Под редакцией Л. А. Михайлова

Концепции современного естествознания

ВВЕДЕНИЕ

Естествознание – наука о явлениях и законах природы. На современном этапе развития естествознание включает множество отраслей: физику, химию, биологию, биохимию, геохимию, астрономию, генетику, экологию и др. Естествознание охватывает широкий спектр вопросов о разнообразных свойствах объектов и явлений природы, которую можно рассматривать как целостную систему. Успехи естествознания, особенно с XVII–XVIII вв., надолго сделали принципы естествознания эталоном рациональности. Изучение природы было естественным стремлением человека познать окружающий мир и стало основой практической деятельности. Основные понятия, само представление о закономерностях изменения явлений, способы применения законов природы были порождены ее исследованием. Отношение к природе, понимание ее места в мироздании, представление о явлениях, происходящих в ней, были основой научных и философских систем в различных цивилизациях. В настоящее время естественнонаучные знания являются сферой активных действий и основанные на них современные технологии формируют новый образ жизни человека.

Основные мировоззренческие и методологические принципы современного естествознания, ведущие направления их развития и положение в общекультурной картине мира предлагаются для изучения в курсе «Концепции современного естествознания». Однако подробное изложение естественнонаучных знаний, накопленных во всех отраслях естествознания, – необходимый, но сложный процесс, для решения которого в данном учебнике используется принцип концептуальности изложения научного материала.

Понятие «концепция» включает в себя основополагающие идеи, принципы, что позволяет студентам получить фундаментальные знания о природе и на их основе более детально изучить специализированные дисциплины профильной подготовки. Концептуальное мышление и восприятие естествознания необходимо для студентов естественных, технических и гуманитарных факультетов, так как оно показывает роль естествознания в современной жизни, приложимость его принципов и законов к разнообразным сферам теоретической и практической деятельности человека.

Учебник «Концепции современного естествознания» подготовлен в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования. Цель учебника заключается в том, чтобы сделать доступным для студентов понимание проблем и результатов исследований в области естественных наук, познакомить студентов на уровне общих представлений с наиболее важными положениями, концепциями наук о природе в их взаимосвязи, развитии.

Реализация этой цели предполагает решение следующих задач:

♦ дать представление об основополагающих концепциях различных естественных наук, направлениях их развития в историческом аспекте;

♦ сформировать систему общих знаний о живой и неживой природе и законах ее существования;

♦ развить способность использования системного подхода в оценке развития направлений современного естествознания;

♦ научить анализировать основное содержание конкретных научных теорий и основополагающих концепций;

♦ познакомить студентов с важнейшими достижениями современного естествознания;

♦ охарактеризовать задачи рационального природопользования, а также роль, место и значение человека в эволюции не только Земли, но и Космоса.

В соответствии с Государственным образовательным стандартом в данном учебнике рассматриваются следующие вопросы:

♦ предмет, структура и методы естествознания (глава 1);

♦ физическая картина мира и ее структура (главы 2–3);

♦ основы современной химии (глава 4);

♦ современные представления о мегамире: Вселенной, Солнечной системе, звездах (глава 6), а также о Земле – планете Солнечной системы (глава 7);

♦ современные теории происхождения, развития жизни, биосферы, человека (главы 8-10);

♦ концепции естественнонаучных основ современных технологий и экологии (главы 5, 11).

В конце каждой главы представлены вопросы для самопроверки студентов. В учебнике дается список литературы, использовавшейся при написании пособия и рекомендуемой студентам при подготовке к практическим занятиям, а также тестовые задания. Помимо помощи студентам в освоении дисциплины данное учебное пособие решает задачу ознакомления с основами современного естествознания всех интересующихся проблемами в этой области науки.

Авторы учебника:

Баленко Ю. К., кандидат технических наук, профессор (гл. 2: § 2.32.11; гл. 3);

Беспамятных Т. Б., кандидат педагогических наук, доцент (гл. 11); Киселева Э. М., кандидат педагогических наук (гл. 8: § 8.10; гл. 9, гл. 10);

Королъкова С. В., кандидат биологических наук (гл. 4, гл. 5);

Костецкая Г. Б., кандидат педагогических наук (гл. 1: § 1.1, 1.2; гл. 6: § 6.1–6.3; гл. 7: § 7.9, 7.10);

Михайлов Л. Б., доктор педагогических наук, профессор, лауреат премии Президента РФ (заключение);

Попова Р. И., кандидат педагогических наук, доцент (гл. 1: § 1.3; гл. 2: § 2.1, 2.2);

Силакова О. В., кандидат педагогических наук (гл. 6: § 6.4; гл. 7: § 7.1–7.8, 7.11);

Соломин В. П., доктор педагогических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ, действительный член МАНЭБ (введение);

Царенко В. П., доктор сельскохозяйственных наук, профессор (гл. 8: § 8.1–8.9).

Глава 1

ПРЕДМЕТ И СТРУКТУРА ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Термин «естествознание» происходит от соединения слов «естество», то есть природа, и «знание». Таким образом, дословное толкование термина – знание о природе.

► Естествознание в современном понимании – наука, представляющая собой комплекс наук о природе, взятых в их взаимосвязи. При этом под природой понимается все сущее, весь мир в многообразии его форм.

1.1. Наука. Функции науки

► Наука – это особый рациональный способ познания мира, основанный на эмпирической проверке или математическом доказательстве.

Науку рассматривают как сферу исследовательской деятельности, направленную на производство новых знаний о природе, обществе и человеке, включающую в себя все условия этого производства: ученых с их знаниями и способностями, научные учреждения и специальное оборудование, методы научно-исследовательской работы, систему научной информации.

Возникнув в Европе после философии и религии, в современном виде наука сформировалась в XVI–XVIII вв. Причина возникновения науки – соединение в своеобразном типе европейской культуры восточной чувственности с греческой рациональностью. Активно развиваясь, к началу XVIII в. наука заняла доминирующее место в культуре человеческой деятельности. С тех пор значение науки неуклонно возрастает. Если в начале XIX в. развитие науки зависело от развития производства, то к концу столетия ситуация изменилась: развитие науки стало предшествовать развитию производства.

В ХХ в. объем научной информации удваивался каждые 10–15 лет. В настоящее время наука охватывает около 15 тыс. дисциплин, которые разделяются на фундаментальные и прикладные, естественные и общественные. Изменился и статус ученого. До конца XIX в. научные исследования велись в университетах, где ученый добывал средства к жизни преподавательской работой. В настоящее время ученый – это особая профессия. С разделением науки на фундаментальную и прикладную, произошедшим в ХХ столетии, теоретические исследования стали непосредственно влиять на производство. Наука превратилась в важную производительную силу общества.

Выделяют три основные ипостаси науки: отрасль культуры, способ познания мира, социальный институт.

Наука как отрасль культуры

Термин «культура» (от лат. cultura – возделывание, воспитание, развитие, почитание) вошел в обиходевропейской социальной мысли во второй половине XVIII в. Первоначально понятие «культура» подразумевало целенаправленное воздействие человека на природу, а также воспитание и обучение самого человека. Современная трактовка понятия «культура» отражает как общее отличие человеческой жизнедеятельности от биологических форм жизни, так и качественное своеобразие конкретных исторических форм этой жизнедеятельности.

► Культура – специфический способ организации и развития человеческой жизнедеятельности, представленный в продуктах материального и духовного труда, в системе социальных норм и учреждений, в духовных ценностях, в совокупности отношений людей к природе, между собой и к самим себе.

Содержание понятия «культура» и его структура находятся в постоянном развитии и зависят от конкретной исторической эпохи, общественно-экономической формации, национальных особенностей. Культуру подразделяют на материальную и духовную. Материальная культура охватывает всю сферу материальной деятельности и ее результаты – орудия труда, жилище, одежду и т. д. Духовная культура включает в себя сферу сознания, духовного производства – нравственность, воспитание, этику, эстетику, религию, искусство, науку.

Науку как составляющую общечеловеческой культуры от других отраслей культуры отличает целый рядпризнаков. В отличие от техники целью науки является познание мира, а не использование полученных знаний о мире для его преобразования. От искусства наука отличается рациональностью. От философии науку отличает то, что ее выводы требуют эмпирической проверки. В отличие от идеологии научные истины общезначимы и не зависят от интересов определенных слоев общества. От религии наука отличается тем, что опирается не на веру, а на чувственную реальность. Наука решает частные проблемы и дает относительные ответы на частные вопросы, которые подтверждаются опытом. При этом в науке никогда не имеется достаточных оснований для уверенности в том, что достигнута истина.

Как сфера человеческой деятельности наука имеет специфические черты.

Универсалъностъ – сообщает знания, истинные для тех условий, при которых они получены.

Обезличенностъ – конечные результаты научного познания не зависят от национальности ученого, от места его проживания или индивидуальных особенностей.

Систематичностъ – наука имеет определенную взаимосвязанную структуру, а не является бессвязным набором частей.

Фрагментарностъ – наука делится на отдельные дисциплины, поскольку изучает не бытие в целом, а различные фрагменты реальности и ее параметры.

Общезначимостъ – научные знания могут быть использованы всеми людьми. Наука оперирует единым языком терминов и понятий.

Незавершенностъ – процесс научного познания бесконечен, так как научное знание не может достичь абсолютной истины.

Преемственностъ – новые знания определенным образом соотносятся со старыми знаниями.

Критичностъ – всякое знание относительно, любые результаты могут быть поставлены подсомнение и пересмотрены.

Достоверностъ – любые научные выводы основаны на результатах, прошедших разностороннюю проверку.

Внеморалъностъ – научные истины нейтральны в морально-этическом плане. Нравственные оценки могут относиться либо к деятельности по получению знания, либо к деятельности по его использованию.

Рационалъностъ – разработка теорий, выходящих за рамки эмпирического уровня, на основе законов логики.

Чувственность – научные результаты признаются достоверными только после того, как они эмпирически проверены с использованием чувственного восприятия.

Кроме того, для науки характерны свои методы исследований, использование приборов и оборудования, особый язык.

Таким образом, специфика науки как отрасли культуры заключается в следующем:

♦ наука познает реальность посредством изучения отдельных ее частей;

♦ результаты науки требуют эмпирической проверки.

Наука как способ познания мира

Наиболее развитой формой познания в настоящее время является наука. Она познает объективные законы изучаемых явлений. Благодаря этому наука обладает предсказательной функцией, позволяет предвидеть ход событий. Формула науки: знать, чтобы предвидеть; предвидеть, чтобы действовать со знанием дела. Наряду с наукой существует вненаучное познание, занимающее важное место в жизни человека. На практике вненаучные формы познания часто бывают незаменимы. Среди них наиболее распространено обыденное познание.

Под обыденным познанием понимают неспециализированную познавательную деятельность человека в процессе его жизнедеятельности. Результатом обыденного познания является жизненно-практическое знание. Такое знание не требует для своего усвоения и передачи специальной подготовки. При этом жизненно-практическое знание является ключевым во взаимопонимании людей и образует основу любого другого знания, в том числе и научного. Помимо обыденного, к вненаучному относят многочисленные специализированные виды практического познания и знания – например, практическое животноводство, растениеводство, швейное дело и т. д.

Результатом обыденного познания, так же как и научного, может быть объективное знание о мире. При этом научное и обыденное познание имеют рядважных отличий:

1. Характер объекта познания. Обыденный опыт имеет дело с целым объектом и всем комплексом его внешних связей. В науке объект познают посредством изучения его частей и нахождения связей между ними, при этом на теоретическом уровне имеют дело не с самими объектами, асихидеализированными моделями.

2. Системностъ и обоснованностъ – признак, отличающий научное знание от обыденного. Научные знания выстраиваются в систему посредством логического выведения одних утверждений из других.

3. Проверка достоверности полученных знаний. Достоверность обыденного знания может быть установлена только опытом или в процессе производства. Наука использует специфическое средство проверки знаний – эксперимент.

4. Исполъзование специалъной аппаратуры. В отличие от обыденного познания наука нуждается в специальных орудиях и средствах исследования – научной аппаратуре (инструментах, приборах, оборудовании).

5. Исполъзуемый язык. В процессе обыденного познания пользуются обычным, разговорным языком. В науке помимо разговорного используется особо разработанный язык специфических терминов, символов, схем, формул.

6. Необходимостъ особой подготовки. В отличие от обыденного познания занятия наукой требуют особой подготовки – теоретической, практической, методической.

Переход к научному познанию был длительным. К этапу зарождения и начального развития научного познания можно отнести период примерно с VII–VI вв. до н. э., когда в Древней Греции возник интерес к пониманию мира в целом, до XVI–XVIII вв. – времени возникновения науки. Познавательной предпосылкой науки явилось развитие критических функций разума и абстрактного мышления. Еще в древнем мире человек стал выделять себя из мира природы, почувствовал себя активной силой. Возникшее в дальнейшем общественное разделение труда способствовало накоплению рациональных знаний, а значит, и развитию научного способа познания.

Научное познание иначе называют научным исследованием. Наука – не только результат научного исследования, но и само исследование. Она имеет определенную структуру. Выделяют два уровня научного исследования – эмпирический и теоретический.

► Эмпирическое исслелование (отгреч. empeiria – опыт) – это опытное познание.

► Теоретическое исслелование (от греч. theoria – рассматриваю, исследую) представляет собой систему логических высказываний, включающих в себя математические формулы, схемы, графики и др., образованные для установления законов природных, технических и социальных явлений.

На основе эмпирических исследований могут быть сделаны эмпирические обобщения. На основе эмпирических обобщений формулируется гипотеза (от гр. hypothesis – основание, предположение) – научное предположение. Для формулировки гипотезы, объясняющей эмпирические факты, необходимо все предшествующее знание, касающееся данной проблемы. Научное предположение остается гипотезой до эмпирического подтверждения. После выдвижения определенной гипотезы с целью ее проверки исследование опять возвращается на эмпирический уровень. Для проверки научной гипотезы проводятся новые эксперименты. Если гипотеза выдерживает эмпирическую проверку, то она приобретает статус закона или закономерности, если нет – считается опровергнутой, и поиски иной, более приемлемой, гипотезы продолжаются.

Совокупность нескольких законов, относящихся к одной области знания, называется теорией. В случае, если теория в целом не получает убедительного эмпирического подтверждения, она может быть дополнена новыми гипотезами. Подтвержденная на практике теория считается истинной до тех пор, пока не будет предложена новая теория, лучше объясняющая известные эмпирические факты, а также новые эмпирические факты, которые стали известны уже после принятия первоначальной теории и оказались противоречащими ей. Основной смысл, суть той или иной теории, выражается в концепции. Когда теория еще не выработана, а имеется только главная идея для объяснения определенных событий, то такую идею тоже называют концепцией.

► Концепция (от лат. conceptio – понимание, система) – это определенный способ понимания, трактовки какого-либо предмета, процесса, явления либо ведущий замысел, конструктивный принцип научной деятельности.

Таким образом, каждая теория или гипотеза имеет свою концепцию, свой смысл и свой принцип научной деятельности.

Наука как социальный институт

В XVII–XVIII вв. в Европе были созданы первые научные общества, академии, начали издаваться научные журналы. Наука сложилась как социальный институт. Стремительным развитием всех отраслей науки характеризуется XX в. В этот периодвремени осуществлялось строительство крупных исследовательских институтов и лабораторий, оснащенных разнообразными приборами, вычислительной и иной техникой. Еще более интенсивными темпами развитие науки происходит в настоящее время.

Внимание государства к науке в истории общества росло по мере того, как возрастали ее социальные функции. На протяжении четырех столетий наука завоевывала одну общественную позицию за другой. Срастаясь со всеми формами материального и духовного производства, политической и идеологической жизнью общества, наука превратилась в непосредственную производительную силу, в важнейший компонент научно-технического прогресса. Поэтому общество, заботящееся о своем будущем, заинтересовано в увеличении финансовых затрат на развитие науки.

О масштабах научной сферы жизни современного общества свидетельствует численность ученых в мире. Если в начале XIX в. количество ученых составляло около 1 тыс. человек, к началу XX в. – уже порядка 100 тыс. человек, то к началу XXI в. численность научных работников в мире составила свыше 5 млн человек. Девяносто процентов всех ученых, когда-либо живших на планете, – наши современники. Согласно статистическим данным, удвоение объема научной информации в современном обществе происходит каждые 10–15 лет. Более 90 % всех важнейших научно-технических достижений человечества приходится на XX – начало XXI в.

Система современного научного знания включает около 15 тыс. дисциплин, научных журналов насчитывается несколько сотен тысяч. В авангарде науки идут фундаментальные исследования. Высокими темпами развивается прикладная наука, основанная на экспериментальной, опытно-промышленной базе. Современные научные исследования требуют существенных материальных вложений. Например, строительство синхрофазотрона, необходимого для проведения исследований в области физики элементарных частиц, требует миллиардов долларов. Особенно дорогостоящими являются космические исследования. В развитых странах на науку сегодня затрачивается 2–3 % валового национального продукта. Но без этого невозможны ни достаточная обороноспособность страны, ни ее производственное могущество.

В истории мировой науки российская наука всегда занимала одно из ведущих мест. В конце 80-х гг. XX в. в СССР было около 1,5 млн научных работников, что составляло примерно одну четверть ученых всего мира. Из них около 40 % занимались проблемами технических наук, порядка 30 % составляли специалисты в области естественных наук и медицины, а 30 % от общей численности советских ученых работали в гуманитарных научных областях.

К сожалению, в последнее время ввиду низких материальных вложений российская наука находится в тяжелом состоянии, вследствие чего имела место массовая эмиграция ученых. С начала 90-х гг. прошлого столетия, то есть за неполные 20 лет, страну покинули около 1,5 млн специалистов. Согласно статистическим данным, заработная плата исследователей в фундаментальной науке в промышленно развитых странах Запада в 40–50 раз выше, чем в России, а годовые расходы на фундаментальную науку в США, например, в 8 раз больше, чем в нашей стране. Тем не менее в настоящее время ситуация начала стабилизироваться, многие ученые предпочитают оставаться в России, а не уезжать за рубеж. Это связано с позитивным экономическим развитием страны, с увеличением государственных и частных инвестиций в научную сферу.

Экономический подъем России невозможен без опережающего развития науки. Поэтому в настоящее время наука является одним из приоритетных направлений в деятельности государства.

1.2. Естествознание – комплекс наук о природе

Естествознание, как указывалось ранее, – это совокупность наук о природе, взятых в их взаимосвязи. Однако данное определение не отражает в полной мере сущности естествознания, поскольку природа выступает как единое целое. Это единство не раскрывается ни одной частной наукой, ни всей их совокупностью. Множество специальных естественнонаучных дисциплин своим содержанием не исчерпывает всего, что мы подразумеваем под природой: природа глубже и богаче всех имеющихся теорий.

Понятие природы трактуется по-разному. В самом широком смысле подприродой понимается все сущее, весь мир в многообразии его форм. Природа в этом значении стоит в одном ряду с понятиями материи, Вселенной. Наиболее употребительно толкование понятия «природа» как совокупности естественных условий существования человеческого общества. В данной трактовке характеризуются место и роль природы в системе исторически меняющегося отношения к ней человека и общества. В более узком смысле под природой понимают объект науки, а точнее – совокупный объект естествознания.

Современное естествознание развивает новые подходы к пониманию природы как единого целого. Это выражается в представлениях о развитии природы, о различных формах движения материи и разных структурных уровнях организации природы, в расширяющемся представлении о типах причинных связей. Например, с созданием теории относительности существенно видоизменились взгляды на пространственно-временную организацию объектов природы; развитие современной космологии обогащает представления о направлении естественных процессов; развитие экологии привело к пониманию глубоких принципов целостности природы как единой системы.

► В настоящее время под естествознанием понимается точное естествознание, то есть такое знание о природе, которое базируется на научном эксперименте, характеризуется развитой теоретической формой и математическим оформлением.

Для развития специальных наук необходимо общее знание природы, комплексное осмысление ее объектов и явлений. Для получения таких общих представлений каждая историческая эпоха вырабатывает соответствующую естественнонаучную картину мира.

Исторические этапы познания природы

Процесс познания человеком природы начался еще в глубокой древности, но интенсивно стал развиваться в античный период. Важную роль в дальнейшем становлении естествознания как науки сыграли основанные на наблюдениях великие догадки древних философов.

Так, родоначальник античной натурфилософии Фалес сумел предсказать солнечное затмение, наблюдавшееся в Греции в 585 г. до н. э. Эмпедокл, живший в VI в. до н. э., объяснил причину солнечного затмения прохождением Луны между Солнцем и Землей. Эмпедокл также высказал удивительную догадку о том, что свет распространяется с огромной скоростью и мы просто не замечаем длительности его распространения. Помимо работ в области астрономии Фалес известен также своими трудами по географии и физиологии, а Эмпедокл прославился не только как философ, но и как врач, физик и физиолог. Широко известны достижения античности в математике (Евклид, III в. до н. э., Пифагор, VI в. до н. э.), механике (Архимед, III в. до н. э.), астрономии (Птолемей, II в. до н. э.).

В средневековье процесс познания природы находился в полной зависимости от богословия. В этот период развивались астрология, алхимия, магия и другие виды оккультного знания. Тем не менее постепенно накапливались новые факты и оттачивалась логика теоретического мышления. Например, возникновению и развитию научной химии, несомненно, способствовали работы средневековых алхимиков.

Историю алхимии обычно начинают с IV в. н. э. В течение примерно тысячелетия алхимики пытались с помощью химических реакций, протекающих в сопровождении специфических заклинаний, получить философский камень, способствующий превращению любого вещества в золото, приготовить эликсир долголетия, создать универсальный растворитель. В качестве побочных продуктов их деятельности появились многие открытия, решения практически важных задач. Были созданы технологии получения красок, стекол, лекарств, сплавов. Алхимические исследования, не состоявшиеся теоретически, в дальнейшем явились основой для развития экспериментального естествознания.

Особую роль в развитии процесса познания природы в X–XII вв. сыграли мыслители арабско-мусульманского мира, сохранившие связь с античной натурфилософией: ирано-таджикский философ и врач Ибн-Сина (Авиценна), ирано-таджикский математик, астроном, поэт и мыслитель Омар Хайям, арабский философ и врач Ибн Рошд (Аверроэс). Таким образом, в античный и средневековый периоды были созданы предпосылки для развития научного естествознания.

Становление естествознания в современном его понимании, по мнению историков науки, прошло три стадии и в конце ХХ в. вступило в четвертую стадию.

Первая стадия научного естествознания – натурфилософия, зародившаяся в позднем средневековье, относится к эпохе Возрождения (XV–XVI вв.). Этот период характеризуется получением знаний путем наблюдения, а не эксперимента, преобладанием догадок, а не опытно воспроизводимых выводов. При этом натурфилософия несет в себе глубокую конструктивную идею необходимости союза естествознания и философии, что прослеживается во всей последующей истории естествознания. Так, картина мироздания Дж. Бруно представляет собой воспроизведение философской модели античных атомистов на основе данных астрономических наблюдений. Итальянский философ доказывал, что у Вселенной нет центра, она беспредельна и состоит из бесконечного множества звездных систем. Теоретические положения и выводы, сделанные Дж. Бруно, базируются не столько на опытных данных, сколько на философском положении о целостности и непротиворечивости картины мира.

Таким образом, несмотря на неразвитость естествознания, стадию натурфилософии отличает важная методологическая основа – синтез философских и естественнонаучных идей. Именно благодаря философскому подходу к осмыслению естественнонаучных знаний создаются научные картины мира, которые вырабатываются наукой каждой исторической эпохи.

Вторая стадия развития естествознания – аналитическое естествознание (XVII – конец XIX в.) – связана с формированием и систематическим развитием экспериментально-теоретических исследований. Натурфилософское познание природы превратилось в современное естествознание, в систематическое научное познание на базе экспериментов и математического изложения полученных результатов. На стадии аналитического естествознания была получена основная масса достижений в изучении природы. Среди них – открытие законов классической механики, закона всемирного тяготения, периодического закона, разработка теории химического строения органических соединений, теории эволюции живых организмов.

Возникли и начали интенсивное развитие естественные науки: физика, химия, биология, география, геология. Накопление знаний требовало более детального изучения объектов, что вело к дифференциации соответствующих наук. Так, химия разделилась на органическую и неорганическую, затем появились физическая и аналитическая химия. В биологии были выделены ботаника, зоология, анатомия, физиология. При этом внимание ученых было обращено главным образом на исследование объектов природы в сравнении с исследованиями процессов. Так, в химии изучали главным образом элементный состав и строение молекул веществ, и только к концу XIX в. ведущее место стало занимать учение о химических реакциях. В этот период преобладал подход к рассмотрению природы как неизменной во времени, то есть вне эволюции, а ее разных сфер – вне связи друг с другом. Несмотря на то что естествознание постепенно проникалось идеями эволюционного развития, данный подход просуществовал в науке вплоть до середины XIX в.

Таким образом, стадию аналитического естествознания характеризуют следующие особенности:

♦ тенденция к возрастающей дифференциации естественных наук;

♦ преобладание эмпирических (то есть полученных посредством эксперимента) знаний над теоретическими;

♦ преимущественное исследование объектов природы в сравнении с исследованиями процессов;

♦ подход к рассмотрению природы как неизменной во времени, а ее разных сфер – вне связи друг с другом.

Третья стадия – синтетическое естествознание (конец XIX – конец XX в.).

На стадии синтетического естествознания возрастает роль теоретических знаний, интенсивно исследуются как природные объекты, так и процессы. Эволюционный подход к познанию природы становится методологической основой синтетического естествознания. Этот периодразвития науки характеризуется ясным пониманием целостности природы и неразрывной взаимосвязи отдельных ее частей. Например, любой живой организм можно рассматривать как механическую систему и как систему термодинамическую. Одновременно жизнь рассматривается как множество непрерывно протекающих химических реакций. При этом важно понимать, что данные подходы имеют относительный характер. Живой организм – единое целое, и потому подход к его изучению должен быть комплексным. Одним из результатов комплексного подхода к изучению природы как единого целого стало возникновение экологии – науки о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой.

Необходимость комплексного изучения природных объектов и явлений, с одной стороны, и одновременно растущая дифференциация наук—с другой, привели к необходимости создания синтетических дисциплин. Так на стыке смежных наук – биологии, химии, физики – появились физическая химия, биохимия, физико-химическая биология. Таким образом, главной отличительной особенностью синтетического естествознания является ориентация на создание синтетических научных дисциплин.

В конце ХХ столетия естествознание вступило в четвертую стадию своего развития, которую называют интегральным естествознанием. Интегральное естествознание характеризуется не столько продолжающимися процессами синтеза двух-трех смежных наук, сколько масштабным объединением разных дисциплин и направлений научных исследований. Примером таких новых интегральных научных направлений является кибернетика.

Кибернетика – это наука об общих принципах управления в машинах, живых организмах и обществе. Это интегральная наука, возникшая на стыке ряда специальных дисциплин – теории автоматов, техники связи, математической логики, теории информации и др.

Другим примером масштабной научной интеграции является синергетика, претендующая на роль общей теории развития. Синергетика – новое направление междисциплинарных научных исследований процессов возникновения порядка из беспорядка (самоорганизации) в открытых системах физической, химической, биологической и другой природы. Существенную роль в процессе научной интеграции выполняют такие общенаучные методы исследования, как математизация естествознания, разработка принципов системных исследований, использование новейших информационных технологий.

Таким образом, современный этап в развитии естествознания отличают ясное понимание целостности природы, эволюционный подход к ее изучению и к осмыслению результатов исследований, интенсивно идущие процессы интеграции разных научных направлений. Усиливающаяся тенденция к интеграции естественных наук позволяет предположить, что в дальнейшем на какой-то более глубокой основе будут объединены все науки о неживой и живой природе. Естествознание, вероятно, будет выступать как единая и многогранная наука о природе.

Структура современного естествознания

Современное естествознание представляет собой раздел науки, основанный на воспроизводимой эмпирической проверке гипотез и создании теорий или эмпирических обобщений, описывающих природные явления. Совокупный объект естествознания – природа. Предмет естествознания – факты и явления природы, которые воспринимаются нашими органами чувств непосредственно или опосредованно, с помощью приборов.

Задача ученого состоит в том, чтобы выявить эти факты, обобщить их и создать теоретическую модель, включающую законы, управляющие явлениями природы. Например, явление тяготения – конкретный факт, установленный посредством опыта; закон всемирного тяготения – вариант объяснения данного явления. При этом эмпирические факты и обобщения, будучи установленными, сохраняют свое первоначальное значение. Законы могут быть изменены в ходе развития науки. Так, закон всемирного тяготения был скорректирован после создания теории относительности.

Основной принцип естествознания гласит: знания о природе должны допускать эмпирическую проверку.

Это означает, что истиной в науке признается то положение, которое подтверждается воспроизводимым опытом. Таким образом, опыт является решающим аргументом принятия той или иной теории.

Современное естествознание представляет собой сложный комплекс наук о природе. Оно включает в себя такие науки, как биология, физика, химия, астрономия, география, экология и др. Естественные науки различаются предметом своего изучения. Например, предметом изучения биологии являются живые организмы, химии – вещества и их превращения. Астрономия изучает небесные тела, география – особую (географическую) оболочку Земли, экология – взаимоотношения организмов между собой и с окружающей средой. Каждая естественная наука сама является комплексом наук, возникших на разных этапах развития естествознания. Так, в состав биологии входят ботаника, зоология, микробиология, генетика, цитология и другие науки. При этом предметом изучения ботаники являются растения, зоологии – животные, микробиологии – микроорганизмы. Генетика изучает закономерности наследственности и изменчивости организмов, цитология – живую клетку. Химия также подразделяется на ряд более узких наук: органическая химия, неорганическая химия, аналитическая химия. К географическим наукам относят геологию, землеведение, геоморфологию, климатологию, физическую географию. Дифференциация наук привела к выделению еще более мелких областей научного знания. К примеру, биологическая наука зоология включает в себя орнитологию, энтомологию, герпетологию, этологию, ихтиологию и т. д. Орнитология – наука, изучающая птиц; энтомология – насекомых; герпетология – пресмыкающихся; этология – наука о поведении животных; ихтиология изучает рыб.

Современная тенденция развития естествознания такова, что одновременно с дифференциацией научного знания идут противоположные процессы – соединение отдельных областей знания, создание синтетических научных дисциплин. При этом важно, что объединение научных дисциплин происходит как внутри различных областей естествознания, так и между ними. Так, в химической науке на стыке органической химии с неорганической и биохимией возникли химия металлоорганических соединений и биоорганическая химия соответственно. Примерами межнаучных синтетических дисциплин в естествознании могут служить такие дисциплины, как физическая химия, химическая физика, биохимия, биофизика, физико-химическая биология.

Однако современный этап развития естествознания – интегральное естествознание – характеризуется не столько продолжающимися процессами синтеза смежных наук, сколько масштабным объединением разных дисциплин и направлений научных исследований, причем тенденция к масштабной интеграции научного знания неуклонно возрастает.

В естествознании различают науки фундаментальные и прикладные. Фундаментальные науки – физика, химия, астрономия – изучают базисные структуры мира, а прикладные занимаются применением результатов фундаментальных исследований для решения как познавательных, так и социально-практических задач. Например, физика металлов и физика полупроводников являются теоретическими прикладными дисциплинами, а металловедение, полупроводниковая технология – практическими прикладными науками. Таким образом, познание законов природы и построение на этой основе картины мира – непосредственная, ближайшая цель естествознания. Содействие практическому использованию этих законов – конечная его задача.

От общественных и технических наук естествознание отличается по предмету, целям и методологии исследования. При этом естествознание рассматривается как эталон научной объективности, поскольку эта область знания раскрывает общезначимые истины, принимаемые всеми людьми. К примеру, другой крупный комплекс наук – обществознание – всегда был связан с групповыми ценностями и интересами, имеющимися как у самого ученого, так и в предмете исследования. Поэтому в методологии обществознания наряду с объективными методами исследования приобретает большое значение переживание изучаемого события, субъективное отношение к нему. Естествознание имеет существенные методологические отличия и от технических наук, обусловленные тем, что целью естествознания является познание природы, а целью технических наук – решение практических вопросов, связанных с преобразованием мира.

Однако провести четкую грань между естественными, общественными и техническими науками на современном уровне их развития нельзя, поскольку существует целый ряддисциплин, занимающих промежуточное положение или являющихся комплексными. Так, на стыке естественных и общественных наук находится экономическая география, на стыке естественных и технических – бионика. Комплексной дисциплиной, которая включает и естественные, и общественные, и технические разделы, является социальная экология.

Таким образом,

► современное естествознание представляет собой обширный развивающийся комплекс наук о природе, характеризующийся одновременно идущими процессами научной дифференциации и создания синтетических дисциплин и ориентированный на интеграцию научных знаний.

Естествознание является основой для формирования научной картины мира.

► Под научной картиной мира понимают целостную систему представлений о мире, его общих свойствах и закономерностях, возникающую в результате обобщения основных естественнонаучных теорий.

Научная картина мира находится в постоянном развитии. В ходе научных революций в ней происходят качественные преобразования, старая картина мира сменяется новой. Каждая историческая эпоха формирует свою научную картину мира.

1.3. Методы естественнонаучных исследований

Научное знание представляет собой систему, имеющую несколько уровней познания, различающихся по целому ряду параметров. В зависимости от предмета, характера, типа, метода и способа получаемого знания выделяют эмпирический и теоретический уровни познания. Каждый из них выполняет определенные функции и располагает специфическими методами исследования. Уровням соответствуют взаимосвязанные, но в то же время специфические виды познавательной деятельности: эмпирическое и теоретическое исследования. Выделяя эмпирический и теоретический уровни научного познания, современный исследователь отдает себе отчет в том, что если в обыденном познании правомерно различать чувственный и рациональный уровни, то в научном исследовании эмпирический уровень исследования никогда не ограничивается чисто чувственным знанием, теоретическое знание не представляет собой чистую рациональность. Даже первоначальные эмпирические знания, полученные путем наблюдения, фиксируются с использованием научных терминов. Теоретическое знание также не является чистой рациональностью. При построении теории используются наглядные представления, которые являются основой чувственного восприятия. Таким образом, можно сказать, что в начале эмпирического исследования преобладает чувственное, а в теоретическом – рациональное. На уровне эмпирического исследования не исключено выявление зависимостей и связей между явлениями, определенных закономерностей. Но если эмпирический уровень может уловить только внешнее проявление, то теоретический доходит до объяснения сущностных связей исследуемого объекта.

Эмпирические знания – результат непосредственного взаимодействия исследователя с реальностью в наблюдении или эксперименте. На эмпирическом уровне происходит не только накопление фактов, но и их первичная систематизация, классификация, что позволяет выявлять эмпирические правила, принципы и законы, которые преобразуются в наблюдаемые явления. На этом уровне исследуемый объект отражается преимущественно во внешних связях и проявлениях. Сложность научного знания определяется наличием в нем не только уровней и методов познания, но и форм, в которых оно фиксируется и развивается. Основными формами научного познания являются факты, проблемы, гипотезы и теории. Их значение – раскрывать динамику процесса познания в ходе исследования и изучения какого-либо объекта. Установление фактов является необходимым условием успешности естественнонаучных исследований. Для построения теории факты должны быть не только достоверно установлены, систематизированы и обобщены, но и рассмотрены во взаимосвязи. Гипотеза – это предположительное знание, которое носит вероятностный характер и требует проверки. Если в ходе проверки содержание гипотезы не согласуется с эмпирическими данными, то оно отвергается. Если же гипотеза подтверждается, то можно говорить о ней с той или иной степенью вероятности. В результате проверки и доказательства одни гипотезы становятся теориями, другие уточняются и конкретизируются, третьи отбрасываются, если их проверка дает отрицательный результат. Основным критерием истинности гипотезы является практика в разных формах.

Научная теория – обобщенная система знаний, дающая целостное отображение закономерных и существенных связей в определенной области объективной реальности. Основная задача теории заключается в том, чтобы описать, систематизировать и объяснить все множество эмпирических фактов. Теории классифицируют как описательные, научные и дедуктивные. В описательных теориях исследователи формулируют общие закономерности на основе эмпирических данных. Описательные теории не предполагают логического анализа и конкретности доказательств (физиологическая теория И. Павлова, эволюционная теория Ч. Дарвина и др.). В научных теориях конструируют модель, замещающую реальный объект. Следствия теории проверяются экспериментом (физические теории и др.). В дедуктивных теориях разработан специальный формализованнный язык, все термины которого подвергаются интерпретации. Первая из них – «Начала» Евклида (сформулирована основная аксиома, потом к ней добавлены положения, логически выведенные из нее, и все доказательства проводятся на этой основе).

Главными элементами научной теории являются принципы и законы. Принципы представляют общие и важные подтверждения теории. В теории принципы играют роль первичных предпосылок, образующих ее основу. В свою очередь, содержание каждого принципа раскрывается с помощью законов. Они конкретизируют принципы, раскрывают механизм их действия, логику взаимосвязи, вытекающих из них следствий. Законы представляют собой форму теоретических утверждений, раскрывающих общие связи изучаемых явлений, объектов и процессов. При формулировании принципов и законов исследователю достаточно непросто уметь увидеть за многочисленными, часто совершенно непохожими внешне фактами именно существенные свойства и характеристики исследуемых свойств объектов и явлений. Трудность заключается в том, что в непосредственном наблюдении зафиксировать сущностные характеристики исследуемого объекта сложно. Поэтому прямо перейти с эмпирического уровня познания на теоретический нельзя. Теория не строится путем непосредственного обобщения опыта, поэтому следующим шагом становится формулирование проблемы. Она определяется как форма знания, содержанием которой является осознанный вопрос, для ответа на который имеющихся знаний недостаточно. Поиск, формулирование и решение проблем – основные черты научной деятельности. В свою очередь, наличие проблемы при осмыслении необъяснимых фактов влечет за собой предварительный вывод, требующий экспериментального, теоретического и логического подтверждения. Процесс познания окружающего мира представляет собой решение разного рода задач, возникающих в ходе практической деятельности человека. Эти проблемы решаются путем использования особых приемов – методов.

