθετα, να ενεργοποιήσει. Τέτοια σημάδια ονομάζονται επιγενετικοί παράγοντες επειδή δεν επηρεάζουν τις πληροφορίες που περιέχονται στα γονίδια.
Σε ποιο βαθμό μπορούν τα ώριμα κύτταρα να επανέλθουν σε κατάσταση πολυδυναμίας; Θα έχουν τις απαραίτητες ιδιότητες βλαστοκυττάρων για χρήση στην αναγέννηση διαφόρων ιστών; Η απάντηση εξαρτάται από το βαθμό στον οποίο η επιγενετική σήμανση μπορεί να αντιστραφεί.
Είναι σαφές ότι εκτός από τη γενετική γλώσσα στην οποία είναι γραμμένες πολλές βασικές οδηγίες, τα κύτταρα χρησιμοποιούν μια εντελώς διαφορετική γλώσσα από χημική άποψη - επιγενετική. «Ένα άτομο μπορεί να έχει γενετική προδιάθεση για μια ασθένεια, όπως ο καρκίνος, αλλά το αν θα εμφανιστεί ή όχι εξαρτάται από περιβαλλοντικούς παράγοντες που δρουν μέσω του επιγενετικού καναλιού», λέει ο Bryan Turner από το Πανεπιστήμιο του Birmingham στην Αγγλία.
4. Πώς σχηματίζει ο εγκέφαλος τη μνήμη;
Ο εγκέφαλος μπορεί να παρομοιαστεί με έναν χημικό υπολογιστή. Η επικοινωνία μεταξύ των νευρώνων που συνθέτουν τα «ηλεκτρικά κυκλώματα» του πραγματοποιείται με τη χρήση ειδικών μορίων - νευροδιαβιβαστών. Απελευθερώνονται από έναν νευρώνα, διασχίζουν τη συναπτική σχισμή, συνδέονται με τους υποδοχείς ενός άλλου νευρώνα, τον ενεργοποιούν, ο οποίος ενεργοποιεί έναν τρίτο κ.λπ. Ως αποτέλεσμα, η νευρική ώθηση εξαπλώνεται κατά μήκος της αλυσίδας των νευρώνων. Χημική φύση νοητική δραστηριότηταΕκδηλώνεται κατά την απομνημόνευση, όταν κάποιες πληροφορίες - ένας αριθμός τηλεφώνου ή κάποιο γεγονός - «αποτυπώνονται» χρησιμοποιώντας χημικά σήματα με τη μορφή διαφόρων καταστάσεων του νευρικού δικτύου. Πώς βασίζεται χημικές διεργασίεςσχηματίζεται μια μνήμη που είναι και επίμονη και δυναμική; Τι σημαίνει να θυμάσαι, να ξανασκέφτεσαι, να ξεχνάς;
Έχουμε απαντήσεις μόνο σε κάποιες ερωτήσεις. Γνωρίζουμε, για παράδειγμα, ότι ένα αντανακλαστικό χωρίς όρους εμφανίζεται ως απόκριση σε έναν συγκεκριμένο καταρράκτη βιοχημικών διεργασιών που οδηγεί σε αλλαγή στην ποσότητα των νευροδιαβιβαστών στη σύναψη. Αλλά ακόμη και μια τόσο απλή διαδικασία έχει βραχυπρόθεσμα και μακροπρόθεσμα συστατικά. Ένα πιο περίπλοκο φαινόμενο - η λεγόμενη δηλωτική μνήμη (για πρόσωπα, για μέρη κ.λπ.) - έχει διαφορετικό μηχανισμό και διαφορετικό εντοπισμό στον εγκέφαλο. Ο κύριος παίκτης εδώ είναι ο υποδοχέας του νευροδιαβιβαστή ντοπαμίνη, ο οποίος υπάρχει σε ορισμένους νευρώνες. Ο αποκλεισμός του παρεμβαίνει στη διατήρηση της δηλωτικής μνήμης.
Ο σχηματισμός της καθημερινής δηλωτικής μνήμης συχνά μεσολαβείται από τη λεγόμενη μακροπρόθεσμη ενίσχυση, η οποία περιλαμβάνει υποδοχείς ντοπαμίνης και συνοδεύεται από επέκταση της περιοχής του νευρώνα που σχηματίζει τη σύναψη. Με την επέκταση αυτής της περιοχής, ενισχύεται η σύνδεση μεταξύ του νευρώνα και των εταίρων του, που εκδηλώνεται μέσω της αύξησης της διαφοράς δυναμικού στη συναπτική σχισμή υπό την επίδραση μιας νευρικής ώθησης. Η βιοχημεία της διαδικασίας έχει γίνει λίγο πολύ σαφής τα τελευταία χρόνια. Ανακαλύφθηκε ότι τα νήματα ακτίνης σχηματίζονται μέσα στον νευρώνα, μια πρωτεΐνη που σχηματίζει το εσωτερικό πλαίσιο του κυττάρου, το οποίο καθορίζει το μέγεθος και το σχήμα του. Η διαδικασία μπορεί να διακοπεί εάν τα νεοεμφανιζόμενα νήματα δεν σταθεροποιηθούν.
