3681

Автономная эволюция минералов

Реферат

Минералогия

Автономная эволюция минералов В природе найдено несколько сот тысяч различных видов молекул, более полумиллиона их создано искусственно. Минералы относятся к числу первых. Их определяют по химическому составу и по кристаллической структуре. По соста...

Русский

2012-11-05

287.5 KB

0 чел.

Автономная эволюция минералов

В природе найдено несколько сот тысяч различных видов молекул; более полумиллиона их создано искусственно. Минералы относятся к числу первых. Их определяют по химическому составу и по кристаллической структуре. По составу минералы подразделяют на девять классов — от индивидуальных элементов до органических соединений; сюда входят фосфаты, сульфаты, силикаты и другие вещества. По строению они сгруппированы в семь кристаллографических систем. Последние определяются относительной длиной ребер и величинами углов кристаллических форм. Многие свойства минералов повлияли на создание условий для жесткой канализации биологического развития.

Минералогия относится к числу медленно развивавшихся научных направлений. Хотя минералы и проще живых организмов, но многие их свойства детально не проанализированы. Механизм такого важного процесса, как кристаллизация, еще далеко не раскрыт, а регенерацию кристаллов только начинают изучать. В результате у минералогов пока нет предпосылок для постановки экспериментов, которые позволили бы раскрыть механизмы эволюции минералов. К тому же познания этих ученых в биологии, как правило, ограничены. Поэтому они не в состоянии компетентно ставить вопросы, касающиеся роли минералов в биологической эволюции.

Эволюция минералов

Об эволюции минералов предпочитают не говорить, потому что обычно их рассматривают как инертные или статичные структуры, образовавшиеся на заре существования Земли. Однако у минералов, как и у химических элементов, был свой путь эволюции. Они представляют собой химические соединения — твердые тела, образованные с помощью природных процессов, как правило, неорганические и имеющие кристаллическое строение.

1. При образовании минералов в природных условиях также преобладали упорядоченность и простота построения. Число известных типов минералов составляет примерно 3000, но все их разнообразные кристаллические формы являются вариантами семи основных кристаллографических систем: кубической, тригональной, гексагональной, тетрагональной, ромбической, моноклинной и триклинной. При этом кубическая система служит основой всех остальных.

2. Исходя, из этих семи систем выведены 230 возможных пространственных групп симметрии, основанных на расположении атомов. Существуют и другие способы описания кристаллов, основанные на магнитных моментах или других свойствах, но число видов периодических структур всегда конечно.

Так же ограничено и число порядков симметрии вращения. Оно может равняться 1, 2, 3, 4 или 6. Иногда в одном кристалле имеются оси симметрии разных порядков, но никогда не встречается симметрия пятого или седьмого порядка, наблюдаемая у растений и у беспозвоночных.

4. Существуют закономерности, определяющие слоистость структуры минералов; в настоящее время они изучаются в нескольких лабораториях. Эти закономерности отражают упорядоченный характер образования слоев и укладки их в стопки, указывают на геометрическую простоту их упаковки, выявляют типы симметрии и позволяют оцепить минимальную энергию решетки. Тем не менее, мы еще далеки от понимания детального механизма эволюции минералов.

Изоморфизм в эволюции минералов

Подобие форм у минералов еще не означает, что одинаков их химический состав. Например, к минералам с кристаллами тригональной системы принадлежат бруцит, кальцит, сидерит, кварц, турмалин и ряд других. Кристаллы той же системы могут образовывать также оксиды, карбонаты и силикаты. Еще больше совпадают структуры у других минералов. Апатит, пироморфит и миметизит образуют гексагональные призмы. Вивианит, эритрин и аннабергнт всегда образуют идентичные моноклинные кристаллы. Сначала считали, что идентичность формы является результатом неупорядоченных процессов, так как подобные минералы различны по химическому составу, но вскоре выяснилось, что такое предположение ошибочно. Изучение минералов одинаковой формы показало, что при различии состава у них есть общие особенности молекулярной структуры. Так, из химических формул вивианита и эритрина — соответственно видно, что у эритрина железо замещено кобальтом, а фосфор — мышьяком. Следовательно, идентичность кристаллических структур при различном химическом составе является результатом не случайного процесса, а выражением глубоко скрытого сходства на молекулярном или атомиом уровнях. Митчерлих назвал это явление изоморфизмом.