► Метолы науки – совокупность приемов и операций практического и теоретического познания действительности.

Методы исследований оптимизируют деятельность человека, вооружают его наиболее рациональными способами организации деятельности. А. П. Садохин кроме выделения уровней познания при классификации научных методов учитывает критерий применяемости метода и выделяет общие, особенные и частные методы научного познания. Выделенные методы часто сочетаются и комбинируются в процессе исследования.

Общие методы познания касаются любой дисциплины и дают возможность соединить все этапы процесса познания. Эти методы используются в любой области исследования и позволяют выявлять связи и признаки исследуемых объектов. В истории науки исследователи к таким методам относят метафизический и диалектический методы. Частные методы научного познания – это методы, применяющиеся только в отдельной отрасли науки. Различные методы естествознания (физики, химии, биологии, экологии и т. д.) являются частными по отношению к общему диалектическому методу познания. Иногда частные методы могут использоваться за пределами тех отраслей естествознания, в которых они возникли. Например, физические и химические методы используются в астрономии, биологии, экологии. Часто исследователи применяют комплекс взаимосвязанных частных методов к изучению одного предмета. Например, экология одновременно пользуется методами физики, математики, химии, биологии. Частные методы познания связаны с особенными методами. Особенные методы исследуют определенные признаки изучаемого объекта. Они могут проявляться на эмпирическом и на теоретическом уровнях познания и быть универсальными.

Среди особенных эмпирических методов познания выделяют наблюдение, измерение и эксперимент.

Наблюдение представляет собой целенаправленный процесс восприятия предметов действительности, чувственное отражение объектов и явлений, в ходе которого человек получает первичную информацию об окружающем мире. Поэтому исследование чаще всего начинается с наблюдения, и лишь потом исследователи переходят к другим методам. Наблюдения не связаны с какой-либо теорией, но цель наблюдения всегда связана с некой проблемной ситуацией. Наблюдение предполагает наличие определенного плана исследования, предположение, подвергаемое анализу и проверке. Наблюдения используются там, где нельзя поставить прямой эксперимент (в вулканологии, космологии). Результаты наблюдения фиксируются в описании, отмечающем те признаки и свойства изучаемого объекта, которые являются предметом изучения. Описание должно быть максимально полным, точным и объективным. Именно описания результатов наблюдения составляют эмпирический базис науки, на их основе создаются эмпирические обобщения, систематизация и классификация.

Измерение – это определение количественных значений (характеристик) изучаемых сторон или свойств объекта с помощью специальных технических устройств. Большую роль в исследовании играют единицы измерения, с которыми сравниваются полученные данные.

Эксперимент – более сложный метод эмпирического познания по сравнению с наблюдением. Он представляет собой целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на интересующий объект или явление для изучения его различных сторон, связей и отношений. В ходе экспериментального исследования ученый вмешивается в естественный ход процессов, преобразует объект исследования. Специфика эксперимента состоит также в том, что он позволяет увидеть объект или процесс в чистом виде. Это происходит за счет максимального исключения воздействия посторонних факторов. Экспериментатор отделяет существенные факты от несущественных и тем самым значительно упрощает ситуацию. Такое упрощение способствует глубокому пониманию сути явлений и процессов и создает возможность контролировать многие важные для данного эксперимента факторы и величины. Для современного эксперимента характерны особенности: увеличение роли теории на подготовительном этапе эксперимента; сложность технических средств; масштабность эксперимента. Основная задача эксперимента заключается в проверке гипотез и выводов теорий, имеющих фундаментальное и прикладное значение. В экспериментальной работе при активном воздействии на исследуемый объект искусственно выделяются те или иные его свойства, которые и являются предметом изучения в естественных либо специально созданных условиях. В процессе естественнонаучного эксперимента часто прибегают к физическому моделированию исследуемого объекта и создают для него различные управляемые условия. С. X. Карпенков подразделяет экспериментальные средства по содержанию на следующие системы:

♦ систему, содержащую исследуемый объект с заданными свойствами;

♦ систему, обеспечивающую воздействие на исследуемый объект;

♦ измерительную систему.

С. Х. Карпенков указывает, что в зависимости от поставленной задачи данные системы играют разную роль. Например, при определении магнитных свойств вещества результаты эксперимента во многом зависят от чувствительности приборов. В то же время при исследовании свойств вещества, не встречающегося в природе в обычных условиях, да еще и при низкой температуре, важны все системы экспериментальных средств.

В любом естественнонаучном эксперименте выделяют такие этапы:

♦ подготовительный этап;

♦ этап сбора экспериментальных данных;

♦ этап обработки результатов.

Подготовительный этап представляет собой теоретическое обоснование эксперимента, его планирование, изготовление образца исследуемого объекта, выбор условий и технических средств исследований. Результаты, полученные на хорошо подготовленной экспериментальной базе, как правило, легче поддаются сложной математической обработке. Анализ результатов эксперимента позволяет оценить те или иные признаки исследуемого объекта, сопоставить полученные результаты с гипотезой, что очень важно при определении правильности и степени достоверности окончательных результатов исследования.

Для повышения достоверности полученных результатов эксперимента необходимы:

♦ многократная повторность измерений;

♦ совершенствование технических средств и приборов;

♦ строгий учет факторов, влияющих на исследуемый объект;

♦ четкое планирование эксперимента, позволяющее учесть специфику исследуемого объекта.

Среди особенных теоретических методов научного познания выделяют процедуры абстрагирования и идеализации. В процессах абстрагирования и идеализации формируются понятия и термины, используемые во всех теориях. Понятия отражают существенную сторону явлений, появляющуюся при обобщении исследования. При этом из объекта или явления выделяется только некоторая его сторона. Так, понятию «температура» может быть дано операционное определение (показатель степени нагретости тела в определенной шкале термометра), а с позиций молекулярно-кинетической теории температура – это величина, пропорциональная средней кинетической энергии движения частиц, составляющих тело. Абстрагирование – мысленное отвлечение от всех свойств, связей и отношений изучаемого объекта, которые считают несущественными. Таковы модели точки, прямой линии, окружности, плоскости. Результат процесса абстрагирования называется абстракцией. Реальные объекты в каких-то задачах могут быть заменены этими абстракциями (Землю при движении вокруг Солнца можно считать материальной точкой, но нельзя при движении по ее поверхности).

Идеализация представляет операцию мысленного выделения какого-то одного важного для данной теории свойства или отношения, мысленного конструирования объекта, наделенного этим свойством (отношением). В результате идеальный объект обладает только этим свойством (отношением). Наука выделяет в реальной действительности общие закономерности, которые существенны и повторяются в различных предметах, поэтому приходится идти на отвлечения от реальных объектов. Так образуются такие понятия, как «атом», «множество», «абсолютно черное тело», «идеальный газ», «сплошная среда». Полученные таким образом идеальные объекты в действительности не существуют, так как в природе не может быть предметов и явлений, имеющих только одно свойство или качество. При применении теории необходимо вновь сопоставить полученные и использованные идеальные и абстрактные модели с реальностью. Поэтому важны выбор абстракций в соответствии с их адекватностью данной теории и последующее исключение их.

Среди особенных универсальных методов исследований выделяют анализ, синтез, сравнение, классификацию, аналогию, моделирование. Процесс естественнонаучного познания совершается так, что мы сначала наблюдаем общую картину изучаемого объекта, при которой частности остаются в тени. При таком наблюдении нельзя познать внутреннюю структуру объекта. Для ее изучения мы должны разделить изучаемые объекты.

Анализ – одна из начальных стадий исследования, когда от цельного описания объекта переходят к его строению, составу, признакам и свойствам. Анализ – метод научного познания, в основе которого лежит процедура мысленного или реального разделения объекта на составляющие его части и их отдельное изучение. Невозможно познать сущность объекта, только выделяя в нем элементы, из которых он состоит. Когда путем анализа частности исследуемого объекта изучены, он дополняется синтезом.

Синтез – метод научного познания, в основе которого лежит объединение выделенных анализом элементов. Синтез выступает не как метод конструирования целого, а как метод представления целого в форме единственных знаний, полученных с помощью анализа. Он показывает место и роль каждого элемента в системе, их связь с другими составными частями. Анализ фиксирует в основном то специфическое, что отличает части друг от друга, синтез – обобщает аналитически выделенные и изученные особенности объекта. Анализ и синтез берут свое начало в практической деятельности человека. Человек научился мысленно анализировать и синтезировать лишь на основе практического разделения, постепенно осмысливая то, что происходит с объектом при выполнении практических действий с ним. Анализ и синтез являются компонентами аналитико-синтетического метода познания.

При количественном сопоставлении исследуемых свойств, параметров объектов или явлений говорят о методе сравнения. Сравнение – метод научного познания, позволяющий установить сходство и различие изучаемых объектов. Сравнение лежит в основе многих естественнонаучных измерений, составляющих неотъемлемую часть любых экспериментов. Сравнивая объекты между собой, человек получает возможность правильно познавать их и тем самым правильно ориентироваться в окружающем мире, целенаправленно воздействовать на него. Сравнение имеет значение, когда сравниваются действительно однородные и близкие по своей сущности объекты. Метод сравнения выделяет отличия исследуемых объектов и составляет основу любых измерений, то есть основу экспериментальных исследований.

Классификация – метод научного познания, который объединяет в один класс объекты, максимально сходные друг с другом в существенных признаках. Классификация позволяет свести накопленный многообразный материал к сравнительно небольшому числу классов, типов и форм и выявить исходные единицы анализа, обнаружить устойчивые признаки и отношения. Как правило, классификации выражаются в виде текстов на естественных языках, схем и таблиц.

Аналогия – метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного при рассмотрении какого-либо объекта, на другой, менее изученный, но схожий с первым по каким-то существенным свойствам. Метод аналогии основывается на сходстве предметов по ряду каких-либо признаков, причем сходство устанавливается в результате сравнения предметов между собой. Таким образом, в основе метода аналогии лежит метод сравнения.

Метод аналогии тесно связан с методом моделирования, который представляет собой изучение каких-либо объектов с помощью моделей с дальнейшим переносом полученных данных на оригинал. В основе этого метода лежит существенное сходство объекта-оригинала и его модели. В современных исследованиях используют различные виды моделирования: предметное, мысленное, символическое, компьютерное. Предметное моделирование представляет собой использование моделей, воспроизводящих определенные характеристики объекта. Мысленное моделирование представляет собой использование различных мысленных представлений в форме воображаемых моделей. Символическое моделирование использует в качестве моделей чертежи, схемы, формулы. В них в символико-знаковой форме отражаются определенные свойства оригинала. Видом символического моделирования является математическое моделирование, производимое средствами математики и логики. Оно предполагает формирование систем уравнений, которые описывают исследуемое природное явление, и их решение при различных условиях. Компьютерное моделирование получило широкое распространение в последнее время (Садохин А. П., 2007).

Разнообразие методов научного познания создает трудности в их применении и понимании их роли. Эти проблемы решаются особой областью знания – методологией. Основной задачей методологии является изучение происхождения, сущности, эффективности, развития методов познания.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое наука? Каковы функции науки?

2. Какие специфические черты характеризуют науку? В чем состоит отличие науки от обыденного познания?

3. Какие уровни научного исследования выделяют?

4. В чем отличие концепции от закона, теории и гипотезы?

5. Что изучает естествознание? Какие этапы выделяют в развитии естествознания?

6. В чем заключается разница между фундаментальными и прикладными науками?

7. Что понимают под научной картиной мира?

8. В чем заключается единство эмпирического и теоретического знания?

9. Что составляет основу научной теории?

10. Дайте определение методам науки. Какие из них вы знаете?

Глава 2

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ О МАТЕРИИ

2.1. Материя и ее свойства

► Материя – бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств и связей, отношений и форм движения. Она включает в себя не только непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые не даны человеку в его ощущениях.

Неотъемлемым свойством материи является движение. Движение материи представляет собой любые изменения, происходящие с материальными объектами в результате их взаимодействий. В природе наблюдаются различные виды движения материи: механическое, колебательное и волновое, тепловое движение атомов и молекул, равновесные и неравновесные процессы, радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы.

На современном этапе развития естествознания исследователи различают следующие виды материи: вещество, физическое поле и физический вакуум.

Вещество представляет собой основной вид материи, обладающий массой покоя. К вещественным объектам относят: элементарные частицы, атомы, молекулы и многочисленные образованные из них материальные объекты. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул, что и обусловливает различные агрегатные состояния веществ.

Физическое поле представляет собой особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям исследователи относят: электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля, соответствующие различным частицам. Источником физических полей являются частицы.

Физический вакуум – это низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин был введен в квантовую теорию поля для объяснения некоторых процессов. Среднее число частиц – квантов поля – в вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время.

При описании материальных систем используют корпускулярную (от лат. corpuskulum – частица) и континуальную (от лат. continium – непрерывный) теории. Континуальная теория рассматривает повторяющиеся непрерывные процессы, колебания, которые происходят в окрестности некоторого среднего положения. При распространении колебаний в среде возникают волны. Теория колебаний – область физики, занимающаяся исследованием этих закономерностей. Таким образом, континуальная теория описывает волновые процессы. Наряду с волновым (континуальным) описанием широко используется понятие частицы – корпускулы. С точки зрения континуальной концепции вся материя рассматривалась как форма поля, равномерно распространенного в пространстве, а после случайного возмущения поля возникли волны, то есть частицы с различными свойствами. Взаимодействие этих образований привело к появлению атомов, молекул, макротел, образующих макромир. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир – это область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, размер которых исчисляется в диапазоне от 10-8 до10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с. Это мир от атомов до элементарных частиц. Все они обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Макромир – мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабом с человеком. На этом уровне пространственные величины измеряются от миллиметров до километров, а время – от секунд до лет. Макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности.

Мегамир – сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами (1 а. е. = 8,3 световых минуты), световыми годами (1 световой год = 10 трлн км) и парсеками (1пк = 30 трлн км), а время существования космических объектов – миллионами и миллиардами лет. К этому уровню относятся наиболее крупные материальные объекты: планеты и их системы, звезды, галактики и их скопления, образующие метагалактики.

Классификация элементарных частиц

Элементарные частицы – основные структурные элементы микромира. Элементарные частицы могут быть составными (протон, нейтрон) и несоставными (электрон, нейтрино, фотон). К настоящему времени обнаружено более 400 частиц и их античастиц. Некоторые элементарные частицы обладают необычными свойствами. Так, долгое время считалось, что частица нейтрино не имеет массы покоя. В 30-е гг. XX в. при изучении бета-распада было обнаружено, что распределение по энергиям электронов, испускаемых радиоактивными ядрами, происходит непрерывно. Из этого следовало, что или не выполняется закон сохранения энергии, или кроме электронов испускаются трудно регистрируемые частицы, подобные фотонам с нулевой массой покоя, уносящие часть энергии. Ученые предположили, что это нейтрино. Однако зарегистрировать нейтрино экспериментально удалось только в 1956 г. на огромных подземных установках. Сложность регистрации этих частиц заключается в том, что захват частиц нейтрино происходит чрезвычайно редко из-за их высокой проникающей способности. В ходе экспериментов было установлено, что масса покоя нейтрино не равна нулю, хотя от нуля отличается ненамного. Интересными свойствами обладают и античастицы. Они имеют многие из тех же признаков, что и их частицы-двойники (массу, спин,[1] время жизни и т. д.), но отличаются от них знаками электрического заряда или другими характеристиками.

В 1928 г. П. Дирак предсказал существование античастицы электрона – позитрона, который был обнаружен спустя четыре года К. Андерсоном в составе космических лучей. Электрон и позитрон – не единственная пара частиц-двойников, все элементарные частицы, кроме нейтральных, имеют свои античастицы. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция (от лат. annihilatio – превращение в ничто) – превращение элементарных частиц и античастиц в другие частицы, число и вид которых определяются законами сохранения. Например, в результате аннигиляции пары электрон– позитрон рождаются фотоны. Число обнаруженных элементарных частиц со временем увеличивается. Вместе с тем продолжается поиск фундаментальных частиц, которые могли бы быть составными «кирпичиками» для построения известных частиц. Гипотеза о существовании подобного рода частиц, названных кварками, была высказана в 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном (Нобелевская премия 1969 г.).

Элементарные частицы обладают большим количеством характеристик. Одна из отличительных особенностей кварков заключается в том, что они имеют дробные электрические заряды. Кварки могут соединяться друг с другом парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы (протоны и нейтроны). В свободном состоянии кварки не наблюдались. Однако кварковая модель позволила определить квантовые числа многих элементарных частиц.

Элементарные частицы классифицируют по следующим признакам: массе частицы, электрическому заряду, типу физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, времени жизни частиц, спину и др.

В зависимости от массы покоя частицы (масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, считающегося самой легкой из всех частиц, имеющих массу) выделяют:

♦ фотоны (греч. photos – частицы, которые не имеют массы покоя и движутся со скоростью света);

♦ лептоны (греч. leptos – легкий) – легкие частицы (электрон и нейтрино);

♦ мезоны (греч. mesos – средний) – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона (пи-мезон, ка-мезон и др.);

♦ барионы (греч. barys – тяжелый) – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны и др.).

В зависимости от электрического заряда выделяют:

♦ частицы с отрицательным зарядом (например, электроны);

♦ частицы с положительным зарядом (например, протон, позитроны);

♦ частицы с нулевым зарядом (например, нейтрино).

Существуют частицы с дробным зарядом – кварки. С учетом типа фундаментального взаимодействия, в котором участвуют частицы, среди них выделяют:

♦ адроны (греч. adros – крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;

♦ лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;

♦ частицы – переносчики взаимодействий (фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия; гравитоны – переносчики гравитационного взаимодействия; глюоны – переносчики сильного взаимодействия; промежуточные векторные бозоны – переносчики слабого взаимодействия).

По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни – 10-10-10-24 с. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10-10 с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансами. Время их жизни составляет 10-24-10-26 с.

2.2. Фундаментальные взаимодействия

Взаимодействие – основная причина движения материи, поэтому взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их природного происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов. Всего известно четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Гравитационное взаимодействие первым из известных фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. Оно проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу, передается посредством гравитационного поля и определяется законом всемирного тяготения, который был сформулирован И. Ньютоном

Закон всемирного тяготения описывает падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т. п. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают. Гравитационное взаимодействие – наиболее слабое из всех известных современной науке взаимодействий. Тем не менее гравитационные взаимодействия определяют строение всей Вселенной: образование всех космических систем; существование планет, звезд и галактик. Важная роль гравитационного взаимодействия определяется его универсальностью: все тела, частицы и поля участвуют в нем.

Переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – кванты гравитационного поля.

Электромагнитное взаимодействие также является универсальным и существует между любыми телами в микро-, макро– и мегамире. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается с помощью электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при движении электрических зарядов. Электромагнитное взаимодействие описывается: законом Кулона, законом Ампера и др. и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и происходят химические реакции. Химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий и являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Различные агрегатные состояния вещества, силы упругости, трения и т. д. определяются электромагнитным взаимодействием. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой покоя.

Внутри атомного ядра проявляются сильные и слабые взаимодействия. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Данное взаимодействие определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре и кварки внутри нуклонов и отвечает за стабильность атомных ядер. С помощью сильного взаимодействия ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, которые входят в состав протонов, нейтронов и других частиц.

Слабое взаимодействие также действует только в микромире. В этом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Первая теория слабого взаимодействия была создана в 1934 г. Э. Ферми и развита в 1950-е гг. М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом и другими учеными. Переносчиками слабого взаимодействия принято считать частицы с массой в 100 раз больше массы протонов – промежуточные векторные бозоны.

Характеристики фундаментальных взаимодействий представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Характеристики фундаментальных взаимодействий

Из таблицы видно, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее других взаимодействий. Радиус его действия неограничен. Оно не играет существенной роли в микропроцессах и в то же время является основным для объектов с большими массами. Электромагнитное взаимодействие сильнее гравитационного, хотя радиус его действия также неограничен. Сильное и слабое взаимодействия имеют очень ограниченный радиус действия.

Одна из важнейших задач современного естествознания – создание единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей различные виды взаимодействия. Создание подобной теории означало бы также построение единой теории элементарных частиц.

2.3. Тепловое излучение. Рождение квантовых представлений

В конце XX в. волновая теория не могла объяснить и описать тепловое излучение во всем диапазоне частот электромагнитных волн теплового диапазона. А то, что тепловое излучение, и в частности свет, является электромагнитными волнами, стало научным фактом. Дать точное описание теплового излучения удалось немецкому физику Максу Планку.

14 декабря 1900 г. Планк выступил на заседании Немецкого физического общества с докладом, в котором изложил свою гипотезу квантовой природы теплового излучения и новую формулу излучения (формула Планка). Этот день физики считают днем рождения новой физики – квантовой. Выдающийся французский математик и физик А. Пуанкаре писал: «Квантовая теория Планка есть, без всякого сомнения, самая большая и самая глубокая революция, которую натуральная философия претерпела со времен Ньютона».

Планк установил, что тепловое излучение (электромагнитная волна) испускается не сплошным потоком, а порциями (квантами). Энергия каждого кванта —

E = hv,

то есть пропорциональна частоте электромагнитной волны – v. Здесь h – постоянная Планка, равная 6,62 · 10-34 Дж · с.

Совпадение расчетов Планка с опытными данными было полным. В 1919 г. М. Планку присвоили Нобелевскую премию.

На основе квантовых представлений А. Эйнштейн в 1905 г. разработал теорию фотоэффекта (Нобелевская премия 1922 г.), поставив науку перед фактом: свет обладает и волновыми и корпускулярными свойствами, он излучается, распространяется и поглощается квантами (порциями). Кванты света стали называть фотонами.

2.4. Гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств частиц

Французский ученый Луи де Бройль (1892–1987) в 1924 г. в докторской диссертации «Исследования по теории квантов» выдвинул смелую гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, утверждая, что поскольку свет ведет себя в одних случаях как волна, а в других – как частица, то и материальные частицы (электроны и др.) в силу общности законов природы должны обладать волновыми свойствами. «В оптике, – писал он, – в течение столетия слишком пренебрегали корпускулярным способом рассмотрения по сравнению с волновым; не делалась ли в теории вещества обратная ошибка? Не думали ли мы слишком много о картине «частиц» и не пренебрегали ли чрезмерной картиной волн?» В то время гипотеза де Бройля выглядела безумной. Лишь в 1927 г., три года спустя, наука пережила огромное потрясение: физики К. Дэвиссон и Л. Джермер экспериментально подтвердили гипотезу де Бройля, получив дифракционную картину электронов.

Согласно квантовой теории света А. Эйнштейна, волновые характеристики фотонов света (частота колебаний v и длина волна л = c/v) связаны с корпускулярными характеристиками (энергией εф, релятивистской массой mф и импульсом рф) соотношениями:

По идее де Бройля, любая микрочастица, в том числе и с массой покоя ш_0 Ц 0, должна обладать не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Соответствующие частота v и длина волны л определяются при этом соотношениями, подобными эйнштейновским:

Отсюда длина волны де Бройля —

Таким образом, соотношения Эйнштейна, полученные им при построении теории фотонов в результате гипотезы, выдвинутой де Бройлем, приобрели универсальный характер и стали одинаково применимыми как для анализа корпускулярных свойств света, так и при исследовании волновых свойств всех микрочастиц.

2.5. Опыты Резерфорда. Модель атома Резерфорда

А. Опыты Резерфорда

В 1911 г. Резерфорд провел исключительные по своему значению эксперименты, доказавшие существование ядра атома. Для исследования атома Резерфорд применил его зондирование (бомбардировку) с помощью α-частиц, которые возникают при распаде радия, полония и некоторых других элементов. Резерфордом и его сотрудниками еще в более ранних опытах в 1909 г. было установлено, что α-частицы обладают положительным зарядом, равным по модулю удвоенному заряду электрона q =+2e, и массой, совпадающей c массой атома гелия, то есть

mа = 6,62 · 10-27 кг,

что примерно в 7300 раз больше массы электрона. Позже было установлено, что α-частицы представляют собой ядра атомов гелия. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут изменить траекторию α-частαицы. Их рассеяние (изменение направления движения) может вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким образом, по рассеянию α-частиц можно определить характер распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома.

Было известно, что α-частицы, излученные полонием, летят со скоростью 1,6-107 м/с. Полоний помещался внутрь свинцового футляра, вдоль которого высверлен узкий канал. Пучок α-частиц, пройдя канал и диафрагму, падал на фольгу. Золотую фольгу можно сделать исключительно тонкой – толщиной 4-10-7 м (в 400 атомов золота; это число можно оценить, зная массу, плотность и молярную массу золота). После фольги α-частицы попадали на полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопровождалось вспышкой света (сцинтилляцией), обусловленной флуресценцией, которая наблюдалась в микроскоп.

При хорошем вакууме внутри прибора (чтобы не было рассеяния частиц от молекул воздуха) в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок из сцинтилляций, вызываемых тонким пучком α-частиц. Когда на пути пучка помещалась фольга, то подавляющее большинство α-частиц все равно не отклонялось от своего первоначального направления, то есть проходило сквозь фольгу, как если бы она представляла собой пустое пространство. Однако имелись α-частицы, которые изменяли свой путь и даже отскакивали назад.

Марсден и Гейгер, ученики и сотрудники Резерфорда, насчитали более миллиона сцинтилляций и определили, что примерно одна из 2 тысяч α-частиц отклонялась на углы, большие 90°, а одна из 8 тысяч – на 180°. Объяснить этот результат на основе других моделей атома, в частности Томсона, было нельзя.

Расчеты показывают, что при распределении по всему атому положительный заряд (даже без учета электронов) не может создать достаточно интенсивное электрическое поле, способное отбросить α-части-цу назад. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Рассеяние α-частиц на большие углы происходит так, как если бы весь положительный заряд атома был сосредоточен в его ядре – области, занимающей весьма малый объем по сравнению со всем объемом атома.

Вероятность попадания α-частиц в ядро и их отклонение на большие углы очень мала, поэтому для большинства α-частиц фольги как бы не существовало.

Резерфорд теоретически рассмотрел задачу о рассеянии α-частиц в кулоновском электрическом поле ядра и получил формулу, позволяющую по плотности потока α-частиц, налетающих на ядро, и измеренному числу частиц, рассеянных под некоторым углом, определить число N элементарных положительных зарядов +е, содержащихся в ядре атомов данной рассеивающей фольги. Опыты показали, что число N равно порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева, то есть N = Z (для золота Z = 79).

Таким образом, гипотеза Резерфорда о сосредоточении положительного заряда в ядре атома позволила установить физический смысл порядкового номера элемента в периодической системе элементов. В нейтральном атоме должно содержаться также Z электронов. Существенно, что число электронов в атоме, определенное различными методами, совпало с числом элементарных положительных зарядов в ядре. Это послужило проверкой справедливости ядерной модели атома.

Б. Ядерная модель атома Резерфорда

Обобщая результаты опытов по рассеянию α-частиц золотой фольгой, Резерфорд установил:

♦ атомы по своей природе в значительной мере прозрачны для α-частиц;

♦ отклонения α-частиц на большие углы возможны только в том случае, если внутри атома имеется очень сильное электрическое поле, создаваемое положительным зарядом, связанным с большой и сконцентрированной в очень малом объеме массой.

Для объяснения этих опытов Резерфорд предложил ядерную модель атома: в ядре атома (области с линейными размерами 10-15-10-14 м) сосредоточены весь его положительный заряд и практически вся масса атома (99,9 %). Вокруг ядра в области с линейными размерами ~10-10 м (размеры атома оценены в молекулярно-кинетической теории) движутся по замкнутым орбитам отрицательно заряженные электроны, масса которых составляет лишь 0,1 % массы ядра. Следовательно, электроны находятся от ядра на расстоянии от 10 000 до 100 000 поперечников ядра, то есть основную часть атома составляет пустое пространство.

Ядерная модель атомов Резерфорда напоминает солнечную систему: в центре системы находится «солнце» – ядро, а вокруг него по орбитам движутся «планеты» – электроны, поэтому данную модель называют планетарной. Электроны не падают на ядро потому, что электрические силы притяжения между ядром и электронами уравновешиваются центробежными силами, обусловленными вращением электронов вокруг ядра.

В 1914 г., через три года после создания планетарной модели атома, Резерфорд исследовал положительные заряды в ядре. Бомбардируя электронами атомы водорода, он обнаружил, что нейтральные атомы превратились в положительно заряженные частицы. Так как атом водорода имеет один электрон, Резерфорд решил, что ядро атома является частицей, несущей элементарный положительный заряд +е. Эту частицу он назвал протоном.

Планетарная модель хорошо согласуется с опытами по рассеиванию α-частиц, но она не может объяснить устойчивость атома. Рассмотрим, например, модель атома водорода, содержащего ядро-протон и один электрон, который движется со скоростью v вокруг ядра по круговой орбите радиуса r. Электрон должен по спирали падать на ядро, и частота его обращения вокруг ядра (следовательно, и частота излучаемых им электромагнитных волн) должна непрерывно изменяться, то есть атом неустойчив, и его электромагнитное излучение должно иметь непрерывный спектр.

В действительности оказывается, что:

а) атом устойчив;

б) атом излучает энергию лишь при определенных условиях;

в) излучение атома имеет линейчатый спектр, определяемый его строением.

Таким образом, применение классической электродинамики к планетарной модели атома привело к полному противоречию с экспериментальными фактами. Преодоление возникших трудностей потребовало создания качественно новой – квантовой – теории атома. Однако, несмотря на свою несостоятельность, планетарная модель и сейчас принята в качестве приближенной и упрощенной картины атома.

2.6. Теория Бора для атома водорода. Постулаты Бора

Датский физик Нильс Бор (1885–1962) в 1913 г. создал первую квантовую теорию атома, связав в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров водорода, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света.

В основу своей теории Бор положил три постулата, по поводу которых американский физик Л. Купер заметил: «Конечно, было несколько самонадеянно выдвигать предложения, противоречащие электродинамике Максвелла и механике Ньютона, но Бор был молод».

Первый постулат (постулат стационарных состояний): в атоме электроны могут двигаться только по определенным, так называемым разрешенным, или стационарным, круговым орбитам, на которых они, несмотря на наличие у них ускорения, не излучают электромагнитных волн (поэтому эти орбиты названы стационарными). Электрон на каждой стационарной орбите обладает определенной энергией En.

Второй постулат (правило частот): атом излучает или поглощает квант электромагнитной энергии при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую:

hv = E_1 – E_2,

где E_1 и E_2 – энергия электрона соответственно до и после перехода.

При E_1 > E_2 происходит излучение кванта (переход атома из одного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, то есть переход электрона с любой дальней на любую ближнюю от ядра орбиту); при E_1 < E_2 – поглощение кванта (переход атома в состояние с большей энергией, то есть переход электрона на более удаленную от ядра орбиту).

Будучи уверенным, что постоянная Планка должна играть основную роль в теории атома, Бор ввел третий постулат (правило квантования): на стационарных орбитах момент импульса электрона Ln= meυnrn кратен величине = h/(2π), то есть

meυnrn = nh, n = 1, 2, 3, …,

где = 1,05 · 10-34 Дж · с – постоянная Планка (величина h/(2π)) встречается столь часто, что для нее введено специальное обозначение («аш» с чертой; в данной работе «аш»– прямое); mе = 9,1 · 10-31 кг – масса электрона; rп – радиус n-й стационарной орбиты; υn – скорость электрона на этой орбите.

2.7. Атом водорода в квантовой механике

Уравнением движения микрочастицы в различных силовых полях является волновое уравнение Шредингера.

Для стационарных состояний уравнение Шредингера будет таким:

где Δ – оператор Лапласа

, m – масса частицы, h – постоянная Планка, E – полная энергия, U – потенциальная энергия.

Уравнение Шредингера является дифференциальным уравнением второго порядка и имеет решение, которое указывает на то, что в атоме водорода полная энергия должна иметь дискретный характер:

E1, E2, E3…

Эта энергия находится на соответствующих уровнях n =1,2,3,…по формуле:

Самый нижний уровень E соответствует минимальной возможной энергии. Этот уровень называют основным, все остальные – возбужденными.

По мере роста главного квантового числа n энергетические уровни располагаются теснее, полная энергия уменьшается, и при n = ∞ она равна нулю. При E>0 электрон становится свободным, несвязанным с конкретным ядром, а атом – ионизированным.

Полное описание состояния электрона в атоме, помимо энергии, связано с четырьмя характеристиками, которые называются квантовыми числами. К ним относятся: главное квантовое число п, орбитальное квантовое число l, магнитное квантовое число m_1, магнитное спиновое квантовое число ms.

Волновая φ-функция, описывающая движение электрона в атоме, представляет собой не одномерную, а пространственную волну, соответствующую трем степеням свободы электрона в пространстве, то есть волновая функция в пространстве характеризуется тремя системами. Каждая из них имеет свои квантовые числа: п, l, ml.

Каждой микрочастице, в том числе и электрону, также свойственно собственное внутреннее сложное движение. Это движение может характеризоваться четвертым квантовым числом ms. Поговорим об этом подробнее.

A. Главное квантовое число п, согласно формуле, определяет энергетические уровни электрона в атоме и может принимать значения п = 1, 2, 3…

Б. Орбитальное квантовое число /. Из решения уравнения Шредингера следует, что момент импульса электрона (его механический орбитальный момент) квантуется, то есть принимает дискретные значения, определяемые формулой

где Ll – момент импульса электрона на орбите, l – орбитальное квантовое число, которое при заданном п принимает значение i = 0, 1, 2… (n – 1) и определяет момент импульса электрона в атоме.

B. Магнитное квантовое число ml. Из решения уравнения Шредингера следует также, что вектор Ll (момент импульса электрона) ориентируется в пространстве под влиянием внешнего магнитного поля. При этом вектор развернется так, что его проекция на направление внешнего магнитного поля будет

Llz = hml

где ml называется магнитным квантовым числом, которое может принимать значения ml = 0, ±1, ±2,±1, то есть всего (2l + 1) значений.

Учитывая сказанное, можно сделать заключение о том, что атом водорода может иметь одно и то же значение энергии, находясь в нескольких различных состояниях (n – одно и то же, а l и ml– разные).

При движении электрона в атоме электрон заметно проявляет волновые свойства. Поэтому квантовая электроника вообще отказывается от классических представлений об электронных орбитах. Речь идет об определении вероятного места нахождения электрона на орбите, то есть местонахождение электрона может быть представлено условным «облаком». Электрон при своем движении как бы «размазан» по всему объему этого «облака». Квантовые числа n и l характеризуют размер и форму электронного «облака», а квантовое число ml– ориентацию этого «облака» в пространстве.

В 1925 г. американские физики Уленбек и Гаудсмит доказали, что электрон также обладает собственным моментом импульса (спином), хотя мы не считаем электрон сложной микрочастицей. Позднее выяснилось, что спином обладают протоны, нейтроны, фотоны и другие элементарные частицы

Опыты Штерна, Герлаха и других физиков привели к необходимости характеризовать электрон (и микрочастицы вообще) добавочной внутренней степенью свободы. Отсюда для полного описания состояния электрона в атоме необходимо задавать четыре квантовых числа: главное – п, орбитальное – l, магнитное – ml, магнитное спиновое число – ms.

В квантовой физике установлено, что так называемая симметрия или асимметрия волновых функций определяется спином частицы. В зависимости от характера симметрии частиц все элементарные частицы и построенные из них атомы и молекулы делятся на два класса. Частицы с полуцелым спином (например, электроны, протоны, нейтроны) описываются асимметричными волновыми функциями и подчиняются статистике Ферми—Дирака. Эти частицы называются фермионами. Частицы с целочисленным спином, в том числе и с нулевым, такие как фотон (Ls =1) или л-мезон (Ls = 0), описываются симметричными волновыми функциями и подчиняются статистике Бозе– Эйнштейна. Эти частицы называются бозонами. Сложные частицы (например, атомные ядра), составленные из нечетного числа фермионов, также являются фермионами (суммарный спин – полуцелый), а составленные из четного – бозонами (суммарный спин – целочисленный).

2.8. Многоэлектронный атом. Принцип Паули

В многоэлектронном атоме, заряд которого равен Ze, электроны будут занимать различные «орбиты» (оболочки). При движении вокруг ядра Z-электроны располагаются в соответствии с квантово-механическим законом, который называется принципом Паули (1925 г.). Он формулируется так:

► 1. В любом атоме не может быть двух одинаковых электронов, определяемых набором четырех квантовых чисел: главного n, орбитального /, магнитного m и магнитного спинового ms.

► 2. В состояниях с определенным значением могут находиться в атоме не более 2n^2 электронов.

Значит, на первой оболочке («орбите») могут находиться только 2 электрона, на второй – 8, на третьей – 18 и т. д.

Таким образом, совокупность электронов в многоэлектронном атоме, имеющих одно и то же главное квантовое число n, называют электронной оболочкой. В каждой из оболочек электроны располагаются по подоболочкам, которые соответствуют определенному значению /. Так как орбитальное квантовое число l принимает значения от 0 до (п – 1), число подоболочек равно порядковому номеру оболочки п. Количество электронов в подоболочке определяется магнитным квантовым числом ml и магнитным спиновым числом ms.