Η μακροπρόθεσμη μνήμη, αφού σχηματιστεί, διατηρείται λόγω της συμπερίληψης γονιδίων που κωδικοποιούν ειδικές πρωτεΐνες. Υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι αυτά περιλαμβάνουν πριόν. Το τελευταίο μπορεί να είναι σε μία από τις δύο εναλλακτικές διαμορφώσεις. Στην πρώτη περίπτωση, τα πριόν είναι εύκολα διαλυτά, στη δεύτερη είναι αδιάλυτα και μεταφέρουν όλα τα μόρια πρωτεΐνης σε αυτή την κατάσταση. αυτού του τύπουμε τον οποίο έτυχε να έρθουν σε επαφή. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται μεγάλα συσσωματώματα πριόν, τα οποία εμπλέκονται στην ανάπτυξη διαφόρων νευροεκφυλιστικών διαταραχών. Αυτή ακριβώς η αρνητική ιδιότητα των πριόν έγινε το έναυσμα για τον εντοπισμό και τη μελέτη τους. Ανακαλύφθηκε ότι τα συσσωματώματα εκτελούν επίσης χρήσιμες λειτουργίες στο σώμα - συμμετέχουν στη διατήρηση της μνήμης.
Υπάρχουν ακόμα πολλά κενά σημεία στην ιστορία του πώς λειτουργεί η μνήμη, τα οποία θα πρέπει να συμπληρώσουν οι βιοχημικοί. Πώς να ερμηνεύσουμε, για παράδειγμα, την έννοια του «θυμάμαι κάτι» εάν αυτό το «κάτι» είναι αποθηκευμένο στη μνήμη μας; «Αυτό το πρόβλημα, το οποίο μόλις αρχίζουμε να λύνουμε, είναι πολύ δύσκολο να γίνει κατανοητό», λέει ο βραβευμένος με Νόμπελ νευροεπιστήμονας Έρικ Καντέλ του Πανεπιστημίου Κολούμπια.
Μιλώντας για τη χημική φύση του φαινομένου της μνήμης, δεν μπορεί κανείς παρά να θίξει ένα θέμα όπως η επίδραση των φαρμακευτικών προϊόντων σε αυτό. Ορισμένες ουσίες που ενισχύουν τη μνήμη είναι ήδη γνωστές. Μεταξύ αυτών είναι οι ορμόνες του φύλου και οι συνθετικές ενώσεις που δρουν στους υποδοχείς της νικοτίνης, του γλουταμικού, της σεροτίνης και άλλων νευροδιαβιβαστών. Όπως σημειώνει ο νευροεπιστήμονας Gary Lynch του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, το γεγονός ότι μια μακρά αλυσίδα γεγονότων οδηγεί στον σχηματισμό μακροπρόθεσμης μνήμης δείχνει ότι υπάρχουν πολλοί στόχοι στο σώμα που θα μπορούσαν να στοχεύσουν τα φάρμακα μνήμης.
5. Υπάρχει όριο στην αναπλήρωση του περιοδικού πίνακα στοιχείων;
Περιοδικός Πίνακας χημικά στοιχεία, που κρέμεται σε περίοπτη θέση σε κάθε τάξη χημείας, αναπληρώνεται συνεχώς. Με τη βοήθεια επιταχυντών, οι πυρηνικοί φυσικοί αποκτούν νέα, υπερβαριά στοιχεία ένας μεγάλος αριθμόςπρωτόνια και νευρώνες στον πυρήνα από εκείνους τους 92 που υπάρχουν στη φύση. Δεν είναι πολύ σταθερά, μερικά διαλύονται μέσα σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη γέννηση. Αλλά ενώ υπάρχουν τέτοια στοιχεία, η κατάστασή τους δεν διαφέρει από τα άλλα: έχουν ατομικό αριθμό και μαζικό αριθμό και έχουν ορισμένες χημικές ιδιότητες. Κατά τη διάρκεια έξυπνων πειραμάτων, μελετήθηκαν ορισμένες ιδιότητες των ατόμων του seaborgium και του hassium.
Ένας από τους στόχους τέτοιων μελετών είναι να διαπιστωθεί εάν υπάρχει όριο στην επέκταση του περιοδικού πίνακα, με άλλα λόγια, εάν τα υπερβαριά στοιχεία παρουσιάζουν την περιοδικότητα στη συμπεριφορά τους που καθορίζει τη θέση τους στον πίνακα. Μπορούμε ήδη να πούμε ότι κάποιοι πληρούν αυτές τις απαιτήσεις, άλλοι όχι. Συγκεκριμένα, οι ογκώδεις πυρήνες τους προσελκύουν ηλεκτρόνια με τέτοια δύναμη που αρχίζουν να κινούνται με ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός. Ως αποτέλεσμα, η μάζα των ηλεκτρονίων αυξάνεται δραματικά, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε αποδιοργάνωση ενεργειακά επίπεδα, από το οποίο εξαρτώνται οι χημικές ιδιότητες των στοιχείων, άρα και η θέση τους στον περιοδικό πίνακα.