Анализ свойств минералов приводит к поучительному выводу: тождественность или подобие формы при, казалось бы, разнородности структуры не случайны, а обусловлены физико-химическим сходством, скрытым на более глубоком уровне и потому нелегко распознаваемым.

В многообразии минералов есть закономерности

Неродственные виды живых организмов могут иметь сходные обтекаемые очертания. В то же время близкие виды могут иметь неодинаковые формы; примером служат гиппопотам и жираф, принадлежащие к одному отряду парнокопытных.

Аналогичная картина наблюдается и у минералов. Явление, противоположное изоморфизму, именуется полиморфизмом минералов. Один и тот же минерал может существовать в совершенно несходных формах. Наиболее изученный случай — это кальцит СаСОз, встречающийся примерно в 600 формах и более чем в 2000 их комбинаций. Форма кристаллов варьирует от игл до пластин. Давно известно, что кристалл кальцита любой формы можно разбивать на все более мелкие, вплоть до микроскопических размеров, ромбоэдрические кристаллы.


Это привело к представлению об определенной упаковке атомов в кристаллических телах, что впоследствии было подтверждено рентгенографическими исследованиями Лауэ и других. Однако и минералы более простого химического состава могут давать структуры с еще более резкими различиями формы и свойств. Так, элемент углерод существует в виде алмаза или графита. Алмаз, наиболее твердый из известных минералов, обычно бесцветен и кристаллы его принадлежат к изометрической системе. Графит же мягок, обычно имеет серый или черный цвет, аморфен или образует гексагональные кристаллы. Трудно представить себе более значительное различие формы и свойств у одного и того же элемента, лишенного каких-либо примесей.

Как показал рентгеноструктурный анализ, причина этого различия заключается в способе упаковки, т. е. в геометрии взаимного расположения атомов, образующих кристаллы. Таким образом, форма определяется двумя главными факторами: атомным составом и способом сборки в слои. Способ сборки в свою очередь может зависеть от параметров среды, например, от давления. Образование некоторых форм кристаллов кварца происходит при сверхвысоком давлении, близком к тому, которое существует в глубинах Земли. Физические теории происхождения форм минералов интенсивно разрабатываются рядом групп исследователей.

Не имеющий генов кальцит образует тысячи кристаллических форм в рамках одной основной структуры.

Биологическую изменчивость обычно связывают с существованием генов. Наличие множества форм растений и животных считают чисто биологическим явлением, которое может быть порождено только генами. С одной стороны, мы имеем постоянство анатомического строения, характеризующего отряд или семейство организмов, с другой — наблюдаем изменчивость, ведущую к образованию видов и разновидностей. И постоянство строения, и изменчивость приписывают проявлению генов. В основе наследственности лежит постоянство, а в основе эволюции — изменчивость. Минералы и другие неорганические вещества не имеют генов, но уже обладают этими двумя основными качествами: постоянством структуры и способностью изменять ее, давая многочисленные формы. Приведем несколько примеров.

1. Кальцит. Постоянство выражено в том, что ни в одной из форм структура не выходит за рамки гексагональной системы. При этом, как упоминалось выше, имеется более двух тысяч комбинаций кристаллографических модификаций.

2. Кварц. Наблюдается такое же разнообразие конфигураций при неизменной кристаллографической системе.

3. Вода. Абсолютно все кристаллы снега сохраняют гексагональную структуру. Это не мешает им образовывать тысячи различных комбинаций ветвящихся структур.

Почему же эти минералы и простое химическое соединение вода оказываются настолько близкими по своим свойствам к живым организмам, не обладая генами, которые обеспечивают постоянство строения и обусловливают изменчивость? Ответ прост: гены имеют к этим двум существенным качествам весьма отдаленное отношение. Такая констатация должна, казалось бы, уязвить мое самолюбие генетика; во всяком случае, она огорчительна для тех, кто пытается решать все проблемы биологии, основываясь исключительно на функциях генов. У воды и кальцита генов нет, и однако, в них уже заключены те механизмы, которые в настоящее время считаются главными атрибутами генов. В дальнейшем мы увидим, какова именно функция гена и насколько вторична его роль в биологических процессах.

Физические процессы, определяющие рост кристаллов, до конца не установлены.

Явление роста кристаллов, казалось, должно быть хорошо изучено: оно считается намного более простым, чем биологическое развитие.