Принцип Паули сыграл выдающуюся роль в развитии современной физики. Так, например, удалось теоретически обосновать периодическую систему элементов Менделеева. Без принципа Паули невозможно было бы создать квантовые статистики и современную теорию твердых тел.

2.9. Квантово-механическое обоснование Периодического закона Д. И. Менделеева

В 1869 г. Д. И. Менделеев открыл периодический закон изменения химических и физических свойств элементов в зависимости от их атомных масс. Д. И. Менделеев ввел понятие порядкового номера Z-элемента и, расположив химические элементы в порядке возрастания их номера, получил полную периодичность в изменении химических свойств элементов. Физический смысл порядкового номера Z-элемента в периодической системе был установлен в ядерной модели атома Резерфорда: Z совпадает с числом положительных элементарных зарядов в ядре (протонов) и, соответственно, с числом электронов в оболочках атомов.

Принцип Паули дает объяснение Периодической системы Д. И. Менделеева. Начнем с атома водорода, имеющего один электрон и один протон. Каждый последующий атом будем получать, увеличивая заряд ядра предыдущего атома на единицу (один протон) и добавляя один электрон, который мы будем помещать в доступное ему, согласно принципу Паули, состояние.

У атома водорода Z = 1 на оболочке 1 электрон. Этот электрон находится на первой оболочке (K-оболочка) и имеет состояние 1S, то есть у него n =1,а l =0(S-состояние), m = 0, ms = ±l/2 (ориентация его спина произвольна).

У атома гелия (Не) Z = 2, на оболочке 2 электрона, оба они располагаются на первой оболочке и имеют состояние 1S, но с антипараллельной ориентацией спинов. На атоме гелия заканчивается заполнение первой оболочки (K-оболочки), что соответствует завершению I периода Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. По принципу Паули, на первой оболочке больше 2 электронов разместить нельзя.

У атома лития (Li) Z = 3, на оболочках 3 электрона:2—на первой оболочке (К-оболочке)и1—на второй (L-оболочке). На первой оболочке электроны в состоянии 1S, а на второй – 2S. Литием начинается II периодтаблицы.

У атома бериллия (Be) Z = 4, на оболочках 4 электрона: 2 на первой оболочке в состоянии IS и 2 на второй в состоянии 2S.

У следующих шести элементов – от В (Z = 5) до Ne(Z = 10) – идет заполнение второй оболочки, при этом электроны находятся как в состоянии 2S, так и в состоянии 2р (у второй оболочки образуется 2 под-оболочки).

У атома натрия (Na) Z = 11. У него первая и вторая оболочки, согласно принципу Паули, полностью заполнены (2 электрона на первой и 8 электронов на второй оболочках). Поэтому одиннадцатый электрон располагается на третьей оболочке (М-оболочке), занимая наинизшее состояние 3S. Натрием открывается III период Периодической системы Д. И. Менделеева. Рассуждая подобным образом, можно построить всю таблицу.

Таким образом, периодичность в химических свойствах элементов объясняется повторяемостью в структуре внешних оболочек у атомов родственных элементов. Так, инертные газы имеют одинаковые внешние оболочки из 8 электронов.

2.10. Основные понятия ядерной физики

Ядра всех атомов можно разделить на два больших класса: стабильные и радиоактивные. Последние самопроизвольно распадаются, превращаясь в ядра других элементов. Ядерные преобразования могут происходить и со стабильными ядрами при их взаимодействии друг с другом и с различными микрочастицами.

Любое ядро заряжено положительно, и величина заряда определяется количеством протонов в ядре Z (зарядовое число). Количество протонов и нейтронов в ядре определяет массовое число ядра A. Символически ядро записывается так:

где X – символ химического элемента. Ядра с одинаковыми зарядовым числом Z и разными массовыми числами A называются изотопами. Например, уран в природе встречается в основном в виде двух изотопов

Изотопы обладают одинаковыми химическими свойствами и разными физическими. Например, изотоп урана 23^5_92U хорошо взаимодействуют с нейтроном 1_0n любых энергий и может разделиться на два более легких ядра. В то же время изотоп урана 238_92U делится только при взаимодействии с нейтронами высоких энергий, более 1 мегаэлектроновольта (МэВ) (1 МэВ = 1,6 · 10-13 Дж). Ядра с одинаковыми A и разными Z называются изобарами.

В то время как заряд ядра равен сумме зарядов входящих в него протонов, масса ядра не равна сумме масс отдельных свободных протонов и нейтронов (нуклонов), она несколько меньше ее. Это объясняется тем, что для связи нуклонов в ядре (для организации сильного взаимодействия) требуется энергия связи E. Каждый нуклон (и протон и нейтрон), попадая в ядро, образно говоря, выделяет часть своей массы для формирования внутриядерного сильного взаимодействия, которое «склеивает» нуклоны в ядре. При этом, согласно теории относительности (см. главу 3), между энергией E и массой m существует соотношение E = mc^2,где с – скорость света в вакууме. Так что формирование энергии связи нуклонов в ядре Eсв приводит к уменьшению массы ядра на так называемый дефект массы Δm = Eсв · c^2. Эти представления подтверждены многочисленными экспериментами. Построив зависимость энергии связи на один нуклон E св/ A = ε от числа нуклонов в ядре A, мы сразу увидим нелинейный характер этой зависимости. Удельная энергия связи ε с ростом A сначала круто возрастает (у легких ядер), затем характеристика приближается к горизонтальной (у средних ядер), а далее медленно снижается (у тяжелых ядер). У урана ε ≈ 7,5 МэВ, а у средних ядер ε ≈ 8,5 МэВ. Средние ядра наиболее устойчивы, у них большая энергия связи. Отсюда открывается возможность получения энергии при делении тяжелого ядра на два более легких (средних). Такая ядерная реакция деления может осуществиться при бомбардировке ядра урана свободным нейтроном. Например, 23^5_92U делится на два новых ядра: рубидий_37-94Rb и цезий 140_55Cs (один из вариантов деления урана). Реакция деления тяжелого ядра замечательна тем, что помимо новых более легких ядер появляются два новых свободных нейтрона, которые называют вторичными. При этом на каждый акт деления приходится 200 МэВ выделяющейся энергии. Она выделяется в виде кинетической энергии всех продуктов деления и далее может быть использована, например, для нагревания воды или другого теплоносителя. Вторичные нейтроны в свою очередь могут вызвать деление других ядер урана. Образуется цепная реакция, в результате которой в размножающей среде может выделиться огромная энергия. Этот способ получения энергии широко используется в ядерных боеприпасах и управляемых ядерных энергетических установках на электростанциях и на транспортных объектах с атомной энергетикой.

Помимо указанного способа получения атомной (ядерной) энергии есть и другой – слияние двух легких ядер в более тяжелое ядро. Процесс объединения легких ядер может происходить лишь при сближении исходных ядер на расстояние, где уже действуют ядерные силы (сильное взаимодействие), то есть ~ 10– 15 м. Этого можно достигнуть при сверхвысоких температурах порядка 1 000 000 °C. Такие процессы называют термоядерными реакциями.

Термоядерные реакции в природе идут на звездах и, конечно, на Солнце. В условиях Земли они происходят при взрывах водородных бомб (термоядерное оружие), запалом для которых служит обычная атомная бомба, создающая условия для формирования сверхвысоких температур. Управляемый термоядерный синтез пока имеет только научно-исследовательскую направленность. Промышленных установок нет, однако работы в этом направлении ведутся во всех развитых странах, в том числе и в России.

2.11. Радиоактивность

Радиоактивностью называется самопроизвольное преобразование одних ядер в другие.

Спонтанный распад изотопов ядер в условиях природной среды называют естественной, а в условиях лабораторий в результате деятельности человека – искусственной радиоактивностью.

Естественную радиоактивность открыл французский физик Анри Беккерель в 1896 г. Это открытие вызвало революцию в естествознании вообще и в физике в частности. Классическая физика XIX в. с ее убежденностью в неделимости атома ушла в прошлое, уступив место новым теориям.

Открытие и исследование явления радиоактивности связано также с именами Марии и Пьера Кюри. Этим исследователям в 1903 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.

Искусственная радиоактивность открыта и исследована супругами Ирен и Фредериком Жолио-Кюри, которые в 1935 г. также получили Нобелевскую премию.

Необходимо отметить, что принципиального различия между этими двумя типами радиоактивности нет.

Для каждого радиоактивного элемента установлены количественные оценки. Так, вероятность распада одного атома в одну секунду характеризуется постоянной распада данного элемента л, а время, за которое распадается половина радиоактивного образца, называется периодом полураспада Г_05.

Со временем число нераспавшихся ядер N убывает по экспоненциальному закону:

N = N_0e-λt,

где N_0 – число нераспавшихся ядер в момент времени t = t_0 (то есть начальное число атомов), N – текущее значение числа нераспавшихся

ядер.

Этот закон называется элементарным законом радиоактивного распада. Из него можно получить формулу для периода полураспада:

Число радиоактивных распадов в образце за одну секунду называют активностью радиоактивного препарата. Чаще всего активность обозначают буквой A тогда по определению:

где знак «-» означает убывание N во времени.

Единица активности в системе СИ – Беккерель (Бк): 1 Бк=1распад/1с. Часто на практике используется внесистемная единица – Кюри (Ки), 1 Ки = 3,7 · 10^10 Бк.

Можно показать, что активность уменьшается во времени также по экспоненциальному закону:

A = A_0 e-λt.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое материя? Какие виды материи различают в современном представлении?

2. Объясните понятие «элементарные частицы». Назовите важнейшие характеристики элементарных частиц. Как классифицируются элементарные частицы?

3. Сколько видов взаимодействия вам известно? Назовите их основные черты.

4. Что такое античастицы?

5. В чем заключается специфика изучения микромира по сравнению с изучением мега– и макромира?

6. Охарактеризуйте кратко историю развития представлений о строении атома.

7. Сформулируйте постулаты Н. Бора. Можно ли с помощью теории Н. Бора объяснить структуру атомов всех элементов таблицы Д. И. Менделеева?

8. Кто и когда создал теорию электромагнитного поля?

9. Что такое радиоактивность?

10. Назовите основные виды радиоактивного распада.

Глава 3

ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ, ПРИНЦИПЫ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

3.1. Ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени. Законы движения

Вопросы пространства и времени всегда интересовали человеческое общество. Одна из концепций этих понятий идет от древних атомистов – Демокрита, Эпикура и др. Они ввели в научный оборот понятие пустого пространства и рассматривали его как однородное и бесконечное.

В процессе создания общей картины мироздания Исаак Ньютон (1642–1726), конечно, также не мог обойти вопрос понятия пространства и времени.

В 1687 г. он опубликовал труд «Математические начала натуральной философии», который стал вершиной достижений естествознания XVII в.

По Ньютону, мир состоит из материи, пространства и времени. Эти три категории независимы друг от друга. Материя размещается в бесконечном пространстве. Движение материи происходит в пространстве и времени. Ньютон разделял пространство на абсолютное и относительное. Абсолютное пространство неподвижно, бесконечно. Относительное – это часть абсолютного. Так же он классифицировал и время. Подабсолютным, истинным (математическим) временем он понимал время, которое течет всегда и везде равномерно, а относительное время, по Ньютону, есть мера продолжительности, которая существует в реальной жизни: секунда, минута, час, сутки, месяц, год. У Ньютона абсолютное время существует и длится равномерно само по себе, безотносительно к каким-либо событиям. Абсолютное пространство и абсолютное время представляют собой вместилище всех материальных тел и пространств и не зависят ни от этих тел, ни от этих процессов, ни друг от друга.

Массу Ньютон определяет как количество материи и вводит понятие «пассивной силы» (силы инерции) и «активной силы», создающей движение тел.

Изучив и выявив закономерности движения, Ньютон таким образом сформулировал его законы:

1– й закон. Всякому телу продолжать свое состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, поскольку оно не принуждается приложенными силами изменять это состояние.

2– й закон. Изменению движения быть пропорциональным приложенной движущей силе и происходить по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

3– й закон. Действию всегда встречать равное противодействие, или воздействию двух тел друг на друга быть между собой равными и направленными в противоположные стороны.

В наше время знаменитые законы формулируются в более удобной форме:

► 1. Всякое материальное тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние. Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью. Поэтому первый закон называют также законом инерции.

► 2. Ускорение, приобретаемое телом, прямо пропорционально силе, действующей натело, и обратно пропорционально массе тела.

► 3. Силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположны по направлению.

Второй закон Ньютона нам известен в виде

F = m × a, или a = F/m,

где ускорение а, получаемое телом поддействием силы F, обратно пропорционально массе тела m. Величина m называется инертной массой тела, она характеризует способность тела оказывать сопротивление действующей («активной») силе, то есть сохранять состояние покоя. Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах отсчета.

Первый закон можно получить из второго, так как в случае отсутствия воздействия на тело со стороны других сил ускорение также равно нулю. Однако первый закон рассматривается как самостоятельный закон, поскольку он утверждает существование инерциальных систем отсчета.

► Инерииальные системы отсчета – это такие системы, в которых справедлив закон инерции: материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы (или действуют силы, взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Теоретически может существовать сколь угодно равноправных инерциальных систем отсчета, и во всех таких системах законы физики одинаковы. Это утверждает принцип относительности Галилея (1636 г.).

Научное доказательство существования всемирного тяготения и математическое выражение описывающего его закона стало возможным только на основе открытых И. Ньютоном законов механики. Закон всемирного тяготения был сформулирован Ньютоном в труде «Математические начала натуральной философии» (1687 г.).

Закон всемирного тяготения Ньютон формулирует в следующих тезисах: «тяготение существует для всех тел вообще и пропорционально массе каждого из них», «тяготение к отдельным равным частицам тел обратно пропорционально квадратам расстояний мест к частицам». Этот закон известен в виде:

где m_1, ш_2 – массы двух частиц, r – расстояние между ними, G – гравитационная постоянная (в системе СИ G = 6,672 · 10-11 м^2/кг^2). Физический смысл гравитационной постоянной заключается в том, что она характеризует силу притяжения двух масс весом в 1 кг на расстоянии в 1 м.

Открыв закон всемирного тяготения, Ньютон смог дать ответ на вопрос, почему Луна обращается вокруг Земли и почему планеты движутся вокруг Солнца. В каждом отдельном случае он мог рассчитать силу тяготения. Но как передается взаимодействие между массами, притягивающимися друг к другу, какова природа этой силы, Ньютон объяснить не мог.

В трудах Ньютона тяготение – это сила, которая действует на больших расстояниях и как бы без какого-то материального посредника.

Это привело к понятию «дальнодействие». Природу «дальнодействия» Ньютон объяснить не мог. Он думал о каком-то материальном «агенте», с помощью которого осуществляется гравитационное взаимодействие, но в решении этой проблемы он потерпел неудачу. Основываясь на законе всемирного тяготения Ньютона, небесная механика допускает принципиальную возможность мгновенной передачи сигналов, что противоречит современной физике (общей теории относительности). Поэтому буквальное понимание закона тяготения Ньютона с современной точки зрения недопустимо.

Ньютоновская механистическая парадигма в естествознании господствовала более 200 лет, хотя и подвергалась критике по ряду позиций, в том числе и в понимании пространства и времени (Лейбниц, Гегель, Беркли и др.). В конце XIX и в начале XX в. возникли принципиально новые научные представления об окружающей природе. Появились новые парадигмы: сначала релятивистская, а затем квантовая (см. ранее). В физическую картину мира полноправно вошла концепция поля как материальной среды, связывающей частицы вещества, все физические объекты материального мира. В современной физике известны четыре вида взаимодействия материальных объектов: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое (см. выше). Они ответственны за все процессы взаимодействия.

3.2. Законы сохранения

Рассмотрим наиболее общие законы сохранения, которым подчиняется весь материальный мир и которые вводят в физику ряд фундаментальных понятий: энергия, количество движения (импульс), момент импульса, заряд.

Закон сохранения импульса

Как известно, количеством движения, или импульсом, называют произведение скорости на массу движущегося тела: p = mv Эта физическая величина позволяет найти изменение движения тела за какой-нибудь определенный промежуток времени. Для решения этой задачи следовало бы применять второй закон Ньютона бесчисленное число раз, во все промежуточные моменты времени. Закон сохранения количества движения (импульса) можно получить, используя второй и третий законы Ньютона. Если рассматривать две (или более) материальные точки (тела), взаимодействующие между собой и образующие систему, изолированную от действия внешних сил, то за время движения импульсы каждой точки (тела) могут изменяться, но общий импульс системы должен оставаться неизменным:

m_1v + m_1v_2 = const.

Взаимодействующие тела обмениваются импульсами при сохранении общего импульса.

В общем случае получаем:

где PΣ – общий, суммарный импульс системы, mivi – импульсы отдельных взаимодействующих частей системы. Сформулируем закон сохранения импульса:

► Если сумма внешних сил равна нулю, импульс системы тел остается постоянным при любых происходящих в ней процессах.

Пример действия закона сохранения импульса можно рассмотреть на процессе взаимодействия лодки с человеком, которая уткнулась носом в берег, а человек в лодке быстро идет из кормы в нос со скоростью v_1. В этом случае лодка отойдет от берега со скоростью v_2:

Аналогичный пример можно привести со снарядом, который разорвался в воздухе на несколько частей. Векторная сумма импульсов всех осколков равна импульсу снаряда до разрыва.

Закон сохранения момента импульса

Вращение твердых тел удобно характеризовать физической величиной, которая называется моментом импульса.

При вращении твердого тела вокруг неподвижной оси каждая отдельная частица тела движется по окружности радиусом ri с какой-то линейной скоростью vi. Скорость vi и импульс p = mivi перпендикулярны радиусу ri. Произведение импульса p = mivi на радиус ri называется моментом импульса частицы:

Li = mi vi ri = Pi ri ·

Момент импульса всего тела:

Если заменить линейную скорость угловой щ (vi = ωri), то

где J = mr^2– момент инерции.

Момент импульса замкнутой системы не изменяется во времени, то есть L = const и Jω = const.

При этом моменты импульса отдельных частиц вращающегося тела могут как угодно изменяться, однако общий момент импульса (сумма моментов импульса отдельных частей тела) остается постоянным. Продемонстрировать закон сохранения момента импульса можно, наблюдая вращение фигуриста на коньках с руками, вытянутыми в стороны, и с руками, поднятыми над головой. Так как Jω = const, то во втором случае момент инерции J уменьшается, значит, при этом должна возрасти угловая скорость щ, так как Jω = const.

Закон сохранения энергии

Энергия – это универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Энергия, отданная одним телом другому, всегда равна энергии, полученной другим телом. Для количественной оценки процесса обмена энергией между взаимодействующими телами в механике вводится понятие работы силы, вызывающей движение.

Кинетическая энергия механической системы – это энергия механического движения этой системы. Сила, вызывающая движение тела, совершает работу, а энергия движущегося тела возрастает на величину затраченной работы. Как известно, тело массой m, движущееся со скоростью v, обладает кинетической энергией E = mv^2/2.

Потенциальная энергия – это механическая энергия системы тел, которые взаимодействуют посредством силовых полей, например посредством гравитационных сил. Работа, совершаемая этими силами, при перемещении тела из одного положения в другое не зависит от траектории движения, а зависит только от начального и конечного положения тела в силовом поле.

Такие силовые поля называют потенциальными, а силы, действующие в них, – консервативными. Гравитационные силы являются консервативными силами, а потенциальная энергия тела массой m, поднятого на высоту h над поверхностью Земли, равна

Епот = mgh,

где g – ускорение свободного падения.

Полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергии:

E = Екин + Епот

Закон сохранения механической энергии (1686 г., Лейбниц) гласит, что в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется неизменной во времени. При этом могут происходить превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно в эквивалентных количествах.

Существуют еще один вид систем, в которых механическая энергия может уменьшаться за счет преобразования в другие формы энергии. Например, при движении системы с трением часть механической энергии уменьшается за счет трения. Такие системы называются диссипативными, то есть системами, рассеивающими механическую энергию. В таких системах закон сохранения полной механической энергии несправедлив. Однако при уменьшении механической энергии всегда возникает эквивалентное этому уменьшению количество энергии другого вида. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. Здесь проявляется свойство неуничтожимости материи и ее движения.

Закон сохранения заряда

Электрические заряды – это источники электромагнитного поля. Вся совокупность электрических явлений есть проявление существования движения и взаимодействия электрических зарядов.

В конце XIX в. английским физиком Томсоном был открыт электрон – носитель отрицательного элементарного электрического заряда (-1,6 · 10-19 Кл), а в начале XX в. Резерфорд открыл протон, обладающий таким же по величине элементарным положительным зарядом. Поскольку каждая частица характеризуется определенным, присущим ей электрическим зарядом, закон сохранения заряда можно рассматривать как следствие сохранения числа частиц, если при этом не происходит взаимопревращения частиц.

При электризации физических тел число заряженных частиц не меняется, а происходит лишь их перераспределение в пространстве. В общем закон сохранения заряда можно сформулировать так:

► в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов системы остается неизменной во времени, какие бы процессы ни происходили внутри этой замкнутой системы.

Такое понятие существовало в физике давно, а в 1843 г. М. Фарадей экспериментально подтвердил этот закон. Как и другие законы сохранения, закон сохранения заряда справедлив на всех структурных уровнях материального мира.

Закон сохранения заряда вместе с законом сохранения энергии характеризует устойчивость электрона. Он не может превратиться самопроизвольно в более тяжелую частицу или в более легкую.

В первом случае это не позволяет закон сохранения энергии, а во втором – закон сохранения заряда.

3.3. Принципы современной физики

Принцип симметрии

Под симметрией понимают однородность, пропорциональность, гармонию каких-то материальных объектов. Асимметрия – понятие противоположное. Любой физический объект содержит элементы симметрии и асимметрии. Рассмотрим симметрии в физике, химии и биологии.

В физике симметрия определяется следующим образом: если физические законы не меняются при определенных преобразованиях, которым может быть подвергнута система (физический объект), то считается, что эти законы обладают симметрией (или инвариантны) относительно этих преобразований.

Симметрии делят на пространственно-временные и внутренние, последние относятся только к микромиру.

Среди пространственно-временных рассмотрим основные.

1. Сдвиг времени. Изменение начала отсчета не изменяет физических законов. Время однородно по всему пространству.

2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат. Такая операция не изменяет физических законов. Все точки пространства равноправны, и пространство однородно.

3. Поворот системы отсчета пространственных координат также сохраняет физические законы неизменными – значит, пространство изотропно.

4. Классический принцип относительности Галилея устанавливает симметрию между покоем и равномерным прямолинейным движением.

5. Обращение знака времени не изменяет фундаментальных законов в макромире, то есть процессы макромира могут описываться и при обращении знака времени. На уровне макромира наблюдается необратимость процессов, так как они связаны с неравновесным состоянием Вселенной.

В химии симметрии проявляются в геометрической конфигурации молекул. Это определяет как химические, так и физические свойства молекул. Большинство простых молекул имеют оси симметрии, плоскости симметрии. Например, молекула аммиака NH_3 представляет собой правильную треугольную пирамиду, молекула метана CH_4 – правильный тетраэдр. Представления о симметрии весьма полезны при теоретическом анализе строения комплексных соединений, их свойств и поведения.

В биологии симметрии давно изучаются специалистами. Наибольший интерес представляет структурная симметрия биообъектов. Она проявляется в виде того или иного закономерного повторения. На низших этапах развития живой природы встречаются представители всех классов точечной симметрии (правильные многогранники, шары). На более высоких ступенях эволюции встречаются растения и животные в основном с аксиальной и актиноморфной симметрией. Биообъекты с аксиальной симметрией характеризуются осью симметрии (медуза, цветок флокса), а с актиноморфной – осью симметрии и пересекающимися на этой оси плоскостями (например, бабочка с двусторонней симметрией).

Широко известна симметрия кристаллов. Это свойство кристаллов как бы совмещаться с собой в различных положениях путем поворотов, отражений, параллельных переносов. Симметрия внешней формы кристаллов определяется симметрией их атомного строения.

Все это связано с симметрией физических свойств кристаллов.

Симметрия и законы сохранения

В 1918 г. немецкий математик Эмми Нетер доказала фундаментальную теорему, устанавливающую связь между свойствами симметрии и законами сохранения. Суть теоремы в том, что непрерывными преобразованиями в пространстве-времени, оставляющими инвариантным действие, являются: сдвиг во времени, сдвиг в пространстве, трехмерное пространственное вращение, четырехмерные вращения в пространстве-времени. Согласно теореме Нетер, из инвариантности относительно сдвига во времени следует закон сохранения энергии; из инвариантности относительно пространственных сдвигов – закон сохранения импульса; из инвариантности относительно пространственного вращения – закон сохранения момента импульса; инвариантность относительно преобразований Лоренца (четырехмерные вращения в пространстве-времени) – обобщенный закон движения центра масс: центр масс релятивистской системы движется равномерно и прямолинейно. Теорема Нетер относится не только к пространственно-временным симметриям, но и к внутренним. Например, при всех превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц сохраняется неизменной.

Закон сохранения заряда в макросистемах был подтвержден экспериментальным путем задолго до Нетер, в 1843 г. М. Фарадеем. Строгого научного объяснения причин выполнения закона сохранения заряда пока нет.

Принцип дополнительности

Принцип дополнительности является основополагающим в современной физике. Понятие дополнительности было введено в науку Н. Бором в 1928 г. Это было время становления квантовой механики. Трудно переоценить значение принципа дополнительности для развития наших представлений о мире и познания различных закономерностей. Мы практически всегда оперируем принципом дополнительности. Так, для характеристики многих физических процессов используется одновременно две величины. Например, при оценке движения материальной точки – координата точки и ее скорость. Одна величина как бы дополняет другую. Это характерно практически для любых движущихся материальных объектов. Так работает на практике принцип дополнительности.

Особенно ярко принцип дополнительности выступает в микромире. Все микрочастицы имеют дуалистическую корпускулярно-волно-вую природу. Инструментальные способы позволили обнаружить эту двойственность микрочастиц сначала у фотона, затем у электрона и других микрочастиц. Любое устройство для детектирования микрочастиц регистрирует их как нечто целое, локализованное в весьма малой области пространства. С другой стороны, можно наблюдать дифракцию и интерференцию этих же микрочастиц на кристаллических решетках или искусственно созданных препятствиях при их движении, то есть микрочастицы обладают выраженными волновыми свойствами.

Однако при оценке явлений окружающего нас мира мы находимся в плену наших макроскопических представлений. Поэтому наблюдатель, оценивая микропроцессы, должен, принимая без сомнения микрочастицы как локализованные объекты (частицы или корпускулы), одновременно «домысливать» их волновые свойства. Наблюдатель должен применять два дополняющих друг друга понятия. Только в совокупности этих двух наборов понятий информация о микропроцессах будет достоверной.

Таким образом, одна характеристика способна отразить только часть истины, а собрав противоречащие друг другу характеристики одного объекта, можно получить полную картину этого объекта. В общей форме принцип дополнительности можно сформулировать так:

► В области квантовых явлений наиболее общие физические свойства какой-либо системы должны быть выражены с помощью дополняющих друг друга пар независимых переменных, каждая из которых может быть лучше определена только за счет соответствующего уменьшения степени определенности другой.[2]

Принцип неопределенности Гейзенберга

Принцип неопределенности является фундаментальным законом микромира. Его можно считать частным выражением принципа дополнительности.

В классической механике частица движется по определенной траектории, и в любой момент времени возможно точно определить ее координаты и ее импульс. Относительно микрочастицы такое представление неправомерно. Микрочастица не имеет четко выраженной траектории, она обладает и свойствами частицы, и свойствами волны (корпускулярно-волновой дуализм). В этом случае понятие «длина волны в данной точке» не имеет физического смысла, а поскольку импульс микрочастицы выражается через длину волны – p = к/л, то отсюда следует, что микрочастица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату, и наоборот.

В. Гейзенберг (1927 г.), учитывая двойственную природу микрочастиц, пришел к выводу, что невозможно одновременно с любой наперед заданной точностью характеризовать микрочастицу и координатами, и импульсом.

Соотношениями неопределенностей Гейзенберга называются неравенства:

Δx · Δpx ≥ h, Δy · Δpy ≥ h, Δz · Δpz ≥ h.

Здесь Δx, Δy, Δz означают интервалы координат, в которых может быть локализована микрочастица (эти интервалы и есть неопределенности координат), Δpx, Δpy, Δpz означают интервалы проекций импульса на координатные оси x, y, z, h – постоянная Планка. Согласно принципу неопределенностей, чем точнее фиксируется импульс, тем значительнее будет неопределенность по координате, и наоборот.

Принцип соответствия

По мере развития науки, углубления накопленных знаний новые теории становятся более точными. Новые теории охватывают все более широкие горизонты материального мира и проникают в ранее неизведанные глубины. Динамические теории сменяются статическими.

Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости. Поэтому появление новой теории не означает полного отрицания старой. Так, движение тел в макромире со скоростями значительно меньшими, чем скорость света, всегда будет описываться классической механикой Ньютона. Однако при скоростях, соизмеримых со скоростью света (релятивистских скоростях), механика Ньютона неприменима.

Объективно имеет место преемственность фундаментальных физических теорий. Это и есть принцип соответствия, который можно сформулировать следующим образом: никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области.

3.4. Понятие о состоянии системы. Лапласовский детерминизм

В классической физике система понимается как совокупность каких-то частей, связанных между собой определенным образом. Эти части (элементы) системы могут воздействовать друг на друга, и предполагается, что их взаимовоздействие всегда может оцениваться с позиций причинно-следственных отношений между взаимодействующими элементами системы.

Философское учение об объективности закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений материального и духовного мира называют детерминизмом. Центральным понятием детерминизма является положение о существовании причинности; причинность имеет место, когда одно явление порождает другое явление (следствие).

Классическая физика стоит на позициях жесткого детерминизма, который называют лапласовским, – именно Пьер Симон Лаплас провозгласил принцип причинности как фундаментальный закон природы. Лаплас считал, что если известно расположение элементов (каких-то тел) системы и действующие в ней силы, то можно с полной достоверностью предсказать, как будет двигаться каждое тело этой системы сейчас и в будущем. Он писал: «Мы должны рассматривать существующее состояние Вселенной как следствие предыдущего состояния и как причину последующего. Ум, который в данный момент знал бы все силы, действующие в природе, и относительное положение всех составляющих ее сущностей, если бы он еще был столь обширен, чтобы ввести в расчет все эти данные, охватил бы одной и той же формулой движения крупнейших тел Вселенной и легчайших атомов. Ничто не было бы для него недостоверным, и будущее, как и прошедшее, стояло бы перед его глазами». Традиционно это гипотетическое существо, которое могло бы (по Лапласу) предсказать развитие Вселенной, в науке называют «демоном Лапласа».

В классический период развития естествознания утверждается представление о том, что только динамические законы полностью характеризуют причинность в природе.

Лаплас пытался объяснить весь мир, в том числе физиологические, психологические, социальные явления с точки зрения механистического детерминизма, который он рассматривал как методологический принцип построения всякой науки. Образец формы научного познания Лаплас видел в небесной механике. Таким образом, лапласовский детерминизм отрицает объективную природу случайности, понятие вероятности события.

Дальнейшее развитие естествознания привело к новым представлениям причинности и следствия. Для некоторых природных процессов трудно определить причину – например, радиоактивный распад происходит случайно. Нельзя однозначно связать время «вылета» α– или β-частицы из ядра и значение ее энергии. Подобные процессы объективно случайны. Особенно много таких примеров в биологии. В нынешнем естествознании современный детерминизм предлагает разнообразные, объективно существующие формы взаимосвязи процессов и явлений, многие из которых выражаются в виде соотношений, не имеющих выраженных причинных связей, то есть не содержащих в себе моментов порождения одного другим. Это и пространственно-временные связи, отношения симметрии и определенных функциональных зависимостей, вероятностные соотношения и т. д. Однако все формы реальных взаимодействий явлений образуются на основе всеобщей действующей причинности, вне которой не существует ни одного явления действительности, в том числе и так называемых случайных явлений, в совокупности которых проявляются статические законы.

Наука продолжает развиваться, обогащается новыми концепциями, законами, принципами, что свидетельствует об ограниченности лапласовского детерминизма. Однако классическая физика, в частности классическая механика, имеет и сегодня свою нишу применения. Ее законы вполне применимы для относительно медленных движений, скорость которых значительно меньше скорости света. Значение классической физики в современный период хорошо определил один из создателей квантовой механики Нильс Бор: «Как бы далеко ни выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Обоснование этого состоит просто в констатации точного значения слова «эксперимент». Словом «эксперимент» мы указываем на такую ситуацию, когда мы можем сообщать другим, что именно мы сделали и что именно мы узнали. Поэтому экспериментальная установка и результаты наблюдений должны описываться однозначным образом на языке классической физики».

3.5. Специальная теория относительности (СТО)

Введение в СТО

С теорией относительности мы знакомимся еще в средней школе. Эта теория объясняет нам явления окружающего мира таким образом, что это противоречит «здравому смыслу». Правда, еще тот же А. Эйнштейн в свое время заметил: «Здравый смысл – это предрассудки, которые складываются в возрасте до восемнадцати лет».

Еще в XVIII в. ученые пытались ответить на вопросы о том, как передается гравитационное взаимодействие и как распространяется свет (позже вообще любые электромагнитные волны). Поиски ответов на эти вопросы и явились причиной разработки теории относительности.

В XIX в. физики были убеждены, что существует так называемый эфир (мировой эфир, светоносный эфир). По представлениям прошлых столетий, это некая всепроникающая всезаполняющая среда. Развитие физики во второй половине XIX в. требовало от ученых максимально конкретизировать представления об эфире. Если предположить, что эфир подобен газу, то в нем могли бы распространяться только продольные волны, а электромагнитные волны – поперечные. Непонятно, как в таком эфире могли бы двигаться небесные тела. Имелись и другие серьезные возражения против эфира. В то же время шотландский физик Джеймс Максвелл (1831–1879) создал теорию электромагнитного поля, из которой, в частности, следовала величина конечной скорости распространения этого поля в пространстве – 300 000 км/с. Немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) доказал опытным путем идентичность света, тепловых лучей и электромагнитного «волнового движения». Он определил, что электромагнитная сила действует со скоростью 300 000 км/с. Больше того, Герц установил, что «электрические силы могут отделяться от весомых тел и существовать далее самостоятельно как состояние или изменение пространства». Однако ситуация с эфиром ставила много вопросов, и для отмены этого понятия требовался прямой эксперимент. Идею его сформулировал еще Максвелл, предложивший использовать в качестве движущегося тела Землю, которая перемещается по орбите со скоростью 30 км/с. Такой опыт требовал крайне высокой точности измерений. Эту труднейшую задачу в 1881 г. решили американские физики А. Майкельсон и Э. Морли. Согласно гипотезе «неподвижного эфира», можно наблюдать «эфирный ветер» при движении Земли сквозь «эфир», а скорость света по отношению к Земле должна зависеть от направления светового луча относительно направления движения Земли в эфире (то есть свет направляется по движению Земли и против). Скорости при наличии эфира должны были быть различными. Но они оказались неизменными. Это показывало, что эфира нет. Этот отрицательный результат стал подтверждением теории относительности. Опыт Майкельсона и Морли по определению скорости света неоднократно повторялся позднее, в 1885–1887 гг., с тем же результатом.

В 1904 г. на научном конгрессе французский математик Анри Пуанкаре (1854–1912) высказал мнение, что в природе не может быть скоростей, больших скорости света. Тогда же А. Пуанкаре сформулировал принцип относительности как всеобщий закон природы. В 1905 г. он писал: «Невозможность доказать путем опытов абсолютное движение Земли является, очевидно, общим законом природы». Здесь же он указывает на преобразования Лоренца и на общую связь пространственных и временных координат.

Альберт Эйнштейн (1879–1955), создавая специальную теорию относительности, о результатах Пуанкаре еще не знал. Позже Эйнштейн напишет: «Я совершенно не понимаю, почему меня превозносят как создателя теории относительности. Не будь меня, через год это бы сделал Пуанкаре, через два года сделал бы Минковский, в конце концов, более половины в этом деле принадлежит Лоренцу. Мои заслуги преувеличены». Однако Лоренц со своей стороны в 1912 г. писал: «Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он первым выразил принцип относительности в виде всеобщего, строгого закона».

Два постулата Эйнштейна в СТО

Для описания физических явлений Галилей ввел понятие инерциальной системы. В такой системе тело, на которое не действует какая-либо сила, находится в покое или в состоянии равномерного прямолинейного движения. Законы, описывающие механическое движение, в различных инерциальных системах одинаково справедливы, то есть не изменяются при переходе от одной системы координат к другой. Например, если пассажир идет в движущемся вагоне поезда в направлении его движения со скоростью v_1 = 4 км/ч, а поезд движется со скоростью v_2 = 46 км/ч, то скорость пассажира относительно железнодорожного полотна будет vΣ = v_1 + v_2 = 50 км/ч, то есть здесь имеется сложение скоростей. По «здравому смыслу» это незыблемый факт:

vΣ = v_1 + v_2

Однако в мире больших скоростей, соизмеримых со скоростью света, указанная формула сложения скоростей просто неверна. В природе свет распространяется со скоростью с = 300 000 км/с независимо от того, в какую сторону по отношению к наблюдателю движется источник света.

В 1905 г. в немецком научном журнале «Анналы физики» 26-летний Альберт Эйнштейн опубликовал статью «Об электродинамике движущихся тел». В этой статье он сформулировал два знаменитых постулата, которые легли в основание частной, или специальной, теории относительности (СТО), изменившей классические представления о пространстве и времени.