Υπάρχει ελπίδα ότι οι πυρηνικοί φυσικοί θα μπορέσουν να βρουν ένα νησί σταθερότητας - μια συγκεκριμένη περιοχή, λίγο πέρα από τις τρέχουσες δυνατότητες απόκτησης συνθετικών στοιχείων, στην οποία τα υπερβαρέα στοιχεία θα ζουν περισσότερο. Ωστόσο, παραμένει ένα θεμελιώδες ερώτημα σχετικά με τους μέγιστα μεγέθη. Όπως δείχνουν οι αρκετά απλοί κβαντομηχανικοί υπολογισμοί, τα ηλεκτρόνια μπορούν να συγκρατηθούν από έναν πυρήνα στον οποίο ο αριθμός των πρωτονίων δεν υπερβαίνει τα 137. Πιο περίπλοκοι υπολογισμοί απορρίπτουν αυτόν τον περιορισμό. «Ο περιοδικός πίνακας δεν τελειώνει με τον αριθμό 137. στην πραγματικότητα, είναι απεριόριστο», λέει ο πυρηνικός φυσικός Walter Greiner από το Πανεπιστήμιο Goethe στη Φρανκφούρτη του Μάιν, στη Γερμανία. Η πειραματική επαλήθευση αυτής της δήλωσης είναι ακόμα πολύ μακριά.
6. Είναι δυνατόν να δημιουργηθεί ένας υπολογιστής βασισμένος σε άτομα άνθρακα;
Τα τσιπ υπολογιστών που βασίζονται σε γραφένιο - δίκτυα ατόμων άνθρακα - είναι δυνητικά ταχύτερα και ισχυρότερα από το πυρίτιο. Η παραγωγή γραφενίου έφερε τους δημιουργούς του βραβείο Νόμπελστη φυσική για το 2010, αλλά η πρακτική εφαρμογή μιας τέτοιας νανοτεχνολογίας «άνθρακα» εξαρτάται τελικά από το αν οι χημικοί θα είναι σε θέση να δημιουργήσουν δομές με ατομική ακρίβεια. Το 1985, συντέθηκαν φουλλερένια, κοίλες δομές κλειστού δικτύου που αποτελούνταν εξ ολοκλήρου από άτομα άνθρακα, και έξι χρόνια αργότερα, νανοσωλήνες άνθρακα με τοιχώματα δικτύου. Αναμενόταν ότι οι εξαιρετικά ανθεκτικές ηλεκτρικά αγώγιμες δομές θα έβρισκαν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών - από την παραγωγή εξαιρετικά ισχυρών σύνθετων υλικών που βασίζονται σε αυτά έως την κατασκευή μικροσκοπικών αγωγών και ηλεκτρονικών συσκευών, μικροσκοπικών μοριακών καψουλών και μεμβρανών για τον καθαρισμό του νερού. Ωστόσο, το δυναμικό δεν έχει ακόμη αξιοποιηθεί πλήρως. Έτσι, δεν είναι δυνατή η ενσωμάτωση νανοσωλήνων σε πολύπλοκα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Πρόσφατα, ο γραφίτης έχει γίνει το επίκεντρο της προσοχής των νανοτεχνολόγων.
Ήταν δυνατό να το χωρίσουμε σε εξαιρετικά λεπτά στρώματα (αυτό είναι το γραφένιο), από τα οποία μπορούν να κατασκευαστούν υπομικροσκοπικά, φθηνά και ανθεκτικά ηλεκτρονικά κυκλώματα. Οι προγραμματιστές υπολογιστών που χρησιμοποιούν στενές, μικροσκοπικές λωρίδες γραφενίου θα είναι σε θέση να κατασκευάσουν τσιπ που είναι πιο προηγμένα από το πυρίτιο. «Το γραφένιο μπορεί να μετατραπεί σε δομές που μπορούν εύκολα να συνδεθούν μεταξύ τους και να ενσωματωθούν σε ηλεκτρονικά κυκλώματα», λέει ο Walt de Heer του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Τζόρτζια. Ωστόσο, η μέθοδος χάραξης που χρησιμοποιείται στη μικροηλεκτρονική δεν είναι κατάλληλη για τη δημιουργία ηλεκτρονικών κυκλωμάτων γραφενίου - είναι πολύ ακατέργαστη, επομένως σήμερα η τεχνολογία γραφενίου είναι θέμα εικασίας και όχι πραγματικής δράσης. Ίσως το κλειδί για την επίλυση του προβλήματος του σχεδιασμού σε ατομικό επίπεδο θα είναι η χρήση μεθόδων οργανικής χημείας - συνδέοντας πολυαρωματικά μόρια από πολλούς εξαγωνικούς δακτυλίους άνθρακα, ανάλογα μικρών θραυσμάτων ενός δικτύου γραφενίου, μεταξύ τους.