Однако механизм образования кристаллов еще не вполне ясен. Это относится и к двум основным явлениям, связанным с ростом кристаллов льда: 1) рост с ветвлением и 2) расщепление растущего конца у крайней точки при отсутствии поверхностного натяжения. Несмотря на то что исследуется одно из простейших соединений, этим явлениям пока затруднительно дать точную физико-химическую расшифровку. Ключевым является вопрос о том, каков механизм проявления анизотропии молекул воды на макроскопическом уровне. Требуется также разъяснить физический механизм, определяющий точку раздвоения растущей ветви кристалла. Прежде чем дать объяснение ходу биологического развития, надо расшифровать процесс роста кристаллов.

Жидкие кристаллы

Кристаллы в большинстве своем — твердые тела с плоскими гранями. Ранее предполагали, что жидких кристаллов быть не может, так как жидкости с их однородной структурой и текучестью считались аморфными. Несколько десятилетий назад Отто Леман показал, что существуют и жидкие кристаллы и что они обладают свойствами, характерными для твердых тел.

В спиртовом растворе олеата аммония при медленном охлаждении образуются прозрачные кристаллы, имеющие вид двух удлиненных пирамид с общим основанием. Под микроскопом можно наблюдать в них двойное лучепреломление. Им свойственны все характеристики твердого кристаллического состояния, хотя они являются жидкостью и деформируются при перемешивании раствора.

Открытые квазикристаллы имеют симметрию 5-го порядка

Считалось, что кристаллические вещества не могут обладать симметрией 5-го порядка. Распространенность же этого типа симметрии у растений и у иглокожих использовали как свидетельство того, что жизнь представляет качественно иной уровень организации. В 1984 г. было сделано открытие в минералогии: обнаружилось, что металлы в стеклообразном состоянии являют собой новый вид упорядоченности атомов. Они ни кристалличны, ни полностью аморфны; их назвали квазикристаллами. Быстро охлажденный образец шехтманита — сплава алюминия с марганцем — обладает симметрией 5-го порядка. Такую же симметрию можно получить и у многих других металлов. Шехтманит, если его расплавить и быстро охладить, образует ветвистые структуры, похожие на снежные хлопья. Однако квазикристаллы шехтманита, в отличие от кристаллов льда, имеют симметрию не 6-го, а 5-го порядка.

Описанные эксперименты показывают, что минералогия — это та наука, где придется еще многое узнать о кристаллической структуре, прежде чем можно будет понять, что представляет собой биологическая эволюция. Тот факт, что между состояниями кристаллическим и аморфным существует еще и промежуточное, обнаруживающее свойства, присущие живым организмам, наводит меня на мысль, что эволюция шла от минералов к организмам через четыре этапа: через образования твердокристалличеокие, жидкокристаллические, квазикристаллические и аморфные.


Эволюционные закономерности построения минералов

Эволюционно значимые закономерности, вытекающие из науки о минералах, имеют чрезвычайно большое значение для познания биологической эволюции. Их можно суммировать следующим образом.

1. Создана классификация видов минералов. Их определяют по химическому составу и по форме кристаллов точно так же, как виды живых организмов определяют по биохимическим данным, по констелляции генов и по анатомическому строению.

2. Для всех минералов существуют общие принципы строения. Об этом свидетельствует их принадлежность к семи кристаллографическим системам. Простейшая из них — кубическая — представляется первичной.

3. Образование производных структур указывает на вторичные факторы упорядоченности, обусловленные взаимодействиями на атомном уровне.

4. Число различных форм ограниченно.

5. Все формы одного минерала, подобно кальциту или кварцу, являются вариантами одного и того же образца — соответствующей кристаллической системы — жесткой матрицы, отклонений от которой не наблюдается.

6. В процессе комбинирования возникают тысячи вариантов конфигурации минералов на основе одной системы.

7. Минералы различного химического состава могут давать кристаллы, принадлежащие к одной и той же кристаллографа ческой системе. При этом, однако, в их химическом строении обнаруживается неявное сходство.