В первом постулате Эйнштейн развил классический принцип относительности Галилея. Он показал, что этот принцип является всеобщим, в том числе и для электродинамики (а не только для механических систем). Это положение не было однозначным, так как потребовалось отказаться от ньютоновского дальнодействия.

Обобщенный принцип относительности Эйнштейна утверждает, что никакими физическими опытами (механическими и электромагнитными) внутри данной системы отсчета нельзя установить, движется эта система равномерно или покоится. При этом пространство и время являются связанными друг с другом, зависящими друг от друга (у Галилея и Ньютона пространство и время независимы друг от друга).

Второй постулат специальной теории относительности Эйнштейн предложил после анализа электродинамики Максвелла – это принцип постоянства скорости света в вакууме, которая примерно равна 300 000 км/с.

Скорость света – это самая большая скорость в нашей Вселенной. Больше скорости 300 000 км/с в окружающем нас мире быть не может.

В современных ускорителях микрочастицы разгоняются до огромных скоростей. Например, электрон разгоняется до скорости vе = 0,9999999 С, где vе, С – скорости электрона и света соответственно. При этом, с точки зрения наблюдателя, масса электрона возрастает в 2500 раз:

Здесь me0 – масса покоя электрона, me – масса электрона на скорости ve.

Достичь скорости света электрон не может Однако существуют микрочастицы, которые имеют скорость света, их называют «люксоны».

К ним относятся фотоны и нейтрино. У них практически нет массы покоя, их нельзя затормозить, они всегда движутся со скоростью света с. Все остальные микрочастицы (тардионы) движутся со скоростями меньше скорости света. Микрочастицы, у которых скорость движения могла бы быть больше скорости света, называют тахионами. Таких частиц в нашем реальном мире нет.

Исключительно важным результатом теории относительности является выявление связи между энергией и массой тела. При малых скоростях

где E = m_0c^2– энергия покоя частицы с массой покоя m_0,а EK – кинетическая энергия движущейся частицы.

Огромным достижением теории относительности является установленный ею факт эквивалентности массы и энергии (E = m_0c^2). Однако речь идет не о превращении массы в энергию и наоборот, а о том, что превращение энергии из одного вида в другой соответствует переходу массы из одной формы в другую. Энергию нельзя заменить массой, так как энергия характеризует способность тела выполнять работу, а масса – меру инерции.

При скоростях релятивистских, близких к скорости света:

где E – энергия, m – масса частицы, m – масса покоя частицы, с – скорость света в вакууме.

Из приведенной формулы видно, что для достижения скорости света частице нужно сообщить бесконечно большую энергию. Для фотонов и нейтрино эта формула несправедлива, так как у них v = c.

Релятивистские эффекты

Под релятивистскими эффектами в теории относительности понимают изменения пространственно-временных характеристик тел при скоростях, соизмеримых со скоростью света.

В качестве примера обычно рассматривается космический корабль типа фотонной ракеты, который летит в космосе со скоростью, соизмеримой со скоростью света. При этом неподвижный наблюдатель может заметить три релятивистских эффекта:

1. Увеличение массы по сравнению с массой покоя. С ростом скорости растет и масса. Если бы тело могло двигаться со скоростью света, то его масса возросла бы до бесконечности, что невозможно. Эйнштейн доказал, что масса тела есть мера содержащейся в ней энергии (E= mc^2). Сообщить телу бесконечную энергию невозможно.

2. Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. Чем больше будет скорость космического корабля, пролетающего мимо неподвижного наблюдателя, и чем ближе она будет к скорости света, тем меньше будут размеры этого корабля для неподвижного наблюдателя. При достижении кораблем скорости света его наблюдаемая длина будет равна нулю, чего быть не может. На самом же корабле космонавты этих изменений не будут наблюдать. 3. Замедление времени. В космическом корабле, движущемся со скоростью, близкой к скорости света, время течет медленнее, чем у неподвижного наблюдателя.

Эффект замедления времени сказался бы не только на часах внутри корабля, но и на всех процессах, протекающих на нем, а также на биологических ритмах космонавтов. Однако фотонную ракету нельзя рассматривать как инерциальную систему, ибо она во время разгона и торможения движется с ускорением (а не равномерно и прямолинейно).

В теории относительности предложены принципиально новые оценки пространственно-временных отношений между физическими объектами. В классической физике при переходе от одной инерциальной системы (№ 1) к другой (№ 2) время остается тем же – t_2 = tL а пространственная координата изменяется по уравнению x_2 = x_1– vt. В теории относительности применяются так называемые преобразования Лоренца:

Из отношений видно, что пространственные и временные координаты зависят друг от друга. Что касается сокращения длины в направлении движения, то

а ход времени замедляется:

В 1971 г. в США был поставлен эксперимент по определению замедления времени. Изготовили двое совершенно одинаковых точных часов. Одни часы оставались на земле, а другие помещались в самолет, который летал вокруг Земли. Самолет, летящий по круговой траектории вокруг Земли, движется с некоторых ускорением, и значит, часы на борту самолета находятся в другой ситуации по сравнению с часами, покоящимися на земле. В соответствии с законами теории относительности часы-путешественники должны были отстать от покоящихся на 184 нс, а на самом деле отставание составило 203 нс. Были и другие эксперименты, в которых проверялся эффект замедления времени, и все они подтвердили факт замедления. Таким образом, разное течение времени в системах координат, движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно, является непреложным экспериментально установленным фактом.

Общая теория относительности

После опубликования специальной теории относительности в 1905 г. А. Эйнштейн обратился к современному представлению тяготения. В 1916 г. он опубликовал общую теорию относительности (ОТО), которая с современных позиций объясняет теорию тяготения. Она основывается на двух постулатах специальной теории относительности и формулирует третий постулат – принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Важнейшим выводом ОТО является положение об изменении геометрических (пространственных) и временных характеристик в гравитационных полях (а не только при движении с большими скоростями). Этот вывод связывает ОТО с геометрией, то есть в ОТО наблюдается геометризация тяготения. Классическая геометрия Евклида для этого не годилась. Новая геометрия появилась еще в XIX в. в трудах русского математика Н. И. Лобачевского, немецкого – Б. Римана, венгерского – Я. Больяйя.

Геометрия нашего пространства оказалась неевклидовой.

ОТО[3] – физическая теория, в основе которой лежит ряд экспериментальных фактов. Рассмотрим некоторые из них. Гравитационное поле влияет на движение не только массивных тел, но и света. Луч света отклоняется в поле Солнца. Измерения, проведенные в 1922 г. английским астрономом А. Эддингтоном во время солнечного затмения, подтвердили это предсказание Эйнштейна.

В ОТО орбиты планет незамкнуты. Небольшой эффект такого рода можно описывать как вращение перигелия эллиптической орбиты. Перигелий – это ближайшая к Солнцу точка орбиты небесного тела, которое движется вокруг Солнца по эллипсу, параболе или гиперболе. Астрономам известно, что перигелий орбиты Меркурия поворачивается за столетие примерно на 6000». Это объясняется гравитационными возмущениями со стороны других планет. При этом оставался неустранимый остаток около 40» за столетие. В 1915 г. Эйнштейн объяснил это расхождение в рамках ОТО.

Существуют объекты, в которых эффекты ОТО играют определяющую роль. К ним относятся «черные дыры». «Черная дыра» возникает тогда, когда звезда сжимается настолько сильно, что существующее гравитационное поле не выпускает во внешнее пространство даже свет. Поэтому из такой звезды не исходит никакой информации. Многочисленные астрономические наблюдения указывают на реальное существование таких объектов. ОТО дает четкое объяснение этому факту.

В 1918 г. Эйнштейн предсказал на основе ОТО существование гравитационных волн: массивные тела, двигаясь с ускорением, излучают гравитационные волны. Гравитационные волны должны распространяться с той же скоростью, что электромагнитные, то есть со скоростью света. По аналогии с квантами электромагнитного поля принято говорить о гравитонах как о квантах гравитационного поля. В настоящее время формируется новая область науки – гравитационно-волновая астрономия. Есть надежда, что гравитационные эксперименты дадут новые результаты.

На основании уравнений теории относительности отечественный математик-физик А. Фридман в 1922 г. нашел новое космологическое решение уравнений ОТО Это решение указывает на то, что наша Вселенная не стационарна, она непрерывно расширяется. Фридман нашел два варианта решения уравнений Эйнштейна, то есть два варианта возможного развития Вселенной. В зависимости от плотности материи Вселенная или будет и далее расширяться, или через какое-то время начнет сжиматься.

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл экспериментально установил закон, который определяет скорость разлета галактик в зависимости от расстояния до нашей галактики. Чем дальше разбегающаяся галактика, тем больше скорость ее разбегания. Хаббл использовал эффект Доплера, в соответствии с которым у источника света, удаляющегося от наблюдателя, длина волны увеличивается, то есть смещается к красному концу спектра (краснеет).

Таким образом, все известные научные факты подтверждают справедливость общей теории относительности, которая является современной теорией тяготения.

3.6. Начала термодинамики. Представления об энтропии

Общие сведения о термодинамике

► Термолинамика – это наука о наиболее общих свойствах макроскопических тел и систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода из одного состояния в другое.

Классическая термодинамика изучает физические объекты материального мира только в состоянии термодинамического равновесия. Здесь подразумевается такое состояние, в которое с течением времени приходит система, находящаяся при определенных неизменных внешних условиях и определенной постоянной температуре окружающей среды. Для таких равновесных состояний понятие времени несущественно. Поэтому время в явном виде как параметр в термодинамике не используется. В первоначальном виде эта дисциплина называлась «механическая теория тепла». Термин «термодинамика» был введен в научную литературу в 1854 г. В. Томсоном. Равновесные процессы классической термодинамики позволяют также судить о закономерностях процессов, происходящих при установлении равновесия, то есть рассматривает пути к установлению термодинамического равновесия.

Вместе с тем термодинамика рассматривает условия существования необратимых процессов. Например, распространение молекул газа (закон диффузии) ведет в конце концов к равновесному состоянию, а обратный переход такой системы к первоначальному состоянию термодинамика запрещает.

Задачей термодинамики необратимых процессов сначала было изучение неравновесных процессов для состояний, не слишком сильно отличающихся от равновесного. Возникновение термодинамики необратимых процессов относится к 50-м гг. прошлого столетия. Она сформировалась на базе классической термодинамики, которая возникла во второй половине XIX в. В становлении классической термодинамики выдающуюся роль сыграли работы Н. Карно, Б. Клапейрона, Р. Клаузиуса и др. Прошло сравнительно много времени, прежде чем стало понятно, что классическая термодинамика является по существу термостатикой, а основополагающие уравнения Фурье– Ома—Фика и Навье—Стокса представляют собой элементы будущей термодинамики. Здесь следует назвать одного из пионеров нового направления в термодинамике – американского физика Л. Онсагера (Нобелевская премия 1968 г.), а также голландско-бельгийскую школу И. Пригожина, С. де Грота, П. Мазура. В 1977 г. бельгийскому физику и физико-химику русского происхождения Илье Романовичу Пригожину была присуждена Нобелевская премия по химии «за вклад в теорию неравновесной термодинамики, в особенности – в теорию диссипативных структур, и за ее применения в химии и биологии».

Термодинамика как функция состояния

Равенство температур во всех точках каких-то систем или частей одной системы является условием равновесия.

Состояние однородных жидкостей или газа полностью фиксируется заданием любых двух из трех величин: температуры Г, объема V, давления р. Связь между p, V и T называется уравнением состояния. Французский физик Б. Клапейрон в 1934 г. вывел уравнение состояния для идеального газа, объединив законы Бойля-Мариотта и Гей-Люсака. Д. И. Менделеев объединил уравнения Клапейрона с законом Авогадро. Согласно закону Авогадро, при одинаковых давлениях р и температуре Г моли всех газов занимают одинаковый молярный объем Vm, поэтому для всех газов существует молярная газовая постоянная R. Тогда Уравнение Клапейрона—Менделеева можно записать в виде:

pVm = RT.

Числовое значение молярной газовой постоянной R = 8,31 Дж/моль · K.

Первое начало термодинамики

Первое начало, или первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии для тепловых систем, удобно рассмотреть на примере работы тепловой машины. В состав тепловой машины входят источник тепла Q_1, рабочее тело, например цилиндр с поршнем, под которым газ может нагреваться (ΔQ_1) или охлаждаться холодильником, отбирающим от рабочего тела тепло ΔQ_2. При этом может совершаться работа ΔA и изменяется внутренняя энергия ΔU.

Энергия теплового движения может превращаться в энергию механического движения, и наоборот. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии. Применительно к термодинамическим процессам это и есть первое начало термодинамики, установленное в результате обобщения многовековых опытных данных. Опыт показывает, что изменение внутренней энергии ΔU определяется разностью между количеством теплоты Q_1, полученной системой, и работой А:

ΔU = Q_1– A

или:

Q_1= A_1 + ΔU.

В дифференциальной форме:

dQ = dA + dU.

Первое начало термодинамики определяет вторую функцию состояния – энергию, точнее, внутреннюю энергию U, которая представляет энергию хаотического движения всех молекул, атомов, ионов и т. д., а также энергию взаимодействия этих микрочастиц. Если система не обменивается с окружающей средой энергией или веществом (изолированная система), то dU = 0, а U = const в соответствии с законом сохранения энергии. Отсюда следует, что работа А равна количеству теплоты Q, то есть периодически действующий двигатель (тепловая машина) не может совершать работу большую, чем сообщенная ему извне энергия, а это значит, что невозможно создать двигатель, который путем каких-то преобразований энергии может увеличить ее общее количество.

Круговые процессы (циклы). Обратимые и необратимые процессы

► Круговым процессом (циклом) называется такой процесс, при котором система проходит через ряд состояний и возвращается в исходное состояние. Такой цикл можно представить замкнутой кривой в осях P, V, где P – давление в системе, а V – ее объем. Замкнутая кривая состоит из участков, где объем увеличивается (расширение), и участка, где объем уменьшается (сжатие).

При этом работа, совершаемая за цикл, определяется площадью, охватываемой замкнутой кривой. Цикл, который протекает через расширение, а потом сжатие, называется прямым, он используется в тепловых машинах – периодически действующих двигателях, совершающих работу за счет полученного извне тепла. Цикл, который протекает через сжатие, а потом расширение, называется обратным и используется в холодильных машинах – периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота переносится от одного тела к другому. В результате кругового процесса система возвращается в исходное состояние:

ΔU =0, Q = A

Система может как получать теплоту, так и отдавать. Если система получает Q_1 теплоты, а отдает Q_2, то термический коэффициент полезного действия для кругового процесса

Обратимые процессы могут происходить как в прямом, так и в обратном направлении

В идеальном случае, если процесс происходит сначала в прямом, а затем в обратном направлении и система возвращается в исходное состояние, то в окружающей среде не происходит никаких изменений Обратимые процессы – это идеализация реальных процессов, при которых всегда происходит некоторая потеря энергии (на трение, теплопроводность и т д)

Понятие обратимого кругового процесса ввел в физику в 1834 г французский ученый Б Клапейрон

Идеальный цикл теплового двигателя Карно

Когда мы говорим об обратимости процессов, следует учитывать, что это некоторая идеализация. Все реальные процессы необратимы, поэтому и циклы, по которым работают тепловые машины, также необратимы, а значит и неравновесны. Однако для упрощения количественных оценок таких циклов необходимо считать их равновесными, то есть как если бы они состояли только из равновесных процессов. Этого требует хорошо разработанный аппарат классической термодинамики.

Знаменитый цикл идеального двигателя Карно считается равновесным обратным круговым процессом. В реальных условиях любой цикл не может быть идеальным, так как существуют потери. Он совершается между двумя источниками теплоты с постоянными температурами у теплоотдатчика Т_1 и теплоприемника Т_2, а также рабочим телом, в качестве которого принят идеальный газ (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Цикл теплового двигателя

Полагаем, что Т_1 > Т_2 и отвод тепла от теплоотдатчика и подвод тепла к теплоприемнику не влияют на их температуры, T_1 и T_2 остаются постоянными. Обозначим параметры газа при левом крайнем положении поршня теплового двигателя: давление – Р_1 объем – V_1, температура Т_1. Это точка 1 на графике на осях P-V. В этот момент газ (рабочее тело) взаимодействует с теплоотдатчиком, температура которого также Т_1. При движении поршня вправо давление газа в цилиндре уменьшается, а объем увеличивается. Это будет продолжаться до прихода поршня в положение, определяемые точкой 2, где параметры рабочего тела (газа) примут значения P_2, V_2, T_2. Температура в этой точке остается неизменной, так как температура газа и теплоотдатчика одинакова в процессе перехода поршня от точки 1 к точке 2 (расширение). Такой процесс, при котором Т не изменяется, называется изотермическим, а кривая 1–2 называется изотермой. В этом процессе от теплоотдатчика к рабочему телу переходит теплота Q_1.

В точке 2 цилиндр полностью изолируется от внешней среды (теплообмена нет) и при дальнейшем движении поршня вправо уменьшение давления и увеличение объема происходит по кривой 2–3, которая называется адиабатой (процесс без теплообмена с внешней средой). Когда поршень переместится в крайнее правое положение (точка 3), процесс расширения закончится и параметры будут иметь значения Р_3, V_3, а температура станет равной температуре теплоприемника Т_2. При этом положении поршня изоляция рабочего тела снижается и оно взаимодействует с теплоприемником. Если теперь увеличивать давление на поршень, то он будет перемещаться влево при неизменной температуре Т_2 (сжатие). Значит, этот процесс сжатия будет изотермическим. В этом процессе теплота Q_2 перейдет от рабочего тела к тепло-приемнику. Поршень, двигаясь влево, придет в точку 4 с параметрами P_4, V_4 и T_2, где рабочее тело вновь изолируется от внешней среды. Дальнейшее сжатие происходит по адиабате 4–1 с повышением температуры. В точке 1 сжатие заканчивается при параметрах рабочего тела P_1, V_1, T_1. Поршень возвратился в исходное состояние. В точке 1 изоляция рабочего тела от внешней среды снимается и цикл повторяется.

Таким образом, цикл Карно можно считать обратимым. Хотя при этом не учитывались различные сопутствующие потери (тепла в окружающую среду, на трение и некоторые другие условия идеализации).

Коэффициент полезного действия идеального двигателя Карно:

Анализ выражения для КПД цикла Карно позволяет сделать следующие выводы:

1) КПД тем больше, чем больше Т_1 и чем меньше Т_2;

2) КПД всегда меньше единицы;

3) КПД равен нулю при Т_1 = Т_2.

Цикл Карно дает наилучшие использования теплоты, но, как указывалось выше, он является идеализированным и в реальных условиях неосуществим. Однако значение его велико. Он позволяет определить наивысшее значение КПД теплового двигателя.

Второе начало термодинамики. Энтропия

Второе начало термодинамики связано с именами Н. Карно, В. Томсона (Кельвина), Р. Клаузиуса, Л. Больцмана, В. Нернста.

Второе начало термодинамики вводит в рассмотрение новую функцию состояния – энтропию. Термин «энтропия», предложенный Р. Клаузиусом, образован от греч. entropia и означает «превращение».

Уместно будет привести понятие «энтропия» в формулировке А. Зоммерфельда: «Каждая термодинамическая система обладает функцией состояния, называемой энтропией. Энтропия вычисляется следующим образом. Система переводится из произвольно выбранного начального состояния в соответствующее конечное состояние через последовательность состояний равновесия; вычисляются все проводимые при этом к системе порции тепла dQ, делятся каждая на соответствующую ей абсолютную температуру Т, и все полученные таким образом значения суммируются (первая часть второго начала термодинамики). При реальных (неидеальных) процессах энтропия изолированной системы возрастает (вторая часть второго начала термодинамики)».

Учета и сохранения количества энергии еще недостаточно для того, чтобы судить о возможности того или иного процесса. Энергию следует характеризовать не только количеством, но и качеством. При этом существенно, что энергия определенного качества самопроизвольно может превращаться только в энергию более низкого качества. Величиной, определяющей качество энергии, и является энтропия.

Процессы в живой и неживой материи в целом протекают так, что энтропия в замкнутых изолированных системах возрастает, а качество энергии понижается. В этом и есть смысл второго начала термодинамики.

Если обозначить энтропию через S,то

что и соответствует первой части второго начала по Зоммерфельду.

Можно подставить выражение для энтропии в уравнение первого начала термодинамики:

dU = T × dS – dU.

Эта формула известна в литературе как соотношение Гиббса. Это фундаментальное уравнение объединяет первое и второе начала термодинамики и определяет, по существу, всю равновесную термодинамику.

Второе начало устанавливает определенное направление течения процессов в природе, то есть «стрелу времени».

Наиболее глубоко смысл энтропии вскрывается при статической оценке энтропии. В соответствии с принципом Больцмана энтропия связана с вероятностью состояния системы известным соотношением

S = K × LnW,

где W – термодинамическая вероятность, а К – постоянная Больцмана.

Под термодинамической вероятностью, или статическим весом, понимается число различных распределений частиц по координатам и скоростям, соответствующих данному термодинамическому состоянию. При любом процессе, который протекает в изолированной системе и переводит ее из состояния 1 в состояние 2, изменение ΔW термодинамической вероятности положительно или равно нулю:

ΔW = W_2– W_1≥ 0

В случае обратимого процесса ΔW = 0, то есть термодинамическая вероятность, постоянна. Если происходит необратимый процесс, то ΔW > 0 и W возрастает. Это означает, что необратимый процесс переводит систему из менее вероятного состояния в более вероятное. Второе начало термодинамики является статистическим законом, оно описывает закономерности хаотического движения большого числа частиц, составляющих замкнутую систему, то есть энтропия характеризует меру беспорядочности, хаотичности частиц в системе.

Р. Клаузиус определил второе начало термодинамики так:

► невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому (1850).

В связи с этой формулировкой в середине XIX в. была определена проблема так называемой тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему, Р. Клаузиус, опираясь на второе начало термодинамики, утверждал, что рано или поздно энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Переход теплоты от более нагретых тел к менее нагретым приведет к тому, что температура всех тел Вселенной будет одинаковой, наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной.

Ошибочность вывода о тепловой смерти Вселенной заключается в том, что нельзя применять второе начало термодинамики к системе, которая является не замкнутой, а бесконечно развивающей системой. Вселенная расширяется, галактики разбегаются со скоростями, которые нарастают. Вселенная нестационарна.

В основу формулировок второго начала термодинамики положены постулаты, являющиеся результатом многовекового человеческого опыта. Кроме указанного постулата Клаузиуса наибольшую известность получил постулат Томсона (Кельвина), который говорит о невозможности построения вечного теплового двигателя второго рода (perpetuum mobile), то есть двигателя, полностью превращающего теплоту в работу. Согласно этому постулату, из всей теплоты, полученной от источника тепла с высокой температурой – теплоотдатчика, только часть может быть превращена в работу. Остальная часть должна быть отведена в теплоприемник с относительно низкой температурой, то есть для работы теплового двигателя необходимы по крайней мере два тепловых источника различной температуры.

Этим и объясняется причина, по которой нельзя перевести в работу теплоту окружающей нас атмосферы или теплоту морей и океанов при отсутствии таких же масштабных источников теплоты с более низкой температурой.

Третье начало термодинамики, или тепловая теория Нернста

Среди функций состояния, кроме температуры Т, внутренней энергии U и энтропии S, имеются и такие, которые содержат произведение T ·S. Например, при изучении химических реакций важную роль играют такие функции состояния, как свободная энергия F = U – T · S или потенциал Гиббса Ф = U+ pV– TS. В эти функции состояния входит произведение T ·S. Однако величина S определяется лишь с точностью до произвольной постоянной S_0, так как энтропия определяется через ее дифференциал dS. Следовательно, без конкретизации S_0 применение функций состояния становится неопределенным. Возникает вопрос об абсолютном значении энтропии.

Тепловая теория Нернста отвечает на этот вопрос. В формулировке Планка она сводится к утверждению: энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения температуры к нулю Кельвина:

limS =0.

Так как энтропия определяется с точностью до аддитивной постоянной S_0, то эту постоянную удобно взять равной нулю.

Тепловая теорема была сформулирована Нерстом в начале XX в. (Нобелевская премия по физике в 1920 г.). Она не вытекает из первых двух начал, поэтому в силу своей общности с полным правом может рассматриваться как новый закон природы – третье начало термодинамики.

Неравновесная термодинамика

Неравновесные системы характеризуются не только термодинамическими параметрами, но и скоростью их изменения во времени и в пространстве, которая определяет потоки (процессы переноса) и термодинамические силы (градиент температуры, градиент концентрации и др.).

Появление потоков в системе нарушает статистическое равновесие. В любой физической системе всегда происходят процессы, старающиеся вернуть систему в состояние равновесия. Происходит как бы противоборство между процессами переноса, нарушающими равновесие, и внутренними процессами, старающимися его восстановить.

Процессы в неравновесных системах обладают следующими тремя свойствами:

1. Процессы, приводящие систему к термодинамическому равновесию (восстановление), происходят тогда, когда нет особых факторов, сохраняющих неравновесное состояние внутри самой системы. Если исходное состояние сильно неравновесно, а на фоне общего стремления системы к равновесию рождаются представляющие большой интерес подсистемы, в которых энтропия локально уменьшается, то возникают локальные подсистемы, где упорядоченность повышается. При этом общее возрастание для всей системы во много раз больше. В изолированной системе локальное уменьшение энтропии, конечно, является временным. В открытой же системе, через которую длительное время протекают мощные потоки, снижающие энтропию, могут возникнуть какие-то упорядоченные подсистемы. Они могут существовать, изменяясь и развиваясь, очень долго (пока не прекратятся питающие их потоки).

2. Рождение локальных состояний с низкой энтропией приводит к ускорению общего роста энтропии всей системы. Благодаря упорядоченным подсистемам вся система в целом движется быстрее ко все более неупорядоченным состояниям, к термодинамическому равновесию.

Наличие упорядоченной подсистемы может в миллионы и более раз ускорить выход всей системы из «благополучного» метастабильного состояния. В природе ничего «даром» не дается.

3. Упорядоченные состояния представляют собой диссипативные структуры, которые требуют для своего становления большого притока энергии. Такие системы реагируют на малые изменения внешних условий более чутко и более разнообразно, чем термодинамическое равновесное состояние. Они могут легко разрушаться или же превращаться в новые упорядоченные структуры.

Возникновение диссипативных структур носит пороговый характер. Неравновесная термодинамика связала пороговый характер с неустойчивостью. Новая структура всегда является результатом неустойчивости и возникает из флуктуации.

Выдающейся заслугой неравновесной термодинамики является установление того, что самоорганизация присуща не только «живым системам». Способность к самоорганизации является общим свойством всех открытых систем, у которых возможен обмен энергией с окружающей средой. При этом именно неравновесность служит источником упорядоченности.

Этот вывод является основным тезисом для круга идей группы И. Пригожина.

Совместимость второго начала термодинамики со способностью систем к самоорганизации – одно из крупнейших достижений современной неравновесной термодинамики.

Энтропия и вещество. Изменение энтропии в химических реакциях

При повышении температуры растет скорость различных видов движения частиц. Отсюда число микросостояний частиц, а соответственно и термодинамическая вероятность W, и энтропия вещества растут. При переходе вещества из твердого состояния в жидкое увеличивается неупорядоченность частиц и соответственно энтропия (ΔSплавл). Особенно резко растет неупорядоченность и соответственно энтропия при переходе вещества из жидкого состояния в газообразное (ASкипен). Энтропия увеличивается при превращении кристаллического вещества в аморфное. Чем выше твердость вещества, тем меньше его энтропия. Увеличение атомов в молекуле и усложнение молекул ведет к увеличению энтропии. Энтропия измеряется в Кал/моль·К (энтропийная единица) и в Дж/моль·К При расчетах применяют значения энтропии в так называемом стандартном состоянии, то есть при 298,15 К (25 °C). Тогда энтропию обозначают S^0_298. Например, энтропия кислорода 0_3 – S^0_298 = 238,8 ед. э., а 0_2 – S^0_298 = 205 ед. э.

Абсолютные значения энтропии многих веществ являются табличными и приведены в справочниках. Например:

Н_20(ж) = 70,8; Н_20(г) = 188,7; СО(г) = 197,54;

СН_4(r) = 186,19; Н_2(г) = 130,58; НС1(г) = 186,69; НСl(р) = 56,5;

СН_30Н(ж) = 126,8; Са(к) = 41,4; Са(ОН)2(к) = 83,4; С(алмаз) = 2,38;

С(графит) = 5,74 и т. д.

Примечание: ж – жидкость, г – газ, к – кристаллы; р – раствор.

Изменение энтропии системы в результате химической реакции (ΔS) равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом энтропий исходных веществ. Например:

СН_4 +Н_20(г) = С0 + 3Н_2– здесь ΔS^0_298 = S^0co.298 + 3S^0H2.298 – S^0H4.298 – S^0H2.298 =

197,54 = 3 · 130,58 – 188,19 – 188,7 = 214,39 Дж/моль · К.

В результате реакции энтропия возросла (AS > 0), возросло число молей газообразных веществ.

Информационная энтропия. Энтропия в биологии

Информационная энтропия служит мерой неопределенности сообщений. Сообщения описываются множеством величин x_1, x_2 xn, которые могут быть, например, словами: p_1, p_2…, pn. Информационную энтропию обозначают Sn или Hu. Для определенного дискретного статистического распределения вероятностей Pi используют следующее выражение:

при условии:

Значение Sn = 0, если какая-либо вероятность Pi = 1, а остальные вероятности появления других величин равны нулю. В этом случае информация достоверна, то есть неопределенность в информации отсутствует. Информационная энтропия принимает наибольшее значение, когда Pi равны между собой и неопределенность в информации максимальна.

Общая энтропия нескольких сообщений равна сумме энтропий отдельных сообщений (свойство аддитивности).

Американский математик Клод Шеннон, один из создателей математической теории информации, использовал понятие энтропии для определения критической скорости передачи информации и при создании «помехоустойчивых кодов». Такой подход (использование из статистической термодинамики вероятностной функции энтропии) оказался плодотворными в других направлениях естествознания.

Понятие энтропии, как показал впервые Э. Шредингер (1944 г.), а затем Л. Бриллюэн и др., существенно и для понимания многих явлений жизни и даже деятельности человека.

Теперь ясно, что с помощью вероятностной функции энтропии можно анализировать все стадии перехода системы от состояния полного хаоса, которому соответствуют равные значения вероятностей и максимальное значение энтропии, к состоянию предельно возможной упорядоченности, которому соответствует единственно возможное состояние элементов системы.

Живой организм с точки зрения протекающих в нем физико-химических процессов можно рассматривать как сложную открытую систему, находящуюся в неравновесном, нестационарном состоянии. Для живых организмов характерна сбалансированность процессов обмена, ведущих к уменьшению энтропии. Конечно, с помощью энтропии нельзя охарактеризовать жизнедеятельность в целом, так как жизнь не сводится к простой совокупности физико-химических процессов. Ей свойственны другие сложные процессы саморегуляции.

Вопросы для самопроверки

1. Сформулируйте законы движения Ньютона.

2. Перечислите основные законы сохранения.

3. Назовите общие условия справедливости законов сохранения.

4. Объясните существо принципа симметрии и связь этого принципа с законами сохранения.

5. Сформулируйте принцип дополнительности и принцип неопределенности Гейзенберга.

6. В чем состоит «крушение» лапласовского детерминизма?

7. Как формулируются постулаты Эйнштейна в СТО?

8. Назовите и объясните релятивистские эффекты.

9. В чем состоит суть ОТО?

10. Почему невозможен вечный двигатель первого рода?

11. Объясните понятие кругового процесса в термодинамике и идеальный цикл Карно.

12. Объясните понятие энтропии как функцию состояния системы.

13. Сформулируйте второе начало термодинамики.

14. Объясните суть понятия «неравновесная термодинамика».

15. Как качественно определяется изменение энтропии при химических реакциях?

Глава 4

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ЗНАНИЯ О ВЕЩЕСТВЕ

4.1. Химия как наука. Краткая историческая справка. Проблемы и перспективы современной химии

Согласно общепринятому определению,

► химия – это наука о веществах и их превращениях, или, как вариант, наука о химических элементах и их соединениях.

В этих определениях подразумевается структурный уровень изучения вещества и, так сказать, «разделение полномочий» между физикой и химией. Физика изучает строение атома и мир элементарных частиц (атомный и нуклонный уровень микромира), с одной стороны, и проявление физических свойств веществ, пребывающих в разных агрегатных состояниях, – с другой (классические механика и электродинамика, теплофизика как изучение явлений макромира). Химия же рассматривает процессы «сборки» молекул из атомов, традиционно называемые «химическими реакциями», а также проявление химических свойств веществ, то есть способность веществ вступать в химические реакции определенного вида. Таким образом, структурный уровень вещества, изучаемый в химии, оказывается помещенным между двумя «физическими» уровнями структуры вещества, а «химические» явления происходят на границе микромира и макромира.

Химия – полноправный представитель семейства точных естественных наук, то есть химическое научное знание сформировано из теорий, законов и закономерностей, формулировки которых исключают множественное толкование и которые многократно подтверждены и проверены на практике. И, как для любой естественной науки, для химии имеют большое значение проверяемость, достоверность и воспроизводимость результатов, доказательность знания, соответствие научных теорий и наблюдаемых фактов.

Химия – рациональная наука, даже гипотезы в химии имеют чисто рациональный характер. Современная химия счастливо избежала того «налета» иррациональности, который присутствует в физике, биологии, астрономии, особенно когда обсуждаются вопросы происхождения Вселенной, вещества и жизни. Традиционно также слаба связь химии и философии (в течение последних 250–300 лет после исключения алхимических представлений из химии). И в дискуссиях между ортодоксальными «материалистами» и «идеалистами» химики всегда остаются в стороне, а оппоненты прибегают к разным аспектам химического знания для доказательства своих, порой противоположных по сущности, доводов.

И хотя современная химия имеет очень мало общего с алхимией средних веков, а алхимические тексты интересны для нас, ученых XXI столетия, с литературно-исторической, но никак не научной точки зрения, забавно, что свое название «химия» получила именно от алхимии. Название же «алхимия» исходит, предположительно, от слова «Кеми»; страна Кеми (или Кемь) – одно из старинных названий современного Египта, откуда, согласно средневековым легендам, были родом первые алхимики.

Химия развивалась и развивается традиционно в двух направлениях – как фундаментальная наука (создание и изучение теоретических основ химического знания) и как наука прикладная (решение практических задач применения различных химических соединений). И если в XVIII–XIX вв. второе направление развивалось более интенсивно, обслуживая промышленную революцию, а теоретическое направление вынуждено было «догонять» в попытке объяснить и систематизировать быстро растущий объем химических знаний, то все изменилось на рубеже XIX–XX вв. и особенно в начале XX в. Великие открытия в физике микромира, приведшие к смене парадигмы естествознания, предопределили развитие теоретической неорганической и органической химии в свете квантовых представлений. Таким образом был усовершенствован механизм объяснения химического строения и структуры вещества, и в дальнейшем оба направления химической науки развивались уже в тесном взаимодействии, решая основную проблему современной химии – получение (синтез) вещества с заданными свойствами. Важным этапом решения этой задачи является решение проблемы управления свойствами вещества. Химия как наука не только о химическом составе и структуре вещества, но и о химических процессах, развивается в рамках парадигмы современного естествознания – квантово-релятивистской механики. В частности, существует фундаментальная химическая наука – квантово-органическая химия, которая изучает механизмы органических реакций с позиции квантовых представлений.

Однако наряду с квантовой химией сосуществует и классическая химия, например химия анализа состава вещества и химия промышленного синтеза известных продуктов, где для выполнения рутинных процедур не обязательно прибегать к квантовым представлениям.

4.2. Химический элемент. Строение атома. Периодический закон

Объект изучения химической науки, лежащий в основе всех теоретических представлений о составе и структуре вещества, некое простое начало, из которого собираются сложные системы, так сказать, элемент, – это атом в его современном определении.

► Атом – электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц. Составные части атома – ядро и электроны.

Электрон – истинная элементарная частица, заряженная отрицательно. Ядро состоит из частиц двух типов: положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Оба типа частиц имеют общее название «нуклоны» и относятся к классу адронов и, как и другие андроны, в свою очередь сами состоят из элементарных частиц – кварков; поэтому протон и нейтрон в строгом смысле элементарными частицами не являются. Протоны и нейтроны характеризуются одинаковой массой, равной 1,67 · 10-24 г, называемой «атомной единицей массы» (сокращенно – а. е. м.); электрон же намного легче нуклонов, его масса равна 0,00055 а. е. м. Из этих данных понятно, что наибольший вклад в массу атома вносят именно нуклоны. Достаточно большое разнообразие элементов (и их изотопов) обеспечивается наличием частиц всего трех типов, которые принимают участие в создании атомов.

► Химический элемент – это определенный вид атомов, характеризующийся одинаковым зарядом ядра.

Установлено, что численно заряд электрона (-1,6 · 10-19 Кл) и протона (1,6 · 10-19 Кл) равны и имеют название «условный единичный заряд»; для соблюдения правила электронейтральности атомов необходимо, чтобы сумма условных единичных зарядов была равна нулю, то есть чтобы количества протонов и электронов в атоме были одинаковы. А вот количество нейтронов в ядре атома, которое не влияет на суммарный заряд атома, может варьировать. Атомы одного и того же элемента, имеющие в ядре разное количество нейтронов и, соответственно, разную массу, называются изотопами.