7. Είναι δυνατόν να συλλάβουμε περισσότερη ηλιακή ενέργεια;
Κάθε ανατολή μας υπενθυμίζει ότι ο άνθρωπος χρησιμοποιεί μόνο ένα μικρό κλάσμα της ενέργειας που παρέχει το φωτιστικό μας. Το κύριο εμπόδιο για την ευρεία χρήση του είναι το υψηλό κόστος των ηλιακών κυψελών πυριτίου. Αλλά η ίδια η ζωή στον πλανήτη μας, η οποία τελικά υποστηρίζεται από τη φωτοσύνθεση, η οποία πραγματοποιείται από τα πράσινα φυτά όταν απορροφούν την ηλιακή ενέργεια, δείχνει ότι τα ηλιακά κύτταρα δεν χρειάζεται να είναι πολύ αποδοτικά, αρκεί να έχουμε πολλά από αυτά (όπως φύλλα στα δέντρα) και θα ήταν φθηνά.
«Ένας από τους πιο πολλά υποσχόμενους τομείς στην ανάπτυξη τρόπων αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας είναι η παραγωγή καυσίμου», λέει ο Devens Gust από το State University της Αριζόνα. Ο ευκολότερος τρόπος για να γίνει αυτό είναι διασπώντας τα μόρια του νερού χρησιμοποιώντας το ηλιακό φως για να σχηματιστεί υδρογόνο και αέριο οξυγόνο. Ο Nathan S. Lewis και οι συνεργάτες του στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνια εργάζονται για τη δημιουργία ενός τεχνητού φύλλου νανοσυρμάτων πυριτίου που θα πραγματοποιούσε μια τέτοια διάσπαση.
Πρόσφατα, ο Daniel Nocera από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης ανέφερε τη δημιουργία μιας μεμβράνης πυριτίου στην οποία, με τη συμμετοχή ενός φωτοκαταλύτη με βάση το κοβάλτιο, συμβαίνει στην πραγματικότητα η διάσπαση των μορίων του νερού. Η Nocera εκτιμά ότι ένα γαλόνι (~3,8 λίτρα) νερού μπορεί να παράγει αρκετό καύσιμο για να τροφοδοτήσει ένα μικρό σπίτι για 24 ώρες.
Η ανάπτυξη μιας τέτοιας τεχνολογίας παρεμποδίζεται από την έλλειψη κατάλληλων καταλυτών. «Ένας καταλύτης κοβαλτίου όπως αυτός που χρησιμοποίησε η Nocera και νέοι καταλύτες που βασίζονται σε άλλα μέταλλα είναι καταρχήν αυτό που χρειάζεται, αλλά είναι πολύ ακριβοί», λέει ο Gast. «Δυστυχώς, δεν γνωρίζουμε πώς λειτουργεί ο φυσικός φωτοσυνθετικός καταλύτης με βάση το μαγγάνιο».
Ο Gast και οι συνεργάτες του σκοπεύουν να δημιουργήσουν μοριακά συγκροτήματα για τεχνητή φωτοσύνθεση που μιμούνται τις φυσικές. Έχουν ήδη καταφέρει να συνθέσουν μια σειρά από ουσίες που θα συμπεριληφθούν σε ένα από αυτά τα σύνολα. Αλλά προβλέπονται σοβαρά εμπόδια σε αυτό το μονοπάτι. Τα οργανικά μόρια, όπως αυτά που χρησιμοποιεί η φύση, είναι ασταθή. Τα φυτά τα αντικαθιστούν αμέσως με νέα, αλλά τα τεχνητά φύλλα δεν είναι ακόμη ικανά για αυτό: σε αντίθεση με τα ζωντανά συστήματα, δεν έχουν βιοσυνθετικούς μηχανισμούς.
8. Ποιος είναι ο καλύτερος τρόπος απόκτησης βιοκαυσίμων;
Αντί να αναπτύσσουμε τεχνολογία για την παραγωγή καυσίμων με χρήση ηλιακής ενέργειας, είναι καλύτερο να χρησιμοποιήσουμε την ικανότητα των πράσινων φυτών να αποθηκεύουν ενέργεια και να μετατρέπουν τη βιομάζα σε καύσιμο; Τα βιοκαύσιμα όπως η αιθανόλη προέρχονται από καλαμπόκι και το βιοντίζελ από σπόρους, και αυτά τα προϊόντα έχουν ήδη μια θέση στην αγορά. Υπάρχει όμως ο κίνδυνος να χρησιμοποιηθούν δημητριακά, που αποτελούν τη βάση της ανθρώπινης διατροφής. Αυτό είναι ιδιαίτερα ανεπιθύμητο για τις αναπτυσσόμενες χώρες - η εξαγωγή βιοκαυσίμων μπορεί να είναι πολύ επικερδής και να αφήσει τον τοπικό πληθυσμό χωρίς τρόφιμα. Επιπλέον, για να καλυφθούν οι τρέχουσες ανάγκες σε καύσιμα, θα πρέπει να οργωθούν τεράστιες εκτάσεις που σήμερα καταλαμβάνονται από δάση.
Έτσι, η μετατροπή των σιτηρών σε καύσιμο δεν φαίνεται να είναι η καλύτερη λύση. Μια λύση θα μπορούσε να είναι η χρήση άλλων, λιγότερο πολύτιμων τύπων βιομάζας. Στις Ηνωμένες Πολιτείες παράγονται αρκετά απόβλητα από τη γεωργία και τη βιομηχανία επεξεργασίας ξύλου για να ικανοποιηθεί το ένα τρίτο των μεταφορικών αναγκών για βενζίνη και ντίζελ.