8. Симметрия кристаллов бывает только 1, 2, 3, 4 и 6-го порядков. У квазикристаллов она может быть и 5-го порядка, что, как ранее считалось, является отличительной чертой живых организмов.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36928. Блочные симметричные алгоритмы шифровании. Режимы работы блочных алгоритмов 2.77 MB
  Блочными называются шифры в которых логической единицей шифрования является некоторый блок открытого текста после преобразований которого получается блок шифрованного текста такой же длины. Ситуации в которых постороннему наблюдателю известна часть исходного текста встречаются повсеместно. Это диктуется в первую очередь требованием невозможности обратного декодирования в отношении ключа при известных исходном и зашифрованном текстах. Предположим противник обладает некоторыми сведениями о статистических характеристиках открытого текста.
36929. Моделі оптимального використання взаємозамінних ресурсів 41 KB
  2 як зміниться план якщо норми затрат часу роботи обладнання А на одиницю продукції 1 збільшаться до 3 а обладнання В на одиницю продукції 2 зменшаться до 3. 4 Як зміниться розвязок задачі якщо прибуток від продажу продукції зросте на 10 де k порядковий номер у списку студентів групи: m=10k якщо k 10 m=20k якщо k 10 Задача 2 З наступних задач студентка вибирає одну відповідно до порядкового номера у списку студентів групи. Компанія Яваінâ віднедавна отримала статус ексклюзивного дистрибютора іспанської фірми із...
36930. Зовнішній вигляд сторінок. Їх оформлення. Форматування тексту 75 KB
  Форматування тексту. Навчитись змінювати параметри форматування абзаців: вирівнювання інтервал розміщення на сторінці табуляція обрамлення та заповнення список нумерація заголовків. Засвоїти поняття: автозбереження; резервні копії документів; режими відображення документів; пошук текстових документів за різними критеріями; захист документа; основні елементи документа; опції редагування; параметри форматування символів; параметри форматування абзацу; вирівнювання; відступ інтервал розміщення на сторінці табуляція ...
36931. Дослідження нормального розподілу 16.96 KB
  Створюємо таблицю зі стовпчиками задача а задача б задача в та рядками вага пакунку та ймовірність. Задача а Задача б Задача в Вага пакунку Менше 48 Більше 51 У межах від 48 до 51 кг. Ймовірність Задача а Для підрахунку ймовірності РХ 48 події що навмання взятий пакет важить менше 48 кг. Задача б Для підрахуваня ймовірності РХ 51 події що навмання взятий пакет важить більше 51 кг використаємо співвідношення РХ 51=1РХ 51.
36932. Амплітудний модулятор 211.5 KB
  Мета: Дослідження методики настроювання амплітудного модулятора Дослідження модуляційної характеристики амплітудного модулятора Дослідження режимів роботи амплітудного модулятора 1. Методика настроювання амплітудного модулятора на біполярному транзисторі: Для цього складемо схему: Після чого настроїмо резонансний контур на частоту несучого коливання. Закріпимо здобуті навички і налагодимо амплітудний модулятор на частоту модулю чого коливання 150кГц розрахуємо необхідні дані: Статична модуляційна характеристика: E Uвих 02...
36933. Неповністю визначені функції 424.25 KB
  Зберіть схему підключіть входи DCB до джерела логічних сигналів а вихід до логічного пробника. Намалюйте часові діаграми сигналів на виходах всіх логічних елементів схеми для всіх можливих комбінацій вхідних сигналів. Розробіть схему що формує на виході сигнал F із вхідних сигналів А В С як показано на рисунку. При перевірці її роботи для формування вхідних сигналів використайте: а джерела логічних сигналів; б генератор слів.
36934. Розробка засобів програмованого (тестового) контролю навчальних досягнень учнів з трудового навчання 29.76 KB
  Мета роботи: Вивчення дидактичних основ вибору питань для тестової перевірки навчальних досягнень учнів з трудового навчання. Оволодіти методикою проведення тестової перевірка знань умінь та навичок учнів за допомогою нових інформаційних технологій. Система тестування як форма контролю та оцінювання навчальних досягнень учнів з трудового навчання.
36935. ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ В ЗАКОНІ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА 127 KB
  Основні теоретичні відомості Якщо на тіло падає потік світла то частина цього потоку буде відбиватися від його поверхні а друга частина потоку що проникає в тіло буде поглинатися частинками тіла і перетворюватися в інші форми енергії в кінцевому рахунку в теплоту. Відношення відбитого потоку Фвідб до падаючого потоку Ф називається коефіцієнтом відбивання або поглинаючою здатністю тіла тобто а = Фвід6 Ф а відношення потоку що поглинається тілом до падаючого потоку називається коефіцієнтом поглинання або поглинаючою здатністю...
36936. Удаленная работа з FTP-сервером 225 KB
  FTPсервер представляет из себя своеобразную библиотеку файлов. Для перекачки файлов между FTPсерверами и компьютером пользователя используется протокол FTP File Trnsfer Protocol протокол передачи файлов. С помощью FTPсервера можно выкачивать на свой компьютер файлы выложенные на многочисленных FTPсерверах.