Каждый элемент имеет свое название и краткое стандартное обозначение из одной или двух букв латинского алфавита (например, С – от лат. carbon – для углерода, Н – от лат. hydrogen – для водорода, Fe – отлат. ferrum – для железа). Из этих знаков складывается своеобразный язык химии – химические формулы, которые зашифровывают строение вещества; химические реакции тоже пишутся с использованием химических формул. Специальные международные конгрессы ИЮПАК (International Union of Pure and Applied Chemistry) неоднократно собирались в течение всего XX в. для того, чтобы привести к единому международному стандарту химические формулы и термины. Поэтому химикам разных стран не обязательно изучать иностранные языки, они хорошо понимают друг друга с помощью интернационального языка химиков.

В настоящее время известно 110 элементов. Некоторые элементы известны с древних времен (не в чистом виде, с возможными примесями, – например, железо, а также любимые алхимиками ртуть, сера), еще до того, как в XVII в. известный английский ученый Роберт Бойль дал первое научное определение понятия «химический элемент». Согласно его определению,

► Элемент – это простое тело, предел химического разложения вещества, переходящее без изменения из состава одного сложного тела в состав другого.

Примерно за 200 последующих лет, к моменту открытия Д. И. Менделеевым его знаменитой Периодической системы элементов, ученые владели знаниями о 63 элементах. Сравнительный анализ показывал, что многие элементы обладают похожими физическими и химическими свойствами и их можно объединять в группы, создавая тем самым классификацию химических элементов. Необходимость в подобной классификации как в удобном и эффективном методе познания свойств вещества, а главное, предсказания свойств известных к тому времени и еще не открытых элементов, стала настоятельной к середине XIX в.

Открытие в 1869 г. великим русским ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым Периодического закона и разработка Периодической системы химических элементов, в которой сумма знаний об элементах была приведена в стройный порядок, полностью решили эту задачу.

Менделеев считал, что основой классификации химических элементов являются их атомные веса. Периодический закон в его интерпретации был сформулирован следующим образом: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». Менделеев не только классифицировал в своей системе известные к тому времени элементы, но и предсказал открытие новых элементов, для которых он зарезервировал определенные места в своей Периодической таблице, причем не только предсказал открытие, но и описал физические и химические свойства этих элементов. Все предсказанные Менделеевым элементы были впоследствии открыты разными учеными разных стран в XIX и ХХ вв. Среди них полоний и радий, открытые Пьером и Марией Кюри, радон, открытый Эрнстом Резерфордом, и др. Все пустые места в таблице Менделеева были заполнены, и сейчас таблица наращивается, продолжая заполняться новыми трансурановыми элементами, которые образуются в результате ядерного синтеза в искусственных условиях циклотронов, то есть ускорителей элементарных частиц.

Периодический закон и система Менделеева представляли собой гениальное эмпирическое обобщение фактов, а их физический смысл долгое время оставался непонятным. Происходило это потому, что ученые того времени не имели представления о сложной структуре атома. Открытие протона, нейтрона, электрона и других элементарных частиц, открытие деления ядра атома, разработка квантовой модели атома Бора-Резерфорда и квантовой физики в целом – все это научные реалии ХХ в.

На базе современных фундаментальных физических представлений периодический закон был сформулирован несколько иначе: «Свойства простых веществ, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома».

В заключение следует сказать об изотопах элементов. Как правило, изотопы различных элементов не имеют собственных названий, а повторяют название элемента; при этом атомная масса данного изотопа – его единственное отличие от других изотопов этого же элемента – отражается с помощью верхнего индекса в химической формуле элемента: например, для изотопов урана – 235Ии 238U. Единственным исключением из правил номенклатуры изотопов является элемент № 1 – водород. Все три известных на настоящий момент изотопа водорода имеют не только собственные специальные химические символы, но и собственное название: 1Н – протий, 2D – дейтерий, 3Т – тритий; при этом ядро протия – это просто один протон, ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон, ядро трития – один протон и два нейтрона. С названиями изотопов водорода так исторически сложилось потому, что относительное различие масс изотопов водорода, вызванное добавлением одного нейтрона, является максимальным среди всех химических элементов.

Все изотопы можно подразделить на стабильные (устойчивые), то есть не подверженные самопроизвольному распаду ядер атомов на части (распад в таком случае называется радиоактивным), и нестабильные (неустойчивые) – радиоактивные, то есть подверженные радиоактивному распаду. Большинство широко распространенных в природе элементов состоит из смеси двух или большего числа стабильных изотопов: например, 16О, 12С. Из всех элементов наибольшее число стабильных изотопов имеет олово (10 изотопов), а, например, алюминий существует в природе в виде только одного стабильного изотопа – остальные его известные изотопы неустойчивы. Ядра нестабильных изотопов самопроизвольно распадаются, выделяя при этом α-частицы (дважды ионизованные атомы гелия, то есть два протона и два нейтрона) и β-частицы (электроны) до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп другого элемента: например, распад 238U (радиоактивного урана) завершается образованием 206Pb (стабильного изотопа свинца). При изучении изотопов установлено, что они не различаются по химическим свойствам, которые, как нам известно, определяются зарядом их ядер и не зависят от массы ядер.

4.3. Химическое соединение, химическая связь

Многообразие объектов, изучаемых в рамках химии, вовсе не исчерпывается только элементами и изотопами. Химические элементы объединяются в более сложные системы, называемые химическими соединениями. На уровне микромира это описывается как образование из атомов более сложных (составных) частиц – молекул.

► Молекула – это электронейтральная наименьшая совокупность атомов, образующих определенную структуру посредством так называемых химических связей.

Химическая связь представляет собой одно из фундаментальных физических взаимодействий – электромагнитное. Возможность вступить в химическую связь атомы получают за счет потери своей электронейтральности в результате отрыва одного или нескольких электронов (положительный заряд) или присоединения одного или нескольких электронов (отрицательный заряд). Далее противоположно заряженные частицы – ионы – притягиваются к другу, нейтрализуя свои заряды и образуя в итоге молекулу химического соединения, обладающую свойством электро-нейтральности. В данном примере рассмотрена так называемая ионная химическая связь, характеризующаяся наивысшей энергией связи, возможной среди всех ее типов. Другие известные типы химической связи – ковалентная, донорно-акцепторная и др. – также связаны с электромагнитными взаимодействиями; только в этих случаях происходит не отрыв электронов от атома, а их некоторое смещение от нейтрального положения, в результате чего также образуется некий заряд.

► Процесс образования молекул из атомов называется химической реакцией.

Периодическая система элементов определяет для каждого элемента:

♦ тип и заряд заряженной частицы (иона);

♦ типы химических соединений, в которые могут вступать атомы данного элемента, то есть, по сути, химические формулы молекул;

♦ типы химических связей, которые могут реализоваться в таких молекулах;

♦ типы химических реакций, в которые может вступать данный элемент.

Молекулы могут содержать атомы только одного элемента, в этом случае такие вещества называются простыми. Многочисленные примеры – существование чистых металлов (особенно химически инертных драгоценных металлов – золота, платины), инертных газов – неона, радона и др. У некоторых простых веществ молекулы состоят из двух и более одинаковых атомов – это так называемые двухатомные газы, например кислородО_2, галогены – газы фтор F_2 и хлор Cl_2, жидкость бром Br_2, твердое вещество йод J_2. Молекула известного газа озона содержит три атома кислорода по формуле О_3, а молекула белого фосфора – четыре атома фосфора Р_4.

Вещества, молекулы которых состоят из атомов разных элементов, называются сложными веществами, или химическими соединениями, например: соединения разных элементов с кислородом называются оксидами, с фтором – фторидами, с хлором – хлоридами. Все химические соединения объединены в классы, и названия соединений разных классов определяется согласно международным стандартам номенклатуры химических соединений ИЮПАК.

Традиционно химические соединения подразделяют на неорганические – соединения всех элементов Периодической системы, и органические – соединения углерода и некоторых других элементов, в которых атомы углерода соединены между собой в цепи (соответственно оформились фундаментальные направления химической науки – неорганическая и органическая химия). Всего химических соединений на настоящий момент известно несколько миллионов, и их количество постоянно растет за счет синтеза новых органических соединений.

В настоящее время известно 110 элементов, а число образуемых ими простых веществ – около 400. Такое различие объясняется способностью некоторых элементов существовать в виде различных простых веществ, отличающихся как по химическим, так и по физическим свойствам. Это явление получило название аллотропии, а сами различные вещества – аллотропными модификациями. Свойством образовывать аллотропные модификации обладают как простые вещества, например рассмотренные выше соединения двухатомный кислород и трехатомный озон (не менее известный пример – аллотропия углерода С: уголь, алмаз, графит, шунгит – химическая формула всех перечисленных соединений одна и та же), так и сложные соединения, например многочисленные аллотропные формы оксида кремния (речной песок, минерал кварц и др.) и оксида алюминия (глинозем и корунд).

4.4. Химическая реакция, ее скорость, кинетика и катализ, биокатализаторы

Для установления состава химических соединений очень важен закон постоянства их состава. Положения этого закона позволили химикам отделять настоящие химические соединения от простых смесей. Впервые в истории химии этот закон был сформулирован французским химиком Ж. Прустом в начале XIX в.:

► Любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным неизменным составом, прочным притяжением составных частей и тем самым отличается от смесей.

Теоретически закон постоянства состава обосновал английский естествоиспытатель Д. Дальтон в своем знаменитом законе кратных отношений: «соединения состоят из атомов двух или нескольких соединений, образующих определенные сочетания друг с другом». В его честь все химические соединения постоянного состава (а их подавляющее большинство среди веществ) называют дальтонидами.

Закон постоянства состава вещества использовал и Д. И. Менделеев при разработке своей периодической системы – постоянство состава соединений, которые может образовывать данный элемент, следует из его положения в периодической таблице Менделеева. Представление о составе вещества – одно из концептуальных понятий для химии как естественной науки. Постоянство состава химических соединений обусловлено физической природой химических связей, объединяющих атомы в одну квантово-механическую систему – молекулу.

Необходимость выработки строгих научных принципов относительно состава вещества позволила химикам успешно развить строгое научное понятие химической реакции как процесса образования новых химических соединений. В химической реакции участвуют исходные вещества, которые реагируют друг с другом и с течением времени превращаются в новые вещества, называемые продуктами реакции. Из закона постоянства состава вещества следует постоянство не только состава молекул продуктов реакции, но и постоянство количественных соотношений (массовых долей) исходных веществ.

► Стехиометрия – раздел химии, в котором рассматриваются массовые или объемные отношения между реагирующими веществами. Законы стехиометрии так же непреложны, как и любые другие естественнонаучные законы; кроме того, их знание очень полезно для прикладной химии, потому что позволяет количественно рассчитать выход химической реакции и необходимое количество исходных веществ.

Процесс получения новых химических соединений с учетом сте-хиометрических соотношений обычно записывается в виде уравнения химической реакции, например:

6HCL + 2HNO_3 = 3CL_2 + 2NO + 4H_2O,

где

♦ химические формулы слева от знака равенства обозначают исходные вещества;

♦ химические формулы справа от знака равенства обозначают продукты реакции;

♦ цифры перед формулами химических соединений являются так называемыми стехиометрическими коэффициентами; они раскрывают массовые (или объемные) соотношения веществ.

В уравнении химической реакции нашел свое отражение еще один фундаментальный закон естествознания – закон сохранения вещества, открытый нашим соотечественником М. В. Ломоносовым и независимо от него – французом А. Л. Лавуазье. Именно в соответствии с этим законом и получается математическое выражение – уравнение: масса данного элемента слева от знака равенства должна быть равна массе этого же элемента справа от знака равенства, а стехиометрические коэффициенты уравнивают (не только математический, но и химический термин!) данную реакцию.

Проникновение математических понятий, выражений, терминов (уравнения, коэффициенты) в химию, смешение терминологий означает, что на важном историческом этапе формирования химии как науки (XVIII–XIX вв.) она развивалась в соответствии с научной парадигмой того времени – классической механикой. Применительно к химии эта парадигма могла бы быть выражена следующим образом: любой закон природы можно представить в виде математического соотношения, записываемого с участием химических формул.

Еще один интересный случай проникновения классического ньютоновского подхода в химию – понятие о скорости химической реакции. Пытаясь получить новые химические соединения, ученые-химики разных эпох неоднократно отмечали тот факт, что некоторые вещества реагируют друг с другом мгновенно, часто со взрывом, а другие – медленно, в течение нескольких часов (суток). Скорости многих химических процессов были установлены эмпирическим путем. И для вычисления скорости химических реакций было использовано ньютоновское представление о времени как о не зависящей от свойств вещества и пространства простой длительности. Процесс химической реакции можно рассматривать как процесс изменения концентраций начальных и конечных продуктов реакции, и, согласно классической механике, для любого процесса изменения (движения) во времени всегда можно рассчитать скорость этого изменения.

Современные квантовые представления о химических процессах рассматривают химическую реакцию как перераспределение электронов между статистически вероятными энергетическими уровнями участвующих молекул, создание межмолекулярных промежуточных реакционных комплексов и получение новых продуктов как энергетически выгодных состояний молекул. В рамках этих представлений классическая скорость реакций не имеет смысла, так как каждое новое энергетическое состояние рассматривается в рамках пространственно-временного континуума и перебор энергетических состояний продолжается до достижения наиболее энергетически выгодного. Тем не менее классические представления о химических процессах активно используются в современной химии, особенно в прикладных областях химии и в химических науках, лежащих «на стыке» с биологией, – биохимии, молекулярной биологии и др.

Закономерным этапом применения знаний об условиях протекания химических процессов стало развитие науки о том, как можно оказывать на них влияние и ими управлять. Такая наука получила название химической кинетики, в котором также нашла отражение классическая парадигма, ведь кинетика – это наука о движении. Но в классической кинетике скорость – векторная величина, то есть имеет направление. Точно так же и в химической кинетике имеет значение направление химической реакции – различают реакцию прямую, то есть такую, в результате которой из исходных веществ получаются продукты реакции, и реакцию обратную, при которой происходит разложение продуктов с получением исходных веществ. Так в химическую кинетику было введено понятие о химическом равновесии – состоянии, когда скорости прямой и обратной реакции равны между собой.

В рамках химической кинетики было сделано немало полезных открытий, которые показывают, как можно увеличивать скорость химических процессов за счет подбора условий – повышения температуры реакции, давления (если реакция протекает в газовой фазе), как можно сдвинуть химическое равновесие в сторону получения полезных продуктов реакции, не содержащих остатков непрореагировавших исходных продуктов, и т. д.

Эпохальным стало открытие веществ, которые при добавлении к реакционной смеси способны увеличить скорость реакции, при этом оставаясь неизменными (не меняя своего состава). Эти вещества получили название катализаторов, то есть ускорителей, а их применение – катализ. Сейчас сложно даже перечислить все химические промышленные процессы, где применяются катализаторы, – столь велико их число, особенно в органической химии. Известные примеры промышленного катализа – каталитический крекинг нефтепродуктов с получением углеводородов, применяемых в качества топлива (бензины, дизельное топлива и т. д.), получение твердого заменителя сливочного масла – маргарина – из жидких растительных масел и т. д.

Интересно, что наряду с огромным количеством реализованных учеными ускоряемых искусственными катализаторами химических процессов существуют природные катализаторы и природные каталитические процессы. Пример природного катализа – процесс коррозии металлического железа, «ржавение», то есть его окисление в природе с образованием оксидов – ржавчины, происходит под действием катализатора воды. В связи с этим интересен факт применения веществ, замедляющих некоторые нежелательные химические процессы, например тот же процесс коррозии металлического железа. Эти вещества называются ингибиторы, то есть замедлители. Легирующие добавки к сталям для защиты их от коррозии (получение нержавеющих сталей) – вот пример применения ингибиторов в промышленности. Как и катализаторы, ингибиторы бывают природного происхождения, например ингибиторы гниения – натуральные консерванты, которые продуцируются некоторыми растениями.

Катализаторы и ингибиторы играют большую роль в биологических процессах. Известные всем ферменты – биокатализаторы, то есть вещества, которые ускоряют биохимические процессы внутри организмов живых существ, причем живые существа самостоятельно синтезируют эти ферменты в различных органах и тканях. Ферменты управляют всеми процессами метаболизма у всех растений и животных, причем чем выше уровень организма, тем большее количество ферментов используется в нем. На настоящий момент неизвестно даже приблизительно общее количество ферментов человеческого организма, оценочное число – несколько тысяч.

Интересны факты использования жизненно важных ферментов, которые не может синтезировать человеческий организм, и поэтому исходные вещества для внутреннего синтеза ферментов – так называемые коферменты – он, как гетеротрофный организм, получает извне от растений и животных. Это всем известные витамины, «вещества жизни», необходимые человеку на протяжении всего его жизненного цикла. Внутри человеческого организма они трансформируются в ферменты. Согласно представлениям современной эволюционной химии, роль природных катализаторов очень важна в процессах эволюции неживой и живой материи.

4.5. Взаимосвязь химического строения и структуры неорганических и органических соединений

Изомерия и ее виды

Для описания химического соединения часто бывает важным знание не только его состава, то есть записи его химической формулы, но и так называемой структуры. Говоря о структуре вещества, химики всегда имеют в виду его молекулярное строение. Под термином «структура» подразумевается расположение в пространстве атомов при образовании молекулы вещества. Для понимания этого концептуального для химии понятия важно рассмотреть молекулы с квантовых позиций.

Согласно современным представлениям, структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Суть дела в том, что электроны, реализуя статистический набор состояний вблизи собственного атомного ядра при образовании химической связи, вступают во взаимодействие с электронами и ядрами других атомов и некоторые до этого статистически доступные «места» в пространстве занять не могут. Особенности фундаментального электромагнитного взаимодействия нескольких заряженных объектов микромира приводят к тому, что атомы в молекулах оказываются «локализованы» в строго определенных «местах», положение в пространстве которых можно рассчитать с помощью математического аппарата квантовой химии.

В современной химии разработана система наглядного изображения пространственных структур молекул, которая очень полезна как в процессе познания природы химических соединений, особенно в органической химии, так и для решения практических задач химического синтеза этих соединений. Начало изучению структуры органических соединений было положено в теории строения органических соединений, разработанной великим русским химиком А. М. Бутлеровым (1860 г.). Изучением пространственных структур химических соединений занимается современная наука стереохимия, являющаяся подразделом органической химии.

С понятием «пространственная структура органических соединений» неразрывно связано одно из интереснейших явлений природы нашей планеты, аналогичное явлениям радиоактивной изотопии элементов и аллотропии простых и сложных неорганических веществ. Как и в упомянутых случаях, одной химической формуле органического соединения, то есть одному составу вещества, соответствуют разные соединения с разными физическими или химическими свойствами, и основное различие между ними заключено в разной пространственной структуре молекул этих соединений. Это явление называется изомерией органических соединений. Изомеры органических соединений, несмотря на то что имеют одинаковые химические формулы, называются по-разному, и их названия также соответствуют строгой номенклатуре химических соединений. В стереохимии рассматривается изомерия разных видов – изомерия предельных углеводородов, цистранс-изомерия непредельных углеводородов, таутомерия кислородсодержащих органических соединений (кетонов и альдегидов), оптическая изомерия и диастереомерия сложных органических соединений.

А что же неорганические соединения? Есть ли в этом классе химических соединений проблемы, связанные с пространственной структурой молекул? Да, есть. Неорганические соединения (не все) в твердом состоянии способны образовывать надмолекулярные комплексы повторяющегося состава и сложной объемной пространственной структуры. Они называются кристаллами. А структура кристаллов, характеризующаяся высокой степенью упорядоченности, называется кристаллической структурой, или кристаллической решеткой.

4.6. Эволюционная химия – отбор химических элементов во Вселенной

В XX в. в свете общих эволюционных представлений в естествознании развивается новая наука – эволюционная химия, наука о самоорганизации и саморазвитии химических систем. В рамках эволюционной химии изучаются процессы самопроизвольного синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Начало этой науки было положено при разработке теории биохимической эволюции, объясняющей происхождение жизни на Земле в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам. Первой стадией биохимической эволюции считается химическая эволюция, или абиогенез, которая, согласно этой теории, протекала в три этапа. Первый этап – синтез низкомолекулярных органических соединений из газов первичной атмосферы; второй этап – полимеризации мономеров с образованием цепей белков и нуклеиновых кислот; третий этап – образование фазово-обособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами. В процессе развития нашей планеты происходил отбор химических элементов в биотических и абиотических системах.

Основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших название органогенов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Их общая весовая доля в организме составляет более 97 %. За ними следуют 11 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биосистем: натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт. Их весовая доля в организме – 1,6 %. Есть еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных специфических биосистем, доля которых составляет 1 %. Участие всех остальных элементов в построении биосистем практически не зафиксировано. И в абиотической среде есть свидетельства об отборе элементов. Более 99 % всех природных соединений содержат те же 17 элементов, на долю всех остальных приходится менее 1 % соединений.

Если говорить о химической картине мира в целом, учитывая как природные, так и синтетические продукты, то оказывается, что в настоящее время известно около 8 млн химических соединений. Из них 96 % – органические соединения, а на долю неорганических соединений (4 %) приходится всего около 300 тыс. простых и сложных веществ. Большую часть вещества во Вселенной составляют водород и гелий. Более тяжелые элементы существуют во Вселенной в очень малых количествах: например, наша звезда – Солнце – содержит не более 2 % тяжелых элементов.

4.7. Концептуальные системы химических знаний

Подводя итоги данного раздела, посвященного концептуальным основам современной химии, мы можем выделить в развитии химии как естественной науки четыре концептуальных этапа, причем каждый новый возникал на основе предыдущего и включал его в себя в преобразованном виде.

1. Учение о составе вещества связано с исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, понятием химического элемента и химического соединения.

2. Структурная химия – положение о том, что свойства веществ обусловливаются не только составом, но и структурой молекул.

3. Учение о химических процессах связано с исследованием механизмов и условий протекания химических процессов, с понятием о катализе.

4. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации химических систем с позиций представлений о всеобщем эволюционном процессе во Вселенной и отборе химических элементов.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое химический элемент, простое вещество, химическое соединение? В чем различие двух последних понятий?

2. В чем различие формулировки Периодического закона, данной Д. И. Менделеевым, и современной интерпретации этого закона?

3. Сколько изотопов водорода известно в настоящее время? Как они называются? Какие различия в строении атомов наблюдаются у разных изотопов водорода?

4. Какое из фундаментальных физических взаимодействий реализуется в химической связи?

5. Что такое аллотропия? Чем аллотропные модификации отличаются от изомеров и изотопов? Дать определение всем терминам.

6. Что такое стехиометрия? Кто из ученых открыл закон кратных отношений, закон сохранения вещества? Как называются в химии вещества постоянного состава?

7. Что такое прямая и обратная химические реакции? Что такое химическое равновесие? Можно ли оказать влияние на величину скорости и направление химической реакции, изменяя ее условия?

8. Как можно было бы дать определение химическим процессам с точки зрения парадигмы естествознания XVIII–XIX вв. – классической механики? Как в рамках современных квантовых представлений о химических процессах рассматривается химическая реакция?

9. Что такое катализаторы и ингибиторы химических реакций? Дать определение и привести примеры природных и искусственных катализаторов и ингибиторов.

10. В чем проявляются особенности структур органических и неорганических соединений? Как называется раздел химии, изучающий структуры химических соединений?

11. Расскажите об отборе химических элементов во Вселенной. Приведите примеры.

12. Перечислите этапы формирования концептуальных знаний в современной химии, дайте определение каждому этапу и краткое разъяснение сущности описываемых явлений.

Глава 5

НАНОТЕХНОЛОГИИ

Прощай, ХХ век!..

Век квантово-релятивистской механики и ускорителей элементарных частиц, генетики и молекулярной биологии, космических аппаратов и Интернета, но также век атомной бомбы, геноцида и масштабных техногенных катастроф. Что получаем мы, люди XXI в., в наследство от ушедшего столетия?

Минувший век ознаменовался торжеством естественных наук, их высоким авторитетом, общественный престиж науки вообще и образования был чрезвычайно высок практически во всех странах мира, что было закономерно связано с успехами в фундаментальных и прикладных науках. Человечество как никогда близко подошло к разгадке тайн Вселенной, при этом компетентные и научно обоснованные решения чисто бытовых проблем человечества серьезно улучшили условия его обитания в окружающей природной среде. ХХ век был вообще веком масштабов, веком укрупнения и объединения. На фоне объединения государств, капиталов и создания транснациональных корпораций было естественным и объединение усилий ученых по решению актуальных научных проблем: отныне они решаются коллективами ученых, гениальные ученые-одиночки остались в XIX в.

Во второй половине ХХ в. был дан старт реализации нескольких долговременных научных программ, важность которых для развития науки и для человечества в целом не вызывает сомнения. Выполнение их продолжается и в настоящее время, а завершение работ по ним (если оно вообще возможно, так как в рамках этих программ ставятся все новые и новые актуальные задачи) планируется в середине XXI в. Таковой является программа исследования космоса. Объединение усилий научных коллективов разных стран мира для исследования как ближайшего космоса, так и отдаленных уголков Вселенной привело в результате реализации этой программы к созданию международных космических станций, использованию на них новейшего оборудования и т. д.

К таким программам относится также грандиозная по замыслу, а также по объемам денежных вложений международная программа «Геном человека», целью которой является расшифровка генного кода человека (и не только человека: параллельно развиваются программы «Геномы животных»). Успешно реализуются международные экологические программы, международные программы мониторинга объектов окружающей среды и т. д. Вот далеко не полный перечень успешных научных проектов, начатых в прошлом веке, в которые были вовлечены ученые разных стран.

Следует, однако, отметить, что деловые круги различных стран мира, вкладывающие средства в реализацию научных программ, интересует не столько идея объединения ученых, сколько борьба за техническое лидерство в наиболее доходных отраслях промышленности, таких как компьютерная техника, системы связи, автомобилестроение, авиационная, медицинская и фармацевтическая промышленности. Примером сплава науки и техники является интереснейшая и перспективнейшая научная программа, впечатляющие достижения которой удивляли мир в последние два десятилетия XX в. и которая, по мнению многих ученых, приведет к следующей промышленной революции. В названии этой программы отражен ее прикладной характер. Она называется «Развитие нанотехнологий».

Что же это такое – нанотехнологии?

Название нового направления в науке возникло просто в результате добавления к общему понятию «технология» приставки «нано». «Нано», так же как и «милли», и «микро», – приставки к выражениям единиц линейных размеров для создания производных этих единиц в системе СИ, причем в сторону уменьшения линейных размеров: например, 1 миллиметр (мм) означает одну тысячную долю метра (1 мм = 10-3 м), 1 микрометр (другое название – микрон) составляет одну миллионную долю метра (1 мкм = 10-6 м), а 1 нанометр (нм) означает одну миллиардную долю метра (1 нм = 10-9 м).

Для наглядности можно указать, что 1 нм составляет одну миллионную долю миллиметра (представим себе любой измеритель длины с делениями – линейки, рулетки, штангенциркули и т. п.), и если считается, что человеческий волос имеет в среднем диаметр 100 мкм, то 1 нм примерно в 100 тысяч раз меньше его толщины. Или еще можно сказать так: величины, измеряемые в нанометрах, на 9 порядков меньше величин, сравнимых по размерам с человеческим телом.

К нанотехнологиям принято относить процессы и объекты с характерной длиной от 1 до 100 нм. Верхняя граница нанообласти соответствует минимальным элементам в так называемых БИС (больших интегральных схемах), широко применяемым в полупроводниковой и компьютерной технике. Что касается нижней границы, то размером в 1 нм и около того обладают отдельно взятые молекулы; при этом интересно, что радиус знаменитой двойной спирали молекулы ДНК равен 1 нм, а многие вирусы имеют размер приблизительно 10 нм.

Для понятия «нанотехнология», пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии, оперирующие величинами порядка нанометра, имеют дело с ничтожно малыми величинами, в сотни раз меньшими длины волны видимого света и сопоставимыми с размерами атомов. Поэтому переходот «микро» к «нано» – это уже не количественный, а качественный переход, скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Квантовая физика XX в. при изучении объектов микромира оперировала в основном их математическими моделями. Теперь ученые могут оперировать объектами микромира непосредственно: искусственно создавать микрообъекты, перемещать их в пространстве, закреплять их на поверхности, то есть действовать так, как будто мы имеем дело с привычными нам макрообъектами.

В научных центрах мира развитие нанотехнологий как технологий изготовления сверхмикроскопических конструкций из мельчайших частиц материи идет в основном по трем направлениям: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, величиной примерно со среднюю молекулу; разработка и изготовление наномашин, то есть механизмов и роботов такого же размера; непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего сущего. Именно поэтому они представляются весьма перспективными для получения новых конструкционных материалов, полупроводниковых приборов, устройств для записи информации, ценных фармацевтических препаратов и т. д. Нанотехнологии могут привести мир к новой технологической революции и изменить среду обитания человека.

Из сказанного ясно, что нанотехнологии объединяют все связанные непосредственно с атомами и молекулами технические процессы, осуществляемые и изучаемые в разных естественных науках. Тем самым подчеркивается междисциплинарный характер нового направления в естествознании. Наряду с другими междисциплинарными научными направлениями в естествознании – синергетикой, кибернетикой, системным методом – развитие нанотехнологий является очень ценным научным наследием XX в., неким связующим звеном, обеспечивающим преемственность научных направлений в современном естествознании.

По мнению многих источников по истории естествознания, начало нанонауки положил в 1959 г. знаменитый американский физик, лауреат Нобелевской премии РичардФ. Фейнман при прочтении лекции под названием «Внизу полным-полно места». В ней впервые была рассмотрена возможность создания веществ (а затем, естественно, отдельных элементов, деталей и целых устройств) совершенно новым способом, а именно «атомной укладкой», при которой человек манипулирует нужными атомами поштучно, располагая их в требуемом ему порядке.

В 1986 г. американский физик Эрик К. Дрекслер в своей известной книге «Машины творения» предложил создавать устройства, названные им «молекулярными машинами», и раскрыл удивительные возможности, связанные с развитием нанотехнологии. Начиная с 1980 г. в технологии производства транзисторов и лазеров все чаще стали использоваться искусственно создаваемые пленки толщиной около 10 нм, что позволяло изготавливать устройства с новыми, повышенными техническими характеристиками. В 1980 г. в Японии был изготовлен первый полевой транзистор с высокой подвижностью носителей (High Electron Mobility Transisteor, HEMT).

В 1981 г. сотрудники фирмы IBM создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволявший получать изображение с разрешением на уровне размеров отдельных атомов. Это явилось исключительно важным научным достижением, поскольку исследователи впервые получили возможность непосредственно наблюдать и изучать мир в нанометровом, атомарном масштабе. Как работает СТМ? Экспериментатор подводит тончайший золотой щуп (зонд, пробник) на расстояние около 1 мкм к поверхности исследуемого образца, в результате чего между зондом и поверхностью возникает электрический ток, обусловленный квантово-механическим туннельным эффектом, величина которого меняется в зависимости от состояния изучаемой поверхности (например, из-за наличия на поверхности впадин или выступов). Меняя величину туннельного тока или, наоборот, сохраняя ее постоянной (за счет регулирования потенциала зонда), экспериментатор может «сканировать» поверхность и получать ее прямое «изображение», подобно тому как электронный луч создает изображение, сканируя поверхность экрана обычного телевизора. Этот методпозволяет не только изучать атомарную структуру поверхности, но и проводить разнообразные и весьма ценные физические эксперименты (например, можно проверять теоретические расчеты, относящиеся к изменению поверхности в определенных условиях, и т. п.).

Работая со сканирующим микроскопом описываемого типа, экспериментаторы неожиданно вышли на следующий этап развития, а именно стали проводить прямые технологические операции на атомарном уровне. Прикладывая к зонду СТМ соответствующее напряжение, его можно использовать в качестве своеобразного атомного «резца» или гравировального инструмента. Впервые это удалось сделать в США сотрудникам Армаденской лаборатории 1MB под руководством Д. Эйглера, которые сумели выложить на поверхности монокристалла никеля название своей фирмы из 35 атомов ксенона. Это стало своеобразным рекордом в методах миниатюризации записи «текста». Позднее, в 1991 г., из этого выросла методика перемещения атомов ксенона вверх-вниз (относительно поверхности монокристалла), названная атомным переключением (atomic switch). В целом описанная техника создает много возможностей как для манипуляций на уровне отдельных атомов, так и для изучения их структур и поведения.

Японские фирмы и научные организации в свою очередь начали энергично развивать методики в области микроскопии, в результате чего за короткое время были созданы новые типы сканирующих туннельных микроскопов, а также электронных микроскопов с очень высоким разрешением (разрешением оптического прибора физики называют размер наименьшей детали, которую можно выделить на получаемом изображении), позволяющих исследовать движение отдельных атомов и молекул. Это привело к энергичному развитию экспериментальной техники в нанометровом диапазоне и значительно расширило представления ученых о микромире и нанообъектах.

В 1990 г. началась реализация огромного международного проекта по определению последовательности укладки около 3 млрд нуклеотидных остатков в записи генетической информации – проекта «Геном человека», ставшего ярким прорывом в биологии и медицине. Этот проект одновременно является исключительно важным для развития нанотехнологий, поскольку открывает новые огромные возможности в информационных технологиях, позволяя понять, а затем и использовать принципы обработки информации в живой природе (биоинформатика). В 1991 г. в Японии начала осуществляться первая государственная программа по развитию техники манипулирования атомами и молекулами (проект «Атомная технология»), которая привлекла внимание исследователей во многих странах мира. Это ознаменовало новый этап в развитии нанонауки и нанотехнологий: государство стало поддерживать направление, признав его приоритетность не только для национальной науки, но и для государства в целом.

В настоящее время нанотехнологии все больше и больше входят в нашу жизнь. Нанотехнологический контроль изделий и материалов, буквально на уровне атомов, в некоторых областях промышленности стал обыденным делом. Реальный пример – DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц. Очень популярны в промышленных устройствах очистки питьевой воды и получении сверхчистой воды так называемые нанофильтрационные мембранные фильтры, позволяющие задерживать частицы молекулярного размера. Стали реальностью квантовые точки в технологии получения полупроводников, которые эффективнее известных в 1000 раз. Этот список можно продолжить:

♦ «нанотрубки» и «нанонити» («нановолокна»), состоящие из 6070 молекул, как новое состояние поверхности вещества и создание сверхлегких материалов;

♦ нанозеркало для лазеров со сверхвысокой отражающей способностью;

♦ атомная игла – сверхтонкая игла, сужающаяся на острие едва ли не до единственного атома, которая как атомный щуп изучает рельеф поверхности на молекулярном уровне;

♦ нанороботы-манипуляторы, создающие разные типы поверхностей путем переноса отдельных молекул;

♦ наногенераторы электрического заряда внутри человеческого организма для электропитания имплантатов;

♦ сверхскоростной нано-Интернет с потенциалом увеличения скорости в сотни раз;

♦ диагностика качества пищевых продуктов с помощью наносенсоров (квантовых точек) для выявления опасных химических или биологических загрязнителей пищевых продуктов;

♦ наногранулы, которые внутри человеческого тела доставляют молекулу лекарственного препарата не просто к органу-мишени, но прямо к рецептору, который, по сути, также является молекулой и отвечает за реализацию физиологического эффекта;

♦ нанокод, то есть молекулы антител, иммобилизованные на поверхности нанонитей для идентификации антигенов (то есть чужеродных веществ) по иммунной реакции;

♦ наночастицы косметического крема, проходящие через мембраны клеток кожи, для настоящего клеточного питания дермы – и это далеко не полный перечень использования нанотехнологий в мире XXI в.

Что-то из вышеперечисленного уже становится реальностью «на глазах», поскольку скорость технического прогресса в современном мире огромна; что-то еще находится в стадии доработки. Важно, что уже сейчас все это работает и приносит огромную пользу.

А потенциальные возможности нанотехнологий поистине не знают границ. Xотелось бы особо подчеркнуть, что мы пока не можем, конечно, оценить и представить себе масштабы развития и возможности применения нанотехнологий в целом, но количество научных исследований и затраты на них будут расти с каждым годом, учитывая перспективность тематики. Исследования в данном направлении все время расширяются. В 2004 г. человечество истратило на нанотехнологии $ 8,6 млрд. Причем больше половины – $ 4,6 млрд – это расходы правительственных организаций разных стран.

В связи с этим необходимо отметить государственное участие в проектах по нанотехнологиям. Япония и США начиная с 90-х гг. XX в. тратят на государственную поддержку нанопроектов миллиарды долларов; существует Объединенный комитет Евросоюза по нанотехнологиям, который также с этого времени активно финансирует развитие нанотехнологий как одно из самых приоритетных направлений. Не остается в стороне и Россия, которая вступила в борьбу за мировое лидерство в области развития нанотехнологий. Некоторое запоздание России в области развития нанотехнологий имеет исторические причины. То, что отставание в этой области может повлечь неконкурентоспособность России в различных областях техники и промышленности, в которых растет удельный вес нанотехнологий, и, как следствие, отставание в экономическом развитии в целом, понимают в России на высшем государственном уровне.

Ниже приводится выдержка из выступления президента Российской Федерации В. В. Путина перед Федеральным собранием 26 апреля 2007 г.:

Переднами стоит задача формирования научно-технологического потенциала, адекватного современным вызовам мирового технологического развития. И в этой связи хочу особо подчеркнуть необходимость создания эффективной системы исследований и разработок в области нанотехнологий, основанных на атомном и молекулярном конструировании.