Η επεξεργασία τέτοιας βιομάζας χαμηλής ποιότητας απαιτεί διάσπαση ανθεκτικών μορίων όπως η λιγνίνη και η κυτταρίνη. Οι χημικοί γνωρίζουν ήδη πώς να το κάνουν αυτό, αλλά οι υπάρχουσες μέθοδοι είναι πολύ ακριβές, ενεργοβόρες και ακατάλληλες για την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων καυσίμου.
Ο John Hartwig και ο Alexey Sergeev του Πανεπιστημίου του Ιλινόις κατάφεραν πρόσφατα να ξεπεράσουν μια από τις πιο σοβαρές δυσκολίες στη διάσπαση της λιγνίνης - σπάζοντας τους δεσμούς μεταξύ των ατόμων άνθρακα και οξυγόνου που συνδέουν τους δακτυλίους βενζολίου μεταξύ τους. Χρησιμοποίησαν έναν καταλύτη με βάση το νικέλιο.
Η παραγωγή καυσίμου από βιομάζα σε βιομηχανική κλίμακα περιλαμβάνει την επεξεργασία βιοστερεού υλικού επί τόπου προκειμένου να μεταφερθεί το υγρό που προκύπτει μέσω σωλήνων. Εδώ προκύπτει ένα σοβαρό πρόβλημα - οι πρώτες ύλες είναι πολύ μολυσμένες με διάφορες ξένες ακαθαρσίες και η κλασική καταλυτική χημεία ασχολείται μόνο με καθαρές ουσίες. «Δεν είναι ακόμη σαφές πώς θα επιλυθεί τελικά η κατάσταση», λέει ο Hartwig. Ένα πράγμα είναι ξεκάθαρο: το πρόβλημα σχετίζεται σε μεγάλο βαθμό με τον τομέα της χημείας και η λύση του έγκειται στην εύρεση του κατάλληλου καταλύτη. «Σχεδόν όλες οι βιομηχανικές διεργασίες περιλαμβάνουν τη χρήση κατάλληλων καταλυτών», τονίζει για άλλη μια φορά ο Hartwig.
9. Είναι δυνατόν να αναπτυχθούν νέοι τρόποι λήψης φαρμακευτικών ουσιών;
Η χημεία στον πυρήνα της είναι μια δημιουργική και ταυτόχρονα πρακτική επιστήμη. Παράγει μόρια από τα οποία μπορεί στη συνέχεια να δημιουργηθεί μια ποικιλία προϊόντων - από υλικά με νέες ιδιότητες έως αντιβιοτικά που μπορούν να καταστρέψουν παθογόνους μικροοργανισμούς που είναι ανθεκτικοί σε άλλα φάρμακα.
Στη δεκαετία του 1990. Στην κορυφή της δημοτικότητάς της ήταν η συνδυαστική χημεία, όταν χιλιάδες νέα μόρια αποκτήθηκαν με τυχαίο συνδυασμό «δομικών στοιχείων» και επιλογή προϊόντων με τις επιθυμητές ιδιότητες. Αυτή η κατεύθυνση, που αρχικά ανακηρύχθηκε ως το μέλλον της φαρμακευτικής χημείας, έχασε σύντομα τη σημασία της, αφού το αποτέλεσμα αποδείχθηκε ότι ήταν κοντά στο μηδέν.
Αλλά ίσως η συνδυαστική χημεία είναι σε αναγέννηση. Θα πραγματοποιηθεί με την προϋπόθεση ότι θα ληφθεί ένα αρκετά ευρύ σύνολο μορίων ενός συγκεκριμένου τύπου και θα βρεθεί μια μέθοδος για την απομόνωση μικροσκοπικών ποσοτήτων των απαραίτητων ουσιών από αυτό το μείγμα. Η βιοτεχνολογία είναι έτοιμη να βοηθήσει. Για παράδειγμα, κάθε μόριο μπορεί να είναι εξοπλισμένο με γραμμωτό κώδικα που βασίζεται σε DNA, καθιστώντας ευκολότερο τον εντοπισμό και την απομόνωση. Μια εναλλακτική προσέγγιση θα ήταν η διαδοχική εξάλειψη ακατάλληλων υποψηφίων - ένα είδος Δαρβινικής επιλογής in vitro. Για να γίνει αυτό, μπορείτε να αναπαραστήσετε την αλληλουχία αμινοξέων μιας πρωτεΐνης - υποψήφιας για το ρόλο μιας φαρμακευτικής ουσίας - με τη μορφή μιας νουκλεοτιδικής αλληλουχίας ενός τμήματος DNA και στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας τον μηχανισμό αντιγραφής με την εγγενή του τάση για σφάλματα, αποκτήστε όλο και περισσότερες νέες παραλλαγές που προσεγγίζουν το ιδανικό με κάθε γύρο αναπαραγωγής και επιλογής.
Άλλες νέες μέθοδοι βασίζονται στην εγγενή ικανότητα ορισμένων μοριακών θραυσμάτων να ενώνονται μεταξύ τους σε μια δεδομένη αλληλουχία. Έτσι, η αλληλουχία αμινοξέων των πρωτεϊνών προσδιορίζεται από τα αντίστοιχα γονίδια. Χρησιμοποιώντας αυτή την αρχή, οι χημικοί θα μπορούσαν στο μέλλον να προγραμματίσουν μόρια με την εγγενή ικανότητα αυτοσυναρμολόγησης. Αυτή η προσέγγιση έχει το πλεονέκτημα ότι ελαχιστοποιεί την ποσότητα των υποπροϊόντων και αυτό με τη σειρά του μειώνει την ενεργειακή ένταση των διεργασιών και την κατανάλωση υλικών.
Επί του παρόντος, ο David Liu και οι συνάδελφοί του στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ προσπαθούν να εφαρμόσουν αυτήν την ιδέα. Συνδέθηκαν σε κάθε δομικό στοιχείο μελλοντικών μορίων ένα σύντομο τμήμα DNA που κωδικοποιεί έναν συνδέτη και επιπλέον συνέθεσαν ένα συγκεκριμένο μόριο που κινείται κατά μήκος του DNA και συνδέει διαδοχικά μονάδες μονομερούς στο δομικό στοιχείο, καθοδηγούμενο από τις οδηγίες που κωδικοποιούνται στο τμήμα DNA - διαδικασία παρόμοια με τη σύνθεση πρωτεϊνών σε ζωντανό κύτταρο. Η μέθοδος του Liu μπορεί να είναι χρήσιμη για τη δημιουργία στοχευμένων φαρμάκων. «Πολλοί μοριακοί βιολόγοι που ασχολούνται με τη φαρμακολογία πιστεύουν ότι τα μακρομόρια θα διαδραματίσουν όλο και πιο σημαντικό ρόλο και στη συνέχεια κύριος ρόλοςστη θεραπεία», λέει ο Liu.
10. Είναι δυνατή η χημική παρακολούθηση του σώματός μας;
Πρόσφατα, στη χημεία υπάρχει μια ολοένα και πιο ξεκάθαρη τάση σύγκλισης με ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ της ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ, ιδίως στη χρήση χημικών προϊόντων για επικοινωνία με ζωντανά κύτταρα. Η ίδια η ιδέα δεν είναι νέα: βιοαισθητήρες με διαρροές μέσα τους χημικές αντιδράσειςΆρχισαν να χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των συγκεντρώσεων γλυκόζης στο αίμα τη δεκαετία του 1960, αν και μόλις πρόσφατα έγιναν ευρέως διαδεδομένα στην παρακολούθηση του διαβήτη με την εμφάνιση φθηνών φορητών συσκευών. Το πεδίο εφαρμογής των χημικών αισθητήρων είναι ευρύ: ανιχνεύει διάφορες επιβλαβείς ουσίες μέσα τρόφιμακαι νερό σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις, που καθορίζουν το επίπεδο της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και πολλά άλλα.
Υπάρχει όμως ένας άλλος τομέας - η βιοϊατρική - όπου οι δυνατότητες των χημικών αισθητήρων μπορούν να αξιοποιηθούν πλήρως και να αποφέρουν ανεκτίμητα οφέλη. Για παράδειγμα, ορισμένα γονιδιακά προϊόντα που σχετίζονται με έναν συγκεκριμένο καρκίνο αρχίζουν να κυκλοφορούν στην κυκλοφορία του αίματος πολύ πριν εμφανιστούν ορατά συμπτώματα της παθολογίας, όταν οι συμβατικές μέθοδοι δοκιμών δεν ανιχνεύουν τίποτα. Η έγκαιρη αναγνώριση τέτοιων χημικών πρόδρομων ουσιών του καρκίνου θα καταστήσει δυνατή την ακριβέστερη διάγνωση και, το σημαντικότερο, την έγκαιρη διάγνωση. Η ταχεία κατασκευή ενός γονιδιωματικού προφίλ θα καταστήσει δυνατή την επιλογή ενός μεμονωμένου θεραπευτικού σχήματος και θα μειώσει την πιθανότητα παρενεργειών.
Μερικοί χημικοί οραματίζονται μια εποχή συνεχούς, φιλικής προς τον ασθενή παρακολούθησης μιας μεγάλης ποικιλίας βιοχημικών δεικτών της κατάστασης του σώματος. Τέτοιες πληροφορίες μπορούν να είναι χρήσιμες στον χειρουργό απευθείας κατά τη διάρκεια της επέμβασης αυτοματοποιημένο σύστημαχορήγηση φαρμάκων κ.λπ. Η εφαρμογή αυτών των ιδεών εξαρτάται από το αν θα αναπτυχθούν χημικές μέθοδοι για την επιλεκτική αναγνώριση δεικτών, ακόμη και όταν υπάρχουν σε ίχνη στο σώμα.
Η μοριακή φυσική συνδέεται συχνά με ένα βαρετό και δύσκολο θέμα. Αλλά συχνά δεν συνειδητοποιούμε καν πόσα φυσικά φαινόμενα βλέπουμε και χρησιμοποιούμε στην καθημερινή μας ζωή.
Η φυσική μπορεί να είναι αρκετά ενδιαφέρουσα. Αντί να μιλάμε για σύνθετες εξισώσειςθα σας πούμε για αστεία, ενδιαφέροντα και χρήσιμα στοιχείααπό τη φυσική.