Сегодня для большинства людей «нанотехнологии» – это такая же абстракция, как и ядерные технологии в 30-е гг. прошлого века. Однако нанотехнологии уже становятся ключевым направлением развития современной промышленности и науки. На их основе, в долгосрочной перспективе, мы в состоянии обеспечить повышение качества жизни наших людей, национальную безопасность и поддержание высоких темпов экономического роста. Оценки ученых говорят о том, что изделия с применением нанотехнологий войдут в жизнь каждого – без преувеличения – человека, позволят сэкономить невозобновляемые природные ресурсы.

Учитывая масштабность и уникальность российского проекта по нанотехнологиям, президент призвал страны СНГ принять участие в этом объединяющем взаимовыгодном и направленном в будущее деле. Придание проекту статуса международного повысит интерес к этому проекту и будет способствовать распространению достоверной и позитивной информации об этом очень непростом для понимания, но чрезвычайно перспективном направлении развития не только отечественной науки, но и человечества в целом.

Особые задачи стоят перед педагогами российских школ и высших учебных заведений. Настала необходимость для разработки новых программ по курсу концепций современного естествознания, включающих нанонауку и нанотехнологии как неотъемлемое междисциплинарное направление современного естествознания; в этих программах особенное внимание следует уделить углубленному изучению проблем микромира, с тем чтобы достижения нанотехнологий были понятны специалистам гуманитарного профиля.

В заключение этой главы приведем «наноцитату».

«Следующая промышленная революция» – данная фраза была отпечатана на поверхности, площадь которой меньше площади сечения человеческого волоса, буквами шириной 50 нанометров.

Вопросы для самопроверки

1. Что означает приставка «нано» к терминам: технологии, мембраны, транзисторы, сенсоры, зеркала и т. д.?

2. Только ли с изменением линейных размеров связан переходот микротехнологий к нанотехнологиям? Какие качественные изменения он предполагает? Обоснуйте ответ.

3. Приведите примеры использования нанотехнологий в современной жизни.

4. Является ли развитие нанотехнологий делом ученых-одиночек или небольших отраслевых лабораторий? Расскажите о масштабе программы «Развитие нанотехнологий».

Глава 6

МЕГАМИР И ЕГО СВОЙСТВА

6.1. Общие представления о Вселенной

Космос (от греч. hosmos – мир) – термин, идущий из древнегреческой философии для обозначения мира как структурно организованного и упорядоченного целого. Космосом греки называли Мир упорядоченный, прекрасный в своей гармонии в отличие от Хаоса – первозданной сумятицы. Сейчас подкосмосом понимают все находящееся за пределами атмосферы Земли. Иначе космос называют Вселенной (место вселения человека).

Вселенная – окружающий нас мир, бесконечный в пространстве, во времени и по многообразию форм заполняющего его вещества и его превращений. Вселенную в целом изучает астрономия.

► Астрономия (от греч. astron – звезда, nomos – наука) – наука о движении, строении, возникновении, развитии небесных тел, их систем и Вселенной в целом.

Основной методполучения астрономических знаний – наблюдение, поскольку, за редким исключением, эксперимент при изучении Вселенной невозможен.

Современная астрономия включает в себя несколько более узких научных дисциплин – астрофизику, астрохимию, радиоастрономию и др. Интенсивно развивается космология – раздел астрономии, тесно связанный с физикой.

► Космология (от греч. hosmos – мир и logos – учение) – область науки, в которой изучаются Вселенная как единое целое и космические системы как ее части.

Учитывая древнегреческое значение термина «космос» – «порядок», «гармония», – важно отметить, что космология открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Космология близко соприкасается с космогонией (от греч. hosmos – мир, gonos – рождение), разделом астрономии, изучающим происхождение космических объектов и систем. Вместе с тем подход космологии и космогонии к изучаемым явлениям различен – космология изучает закономерности всей Вселенной, а космогония рассматривает конкретные космические тела и системы.

Мир един, гармоничен и одновременно имеет многоуровневую организацию. Вселенная – это мегамир. Нет жесткой границы, однозначно разделяющей микро-, макро– и мегамиры. При несомненном качественном отличии они взаимосвязаны. Так, наша Земля представляет макромир, но в качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира. Вселенная представляет собой упорядоченную систему отдельных взаимосвязанных элементов различного порядка. Это небесные тела (звезды, планеты, спутники, астероиды, кометы), планетные системы звезд, звездные скопления, галактики.

Звезды – гигантские раскаленные самосветящиеся небесные тела.

Планеты – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг звезды.

Спутники (планет) – холодные небесные тела, которые обращаются вокруг планет.

Например: Солнце – это звезда, Земля – это планета, Луна – это спутник Земли. Небесные тела, находящиеся в зоне существенного действия силы тяготения звезды, образуют ее планетную систему.

Так, Солнечная система (или планетная система) – совокупность небесных тел – планет, их спутников, астероидов, комет, обращающихся вокруг Солнца под действием силы его тяготения. В Солнечную систему входят 9 планет, их спутники, свыше 100 тысяч астероидов, множество комет.

Астероиды (или малые планеты) – небольшие холодные небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Имеют диаметр от 800 км до 1 км и менее, обращаются вокруг Солнца по тем же законам, по которым движутся и большие планеты.

Кометы – небесные тела, входящие в состав Солнечной системы. Имеют вид туманных пятнышек с ярким сгустком в центре – ядром. Ядра комет имеют маленькие размеры – несколько километров. У ярких комет при приближении к Солнцу появляется хвост в виде светящейся полосы, длина которого может достигать десятков миллионов километров.

Звезды вместе с их планетными системами и межзвездной средой образуют галактики. Галактика – гигантская звездная система, насчитывающая более 100 млрд звезд, обращающихся вокруг ее центра. Внутри галактики отмечают звездные скопления. Звездные скопления – группы звезд, разделенные между собой меньшим расстоянием, чем обычные межзвездные расстояния. Звезды в такой группе связаны общим движением в пространстве и имеют общее происхождение. Галактики образуют метагалактику. Метагалактика – грандиозная совокупность отдельных галактик и скоплений галактик.

В современной трактовке понятия «метагалактика» и «Вселенная» чаще отождествляют. Но иногда метагалактика толкуется лишь как видимая часть Вселенной, при этом Вселенная сводится к бесконечности. Однако если принять, что за пределами метагалактики существует космический вакуум, то такую форму материи трудно отнести к Вселенной, потому что там нет устойчивых элементарных частиц и атомов, нет звезд, нет галактик. Поэтому для бесконечного мира более подходит философское понятие материального мира, частью которого является Вселенная или метагалактика.

При изучении объектов Вселенной имеют дело со сверхбольшими расстояниями. Для удобства при измерении таких сверхбольших расстояний в космологии используют специальные единицы:

♦ Астрономическая единица (а. е.) соответствует расстоянию от Земли до Солнца – 150 млн км. Эта единица, как правило, применяется для определения космических расстояний в пределах Солнечной системы. Например, расстояние от Солнца до самой удаленной от него планеты – Плутона – 40 а. е.

♦ Световой год – расстояние, которое световой луч, движущийся со скоростью 300 000 км/с, проходит за один год, – 10^13 км; 1 а.е. равна 8,3 световой минуты. В световых годах определяют расстояние до звезд и других космических объектов, находящихся за пределами Солнечной системы.

♦ Парсек (пк) – расстояние, равное 3,3 светового года. Используют для измерения расстояний внутри звездных систем и между ними.

При определении расстояний до других галактик используют еще более крупные единицы – килопарсек (Кпк) – 10^3 пк, мегапарсек (Мпк) – 10^6 пк. Все сведения, накопленные человечеством о Вселенной, – результат наблюдений. Первые астрономические знания были получены еще мыслителями древнего мира. Астрономы стран Древнего Востока – Египта, Вавилонии, Индии, Китая – научились предсказывать наступления затмений, следили за движением планет. Эти астрономические знания, накопленные еще в VII–VI вв. до н. э., заимствовали древние греки.

В VI в. до н. э. великий ученый и философ Древней Греции Аристотель фактически выдвинул идею геоцентрического (от греч. geo – земля) строения Вселенной. Аристотель считал, что Земля и все небесные тела шарообразны. Шарообразность Луны он доказал, изучая ее фазы, а шарообразность Земли объяснил характером лунных затмений. На диске Луны край земной тени всегда круглый, а это может быть только при условии шарообразности Земли. Аристотель считал Землю центром Вселенной, крупнейшим ее телом, вокруг которого вращаются все небесные тела. Вселенная, по мнению Аристотеля, имеет конечные размеры, ее как бы замыкает сфера звезд. Таким образом, по Аристотелю, Земля – неподвижный центр Вселенной.

После Аристотеля некоторые ученые высказывали смелые и правильные догадки об устройстве Вселенной. Так, живший в III в. до н. э. греческий астроном Аристарх Самосский считал, что Земля обращается вокруг Солнца. Расстояние до Солнца он определял в 600 диаметров Земли. На самом деле вычисленное им расстояние в 20 раз меньше действительного, но во времена Аристарха Самосского и оно казалось невообразимо огромным. Однако это расстояние мыслитель считал ничтожным по сравнению с расстояниями от Земли до звезд. Но гениальные мысли Аристарха Самосского не были поняты современниками.

Во II в. до н. э. окончательно сформировалась геоцентрическая система мира. Александрийский астроном Птолемей обобщил существовавшие до него представления. Согласно модели Птолемея, вокруг шарообразной и неподвижной Земли движутся Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн и небо неподвижных звезд. Движение Луны, Солнца, звезд правильное круговое, а движение планет гораздо сложнее. Каждая из планет, по мнению Птолемея, движется не вокруг Земли, а вокруг некоторой точки. Эта точка, в свою очередь, движется по окружности, в центре которой находится Земля.

В течение многих столетий геоцентрическая система считалась единственно верной – она согласовывалась с библейским описанием сотворения мира. И только в период Возрождения началось развитие альтернативной мысли.

Гелиоцентрическая система (от греч. helios – солнце) связана с именем польского ученого Николая Коперника (XV в.). Он возродил гипотезу Аристарха Самосского о строении мира: Земля уступила место центра Солнцу и оказалась третьей по счету среди вращающихся по круговым орбитам планет. Коперник путем сложных математических расчетов объяснил видимые передвижения планет вокруг Солнца.

Учение Коперника имело революционное значение для последующего развития науки. После 30 лет упорного труда, долгих размышлений и сложных математических расчетов ученый доказал, что Земля – только одна из планет, а все планеты обращаются вокруг Солнца. При этом звезды Коперник считал неподвижными. Он полагал, что Вселенная ограничена сферой неподвижных звезд, которые расположены на невообразимо огромных, но все-таки конечных расстояниях от нас и от Солнца. Таким образом, в учении Коперника утверждались представления об огромных размерах Вселенной, но не бесконечности ее.

Смело развил идею бесконечности Вселенной великий итальянский мыслитель Джордано Бруно (XVI в.). По Бруно, огромное Солнце – всего только одна из звезд. Каждая звезда – такое же Солнце. Звезд бесконечное множество, они окружены планетами, на которых может быть жизнь. Бруно высказал догадки, что и Солнце, и звезды вращаются вокруг своих осей, а в Солнечной системе, кроме известных планет, существуют и другие, пока еще не открытые.

С изобретением телескопа итальянский ученый Галилео Галилей в первой половине XVII в. сделал выдающиеся открытия, которые подтвердили учение Коперника и догадки Бруно. Галилей пришел к выводу, что вращение присуще не только Земле, но и другим небесным телам. Обнаружив спутники у Юпитера, Галилей пришел также к выводу о том, что не только Земля и Солнце могут быть центрами обращения небесных тел. Одновременно с Галилеем выдающиеся открытия в астрономии сделал немецкий ученый Иоганн Кеплер, сформулировав законы движения тел в Солнечной системе. Таким образом, к началу XVIII в. были достигнуты выдающиеся успехи в астрономии: открыты строение Солнечной системы и законы движения входящих в нее небесных тел; стало ясно, что Солнце – только одна из звезд в бесконечной звездной Вселенной. Дальнейшее развитие астрономии шло по пути накопления новых фактов и поиска вариантов их объяснения.

Задачей современной астрономии является не только объяснение данных астрономических наблюдений, но и изучение эволюции Вселенной (от лат. evolution – развертывание, развитие). Эти вопросы рассматривает космология – наиболее интенсивно развивающаяся область астрономии.

Изучение эволюции Вселенной основано на следующем:

♦ универсальные физические законы считаются действующими во всей Вселенной;

♦ выводы из результатов астрономических наблюдений признаются распространимыми на всю Вселенную;

♦ истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, то есть человека (антропный принцип).

При изучении Вселенной невозможно провести эмпирическую проверку результатов исследования, поэтому выводы космологии называют не законами, а моделями происхождения и развития Вселенной.

► Молель (от лат. modulus – образец, норма) – это схема определенного фрагмента природной или социальной реальности (оригинала), возможный вариант его объяснения. В процессе развития науки старая модель заменяется новой моделью.

В основе современной космологии лежит эволюционный подход к вопросам возникновения и развития Вселенной, в соответствии с которым разработана модель расширяющейся Вселенной.

Ключевой предпосылкой создания модели эволюционирующей расширяющейся Вселенной послужила общая теория относительности А. Эйнштейна (см. главу 3). Объектом теории относительности выступают физические события. Физические события характеризуют понятия пространства, времени, материи, движения, которые в теории относительности рассматриваются в единстве. Исходя из единства материи, пространства и времени следует, что с исчезновением материи исчезли бы и пространство, и время. Таким образом, до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени. Эйнштейн вывел фундаментальные уравнения, связывающие распределение материи с геометрическими свойствами пространства, с ходом времени и на их основе в 1917 г. разработал статистическую модель Вселенной.

Согласно этой модели, Вселенная обладает следующими свойствами:

♦ однородностью, то есть имеет одинаковые свойства во всех точках;

♦ изотропностью, то есть имеет одинаковые свойства по всем направлениям.

Из теории относительности следует, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сужаться. Таким образом, Вселенная обладает еще одним свойством – нестационарностью. Впервые выводо нестационарности Вселенной сделал А. А. Фридман, российский физик и математик, в 1922 г.

В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл открыл так называемое красное смещение.

► Красное смешение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смешаются к его красному концу.

Сущность этого явления заключается в следующем: при удалении от нас какого-либо источника колебаний воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны, соответственно, увеличивается, поэтому при излучении происходит «покраснение», то есть линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. Э. Хаббл исследовал спектры дальних галактик и установил, что их спектральные линии смещены в сторону красных линий, что означает «разбегание» галактик. Последующие исследования показали: галактики с большой скоростью удаляются не только от наблюдателя, но и друг от друга. При этом скорость «разбегания» галактик, исчисляемая десятками тысяч километров в секунду, прямо пропорциональна расстоянию между ними. Так был установлен факт расширения Вселенной.

На основе результатов проведенных исследований Э. Хаббл сформулировал важный для космологии закон (закон Хаббла):

► Чем дальше галактики отстоят друг от друга, тем с большей скоростью они удаляются друг от друга.

Это означает, что Вселенная нестационарна: она находится в состоянии постоянного расширения.

Из положения о том, что Вселенная в настоящее время находится в состоянии расширения, ученые, оперируя математическими моделями, пришли к заключению, что когда-то, в далеком прошлом, она должна была находиться в сжатом состоянии. Расчеты показали, что 13–15 млрд лет назад материя нашей Вселенной была сконцентрирована в необычайно малом объеме, около 10-33 см^3, и имела огромную плотность – 10^93 г/см^3 при температуре 10^27 К. Следовательно, начальное состояние Вселенной – так называемая «сингулярная точка» – характеризуется практически бесконечными плотностью и кривизной пространства, сверхвысокой температурой. Полагают, что наблюдаемая сейчас Вселенная возникла благодаря гигантскому взрыву этой исходной космической материи – Большому взрыву Вселенной. Представление о Большом взрыве является составной частью модели расширяющейся Вселенной. Концепция Большого взрыва, логично объясняя многие моменты эволюции Вселенной, не отвечает на вопрос, из чего же она возникла. Эту задачу решает теория инфляции.

Теория инфляции, или теория раздувающейся Вселенной, возникла не в противовес, а в дополнение и развитие концепции Большого взрыва. Как следует из этой теории, Вселенная возникла из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. В соответствии с современными научными представлениями в вакууме отсутствуют физические частицы, поля и волны. Однако в нем имеются виртуальные частицы, которые рождаются за счет энергии вакуума и тут же исчезают. Когда вакуум по какой-то причине в некоторой точке возбудился и вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы стали захватывать энергию без отдачи и превращаться в реальные частицы. Этот период зарождения Вселенной и называют фазой раздувания (или инфляции). В фазе инфляции пространство нашей Вселенной увеличивается от миллиардной доли размера протона до нескольких сантиметров. Такое расширение в 10^50 раз больше, чем предполагалось в концепции Большого взрыва. К концу фазы раздувания Вселенной образовалось огромное множество реальных частиц вместе со связанной ими энергией.

При разрушении возбужденного вакуума высвободилась гигантская энергия излучения, а некая суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. Из-за необычайно высокой температуры и огромного давления Вселенная продолжала раздувание, но теперь уже с ускорением. В итоге сверхплотная и сверхгорячая материя взорвалась. В момент Большого взрыва тепловая энергия превращается в механическую и гравитационную энергии масс. Это означает, что Вселенная рождается в соответствии с законом сохранения энергии.

Таким образом, основная идея теории инфляции состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях своего возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии. Эта энергия, как и исходная материя, возникла из квантового вакуума, то есть из ничего. Объясняя происхождение Вселенной из возбужденного вакуума, теория инфляции пытается решить одну из основных проблем мироздания – проблему возникновения всего (Вселенной) из ничего (из вакуума).

В середине XX в. формулируется концепция горячей Вселенной. Согласно данной концепции, на ранних этапах расширения, вскоре после Большого взрыва, Вселенная была очень горячей: излучение доминировало надвеществом. При расширении температура падала, и с некоторого момента пространство стало для излучения практически прозрачным. Излучение, сохранившееся с начальных моментов эволюции (реликтовое излучение), равномерно заполняет всю Вселенную до сих пор. Вследствие расширения Вселенной температура этого излучения продолжает падать. В настоящее время она составляет 2,7 К.[4] Открытие реликтового излучения в 1965 г. явилось наблюдательным обоснованием концепции горячей Вселенной. Было выявлено фундаментальное свойство Вселенной – она горячая. Таким образом, в соответствии с моделью, разработанной на основе теории относительности, расширяющаяся Вселенная – однородная, изотропная, нестационарная и горячая

Убедительными аргументами, подтверждающими обоснованность космологической модели расширяющейся Вселенной, являются установленные факты. К числу таких фактов относятся следующие:

♦ расширение Вселенной в соответствии с законом Хаббла;

♦ однородность светящейся материи на расстояниях порядка 100 Мпк;

♦ существование реликтового фона излучения с тепловым спектром, соответствующим температуре 2,7 К.

Возраст Вселенной, согласно современной космологической концепции ее происхождения и развития, исчисляется с начала расширения и оценивается в 13–15 млрд лет. Современная астрономия интенсивно развивается: открыты новые космические объекты, установлены ранее неизвестные факты. К числу сравнительно недавно открытых космических объектов относятся квазары, нейтронные звезды, черные дыры.

Квазары – мощные источники космического радиоизлучения, которые, как предполагают, являются самыми яркими и далекими из известных сейчас небесных объектов.

Нейтронные звезды – предполагаемые звезды, состоящие из нейтронов, образующиеся, вероятно, в результате вспышек сверхновых звезд.

Черные дыры (или «застывшие звезды», «гравитационные могилы») – объекты, в которые, как предполагают, превращаются звезды на заключительной стадии своего существования. Пространство черной дыры как бы вырвано из пространства метагалактики: вещество и излучение «проваливаются» в нее и не могут «выйти» обратно.

Исследование предельно далеких галактик привело к неожиданному открытию, вызвавшему кардинальный пересмотр представлений о динамике расширения Вселенной и о роли в ней обычной материи. Было установлено, что в настоящее время Вселенная расширяется ускоренно. Агент, вызвавший это ускорение, получил название темной энергии. Природа темной энергии пока неизвестна.

Вновь установленные факты изучаются с позиций эволюционного подхода к решению вопросов о происхождении и развитии Вселенной, согласно которому Вселенная выступает как результат дифференциации и усложнения форм организации материи.

6.2. Галактики

Вселенная образована огромным количеством галактик. Галактика (от греч. galaktikos – молочный, млечный) – звездная система, в свою очередь образованная звездами различных типов, звездными скоплениями. Помимо звездв состав галактик могут входить газовые, пылевые туманности и др. Разным галактикам соответствуют различные, но вполне определенные элементы. Состав галактик зависит от ее возраста и условий развития. Полагают, что среднее расстояние между галактиками 2 млн световых лет, а типичная скорость движения галактик – около 1000 км/с. Согласно расчетам, для прохождения расстояния до ближайшей галактики-соседки требуется около 1 млрд лет, и возможность столкновения любой галактики с себе подобной галактикой не исключена.

Галактик – миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд. Предположения о множественности галактик высказывались еще в середине VIII в., но доказательства их существования появились только в первой четверти XX в. Галактики образуют метагалактику (Вселенную), размеры которой оцениваются в 15–20 млрд световых лет, а возраст – в 13–15 млрд лет. Некоторые галактики излучают радиоволны с потрясающей мощностью. Предполагают, что в них существует магнитное поле, тормозящее движение находящихся там элементарных частиц, а это вызывает радиоизлучение.

В 60-х гг. XX в. были открыты квазары – квазизвездные радиоисточники – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Природа квазаров пока неясна. Возможно, квазары представляют собой ядра новых галактик, а значит, процесс образования галактик продолжается и поныне.

Галактики имеют свой центр (ядро), они различаются по форме, в соответствии с которой их классифицируют как спиральные, эллиптические, шаровые, неправильные Вследствие удаленности галактик свет от входящих в них миллиардов звезд сливается, создавая впечатление светящегося туманного вещества, поэтому галактики получили название туманностей.

Ближайшая к нам большая галактика – наблюдаемая в созвездии Андромеды туманность – Туманность Андромеды. Это спиральная галактика, находящаяся от на нас расстоянии около 2 млн световых лет. Она была открыта в 1917 г. как первый внегалактический объект. В 1923 г. путем спектрального анализа в этом объекте были обнаружены звезды и таким образом доказана его принадлежность к другой галактике. Туманность Андромеды имеет спутники эллиптической или шаровидной формы – более мелкие галактики. Еще одна спиральная галактика находится в созвездии Треугольника. По размерам она меньше Туманности Андромеды и не имеет спутников.

Галактики образуют группы галактик. Таких групп во Вселенной множество, они могут быть малыми и большими. Так, огромное облако, наблюдаемое в созвездии Девы, состоит из сотен галактик. В состав одной из групп – Местного скопления – входят спиральные галактики вместе со своими спутниками: Туманность Андромеды, галактика в созвездии Треугольника и наша Галактика.

Наша Галактика – это звездная система, в которую входят все звезды, видимые в созвездиях, и все звезды Млечного Пути, а также газовые и пылевые туманности.

Пылевые туманности – облака в межзвездном пространстве, образованные очень мелкой космической пылью.

Космическая пыль препятствует прохождению света от звезд, поглощая его. В большей степени поглощается коротковолновая, сине-зеленая часть спектра, поэтому свет звезд становится более желтоватым и даже красноватым. Космическая пыль является существенной помехой для исследований, поскольку она искажает свет звезд, ослабляет их блеск, а более далекие из них делает совсем невидимыми. Полагают, что в малой доле космическая пыль образуется от столкновения и разрушения мелких твердых тел, но в своей основной массе она возникает, вероятно, вследствие сгущения межзвездного газа.

Межзвездный газ был обнаружен по линиям поглощения в спектрах звезд. В его состав входит преимущественно водород, в меньшей степени – гелий; содержание азота и других легких газов небольшое. Межзвездный газ в крайне низких концентрациях имеется в большей части межзвездного пространства, а в отдельных местах образует скопления – газовые туманности Считают, что газ в туманностях частично является остатком тех газов, из которых когда-то возникли звезды, а также возникают и теперь: он выбрасывается звездами. В местах скопления газа может содержаться значительное количество космической пыли – это газово-пылевые туманности. Газовые и газово-пылевые туманности благодаря их свечению изучают с помощью астрономических приборов. Свечение газов в крупных газовых туманностях можно наблюдать потому, что толщина их огромна, а общая масса составляет от нескольких десятков до сотен тысяч масс Солнца. Газовые туманности бывают разных размеров и различной, чаще неправильной, формы. Туманности правильной, округлой формы – небольшие. Их называют планетарными.

В отличие от крупных газовых туманностей масса планетарных туманностей очень мала: она составляет десятые и даже сотые доли массы Солнца. В центре каждой такой туманности имеется ядро – небольшая звездочка. Полагают, что это самые горячие из звезд, поскольку их излучение заставляет светиться планетарную туманность. Планетарные туманности образуются из газов, выделяемых звездой. Они недолговечны, поскольку медленно, со скоростью нескольких километров в секунду, расширяются в пространстве и со временем рассеиваются. Согласно расчетам, планетарные газовые туманности могут быть видимыми около 10 тыс. лет.

Две туманности, наблюдаемые в южном полушарии неба, представляют собой галактики неправильной формы. Это Большое и Малое Магеллановы Облака – спутники нашей Галактики. Расстояние до них оценивается в 120 тыс. световых лет, а размеры этих галактик составляют 26 и 17 тыс. световых лет. По данным исследований, они состоят из звезд всевозможных типов, а также из газовых и пылевых туманностей. В них есть рассеянные и шаровые звездные скопления. Наша Галактика по форме очень похожа на Туманность Андромеды, обе имеют спутники. По размерам наша Галактика несколько меньше.

Наша Галактика называется Млечный Путь. Млечный Путь опоясывает все небо как гигантская светящаяся лента. Это довольно большая галактика, имеющая диаметр около 100 тыс. свет. лет и включающая в себя более 100 млрд звезд, в том числе Солнце. Полная масса Галактики равна 150 млрд солнечных масс. Более яркие, близкие звезды расположены тем гуще, чем они ближе к средней линии Млечного Пути. Среднюю линию Млечного Пути называют галактическим экватором. Плоскость галактического экватора – это плоскость симметрии нашей звездной системы.

Звездные скопления, звезды, газовые туманности, облака космической пыли – 95 % массы Галактики – сосредоточены в основном в районе этой плоскости. Только шаровые звездные скопления и звезды некоторых типов не подчиняются этому закону: они заполняют сферический объем, концентрируясь со всех сторон к центру Галактики. На долю сферической составляющей приходится около 5 % вещества Галактики. Таким образом, большая часть звезд нашей Галактики сосредоточена в гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. Наша Солнечная система находится очень близко к галактической плоскости, в которой звезды расположены наиболее тесно.

Из-за облаков пыли, ослабляющих свет далеких звезд, очень трудно выяснить подробности строения Галактики. Установлено, что Наша Галактика имеет спиральное строение. Из ее ядра выходят две (возможно, более) спиральные ветви. Они состоят из звезд, газовых и пылевых туманностей и закручиваются вокруг ядра. Расположение спиральных ветвей точно пока не выяснено, но Солнце находится между ними, а самые горячие и яркие звезды группируются в звездных облаках, непосредственно образующих спиральные ветви.

Много неясного связано с ядром Галактики. Его линейные размеры оценивают приблизительно в 4000 световых лет. Ядро является источником очень мощного излучения. Однако на звездном небе ядро Галактики не видно, поскольку заслонено облаками космической пыли, через которые его свет не доходит до нас. Ядро можно наблюдать, только применяя особые способы фотографирования. Вокруг ядра Галактики все звезды вращаются с разной скоростью. Скорость движения Солнечной системы вокруг центра Галактики – около 250 км/с. На один оборот ей требуется примерно 200 млн лет. Расстояние от Солнца до центра Галактики – около 30 тыс. световых лет, а до ее края – несколько меньше. Чем ближе к краю Галактики, тем разреженнее звезды.

Свет всех далеких и слабых звезд сливается для нас в сплошное кольцо Млечного Пути. Предполагают, что вокруг многих звезд должны быть планетные системы. Даже если только на тысячу звезд приходится одна обитаемая планета, то и тогда во всей Галактике таких планет должно быть 100 миллионов.

6.3. Звезды

Звезды – самосветящиеся небесные тела, состоящие из раскаленных газов. Солнце – ближайшая к нам звезда. Расстояние от Земли до Солнца – 8,3 световой минуты. Состав звезд, а также их температуру исследуют посредством спектрального анализа. Спектральный анализ – астрофизический метод, изучающий химический состав светил с помощью исследования их спектров.

Изучение спектров звезд позволило сделать вывод о том, что они состоят из атомов тех же химических элементов, что и все тела на Земле. В составе звезд преобладают водород (около 50 % по массе) и гелий (около 40 %). Атомы остальных химических элементов встречаются почти в таком же соотношении, как и на Земле. Вещество звезд представляет собой раскаленный газ. С учетом того, что масса звезд гораздо больше массы планет, понятно, что подавляющее большинство вещества Вселенной находится в состоянии раскаленного газа. При этом очень малая его доля находится в твердом и жидком состоянии, а живое вещество, даже если у многих звезд имеются обитаемые планеты, составляет ничтожную часть.

Внутреннее строение звезд рассчитывается, исходя из следующего: элементарные частицы – электроны, протоны, фотоны и др. – одни и те же и в звездах, и на Земле. Поэтому при изучении внутреннего строения звезд применяют общие законы физики. Согласно современным представлениям, звезды светят вследствие того, что в их недрах происходят ядерные реакции: водород превращается в гелий, в результате чего и освобождается атомная энергия. Поскольку содержание атомов водорода в звездах велико, за счет таких преобразований большинство звезд может излучать энергию. Вследствие происходящих атомных превращений постепенно меняется их химический состав, что может служить указанием на направления звездной эволюции.

Впечатление о бесчисленности звезд, видимых невооруженным глазом, ошибочно. В безлунную ночь в ясную погоду на небе видно всего лишь 3000 звезд. Мерцание звезд усиливает впечатление об их бесчисленности – одни и те же звездочки кажутся то ярче, то слабее из-за того, что между ними и нами протекают струйки воздуха различной плотности. Изучение звезд было вызвано потребностями материальной жизни общества – необходимостью ориентирования при путешествиях, создания календаря, определения точного времени. Еще в глубокой древности звездное небо было разделено на созвездия.

Созвездия – участки, на которые разделяют звездное небо по фигурам, образуемым яркими звездами. Всего насчитывается 88 созвездий, ими пользуются для ориентировки на звездном небе. Принадлежность звезды к одному созвездию – это их видимая, или перспективная, близость. На самом деле звезды, причисляемые к одному созвездию, находятся на самых различных расстояниях от нас.

Наблюдаемые на небе звезды характеризуются различным блеском, интенсивность которого определяется звездной величиной.

Звездная величина – принятая в астрономии единица измерения видимого блеска звезд и других небесных тел. Чем слабее светится звезда, тем больше число, обозначающее ее звездную величину.

Самые яркие назвали звездами первой величины. Самые слабые из видимых невооруженным глазом относят к звездам шестой величины. Звезды первой величины ярче звезд шестой величины в 100 раз. В бинокль видны звезды восьмой-девятой величин, а в телескоп – еще более слабые. Звезд первой величины на всем небе около 20. Звезд второй величины, таких, как главные звезды созвездия Большой Медведицы, – около 70. Всего видимых звезд, то есть звезд шестой величины и ярче, около 6000. Учитывая, что над горизонтом видна только половина всего неба, одновременно наблюдать можно максимально около 3000 звезд(см. выше).

Звездная величина не имеет прямого отношения к действительной интенсивности испускаемого звездой излучения. Истинная сила света звезды характеризуется светимостью. Светимость определяется как отношение силы света звезды к силе света Солнца.

Зная расстояние до звезды и ее видимый блеск с Земли, вычисляют, каким был бы блеск звезды, если бы она находилась на расстоянии Солнца. Отношение такого предполагаемого блеска звезды к блеску Солнца характеризует ее светимость. Если светимость звезды равна 5, то это значит, что она в 5 раз ярче Солнца. Если светимость обозначается 0,2, то такая звезда в 5 раз слабее Солнца. Наибольшей известной светимостью, в 400 раз большей светимости Солнца, обладает звезда S из созвездия Золотой Рыбы.

Число звезд большой светимости среди звезд, видимых невооруженным глазом, непропорционально велико, так как такие звезды видны на больших расстояниях. На самом деле звезды большой светимости в окрестностях Солнца встречаются гораздо реже, а звезды с меньшей светимостью – чаще. Из 20 ближайших к нам звездтолько 3 видны невооруженным глазом, а из 20 звезд, кажущихся нам яркими, только 3 входят в число ближайших.

Основной метод определения расстояний до звезд состоит в измерении их видимых смещений, вызываемых обращением Земли вокруг Солнца. По смещению, величина которого обратно пропорциональна расстоянию, вычисляют и само расстояние. Годичные смещения звезд составляют обычно доли микронов, реже – несколько микронов. Расстояние до звезд может определяться и другими способами: например, исходя из светимости звезды и ее блеска.

Наблюдаемые с Земли звезды различного цвета: голубоватые, белые, желтые, оранжевые и красные. Цвет звезд соответствует температуре их поверхности. Голубоватые звезды самые горячие – температура на их поверхности составляет десятки тысяч градусов. Температура белых звезд – порядка 10^3 К, желтых (как наше Солнце) – около 6000 К, а красных – 3000 К и ниже. По направлению к центру звезды температура повышается и в центре достигает миллионов и десятков миллионов градусов. В недрах звезд происходит превращение водорода в гелий, эти реакции поддерживают мощное тепловое и световое излучение звезд в течение огромных промежутков времени. Было установлено, что не только количество, но и качество излучения (цвет) определяется температурой. Раскаленное тело излучает свет всех цветов (всех длин волн), но в зависимости от температуры накала максимум излучения приходится на различные области спектра, вследствие чего суммарное излучение имеет то красный, то белый, то голубоватый цвет. Изучение звездных температур производят на основе спектрального анализа или посредством измерения количества тепла, приходящего от него на Землю.

Звездный мир чрезвычайно многообразен. Различают несколько видов звезд: это гиганты и карлики, одиночные, двойные и кратные, переменные и новые. Звезды-гиганты – огромные звезды, в миллионы раз больше Солнца по объему. Такие звезды встречаются редко. Самые большие звезды называются сверхгигантами. Так, сверхгигант Антарес в созвездии Скорпиона по диаметру в 450 раз больше Солнца, а оно больше Земли в диаметре в 109 раз. Звезды-карлики, напротив, имеют относительно небольшие размеры. В зависимости от цвета звезды различают красные и белые карлики. Красные карлики меньше Солнца по диаметру примерно в 10 раз. Считают, что именно они составляют большую часть звезд. Белые карлики имеют еще более мелкие размеры и встречаются редко.

Звезды сильно различаются по плотности: чем больше звезда, тем меньше ее плотность. Так, у звезд-гигантов плотность газов, из которых они состоят, очень мала – в сотни тысяч раз меньше плотности воды, а средняя плотность белых карликов в 30 раз больше плотности воды. Средняя плотность Солнца в 1,4 раза больше плотности воды.

Двойные звезды – системы, состоящие из двух звезд, каждая из которых обращается вокруг их общего центра тяжести. Обычно более яркую звезду в паре называют главной, а другую – ее спутником.

Ярчайшая звезда неба Сириус – двойная. Спутник этой звезды – белый карлик – обращается вокруг главной звезды за 50 лет и отстоит от нее в 20 раз дальше, чем Земля от Солнца.

Среди двойных звезд различают так называемые спектрально-двойные звезды – тесные пары звезд, которые нельзя увидеть раздельно при помощи современных оптических средств. Двойственность их обнаруживается по периодическим смещениям линий в спектрах.

Системы, состоящие из трех, четырех или более звезд, называются кратными звездами. Кратные звезды встречаются значительно реже, чем двойные.

Ближайшая к нам звезда α-Центавра, видимая в Южном полушарии Земли, в действительности представляет собой систему, которая состоит из двух главных звезд, очень сходных с нашим Солнцем. Период их обращения почти 80 лет, а среднее взаимное расстояние в 23 раза больше расстояния от Земли до Солнца. У этих двух звезд есть спутник – красный карлик. Таким образом, α-Центавра – тройная звезда.

Переменные звезды – звезды, блеск которых со временем меняется. Параллельно с изменением блеска меняются их цвет и температура, а иногда и размеры.

Причиной переменности может являться периодическое затмение одной звезды другой. Но гораздо чаще происходят действительные изменения размеров и температур звезд: они сжимаются и расширятся – пульсируют. Промежутки между моментами наибольшего сжатия или расширения у одних переменных звезд составляют годы, у других – только часы.

В зависимости от характера изменения блеска и причин, его вызывающих, переменные звезды подразделяются на различные типы.

Затменные переменные звезды – очень тесные двойные звезды, плоскость орбиты которых проходит через луч зрения. При обращении вокруг общего центра тяжести обе звезды попеременно закрывают друг друга, так что общий блеск системы во время затмений ослабевает.

Другой разновидностью переменных звезд являются цефеиды. Их так называют по типичной представительнице этого класса звезд звезде д в созвездии Цефея. Все цефеиды являются звездами-гигантами и сверхгигантами. Изменение блеска у них происходит строго периодически. Открытие зависимости между периодом изменения блеска у цефеид и их светимостью дало возможность определять расстояние до очень далеких звездных систем, если в них имеются цефеиды.

Цефеиды – пульсирующие звезды. Пульсирует, расширяясь и сжимаясь, все тело звезды. При сжатии ее происходит нагревание, а при расширении – охлаждение. Изменение размера и температуры поверхности звезды и вызывает колебания ее излучения.

Новые звезды – звезды, излучение которых внезапно увеличивается в тысячи раз, а затем медленно уменьшается. Это некоторые красные карлики.

Изменения, происходящие в звезде за время вспышки, столь велики, что за несколько суток небольшая звезда-карлик превращается в гиганта. Блеск ее увеличивается более чем в 10 тыс. раз. От нее отделяется газовая оболочка, которая, продолжая расширяться, рассеивается в пространстве. В наибольшем своем блеске раздувшаяся оболочка больше нашего Солнца по диаметру в сотни раз. Новая звезда в большом блеске остается недолго, обычно около суток, затем ее блеск начинает ослабевать и звезда вновь сжимается до прежних размеров.

Исследованиями установлено, что в нашей Галактике ежегодно происходит около 100 вспышек новых звезд, но мы замечаем лишь ближайшие из них. Вспышка не означает возникновения или уничтожения звезды. Через некоторый промежуток времени эта же звезда может вспыхнуть вновь. Вспышки являются следствием нарушения устойчивости звезды, вызванного внутренними причинами. Сущность этих причин пока не выяснена. Иногда в нашей и других галактиках наблюдаются вспышки сверхновых звезд. При таких вспышках звезды излучают свет в миллионы и в сотни миллионов раз интенсивнее, чем Солнце. Сверхновые звезды – явление крайне редкое. Последней сверхновой звездой, наблюдавшейся в нашей Галактике, была звезда, которую наблюдал Кеплер в 1604 г. Таким образом, даже в таких гигантских звездных системах, как наша, вспышка сверхновой звезды бывает один раз в несколько столетий.

Согласно расчетам, допускают, что в ряде случаев в результате вспышки сверхновой остаток звездной массы катастрофически сжимается и звезда превращается в быстро вращающуюся нейтронную. Нейтронные звезды – предполагаемые звезды, состоящие из нейтронов. Они чрезвычайно плотные и очень малы – имеют в поперечнике около 10 км. Различают невидимые космические объекты, которые посылают огромное невидимое пульсирующее радиоизлучение, – пульсары. Пульсары – точечные источники радиоизлучения, испускающие импульсы с очень коротким периодом. Возможно, пульсары представляют собой нейтронные звезды.

Звезды имеют огромные различия по размеру и плотности. Массы же звезд не отличаются так значительно и колеблются в пределах от 0,1 до нескольких десятков солнечных масс. Однако непосредственно массы звезд могут быть определены лишь у двойных звезд. Изучение масс двойных звезд показало, что между массами и светимостью звезд существует некоторая зависимость. В среднем светимость большинства звезд пропорциональна их массе в степени 3,3. Это соотношение позволяет определять массы звезд косвенно, по их светимости.

Предполагают, что многие звезды окружены планетами. Вследствие дальности расстояния пока еще не удается непосредственно увидеть планеты около других звезд даже в самые мощные телескопы. Для их обнаружения необходимы тонкие методы исследования, тщательные наблюдения в течение десятков лет и сложные расчеты.

Около некоторых ближайших звезд уже обнаружены невидимые спутники малой массы. Их вычислили по еле заметным движениям звезд под действием притяжения их невидимым спутником. Пока еще с достоверностью не установлено, являются ли эти спутники планетами или же крайне слабо светящимися маленькими звездами. Однако есть все основания предполагать, что наша планетная система не является исключительным явлением в мировом пространстве. На планетах, окружающих другие звезды, также вероятно существование жизни, и Земля не представляет в этом отношении исключения.

В результате астрономических исследований для множества звезд точно определены положение на небе, их звездная величина, а также другие характеристики. По имеющимся сведениям составлены звездные каталоги, в которые занесено около миллиона звезд. По установленным положениям звезд на небе составляются карты звездного неба. Известно, что звезд ярче 21-й звездной величины около 2 млрд. Одна из них – Солнце.

Солнце по всем признакам является рядовой звездой. Полагают, что возраст Солнца – 4–5 млрд лет. Ближайшие к Солнцу звезды – α-Центавра и Сириус. Скорость движения Солнца вокруг оси Галактики – 250 км/с. Расстояние от Земли до Солнца 8,3 световой минуты или 149,6 млн км. Диаметр Солнца оценивается в 1,4 млн км. Масса Солнца в 333 тыс. раз больше массы Земли, а его объем больше земного в 1 млн 304 тыс. раз. Средняя плотность Солнца выше плотности воды в 1,4 раза. Но плотность вещества распределена неравномерно: внутри Солнца она чрезвычайно высокая, а снаружи – крайне низкая, в сотни раз меньшая, чем воздух.

На основании проведенных исследований сделаны выводы о строении Солнца. Полагают, что Солнце состоит из нескольких слоев – внутренних и внешних. К внутренним слоям относятся ядро, область лучистого переноса энергии и конвективная зона. Внешние слои образует атмосфера.

Ядро находится в центре Солнца. Его радиус составляет 1/3 солнечного радиуса. В ядре сосредоточена большая часть вещества Солнца. Температура вещества в центре Солнца превышает 10 млн К. В условиях сверхдавления и сверхвысокой температуры вещество ядра ионизировано, то есть представляет собой плазму. Частицы плазмы находятся в постоянном движении, скорость которого огромна. Поэтому между частицами непрерывно происходят ядерные реакции, в результате которых из атомов водорода образуются атомы гелия и выделяется большое количество энергии. Например:

1Н^2 + 1Н^1 = 2Не^3

2_2Не^3 = 2Не^4 + 2_1Н^1 + энергия.

Водородные ядерные реакции – источник солнечной энергии. За время своего существования Солнце не израсходовало еще и половины запасов водородного ядерного топлива. В течение почти всего этого времени излучение Солнца почти такое же, как и теперь. Так оно и будет светить миллиарды лет, пока в недрах Солнца весь водород не превратится в гелий.

Область лучистого переноса энергии следует за ядром. Полагают, что ее толщина примерно равна радиусу ядра. Здесь в результате поглощения квантов, их дробления и переизлучения энергия переносится наружу.

Выше находится конвективная зона толщиной примерно 200 тыс. км. Температура в конвективной зоне уже значительно ниже. Конвективная зона не может полностью передать огромное количество энергии, поэтому систематически ядерное вещество прорывается в наружные слои таким образом, что конвекция на Солнце напоминает кипение воды. Эта зона переходит во внешние слои Солнца – атмосферу. Солнечная атмосфера также состоит из нескольких слоев: фотосферы, хромосферы и короны.

Фотосфера – самый глубокий и тонкий слой атмосферы. Здесь возникает подавляющее количество световых и тепловых лучей, посылаемых в пространство. Толщина фотосферы 200–300 км, ее температура оценивается в 6000 К. За фотосферой следует хромосфера – слой раскаленных газов толщиной 10–20 тыс. км. Поскольку в верхних слоях солнечной атмосферы световая энергия в значительной степени переходит в тепловую, температура хромосферы значительно выше температуры фотосферы и оценивается в десятки тысяч кельвинов.

Корона – внешняя часть атмосферы Солнца. Температура в этой части Солнца – более 1 млн К. В короне плазма очень сильно разрежена, плотность ее в миллиарды раз меньше плотности воздуха. Поэтому корона еще прозрачнее, чем хромосфера, и количество излучаемого ею света очень мало. Яркость короны в миллионы раз меньше яркости фотосферы. Температура по мере удаления от поверхности Солнца уменьшается.

Солнечная корона имеет огромные размеры – более 200 радиусов Солнца – и достигает орбиты Марса. Таким образом, Земля оказывается, образно говоря, погруженной в солнечную корону. В этой связи на Землю постоянно воздействует так называемый солнечный ветер – поток заряженных частиц, испускаемых Солнцем. При соприкосновении с атмосферой Земли он отклоняется верхними ее слоями – ионосферой. Xотя внешние слои солнечной атмосферы имеют температуру более 1 млн К, их излучение составляет ничтожную долю от общей энергии, испускаемой Солнцем. Почти вся энергия исходит от фотосферы, имеющей температуру около 6000 К.

Изучение температуры в различных частях Солнца производится радиоастрономическими методами. Установлено, что чем выше температура тела, тем более интенсивно оно излучает радиоволны. Доходящее до нас радиоизлучение Солнца возникает не в фотосфере, а в его короне.

Периодически, с циклом в среднем около 11 лет, в солнечной атмосфере появляются активные области, число которых регулярно меняется. О возникновении активной области свидетельствуют солнечные пятна, наблюдаемые в фотосфере. Температура пятна примерно на 1000 К ниже температуры окружающей фотосферы. В активной области часто наблюдаются вспышки, яркость которых высока. В результате вспышек образуются направленные потоки очень быстрых заряженных частиц и космических лучей. Достигая Земли, этот поток вызывает заметные неправильные изменения магнитного поля Земли – так называемые магнитные бури. Причина периодичности солнечной активности пока неясна. Предполагают, что строение Солнца и процессы, происходящие в нем, могут быть типичными и для многих других звезд.

6.4. Солнечная система

В настоящее время проблема происхождения Солнечной системы остается открытой.

Гипотезы ее возникновения следующие:

♦ Планеты Солнечной системы сформировались путем объединения твердых, холодных тел и частиц, входящих в состав туманности, которая когда-то окружала Солнце.

♦ Спутники планет образовались из роя частиц, окружавших планеты.

Орбиты всех планет являются почти круговыми и лежат в одной плоскости, совпадающей с экваториальной плоскостью Солнца. Общая масса всех планет Солнечной системы составляет всего 2 % от массы Солнца.

Теории происхождения Солнечной системы

Небулярная гипотеза Канта—Лапласа. Согласно естественнонаучным взглядам философа И. Канта, орбитальное движение планет возникло «после нецентрального удара частиц как механизма возникновения первичной туманности» (ошибочное предположение, так как движение могло начаться только при косом ударе туманностей). Он считал причинами, противодействующими стремлению к «равновесию», химические процессы внутри Земли, которые зависят от космических сил и проявляются в виде землетрясений и вулканической деятельности (1755 г.).

П. Лаплас – французский ученый-физик, разделяя взгляды Канта в этот же период, исходил из предположения о горячей медленно вращающейся туманности, которая по мере охлаждения сжималась. По закону сохранения момента импульса, при этом росла скорость вращения, и центробежные силы отрывали от нее кольца. Материя в этих кольцах сжималась под действием тяготения, формируя компактные тела.

Приливная, или планетозимальная, гипотеза. В XX в. американские астрофизики Т. Чемберлен и Ф. Мультон рассмотрели идею встречи Солнца со звездой, вызвавшей приливной выброс солнечного вещества (1906 г.), из которого и образовались планеты.

С. Аррениус – американский астрофизик, допустил и прямое столкновение Солнца со звездой (1913 г.). Предполагается, что в результате появилось некое волокно, распавшееся при вращении на части – основу планет.

Еще один американский астрофизик – Дж. Джинс – предположил (1916 г.), что какая-то звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала «приливные выступы», принявшие форму газовых струй, из которых и возникли планеты.

Гипотеза захвата Солнцем межзвездного газа. Ее предположил шведский астрофизик X. Альфен (1942 г.). Атомы газа ионизировались при падении на Солнце и стали двигаться по орбитам в его магнитном поле, поступая в определенные участки экваториальной плоскости.

Академик-астрофизик В. Г. Фесенков (1944 г.) предположил, что образование планет связано с переходом от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому.

Астроном и математик Дж. Дарвин и математик А. М. Ляпунов (40-е г. XX в.) рассчитали независимо друг от друга фигуры равновесия вращающейся жидкой несжимаемой массы.

Согласно взглядам О. Струве – английского астрофизика (40-е гг. XX в.), быстро вращающиеся звезды могут выбрасывать вещество в плоскости своих экваторов. В результате этого образуются газовые кольца и оболочки, а звезда теряет массу и момент количества движения.

Кометная гипотеза происхождения планет Солнечной системы. Эту популярную ныне гипотезу предложил А. А. Маркушевич (1992 г.). Сводится она к следующему. В газопылевой туманности, имеющей вид дискообразного вращающегося облака и состоящей из мелких пылевидных железосиликатных частиц и газов – воды и водорода, при понижении температуры газы намерзали на пылинки, увеличивая их размер. Возникал состав, свойственный составу комет. Частицы сталкивались между собой, большие по объему концентрировались в центре туманности, а меньшие оттеснялись на периферию, дав начало планетам. Шло укрепление и разрастание образующихся тел – астероидов, комет, планет. При образовании планет происходила аккреция (стяжение кометной массы), выделялась теплота, которая разогревала центр сгустка до расплавленного состояния и расслаивала водородную оболочку и железосиликатное ядро, которое позже расслоилось на железоникелевое ядро и силикатную оболочку, не позволявшую рассеиваться теплоте в космическом пространстве. Так планеты приобрели почти сферическую форму. По своим физическим характеристикам планеты Солнечной системы делятся на две группы: планеты земной группы и газовые (или планеты-гиганты).

Планеты Солнечной системы (земная группа). Крупнейшими после Солнца объектами Солнечной системы являются планеты и их спутники. Общая масса планет составляет 448 масс Земли, а спутников – 0,12 массы Земли. Суммарная масса планет и спутников составляет лишь 1/750 часть массы Солнца. Планеты Солнечной системы достаточно сильно отличаются друг от друга.

Ближайшие к Солнцу планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс – называются твердыми планетами, поскольку имеют плотность, в 4–5 раз превышающую плотность воды, и твердую поверхность. Плутон представляет собой несформировавшуюся твердую планету, по своим характеристикам напоминающую планеты первой группы. Кроме того, у Плутона есть спутник Xарон, лишь в два раза меньший Плутона. Наконец, существуют предположения о большой десятой темной планете.

Каждую из планет можно охарактеризовать по девяти основным параметрам. Это расстояние от Солнца, период обращения вокруг Солнца, период обращения вокруг своей оси, средняя плотность (г/см^3), диаметр экватора в километрах, относительная масса (масса Земли принимается за единицу), температура поверхности, число спутников, преобладание газа в атмосфере.

Ближайшей к Солнцу планетой является Меркурий. Он состоит из большого железного ядра, расплавленной каменистой мантии и твердой коры. По внешнему виду Меркурий напоминает Луну. Его поверхность испещрена кратерами и огромными уступами (высотой до 3 км), сформировавшимися в результате остывания и сжатия поверхности планеты. Сила тяжести на Меркурии в два раза меньше земной, поэтому атмосфера практически отсутствует. На планете царят безмолвие и экстремальные температуры – до 350 °C на освещенной Солнцем стороне планеты и до -170 °C на ночной стороне.

Венера по размерам, массе и плотности сходна с Землей. Однако она имеет очень плотную атмосферу, пропускающую солнечное излучение и не выпускающую его обратно. Поэтому на Венере действует парниковый эффект, который сейчас отмечается и на Земле. В результате этого эффекта температура поверхности Венеры составляет 400500 °C. Поверхность Венеры сияет так ярко, что Венера занимает третье место по яркости (после Солнца и Луны) среди всех видимых с Земли объектов.

Ближайшее к Земле небесное тело – ее спутник Луна. Луна имеет небольшое ядро из железа и серы, окруженное полурасплавленной астеносферой. Над астеносферой расположена литосфера (твердая каменная оболочка), и над ней – кора из минералов, богатых кальцием и алюминием. Поверхность Луны изрыта кратерами, имеет огромные равнины (моря) и горы.

Планеты Солнечной системы (газовые). Вторая четверка планет (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) – газообразные, большие, с плотностью 0,7–1,7 г/см^3 (то есть чуть меньше или чуть больше плотности воды). Юпитер является крупнейшей планетой Солнечной системы. Вместе со своими 16 спутниками он составляет Солнечную систему в миниатюре. Масса Юпитера в три раза превосходит массу всех остальных планет Солнечной системы.

В центре Юпитера находится небольшое каменное ядро. Его окружает вначале слой металлического водорода, по свойствам напоминающего жидкий металл, затем слой жидкого водорода. Плотная атмосфера Юпитера состоит из водорода, гелия, метана и аммиака и по толщине в 8-10 раз превосходит земную атмосферу. Если попытаться высадиться на Юпитер, то космический аппарат будет долго тонуть в атмосфере, однако посадки так и не произойдет. Из 16 спутников Юпитера наиболее известны четыре, открытые еще Галилеем. Это Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Ио по размерам чуть больше Луны. Мощные приливные силы Юпитера разогревают ядро Ио, и на этом спутнике идет активная вулканическая деятельность.

Сатурн известен своими кольцами. В начале 1980-х гг. с помощью космического зонда «Вояджер» было выяснено, что кольца Сатурна состоят из огромного количества кусков льда различного размера – от пылинок до глыб. Помимо колец у Сатурна есть 17 спутников, из которых Титан имеет самую плотную атмосферу. У Сатурна самая низкая плотность среди планет Солнечной системы. Его небольшое ядро из льда и камня окружено слоями металлического и жидкого водорода. В атмосфере Сатурна бушуют ветры, скорость которых достигает 1800 км/ч. Уран, Нептун и Плутон удалены настолько, что достоверной информации об их составе не удавалось получить до 1986 г. В 1986 г. космический зонд «Вояджер-2» передал фотографии Урана и Нептуна, по которым были установлены состав атмосферы и наличие вихрей, а также обнаружены спутники этих планет.

Кометы, астероиды, метеорное вещество. Помимо 9 крупных спутников (планет) Солнце имеет множество мелких спутников, называемых астероидами. Большинство из них находится в поясе астероидов, между орбитами Марса и Юпитера. Есть также группа астероидов (Троянцы и Греки), движущаяся вдоль орбиты Юпитера, и другие группы. Всего в астрономических каталогах зафиксировано более 6000 малых планет.

Помимо астероидов, движущихся по орбитам, подобным орбитам планет, Солнечную систему пересекают кометы. Орбиты комет одним краем приближены к Солнцу, другим удалены от него, иногда на очень значительные расстояния. Например, удаленный край орбиты кометы Энке с периодом обращения 3,3 года не достигает орбиты Юпитера. Орбита кометы Галлея с периодом обращения 76 лет не достигает орбиты Плутона. Орбита кометы Когоутека с периодом обращения 75 000 лет выходит далеко за пределы орбиты Плутона.

По современным гипотезам, кометы представляют собой огромные глыбы из льда и камня, которые испаряются при подходе к Солнцу и образуют газовый и пылевой хвосты, направленные от Солнца. Со временем кометы рассыпаются, оставляя после себя облака пыли. Ежегодно в августе Земля проходит через полосу пыли, оставшуюся от кометы Свифта-Тутля, и в эти периоды можно наблюдать метеоритные дожди, называемые Персеидами. Землю ежесекундно бомбардируют тысячи метеоритов – обломков космических тел. Однако большинство из них сгорает в атмосфере, не достигая поверхности Земли. Крупные метеориты могут взрываться, оставляя кратеры на земной поверхности.

Вопросы для самопроверки

1. Что изучают астрономия, космология, космогония?

2. Какие единицы измерения расстояний используются в астрономии?

3. В чем сущность космологической модели расширяющейся Вселенной?

4. Как, предположительно, произошел Большой Взрыв Вселенной?

5. Каково среднее расстояние между галактиками?

6. Что такое квазары?

7. Как классифицируются галактики? Каково строение нашей Галактики?

8. Каков химический состав звезди каким образом он определяется?

9. Как характеризуется интенсивность блеска звезд?

10. На какие виды классифицируются звезды?

11. Каково строение Солнца?

12. Какие процессы являются источником солнечной энергии?

13. Охарактеризуйте гипотезы возникновения Солнечной системы.

14. Дайте общую характеристику планетам Солнечной системы.

Глава 7

ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ

7.1. Форма и размеры Земли

Земля является объектом изучения многих наук: от геологии и тектоники до философии и культуры. В совокупности этих наук выделяются отраслевые науки, изучающие отдельные части вертикальной и горизонтальной структуры Земли, и системные науки, синтезирующие всю совокупность знаний о Земле для решения теоретических или прикладных проблем.

Среди отраслевых наук особое развитие получили геология (наука о литосфере), гидрология (наука о гидросфере), климатология (наука об атмосфере), геофизика (наука, изучающая Землю как физическое тело), геохимия (наука, изучающая естественные химические процессы, протекающие в пределах Земли), геоморфология (наука, изучающая рельеф Земли), почвоведение (наука, изучающая почвы на поверхности Земли), биогеография (наука, изучающая распределение живого вещества на поверхности Земли).

К системным наукам относится география, синтезирующая знания отраслевых наук применительно к поверхности Земли. При этом физическая география изучает естественные природные комплексы, формирующиеся на поверхности Земли в результате взаимодействия биотических и абиотических факторов, а социально-экономическая география изучает социально-экономические комплексы, формирующиеся на поверхности Земли в результате освоения человеком ее территорий.

В IV в. до н. э. древнегреческий ученый Аристотель заметил, что тень от Земли на Луне, наблюдаемая во время лунных затмений, всегда имеет одинаковую круглую форму. Он предположил, что Земля, как Луна и Солнце, является шарообразным телом. Это наблюдение было очень важным для развития человеческой мысли.

Но Земля – не идеальный шар, она сплюснута у полюсов и расширена к экватору. Такое геометрическое тело называется сфероидом, или эллипсоидом вращения. Однако истинная форма Земли сложнее из-за неоднородного строения недр. Известный ученый В. И. Вернадский назвал такую форму геоид(«землеподобный»). Геоид – это фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести. Поверхность геоида совпадает с уровнем Мирового океана и сообщающихся с ним морей при некотором среднем уровне воды, отсутствии течений, волн, приливов и др.

В настоящее время с помощью космических методов исследования ученые с достаточной степенью точности могут составить модель поверхности Земли, которую по форме иногда сравнивают с обкусанным яблоком, подчеркивая при этом неоднородность ее поверхности.

Полярный радиус Земли составляет 6357 км, а экваториальный – 6378 км, то есть больше полярного на 21 км (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Форма и размеры Земли

► Земная ось – это воображаемая прямая, проходящая через центр Земли. Две точки, через которые проходит ось Земли, называются полюсами. Их два – Северный и Южный.

На одинаковом расстоянии от полюсов проходит воображаемая линия – экватор. К северу от экватора – Северное полушарие, к югу – Южное. Длина экватора составляет немногим более 40 000 км.

7.2. Космические ритмы

Жизнь природы и человека подчинена космическим ритмам. В основе смены дня и ночи, лета и зимы, хороших и плохих лет лежат космические процессы, связанные с движением космических тел относительно друг друга.

Так, смена дня и ночи обусловлена вращением Земли вокруг своей оси, месячный и недельный ритмы обусловлены обращением Луны вокруг Земли, чередование сезонов года связано с обращением Земли вокруг Солнца (приближением и удалением от Солнца), чередование хороших и плохих лет – с солнечной активностью.

С солнечной активностью связывают три вида ритмов: 11-летний ритм, 22-23-летний ритм, 80-90-летний ритм. Обращение Земли вместе со всей Солнечной системой вокруг центра Галактики за 220–250 млн лет определяет геологическую ритмику, то есть смену геологических эпох.

Поскольку существуют еще гравитационные связи между планетами, движение комет и многие другие взаимодействия, количество космических ритмов может быть весьма значительным. Ясно, что все они так или иначе оказывают воздействие на неживую природу, живую природу и человека.

Наиболее очевидным ритмом является смена дня и ночи. Животный и растительный миры обязаны приспосабливаться к этому ритму для успешной жизнедеятельности.

Люди, наблюдая за Солнцем, заметили, что через определенное время повторяется восходи заход Солнца.

► Промежуток времени между двумя восходами (или заходами) называется сутками.

Солнце постоянно освещает Землю, однако во время своего движения Земля поворачивается к Солнцу то одной стороной, то другой. На освещенной Солнцем стороне бывает день, на противоположной – в это время ночь.

Земля совершает полный оборот вокруг своей оси с запада на восток за 24 часа, то есть за сутки. В разных местах земного шара, расположенных на разных меридианах, то есть имеющих разную долготу, в один и тот же момент часы показывают разное время суток. Но на одном и том же меридиане в каждой его точке от Северного полюса до Южного время суток оказывается одним и тем же. Это время называется местным.

Но пользоваться местным временем неудобно, это мешает при осуществлении связей между разными странами и между частями нашей огромной по протяженности с запада на восток страны. Поэтому астрономы разработали и предложили ввести систему поясного времени. Для удобства отсчета времени решением Международного конгресса поверхность Земли разделили меридианами на 24 часовых пояса, каждый из них включает в себя 15° долготы (Земля за 1 час поворачивается на 15°). Время каждого часового пояса отличается от последующего на 1 час. Нумерация поясов от 0 до 23 ведется с запада на восток от Гринвичского меридиана. Во всех пунктах, находящихся в пределах одного пояса, в данный момент считается одно и то же время. Москва находится во 2-м часовом поясе.

Во многих странах мира осуществляется переход на декретное время (от лат. decretum – указ, постановление) – поясное время, переведенное вперед или назад на 1 час с целью наиболее рационального использования светлой части суток (летнее или зимнее время). В России поясное время отличается от декретного на 1 час. Поэтому Москва, находясь во 2-м часовом поясе, практически живет по времени 3-го часового пояса. Таким образом, когда в Москве 13 часов (московское время), то в Париже – 11 часов (среднеевропейское время), в Лондоне – 10 часов (Гринвичское время) (рис. 7.2).

Скорость движения планет вокруг Солнца зависит в первую очередь от положения их орбит. Чем дальше находится планета от Солнца, тем больше ее орбита, тем длиннее ее год. Например, год на Юпитере продолжается почти 12 земных лет, на Сатурне – почти 30. Самая далекая планета Солнечной системы Плутон делает один оборот вокруг Солнца за 248 земных лет. Земля – третья по счету планета в Солнечной системе. Она совершает один оборот вокруг Солнца за 365 дней 6 часов 9 минут и 9 секунд. Для удобства считают, что в году 365 дней, а через каждые четыре года, когда из шести часов «накопятся» 24 часа, в году бывает 366 дней. Этот год называется високосным, а один день прибавляется к февралю.

Путь Земли вокруг Солнца – земная орбита – имеет форму эллипса. Среднее расстояние от Земли до Солнца 149,6 млн км. Ось вращения Земли наклонена к плоскости земной орбиты подуглом 66,5°.

Рис. 7.2. Часовые пояса Земли

Благодаря обращению Земли вокруг Солнца и постоянному наклону земной оси на нашей планете сменяются времена года и существуют пояса освещенности. Наблюдения показывают, что в нашу эпоху положение планеты в Солнечной системе практически не менялось и земной год– величина достаточно постоянная.

Смена времен года. На рис. 7.3 показано годовое движение Земли вокруг Солнца в разное время года. Летом Северное полушарие как бы повернуто к Солнцу, а зимой – наоборот. 23 сентября и 21 марта – дни осеннего и весеннего равноденствия, когда Солнце одинаково освещает оба полушария Земли. В этот день и в Северном и в Южном полушарии день равен ночи. 22 декабря – день зимнего солнцестояния: самый короткий день и самая длинная ночь в Северном полушарии. Земля обращена к Солнцу своим Южным полушарием. Там лето. У нас зима.

Рис. 7.3. Схема годового движения Земли вокруг Солнца

► Тропики (от греч. tropikos – круг поворота) – географические параллели 23°27 широты, на которых один раз в год, в один из дней солнцестояния, полуденное солнце бывает в зените.

22 декабря, в день зимнего солнцестояния, Солнце находится в полдень в зените для мест, лежащих в Южном тропике (тропик Козерога).

22 июня – день летнего солнцестояния, когда самый длинный день и самая короткая ночь в Северном полушарии. В этот день Солнце в зените наблюдают жители мест, расположенных в Северном тропике (тропик Рака). В Южном полушарии в это время зима, в Северном – лето.

► Полярные круги – географические параллели 66°33 широты, на которых в один из дней солнцестояния наблюдается полярный день, а в другой – полярная ночь. Они являются границами зон полярных ночей и полярных дней.

Полярная ночь может длиться в полярных поясах от 1 суток на широте Северного или Южного полярных кругов до 178 суток на Северном или Южном полюсах. Во время полярной ночи Солнце не появляется над горизонтом. В Северном полушарии на широте Северного полярного круга этот период начинается 22 декабря, а в более высоких широтах – раньше и длится дольше.

Полярный день – это период, когда Солнце не спускается за горизонт. Чем дальше от Полярного круга к полюсу, тем длиннее полярный день. На широте Полярного круга он длится 1 сутки, а на полюсе – 189 суток. В Северном полушарии на широте Северного полярного круга полярный день начинается 22 июня, а в более высоких широтах – раньше и длится дольше.

Аналогичное явление имеет место в Южном полушарии, но в другое полугодие.

Календарные системы. На основе космической ритмики созданы различные календарные системы. Известны византийский и иудейский календари, ведущие отсчет от мифического сотворения мира (01.09.5508 г. до н. э.), древнегреческий (начало отсчета – первые Олимпийские игры – 01.07.776 г. до н. э.), христианский (от даты рождения Христа – 01.01.01 г. н. э.), мусульманский (бегство Мухаммеда из Мекки – 16.07.622 г. н. э.).

Древнеегипетский календарь (солнечный) базировался на нескольких космических и природных ритмах. Так, главный цикл (продолжительностью 1460 лет) начинался с восхода звезды Сириус. Год состоял из 12 месяцев по 30 дней, 5 дней прибавлялись к последнему месяцу в конце каждого года. 12 месяцев распределялись по трем сезонам: сезону половодья (реки Нил), длившемуся с середины июля до середины ноября; сезону восходов (с середины ноября до середины марта); сезону засухи.

В настоящее время во всех цивилизованных странах используется григорианский календарь. Это солнечный календарь, разработанный врачом и математиком Л. Лилио и введенный папой римским Григорием XIII в 1582 г. Средняя продолжительность года в этом календаре – 365,2425 суток, что дает ошибку в одни сутки за 3300 лет. С 5 октября 1582 года (с 15 октября по григорианскому календарю) расхождение между старым (юлианским) и новым стилем составляло 10 суток, а с марта 1900 г. – уже 13 суток. В России григорианский календарь введен 1 февраля 1918 г. (14 февраля по григорианскому календарю).

Во многих мусульманских странах принят лунный календарь, базирующийся на смене фаз Луны, – новолуние; нарождающаяся Луна (серп повернут рожками влево); неполная Луна; полнолуние; снова неполная Луна; убывающая Луна (серп повернут рожками вправо). Период между двумя новолуниями (29,5 суток) – лунный месяц. В календарном месяце лунного календаря чередуются 29 и 30 дней. 12 календарных месяцев составляют лунный год продолжительностью 354 суток, то есть короче солнечного на 11 суток. Начало лунного года отодвигается на все более ранние даты солнечного календаря.

7.3. Зональные комплексы

На поверхности Земли можно выделить 11 зональных комплексов с границами, приблизительно параллельными экватору.

На формирование зон влияют три основные причины: положение Земли по отношению к Солнцу, особенности перераспределения тепла и влаги по поверхности Земли с воздушными и океаническими течениями и конфигурация океанов и континентов.

Неравномерная освещенность земной поверхности солнечными лучами является главной причиной образования зон. Она зависит от угла падения солнечных лучей и длительности освещения территории. Таким образом, глобальная система работает как тепловая машина, принимая солнечное излучение, преобразуя его в тепло и перераспределяя тепло по всей поверхности Земли. Поскольку Земля вращается не только вокруг Солнца, но и вокруг своей оси, потоки воздуха в тропосфере и океанические течения приобретают момент вращения и формируют вертикальные (перпендикулярные поверхности Земли) и горизонтальные (параллельные поверхности Земли) круговороты.

На формирование зон влияет также конфигурация континентов и океанов. В океанах зоны размещены более равномерно, поскольку вода выступает как достаточно однородная субстанция, выравнивающая температурные различия. На континентах границы зон зависят от рельефа местности и удаленности участков от океанов. Например, в горных районах отмечается так называемая вертикальная зональность, распространяющаяся и на примыкающие территории (как в Северной и Южной Америке), а значительное удаление участков от океанов приводит к увеличению внутрисуточных и межсезонных температурных контрастов (усиление «континентального» климата).

Помимо распределения тепла огромное значение для живой природы и человека имеет распределение влаги. Оно подчиняется тем же зональным закономерностям, однако имеет свои причины и особенности.

Насыщение воздуха водяным паром происходит в жарком поясе (экватор и тропики) над водной поверхностью. Однако выпадение осадков, обеспечивающих главный источник влаги для флоры и фауны, зависит от условий конденсации водяного пара. Эти условия существуют при восходящих потоках насыщенного водяными парами теплого воздуха, остывающего при подъеме (условия экватора, наветренных склонов гор, атмосферных фронтов в умеренных широтах и др.). Общим правилом является обильное выпадение осадков в районах с низким атмосферным давлением (восходящие потоки воздуха) и небольшое количество осадков в районе с высоким давлением.

7.4. Комплексные природные зоны

Наложение природных поясов друг на друга и приводит к формированию комплексных природных зон, отличающихся сочетанием температурных условий (жаркий, умеренный, холодный) и влажности, или климатических зон. В том случае, когда количество осадков превышает их испарение, формируется гумидная (влажная) зона. Когда количество осадков примерно равно испарению, формируется равновесная зона, и, наконец, в случае превышения испарения над осадками формируется аридная (сухая) зона.

От экватору к полюсу они идут в следующем порядке.

1. Тропический пояс лежит между тропиками, по обе стороны от экватора, и занимает около 40 % земной поверхности (в этом поясе Солнце по одному разу в год (в дни солнцестояния) бывает в зените над каждым из тропиков).

1) жаркая влажная зона (избыток тепла и влаги) – от 0° до10° с. ш. ию.ш.;

2) жаркая равновесная зона (избыток тепла, равновесие влаги) – от 10° до20° с. ш. и ю. ш.;

3) жаркая аридная зона (избыток тепла, дефицит влаги) – от 20° до40° с. ш. ию.ш.

2. Два умеренных пояса (Северный и Южный) расположены между тропиками и полярными кругами. Солнце в них никогда не бывает в зените. В течение суток обязательно происходит смена дня и ночи, причем продолжительность их зависит от широты и времени года. Четко выражены четыре времени года. Умеренные пояса занимают 52 % земной поверхности:

1) умеренная равновесная зона (равновесие тепла и влаги) – от 40° до50° с. ш. и ю. ш.;

2) умеренная гумидная зона (равновесие тепла, избыток влаги) – от 50° до70° с.ш. ию.ш.

3. Два полярных пояса (Северный и Южный) – к северу от Северного полярного круга и к югу от Южного полярного круга – характеризуются наличием полярных дней и ночей. Их площадь – 8 % земной поверхности:

полярная зона (нехватка тепла, избыток почвенной влаги и сухой воздух) – от 70° до90° с. ш. ию.ш.

Поскольку жаркая влажная зона распространяется по обе стороны от экватора, а остальные пять зон расположены симметрично в Северном и Южном полушариях, общее количество зональных структур составляет 11. К ним необходимо добавить горные районы, где зональность соответствует не только широтному положению территории, но и высоте гор, экспозиции склонов и наветренному (подветренному) положению склонов и хребтов. Необходимо отметить, что границы зон неустойчивы. В зависимости от изменения космических факторов, а также динамики подсистем неживой и живой природы распределение температур и влаги на поверхности Земли меняется и границы зон трансформируются. В далеком прошлом известны периоды, когда большую часть суши занимали влажные леса (350 млн лет назад) или обширные пустыни (280 млн лет назад). Даже в период существования человека на Земле (4 млн лет) границы зон резко изменялись в связи с крупными материковыми оледенениями. Изменения границ природных зон оказали прогрессивное влияние на древнего человека, который был вынужден приспосабливаться к изменениям климата и экосистем, использовать пещеры, огонь, шкуры, орудия труда, одомашнивать животных и растения и т. д.

В настоящее время на изменение границ влияют не только космические факторы или процессы в неживой природе, но главным образом хозяйственная деятельность общества. Так, потепление климата смещает границы всех зон к Северному и Южному полюсам, а вырубка лесов и сельскохозяйственное использование равновесной зоны приводит к расширению аридной зоны со скоростью до 24 км^2 в час, или 21 млн га в год. Результатом процесса опустынивания может стать расширение аридной зоны с 50 млн км^2 до 80 млн км^2, что составит 62 % всей суши, пригодной для существования общества.

7.5. Понятие о литосфере

Внутреннее строение Земли. Земля состоит из земной коры, мантии и ядра. Литосфера (от греч. lithos – камень и sphaire – шар) – это верхняя твердая оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии. Литосфера составляет в среднем от 70 до 250 км (рис. 7.4).

Земная кора – верхняя часть литосферы – не везде имеет одинаковую толщину. Различают два основных типа земной коры: материковый и океанический (рис. 7.5).

Под океанами нижняя граница земной коры уходит на глубину 510 км, под равнинами – на 35–45 км, а подгорными массивами – до 70 км.

Слои земной коры состоят из горных породи минералов.

Рис. 7.5. Строение земной коры материков и океанов (по В. М. Муратову)

► Минерал – природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, образующееся в результате физико-химических процессов в глубинах и на поверхности литосферы. Это составная часть горных пород (Земли и некоторых других планет), руд и метеоритов.

► Горная порола – природная совокупность минералов более или менее постоянного минералогического состава, образующая самостоятельное тело в земной коре.

По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические, метаморфические и осадочные. Магматические и метаморфические горные породы слагают 90 % объема земной коры, остальные 10 % приходятся на долю осадочных, которые занимают 75 % земной поверхности.