ΦΥΣΙΚΟΙ ΚΑΤΑΦΕΡΑΝ ΝΑ ΨΥΞΟΥΝ ΤΑ ΜΟΡΙΑ ΣΕ ΣΧΕΔΟΝ ΑΠΟΛΥΤΟ ΜΗΔΕΝ
Οι επιστήμονες μπόρεσαν να ψύξουν τα μόρια μονοφθοριούχου στροντίου στο σχεδόν απόλυτο μηδέν «με μια πτώση». Οι φυσικοί περιέγραψαν την τεχνολογία που χρησιμοποίησαν σε ένα άρθρο στο περιοδικό Nature. Σε αντίθεση με τα μόρια και τα άτομα σε θερμοκρασία δωματίου, η ύλη που ψύχεται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (μείον 273,15 βαθμοί Κελσίου ή 0 βαθμοί Κέλβιν) αρχίζει να επιδεικνύει κβαντικές ιδιότητες (στη θερμαινόμενη ύλη «φράσσονται» από θερμικές επιδράσεις ).
Οι φυσικοί συχνά ψύχουν τα άτομα χρησιμοποιώντας λέιζερ - τα άτομα απορροφούν φωτόνια και στη συνέχεια τα εκπέμπουν. Όταν αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται πολλές φορές, τα άτομα χάνουν σταδιακά την κινητική τους ενέργεια, δηλαδή ψύχονται. Αυτή η μέθοδος δεν έχει χρησιμοποιηθεί ακόμη για μόρια - είναι βαρύτερα και χάνουν ενέργεια χειρότερα. Επιπλέον, στα μόρια, αποθηκεύεται «επιπλέον» ενέργεια στους δεσμούς μεταξύ των ατόμων, καθώς και στις περιστροφικές κινήσεις ολόκληρου του μορίου.
Στις περισσότερες περιπτώσεις περισσότερο πρώιμα έργαΤα άτομα ψύχθηκαν και στη συνέχεια «συναρμολογήθηκαν» μόρια από αυτά. Οι συγγραφείς της νέας μελέτης αποφάσισαν να ψύχουν απευθείας τα μόρια. Οι επιστήμονες πειραματίστηκαν με μονοφθοριούχο στρόντιο, το οποίο έχει λιγότερη δονητική ενέργεια από πολλά άλλα μόρια. Επιπλέον, οι φυσικοί επέλεξαν το χρώμα του λέιζερ έτσι ώστε η πρόσκρουσή του να μην προκαλέσει την περιστροφή των μορίων. Τέλος, οι ερευνητές προψύξαν το μονοφθοριούχο στρόντιο με ειδικό τρόπο.
Ως αποτέλεσμα, οι συγγραφείς κατάφεραν να ψύξουν τα μόρια στα 300 microkelvins (ένα microkelvin είναι το ένα εκατομμυριοστό του Kelvin). Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι η τεχνολογία που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες τους επιτρέπει να μειώσουν τη θερμοκρασία τους σε ακόμη χαμηλότερες τιμές.
Στις αρχές του 2010, μια άλλη ομάδα ερευνητών, που εργαζόταν με μόρια καλίου και ρουβιδίου που ψύχονταν σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, μπόρεσε να παρατηρήσει άμεσα τις κβαντομηχανικές επιδράσεις.
Λίγα στοιχεία ακόμα...
- Μέση τιμήΟ άνθρωπος Έχω συνηθίσει να πιστεύω ότι οποιοδήποτε υγρό ουσιαστικά δεν έχει τη δική του μορφή, ωστόσο, αυτή είναι μια εσφαλμένη αντίληψη. Αξιοσημείωτο είναι ότι ακόμη και το σχολικό πρόγραμμα μιλά για αυτό. Αλλά το φυσικό σχήμα οποιουδήποτε υγρού είναι σφαιρικό. Ο μόνος λόγος που δεν είναι σε αυτή τη μορφή είναι η δύναμη της βαρύτητας.
- Ταχύτητα Η κίνηση των μορίων στο νερό μπορεί να φτάσει τα 650 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Φυσικά, όταν πρόκειται για βράσιμο.
- Γνωρίζατε ότι ένα αεροπλάνο που απογειώνεται από τη Μόσχα στο Βλαδιβοστόκ μπορεί να φτάσει ταυτόχρονα μεχρόνος αναχώρηση; Το γεγονός είναι ότι η διαφορά στους πόλους του ρολογιού είναι 9ώρες . Αυτό είναι , αν το αεροπλάνο μπορεί να ταξιδέψει τη διαδρομή σε τρεις ώρες, τότε θα φτάσετε την ίδια ώραχρόνος , στο οποίο αναχώρησαν.
- Αξίζει να σημειωθεί ότι η φυσική έχει πολλές ανακρίβειες και ελλείψεις, αλλά σήμερα είναι η μόνη επιστήμη που μπορεί να εξηγήσει τι συμβαίνει από τη σκοπιά μιας γενικής προσέγγισης. Τα περισσότερα από αυτά που παρουσιάζονται σε αυτό το άρθρο είναι σχολικό πρόγραμμα σπουδώνσύγχρονοι μαθητές της Δύσης, οπότε μάθετε περισσότερα και μάθετε να σκέφτεστε για να συμβαδίζετε μαζί τους.
Όλα τα αντικείμενα γύρω μας αποτελούνται από άτομα. Τα άτομα είναι τόσο μικρά που στον χρόνο που μας χρειάζεται για να ολοκληρώσουμε αυτήν την πρόταση, θα μπορούσαν να σχηματιστούν 100.00 άτομα.
Πράγματι, οι Έλληνες ήταν οι πρώτοι που μίλησαν για την ύπαρξη ατόμων πριν από 2400 χρόνια. Αλλά η ιδέα των ατόμων ήρθε και παρήλθε και δεν επανεξετάστηκε μέχρι το 1808, όταν ο John Dalton απέδειξε πειραματικά ότι τα άτομα υπάρχουν.
Τα άτομα είναι μέρος των μορίων των αντικειμένων που χρησιμοποιούμε καθημερινά, που αγγίζουμε και βλέπουμε. Υπάρχουν τόσα πολλά άτομα σε έναν κόκκο άμμου που ο αριθμός τους μπορεί να συγκριθεί με τον αριθμό των κόκκων άμμου στην παραλία.
Στερεά και υγρά
Σε ένα υγρό, από την άλλη πλευρά, τα μόρια κολλάνε επίσης σφιχτά μεταξύ τους, αλλά όχι τόσο σφιχτά όσο στα στερεά, ώστε να μπορούν να κινούνται και να αλλάζουν σχήμα. Ωστόσο, το υγρό δεν μπορεί να συμπιεστεί.
Τα μόρια αερίου συνδέονται χαλαρά μεταξύ τους, ώστε να μπορούν να απλωθούν και να γεμίσουν χώρο. Επιπλέον, τα μόρια αερίου μπορούν να συμπιεστούν σε μικρότερα μεγέθη.
Περιέργως, το γυαλί δεν είναι συμπαγές σώμα. Στην πραγματικότητα, το γυαλί είναι ένα υγρό, αλλά είναι τόσο παχύρρευστο που δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε πώς ρέει.
- Τα μεγαλύτερα αποθέματα νερού στο Ηλιακό Σύστημα βρίσκονται, όσο παράξενο κι αν φαίνεται με την πρώτη ματιά, στον Ήλιο. Μόρια νερού σε μορφήΤο ζευγάρι συγκεντρώνεται σε ηλιακές κηλίδες, η θερμοκρασία των οποίων είναι ενάμιση χιλιάδες βαθμούς χαμηλότερη από ό,τι στις περιοχές που τους περιβάλλουν, καθώς και στην περιοχή της ελάχιστης θερμοκρασίας - ένα στενό στρώμα κάτω από την επιφάνεια του αστεριού.
- Υπάρχει μια ειδική κατάσταση της ύλης που ονομάζεται «διαταραγμένη υπερομοιογένεια», στην οποία η ουσία έχει τις ιδιότητες ενός κρυστάλλου και ενός υγρού ταυτόχρονα. Ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από φυσικούς σε υγρό ήλιο και απλά πλάσμα, αλλά πρόσφατα οι βιολόγοι το συνάντησαν επίσης ενώ μελετούσαν τα κοτόπουλαάλλο μάτι. Πως και άλλοι έχουν μέραx τα πουλιά, τα κοτόπουλα έχουν πέντε τύπους φωτοϋποδοχέων: κόκκινο, μπλε, πράσινο, ιώδες και υπεύθυνο για την αντίληψη του φωτός. Όλα αυτά βρίσκονται στον αμφιβληστροειδή σε ένα στρώμα, με την πρώτη ματιά, τυχαία, αλλά μετά από λεπτομερή μελέτη των μοτίβων, αποδείχθηκε ότι γύρω από κάθε κώνο υπάρχει μια λεγόμενη απαγορευμένη ζώνη, στην οποία η εμφάνιση άλλων κώνων εξαιρείται το ίδιο είδος. Ως αποτέλεσμα, το σύστημα δεν μπορεί να λάβει μια ενιαία διατεταγμένη μορφή, αλλά προσπαθεί να είναι όσο το δυνατόν πιο ομοιογενές.
- Μερικές φορές κάτω από το πάχος θαλάσσιος πάγοςΜπορεί να εμφανιστούν μεγάλα παγάκια παρόμοια με σταλακτίτες. Όταν σχηματίζεται πάγος, δεν μένει αλάτι στο κρυσταλλικό του πλέγμα, και σε ορισμένα σημεία σχηματίζονται κατωφέρεια πολύ κρύου και πολύ αλμυρού νερού. Κάτω από ορισμένες συνθήκες, ένα στρώμα πάγου αρχίζει να αναπτύσσεται προς τα κάτω γύρω από μια τέτοια ροή. Εάν η θάλασσα είναι ρηχή σε ένα δεδομένο μέρος, ο πάγος φτάνει στον πυθμένα και συνεχίζει να αναπτύσσεται σε κάποια οριζόντια κατεύθυνση.