Магматические горные породы образуются в результате застывания магмы, поднимающейся из сильно разогретых глубин Земли. В случае, когда магма медленно остывает на большой глубине, образуются интрузивные (или глубинные) горные породы, имеющие кристаллическую структуру (гранит, селенит, дунит). При быстром остывании магмы, излившейся на поверхность, образуются эффузивные (или излившиеся) горные породы (базальт, андезит).

Осадочные горные породы, в отличие от магматических, образуются только на поверхности Земли и формируются под воздействием внешних сил. По происхождению выделяют неорганические (обломочные и хемогенные) и органические осадочные породы.

Обломочные горные породы образовались в результате выветривания, переотложения водой, льдом или ветром продуктов разрушения ранее возникших горных пород. К ним относятся песок, глина, валунный суглинок. Хемогенные горные породы формируются в результате осаждения из воды морей и озер растворенных в ней веществ. Пример такой породы – каменная соль.

Органические породы образуются в результате накопления останков животных и растений, как правило, на дне океанов, морей и озер. Такой породой является известняк (в частности, его разновидность – ракушечник), мел, а также горючие полезные ископаемые.

Как осадочные, так и магматические горные породы при погружении на большие глубины под влиянием повышенного давления и высоких температур подвергаются значительным изменениям – метаморфизму, превращаясь в метаморфические горные породы. Так, например, известняк преобразуется в мрамор, песчаник – в кварцит, гранит – в гнейс.

Мантия Земли. Подземной корой, ближе к центру Земли, располагается слой толщиной почти 3000 км, называемый мантией (см. рис. 7.5). Внутри мантии, на глубине 100–250 км под континентами и 50-100 км под океанами, находится слой повышенной пластичности вещества, так называемая астеносфера. Ученые предполагают, что мантия состоит из магния, железа и кремния и имеет очень высокую температуру – до 2000 °C.

Установлено, что температура горных пород с глубиной возрастает: в среднем на 1 °C на каждые 33 м в глубь Земли. Увеличение температуры происходит главным образом за счет распада радиоактивных элементов, входящих в состав земного ядра.

Ядро Земли – пока загадка для науки. С определенной достоверностью можно говорить лишь о его радиусе – 3500 км и температуре – около 4000 °C.

Многие ученые считают не случайным тот факт, что площадь поверхности ядра – 148,7 млн км^2– как бы уравновешивается площадью поверхности суши Земли – 149 млн км^2, создавая баланс ее внутренних и внешних сил.

7.6. Геологическое летосчисление

Геологические процессы длятся достаточно долго. Чтобы реально представлять масштабы времени, требующиеся для изменения лика Земли, нужно знать историю Земли с момента ее возникновения как планеты, то есть за 5 млрдлет.

Выделение различных этапов и периодов в жизни Земли основано на последовательности накопления осадочных горных пород. Если их залегание не нарушено, то каждый верхний слой моложе нижнего. Ученые разделили отложения на пять групп. Время, в течение которого накапливалась каждая группа пород, названо эрой. Название эры отражает относительное время: архейская (древнейшая), протерозойская (ранняя), палеозойская (древняя), мезозойская (средняя) и кайнозойская (новая). Последние три эры разделены на периоды, поскольку в отложениях этих времен остатки животных и растений сохранились лучше и в большем количестве. В каждой эре происходили события, оказавшие воздействие на современный рельеф. Это особые эпохи активизации горообразовательных процессов – складчатости.

Представленную международную геохронологическую шкалу следует читать снизу вверх (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Геохронологическая шкала

7.7. Рельефообразующие процессы

► Рельеф – это совокупность неровностей земной поверхности разного масштаба, называемых формами рельефа.

Рельеф формируется в результате воздействия на литосферу внутренних (эндогенных) и внешних (экзогенных) процессов.

Согласно современным представлениям, литосфера состоит из жестких подвижных плит, перемещающихся по пластичной мантии. Границы между плитами могут быть трех типов: океанические хребты (вдоль которых на поверхность поднимается вещество мантии и формируется новое морское дно), желоба (вдоль которых краевые части плит разрушаются, опускаясь в мантию) и трансформные разломы (образующиеся в результате скольжения одной плиты вдоль другой). Так, граница между Африканской и Американской плитами проходит по океаническому хребту, между Антарктической и Американской плитами – по жалобу, а между Тихоокеанской и Американской плитами – по трансформным разломам. Во второй половине XX в. развернулись обширные исследования дна Мирового океана, в результате которых появились совершенно новые представления о развитии океанов и материков, основанные на взглядах немецкого ученого первой половины XX в. А. Вегенера.

В основу новой теории литосферных плит положено представление, что вся литосфера разделена узкими активными зонами – глубинными разломами – на отдельные жесткие плиты, плавающие в пластичном слое верхней мантии.

Внутренние (эндогенные) процессы. Внутренние геологические процессы обусловливают различные тектонические движения, то есть вертикальные и горизонтальные перемещения отдельных участков земной коры. С ними связано образование наиболее значительных неровностей земной поверхности, ее непрерывное изменение. Источником внутренних процессов является тепло, образующееся при радиоактивном распаде элементов, входящих в состав ядра Земли.

Движение плит приводит к изменениям конфигурации материков и океанов и их положения на поверхности Земли. Предполагается, что 500–200 млн лет назад все материки были объединены в один, так называемую Пангею (в переводе с греческого «вся Земля»). В последующие 70 млн лет Пангея раскололась на два материка: Лавразию, включавшую Северную Америку и Евразию (без Индийского и Аравийского субконтинентов) и Гондвану (вся остальная суша). Последующее передвижение плит привело к сближению Северной и Южной Америки, разделению Австралии и Антарктиды, перемещению Аравийского и Индийского субконтинентов к Евразии, причем в зоне столкновения Евразии с последним возникли самые высокие горы на планете (Гималаи). В настоящее время существует шесть материков: Евразия (53,4 млн км^2), Африка (30,3 млн км^2), Северная Америка (24,2 млн км^2), Южная Америка (18,2 млн км^2), Австралия (7,7 млн км^2) и Антарктида (14 млн км^2).

По преобладающему направлению выделяют два типа тектонических движений: вертикальные и горизонтальные. Оба типа движений могут проходить как самостоятельно, так и во взаимосвязи друг с другом. Часто один тип движения порождает другой. Проявляются они не только в перемещении крупных блоков земной коры в вертикальном или горизонтальном направлениях, но и в образовании складчатых и разрывных нарушений разного масштаба.

Складки – волнообразные изгибы пластов земной коры, созданные совместным действием вертикальных и горизонтальных движений в земной коре. Складка, пласты которой выгнуты кверху, называется антиклинальной складкой, или антиклиналью. Складка, пласты которой прогнуты книзу, называется синклинальной складкой, или синклиналью. Синклинали и антиклинали – две основные формы складок. Небольшие и относительно простые по строению складки выражаются в рельефе невысокими компактными хребтами (например, Сунженский хребет северного склона Большого Кавказа).

Более крупные и сложные по строению складчатые структуры представлены в рельефе крупными горными хребтами и разделяющими их понижениями (Главный и Боковой хребты Большого Кавказа). Еще более крупные складчатые сооружения, состоящие из множества антиклиналей и синклиналей, образуют мегаформы рельефа типа горной страны, например горы Кавказа, Урала и т. д. Эти горы называют складчатыми.

Разрывные нарушения (разломы) – это различные нарушения сплошности горных пород, часто сопровождающиеся перемещением разорванных частей относительно друг друга. Простейшим видом разрывов являются единичные более или менее глубокие трещины. Наиболее крупные разрывные нарушения, распространяющиеся на значительную длину и ширину, называют глубинными разломами.

В зависимости от того, как перемещались разорванные блоки в вертикальном направлении, выделяют сбросы и надвиги (рис. 7.6).

Рис. 7.6. а – сброс; б – надвиг

Совокупности сбросов и надвигов составляют горсты и грабены (рис. 7.7).

Рис. 7.7. а – горст; б – грабен

В зависимости от размеров они образуют отдельные горные хребты (например, столовые горы в Европе) или горные системы и страны (например, Алтай, Тянь-Шань).

В этих горах наряду с грабенами и горстами встречаются и складчатые массивы, поэтому их следует относить к складчато-глыбовым горам.

В случае, когда перемещение блоков горных пород было не только в вертикальном направлении, но и в горизонтальном, образуются сдвиги.

В зонах раздвижения литосферных плит – зонах срединно-океанических хребтов – рождается новая океаническая земная кора. В зонах столкновения литосферных плит – зонах островных дуг и сопряженных с ними глубоководных желобов – происходит «подныривание» одной плиты (чаще с океанической земной корой) под другую (чаще с материковым или переходным типом земной коры). В результате такого «подныривания» край плиты прогибается и образуется глубоководный желоб. Ярким примером таких дуг являются Курильские и Японские острова, рядом с которыми располагаются соответствующие глубоководные желоба.

Границы литосферных плит как в местах их разрыва, так и в местах столкновения – это подвижные участки земной коры, на которых находится большинство действующих вулканов, где часты землетрясения. Эти участки, являющиеся областями новой складчатости, образуют сейсмические пояса Земли.

Чем дальше от границ подвижных участков к центру плиты, тем более устойчивыми становятся участки земной коры. Москва, например, находится в центре Евразийской плиты, и ее территория считается вполне устойчивой.

► Вулканизм– совокупность процессов и явлении, вызванных внедрением магмы в земную кору и излиянием ее на поверхность.

Из глубинных магматических очагов извергаются на землю лава, горячие газы, пары воды и обломки горных пород.

В зависимости от условий и путей проникновения магмы на поверхность различают три типа вулканических извержений.

Площадные извержения привели к образованию обширных лавовых плато. Наиболее крупные из них – это плато Декан на полуострове Индостан и Колумбийское плато.

Трещинные извержения происходят по трещинам иногда большой протяженности. В настоящее время вулканизм этого типа проявляется в Исландии и на дне океанов в районе срединных океанических хребтов.

Извержения центрального типа связаны с определенными участками, как правило, на пересечении двух разломов, и происходят по сравнительно узкому каналу, который называется жерлом. Это наиболее распространенный тип. Вулканы, образующиеся при таких извержениях, называются слоистыми, или стратовулканами. Они имеют вид конусообразной горы, на вершине которой находится чашеобразное углубление – кратер.

Примеры таких вулканов: Килиманджаро в Африке, Ключевская сопка, Фудзияма, Этна, Гекла в Евразии.

Тихоокеанское «огненное кольцо». Около двух третей вулканов Земли сосредоточено на островах и берегах Тихого океана. Самые мощные извержения вулканов и землетрясения имели место именно в этом регионе: Сан-Франциско (1906), Токио (1923), Чили (1960), Мехико (1985).

Остров Сахалин, полуостров Камчатка и Курильские острова, находящиеся на самом востоке нашей страны, – звенья этого кольца.

Всего на Камчатке насчитывается 130 потухших вулканов и 36 действующих. Самый большой вулкан – Ключевская сопка. На Курильских островах 39 вулканов. Для этих мест характерны разрушительные землетрясения, а для окружающих морей – моретрясения, тайфуны, вулканы и цунами.

Цунами в переводе с японского – «волна в бухте». Это волны гигантских размеров, порожденные извержениями подводных вулканов, землетрясением или моретрясением. В открытом океане они почти незаметны для судов. Но когда путь цунами преграждает материк и острова, волна обрушивается на сушу с высоты, достигающей 20 метров.

Горячие источники и гейзеры тоже связаны с вулканизмом. На Камчатке в знаменитой Долине гейзеров действует 22 крупных гейзера.

Землетрясения также являются проявлением эндогенных земных процессов и представляют собой внезапные подземные удары, сотрясения и смещения пластов и блоков земной коры.

На сейсмических станциях ученые исследуют эти грозные явления природы, пользуясь специальными приборами, ищут способы их предсказания. Один из таких приборов – сейсмограф – был изобретен в начале XX в. русским ученым Б. В. Голицыным. Название прибора произошло от греческих слов seismos – «колебание», grapho – «пишу». Оно отражает его назначение – записывать колебания Земли.

Землетрясения могут быть разной силы. Ученые договорились определять эту силу по международной 12-балльной шкале Меркалли и 9-балльной шкале Рихтера с учетом воздействия землетрясения на человека и степени повреждения зданий и изменений рельефа Земли (табл. 7.2).

Таблииа 7.2

Описание разрушений во время землетрясения и их соответствие баллам по шкалам Меркалли и Рихтера

Землетрясения сопровождаются подземными толчками, следующими один за другим. Место, где в недрах земной коры происходит толчок, носит название гипоцентра. Место на земной поверхности, расположенное над гипоцентром, называется эпицентром землетрясения.

Землетрясения вызывают образование трещин на земной поверхности, смещение, опускание или поднятие отдельных блоков, оползни; наносят ущерб хозяйству и приводят к гибели людей.

Внешние (экзогенные) процессы. На земную поверхность постоянно воздействуют и различные внешние силы. К ним относятся выветривание, действие ветра и перемещающая деятельность текучей воды.

Выветривание – это совокупность естественных процессов, приводящих к разрушению горных пород. Различают выветривание физическое, являющееся результатом неодинакового расширения и сжатия частиц породы при суточных и сезонных изменениях температуры, и химическое – под действием химических соединений (кислорода, солей, кислот, щелочей), содержащихся в природной среде (воде, почве, воздухе). Активное участие в выветривании принимают живые организмы, прежде всего растения с их развитой корневой системой.

Разрушенные и размельченные горные породы подвергаются сносу (денудации) и откладываются (аккумулируются) в понижениях рельефа, приводя к его выравниванию.

Действие текучей воды проявляется на земном шаре повсеместно: она приводит к общему понижению поверхности за счет смыва почвы и разрыхленных породи образует так называемые эрозионные формы рельефа (овраги, речные долины, балки). В других местах выносимый материал откладывается, образуя новые аккумулятивные формы рельефа (конусы выноса рек и ручьев).

Действие ветра выражается в перемещении рыхлых отложений и образовании специфических непрочных форм рельефа в тех местностях, где преобладают несвязанные рыхлые породы, то есть в каменистых или песчаных пустынях, на песчаных побережьях океанов и морей. К эоловым формам рельефа относятся барханы, дюны, причудливые выветренные скалы, сложенные непрочными горными породами.

Внутренние и внешние процессы находятся в постоянном взаимодействии, в результате чего и формируется рельеф земной поверхности.

7.8. Основные формы рельефа Земли

Материки и океаны – основные формы рельефа Земли. Их образование обусловлено тектоническими, космическими и планетарными процессами.

► Материк – это крупнеИшиИ массив земноИ коры, который имеет трехслойное строение. Большая часть его поверхности выступает над уровнем Мирового океана. В современную геологическую эпоху существует 6 материков: Евразия, Африка, Северная Америка, Южная Америка, Австралия, Антарктида.

► Мировой океан – непрерывная водная оболочка Земли, окружающая материки и обладающая общностью солевого состава. Мировой океан делится материками на 4 океана: ТихиИ, Атлантический, ИндиИскиИ и Северный Ледовитый.

Поверхность Земли составляет 510 млн. км^2. На долю суши приходится всего 29 % площади Земли. Все остальное – Мировой океан, то есть 71 %.

Горы и равнины, так же как материки и океаны, являются основными формами рельефа Земли. Горы образуются в результате тектонических поднятий, а равнины – в результате разрушения гор.

Равнины – обширные участки с относительно ровной поверхностью. Они различаются по высоте. Примером низменности (от 0 до 200 м над уровнем моря) может служить Амазонская низменность – самая большая на Земле, а также Индо-Гангская низменность. Бывает, что низменности располагаются ниже уровня моря, – это впадины. Прикаспийская низменность расположена на 28 м ниже уровня моря. Примером собственно равнины может служить крупнейшая Восточно-Европейская равнина.

На высотах 200–500 м над уровнем моря располагаются возвышенности. Например, Среднерусская, Приволжская, а выше 500 м – плоскогорья и нагорья. Крупнейшими из них являются Среднесибирское,

Бразильское, Декан, Гвианское, Восточно-Африканское, Большой Бассейн, Аравийское.

Горы – участки земной поверхности, значительно приподнятые над уровнем моря на высоту более 500 м и сильно расчлененные. Горы считаются низкими, если их высота – от 500 до 1000 м; средними – от 1000 до 2000 м и высокими – свыше 2000 м. Самая высокая горная вершина на Земле – гора Джомолунгма (Эверест) в Гималаях имеет высоту 8848 м. Определить высоту гор можно по физической карте, пользуясь шкалой высот.

Размеры форм рельефа отражают особенности их происхождения. Так, наиболее крупные формы рельефа – тектонические – образовались в результате преобладающего влияния внутренних сил Земли. Формы средних и мелких масштабов образовались при преимущественном участии внешних сил (эрозионные формы).

Горы различаются не только по высоте, но и по форме (табл. 7.3). Группа гор, вытянутых цепочкой, носит название горный хребет. Такую форму имеют, например, горы Кавказа.

Выделяют горные пояса, например Альпийско-Гималайский, и горные страны, например Памир.

Горы и равнины расположены как на материках, так и в океанах.

Таблииа 7.3

Классификация форм рельефа по их размерам

7.9. Минеральные ресурсы литосферы

Люди еще в древности научились применять для своих нужд некоторые из этих ресурсов, что нашло свое выражение в названиях исторических периодов развития человечества: «каменный век», «бронзовый век», «железный век». В наши дни используются более 200 различных видов минеральных ресурсов. По образному выражению академика А. Е. Ферсмана (1883–1945), ныне к ногам человечества сложена вся периодическая система Менделеева.

Полезные ископаемые – это минеральные образования земной коры, которые могут эффективно использоваться в хозяйстве, скопления полезных ископаемых образуют месторождения, а при больших площадях распространения – бассейны.

Распространение полезных ископаемых в земной коре подчиняется геологическим (тектоническим) закономерностям (табл. 7.4).

Топливные полезные ископаемые имеют осадочное происхождение и обычно сопутствуют чехлу древних платформ и их внутренним и краевым прогибам. Так что название «бассейн» отражает их происхождение довольно точно – «морской бассейн».

На земном шаре известно более 3,6 тыс. угольных бассейнов и месторождений, которые в совокупности занимают 15 % территории земной суши. Основная часть ресурсов угля приходится на Азию, Северную Америку и Европу и сконцентрирована в десяти крупнейших бассейнах Китая, США, России, Индии, Германии.

Нефтегазоносных бассейнов разведано более 600, разрабатывается 450. Общее число нефтяных месторождений достигает 35 тыс. Основные запасы находятся в Северном полушарии и являются отложениями мезозоя. Главная часть этих запасов также сконцентрирована в небольшом числе крупнейших бассейнов Саудовской Аравии, США, России, Ирана.

Рудные полезные ископаемые обычно приурочены к фундаментам (щитам) древних платформ, а также к складчатым областям. В таких областях они нередко образуют огромные по протяженности рудные (металлогенические) пояса, связанные своим происхождением с глубинными разломами в земной коре. Ресурсы геотермальной энергии особенно велики в странах и районах с повышенной сейсмической и вулканической активностью (Исландия, Италия, Новая Зеландия, Филиппины, Мексика, Камчатка и Северный Кавказ в России, Калифорния в США).

Для хозяйственного освоения наиболее выгодны территориальные сочетания (скопления) полезных ископаемых, которые облегчают комплексную переработку сырья.

Добыча минеральных ресурсов закрытым (шахтным) способом в мировых масштабах ведется в зарубежной Европе, Европейской части России, США, где многие месторождения и бассейны, находящиеся в верхних слоях земной коры, уже сильно выработаны.

Если полезные ископаемые залегают на глубине 20–30 м, выгоднее снять бульдозером верхний слой горной породы и вести добычу открытым способом. Открытым способом добывают, например, железную руду в районе Курска, уголь на некоторых месторождениях Сибири.

По запасам и добыче многих минеральных богатств Россия занимает одно из первых мест в мире (газ, уголь, нефть, железная руда, алмазы).

В табл. 7.4 показана зависимость между строением земной коры, рельефом и размещением полезных ископаемых.

Таблица 7.4

Залежи полезных ископаемых в зависимости от строения и возврата участка земной коры и форм рельефа

7.10. Гидросфера

Гидросфера (от греч. hydro – вода и sphaira – шар) – водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность океанов, морей и континентальных водных бассейнов – рек, озер, болот и др., подземных вод, ледников и снежных покровов.

Полагают, что водная оболочка Земли образовалась в раннем архее, то есть примерно 3800 млн лет назад. В этот период истории Земли на нашей планете установилась температура, при которой вода могла находиться в значительной мере в жидком агрегатном состоянии.

Вода как вещество обладает уникальными свойствами, к числу которых относятся следующие:

♦ способность к растворению очень многих веществ;

♦ высокая теплоемкость;

♦ нахождение в жидком состоянии в интервале температур от 0 до 100 °C;

♦ большая легкость воды в твердом состоянии (льда), нежели в жидком.

Уникальные свойства воды позволили ей играть важную роль в эволюционных процессах, происходящих в поверхностных слоях земной коры, в круговороте вещества в природе и являться условием возникновения и развития жизни на Земле. Вода начинает выполнять свои геологические и биологические функции в истории Земли после возникновения гидросферы.

Гидросферу составляют поверхностные воды и подземные воды. Поверхностные воды гидросферы покрывают 70,8 % земной поверхности. Их суммарный объем достигает 1370,3 млн км^3, что составляет 1/800 общего объема планеты, а масса оценивается в 1,4 ч 1018 т. К числу поверхностных вод, то есть вод, покрывающих сушу, относят Мировой океан, континентальные водные бассейны и материковые льды.

Мировой океан включает в себя все моря и океаны Земли.

Моря и океаны покрывают 3/4 поверхности суши, или 361,1 млн км^2. В Мировом океане сосредоточена основная масса поверхностных вод – 98 %. Мировой океан условно разделен на четыре океана: Атлантический, Тихий, Индийский и Северный Ледовитый. Полагают, что современный уровень океана установился около 7000 лет назад. По данным геологических исследований, колебания уровня океана за последние 200 млн лет не превышали 100 м.

Вода в Мировом океане соленая. Среднее содержание солей составляет около 3,5 % по массе, или 35 г/л. Их качественный состав следующий: из катионов преобладают Na+,Mg2+,K+,Ca2+, из анионов – Cl-,SO_42-,Br-,CO_32-,F-. Считается, что солевой состав Мирового океана остается постоянным с палеозойской эры – времени начала развития жизни на суше, то есть примерно в течение 400 млн лет.

Континентальные водные бассейны представляют собой реки, озера, болота, водохранилища. Их воды составляют 0,35 % от общей массы поверхностных вод гидросферы. Некоторые континентальные водоемы – озера – содержат соленую воду. Эти озера имеют либо вулканическое происхождение, либо представляют собой изолированные остатки древних морей, либо образованы в районе мощных отложений растворимых солей. Однако в основном континентальные водоемы пресные.

Пресная вода открытых водоемов также содержит растворимые соли, но в небольшом количестве. В зависимости от содержания растворенных солей пресную воду разделяют на мягкую и жесткую. Чем меньше в воде растворено солей, тем она мягче. Самая жесткая пресная вода содержит солей не более 0,005 % по массе, или 0,5 г/л.

Материковые льды составляют 1,65 % от общей массы поверхностных вод гидросферы, 99 % льда находится в Антарктиде и Гренландии. Общая масса снега и льда на Земле оценивается в 0,0004 % массы нашей планеты. Этого достаточно для того, чтобы покрыть всю поверхность планеты слоем льда толщиной 53 м. Согласно расчетам, если эта масса растает, то уровень океана поднимется на 64 м.

Химический состав поверхностных вод гидросферы приблизительно равен среднему составу морской воды. Из химических элементов по массе преобладают кислород (85,8 %) и водород (10,7 %). Поверхностные воды содержат значительное количество хлора (1,9 %) и натрия (1,1 %). Отмечается существенно более высокое, чем в земной коре, содержание серы и брома.

Подземные воды гидросферы содержат основной запас пресной воды. Предполагают, что суммарный объем подземных вод примерно 28,5 млрдкм^3. Это почти в 15 раз больше, чем в Мировом океане. Считают, что именно подземные воды являются основным резервуаром, пополняющим все поверхностные водоемы. Подземная гидросфера может быть разделена на пять зон.

Криозона. Область льдов. Зона охватывает полярные районы. Толщина ее оценивается в пределах 1 км.

Зона жидкой воды. Охватывает практически всю земную кору.

Зона парообразной воды ограничивается глубиной до 160 км. Полагают, что вода в этой зоне имеет температуру от 450 °Cдо700 °C и находится под давлением до 5 ГПа.[5]

Ниже, на глубинах до 270 км, располагается зона мономерных молекул воды. Она охватывает слои воды с диапазоном температур от 700 °C до 1000 °C и давлением до 10 ГПа.

Зона плотной воды простирается, предположительно, до глубин в 3000 км и опоясывает всю мантию Земли. Температуру воды в этой зоне оценивают в промежутке от 1000° до 4000 °C, а давление – до 120 ГПа. Вода при таких условиях полностью ионизирована.

Гидросфера Земли выполняет важные функции: она регулирует температуру планеты, обеспечивает круговорот веществ, является составной частью биосферы.

Непосредственное воздействие на регуляцию температуры поверхностных слоев Земли гидросфера оказывает благодаря одному из важных свойств воды – большой теплоемкости. По этой причине поверхностные воды аккумулируют солнечную энергию, а затем медленно ее отдают в окружающее пространство. Выравнивание температуры на поверхности Земли происходит исключительно благодаря круговороту воды. Кроме того, снег и лед имеют очень высокую отражающую способность: она превышает среднюю для земной поверхности на 30 %. Поэтому на полюсах разность между поглощенной и излученной энергией всегда отрицательна, то есть поглощенная поверхностью энергия меньше испущенной. Так происходит терморегуляция планеты.

Обеспечение круговорота веществ – другая важнейшая функция гидросферы.

Гидросфера находится в постоянном взаимодействии с атмосферой, земной корой и биосферой. Вода гидросферы растворяет в себе воздух, концентрируя при этом кислород, используемый в дальнейшем водными живыми организмами. Находящийся в воздухе углекислый газ, образующийся преимущественно в результате дыхания живых организмов, сжигания топлива и извержения вулканов, обладает высокой растворимостью в воде и аккумулируется в гидросфере. Гидросфера растворяет в себе также тяжелые инертные газы – ксенон и криптон, содержание которых в воде выше, чем в воздухе.

Воды гидросферы, испаряясь, поступают в атмосферу и выпадают в виде осадков, которые проникают в горные породы, разрушая их. Так вода участвует в процессах выветривания горных пород. Обломки горных пород сносятся текучими водами в реки, а затем в моря и океаны или в замкнутые континентальные водоемы и постепенно отлагаются на дне. Эти отложения впоследствии превращаются в осадочные горные породы.

Полагают, что главные катионы морской воды – катионы натрия, магния, калия, кальция – образовались в результате выветривания горных пород и последующего выноса продуктов выветривания реками в море. Важнейшие анионы морской воды – анионы хлора, брома, фтора, сульфат-ион и карбонат-ион, вероятно, происходят из атмосферы и связаны с вулканической деятельностью.

Часть растворимых солей систематически выводится из состава гидросферы посредством их осаждения. Например, при взаимодействии растворенных в воде карбонат-ионов с катионами кальция и магния образуются нерастворимые соли, которые опускаются на дно в виде карбонатных осадочных горных пород. В осаждении некоторых солей большую роль играют организмы, населяющие гидросферу. Они извлекают из морской воды отдельные катионы и анионы, концентрируя их в своих скелетах и раковинах в виде карбонатов, силикатов, фосфатов и других соединений. После смерти организмов их твердые оболочки накапливаются на морском дне и образуют мощные толщи известняков, фосфоритов и различных кремнистых пород. Подавляющая часть осадочных горных пород и такие ценные полезные ископаемые, как нефть, уголь, бокситы, разнообразные соли и т. д., образовались в прошлые геологические периоды в различных водоемах гидросферы. Установлено, что даже самые древние горные породы, абсолютный возраст которых достигает около 1,8 млрд лет, представляют собой сильно изменившиеся осадки, образованные в водной среде. Вода используется также в процессе фотосинтеза, в результате которого образуется органическое вещество и кислород.

В гидросфере примерно около 3500 млн лет назад зародилась жизнь на Земле. Эволюция организмов продолжалась исключительно в водной среде вплоть до начала палеозойской эры, когда примерно 400 млн лет назад началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. В этой связи гидросферу рассматривают как компонент биосферы (биосфера – сфера жизни, область обитания живых организмов).

Живые организмы распространены в гидросфере крайне неравномерно. Количество и многообразие живых организмов в отдельных участках поверхностных вод определяется многими причинами, в том числе комплексом факторов внешней среды: температурой, соленостью воды, освещенностью, давлением. С увеличением глубины ограничивающее действие освещенности и давления возрастает: количество поступающего света резко уменьшается, а давление, наоборот, становится очень высоким. Так, в морях и океанах заселены в основном литоральные зоны, то есть зоны не глубже 200 м, наиболее прогреваемые солнечными лучами.

Характеризуя функции гидросферы на нашей планете, В. И. Вернадский отмечал: «Вода определяет и создает всю биосферу. Она создает основные черты земной коры, вплоть до магматической оболочки».

7.11. Атмосфера

Атмосфера (от греч. atmos – пар, испарение и sphaira – шар) – оболочка Земли, состоящая из воздуха.

В состав воздуха входит ряд газов и взвешенные в них частицы твердых и жидких примесей – аэрозолей. Масса атмосферы оценивается в 5,157 × 10^15 т. Столб воздуха оказывает давление на поверхность Земли: среднее атмосферное давление на уровне моря – 1013,25 гПа, или 760 мм рт. ст. Давление величиной 760 мм рт. ст. приравнено к внесистемной единице давления – 1 атмосфере (1 атм.). Средняя температура воздуха у поверхности Земли – 15 °C, при этом температура изменяется примерно от 57 °C в субтропических пустынях до -89 °C в Антарктиде.

Атмосфера неоднородна. Различают следующие слои атмосферы: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу, которые отличаются по особенностям распределения температуры, плотности воздуха и некоторым другим параметрам. Участки атмосферы, занимающие промежуточное положение между этими слоями, соответственно называют тропопаузой, стратопаузой и мезопаузой.

Тропосфера – нижний слой атмосферы высотой от 8-10 км в полярных широтах и до 16–18 км в тропиках. Тропосфера характеризуется падением температуры воздуха с высотой—с удалением от поверхности Земли на каждый километр температура уменьшается примерно на 6 °C. Плотность воздуха быстро убывает. В тропосфере сосредоточено около 80 % всей массы атмосферы.

Стратосфера располагается на высотах в среднем от 10–15 км до 50–55 км от поверхности Земли. Стратосфера характеризуется повышением температуры с высотой. Возрастание температуры происходит по причине поглощения озоном, находящимся в этом слое атмосферы, коротковолновой радиации Солнца, прежде всего УФ (ультрафиолетовых) лучей. При этом в нижней части стратосферы до уровня около 20 км температура мало меняется с высотой и может даже незначительно уменьшаться. Выше температура начинает возрастать – сначала медленно, а с уровня 34–36 км намного быстрее. В верхней части стратосферы на высоте 50–55 км температура достигает 260270 К.

Мезосфера – слой атмосферы, расположенный на высотах 55–85 км. В мезосфере температура воздуха с увеличением высоты уменьшается – примерно с 270 К на нижней границе до 200 К на верхней границе.

Термосфера простирается на высотах примерно от 85 км до 250 км от поверхности Земли и характеризуется быстрым повышением температуры воздуха, достигающей на высоте 250 км 800-1200 К. Повышение температуры происходит вследствие поглощения этим слоем атмосферы корпускулярной и рентгеновской радиации Солнца; здесь тормозятся и сгорают метеоры. Таким образом, термосфера выполняет функцию защитного слоя Земли.

Выше тропосферы находится экзосфера, верхняя граница которой условна и отмечается высотой примерно 1000 км над поверхностью Земли. Из экзосферы атмосферные газы рассеиваются в мировое пространство. Так происходит постепенный переход от атмосферы к межпланетному пространству.

Атмосферный воздух вблизи поверхности Земли состоит из различных газов, преимущественно из азота (78,1 % по объему) и кислорода (20,9 % по объему). В состав воздуха в небольшом количестве также входят следующие газы: аргон, углекислый газ, гелий, озон, радон, водяной пар. Кроме того, воздух может содержать различные переменные компоненты: оксиды азота, аммиак и др.

Помимо газов в состав воздуха входит атмосферный аэрозолъ, который представляет собой взвешенные в воздухе очень мелкие твердые и жидкие частицы. Аэрозоль образуется в процессе жизнедеятельности организмов, хозяйственной деятельности человека, вулканических извержений, подъема пыли с поверхности планеты и из космической пыли, попадающей в верхние слои атмосферы.

Состав атмосферного воздуха до высоты порядка 100 км в целом постоянен во времени и однороден в разных районах Земли. При этом содержание переменных газообразных компонентов и аэрозолей неодинаково. Выше 100–110 км происходит частичный распад молекул кислорода, углекислого газа и воды. На высоте около 1000 км начинают преобладать легкие газы – гелий и водород, а еще выше атмосфера Земли постепенно переходит в межпланетный газ.

Водяной пар – важная составная часть воздуха. Он поступает в атмосферу при испарении с поверхности воды и влажной почвы, а также путем транспирации растениями. Относительное содержание водяного пара в воздухе меняется у земной поверхности от 2,6 % в тропиках до 0,2 % в полярных широтах. С удалением от поверхности Земли количество водяного пара в атмосферном воздухе быстро падает, и уже на высоте 1,5–2 км убывает наполовину. В тропосфере ввиду понижения температуры водяной пар конденсируется. При конденсации водяного пара образуются облака, из которых выпадают атмосферные осадки в виде дождя, снега, града. Количество осадков, выпавших на Землю, равно количеству испарившейся с поверхности Земли воды. Избыток водяного пара над океанами переносится на континенты воздушными потоками. Количество водяного пара, переносимого в атмосфере с океана на континенты, равно объему стока рек, впадающих в океаны.

Озон сосредоточен на 90 % в стратосфере, остальная его часть находится в тропосфере. Озон поглощает УФ-радиацию Солнца, которая негативно воздействует на живые организмы. Районы с пониженным содержанием озона в атмосфере называют озоновыми дырами.

Наибольшие колебания толщины озонового слоя наблюдаются в высоких широтах, поэтому вероятность возникновения озоновых дыр в районах, близких к полюсам, выше, чем у экватора.

Углекислый газ поступает в атмосферу в значительном количестве. Он постоянно выделяется в результате дыхания организмов, горения, извержения вулканов и других процессов, происходящих на Земле. Однако содержание углекислого газа в воздухе мало, поскольку основная его масса растворяется в водах гидросферы. Тем не менее отмечается, что за последние 200 лет содержание углекислого газа в атмосфере увеличилось на 35 %. Причина такого существенного увеличения – активная хозяйственная деятельность человека.

Главным источником тепла для атмосферы является поверхность Земли. Атмосферный воздух достаточно хорошо пропускает к земной поверхности солнечные лучи. Поступающая на Землю солнечная радиация частично поглощается атмосферой – главным образом, водяным паром и озоном, но подавляющая ее часть достигает земной поверхности.

Суммарная солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, частично отражается от нее. Величина отражения зависит от отражающей способности конкретного участка земной поверхности, так называемого альбедо. Среднее альбедо Земли – около 30 %, при этом разница между величиной альбедо от 7–9 % для чернозема до 90 % для свеже-выпавшего снега. Нагреваясь, земная поверхность выделяет тепловые лучи в атмосферу и нагревает ее нижние слои. Помимо основного источника тепловой энергии атмосферы – теплоты земной поверхности, тепло в атмосферу поступает в результате конденсации водяного пара, а также путем поглощения прямой солнечной радиации.

Неодинаковый разогрев атмосферы в разных областях Земли вызывает неодинаковое распределение давления, что приводит к перемещению воздушных масс вдоль поверхности Земли. Воздушные массы перемещаются из областей с высоким давлением в области с низким давлением. Такое движение воздушных масс называют ветром. При определенных условиях скорость ветра может быть очень большой, до 30 м/с и более (более 30 м/с – уже ураган).

Состояние нижнего слоя атмосферы в данном месте и в данное время называют погодой. Погода характеризуется температурой воздуха, осадками, силой и направлением ветра, облачностью, влажностью воздуха и атмосферным давлением. Погода определяется условиями циркуляции атмосферы и географическим положением местности. Она наиболее устойчива в тропиках и наиболее изменчива в средних и высоких широтах. Характер погоды, ее сезонная динамика зависят от климата на данной территории.

Под климатом понимаются наиболее часто повторяющиеся для данной местности особенности погоды, сохраняющиеся на протяжении длительного времени. Это усредненные за 100 лет характеристики – температура, давление, количество осадков и др. Понятие климата (от греч. klima – наклон) возникло еще в Древней Греции. Уже тогда понимали, что погодные условия зависят от угла, под которым солнечные лучи падают на поверхность Земли. Ведущим условием установления определенного климата на данной территории является количество энергии, приходящейся на единицу площади. Оно зависит от суммарной солнечной радиации, падающей на земную поверхность, и от альбедо этой поверхности. Так, в районе экватора и у полюсов температура мало меняется в течение года, а в субтропических областях и в средних широтах годовая амплитуда температур может достигать 65 °C. Основными климатообразующими процессами являются теплообмен, влагообмен и циркуляция атмосферы. Все эти процессы имеют один источник энергии – Солнце.

Атмосфера является непременным условием для всех форм жизни. Наибольшее значение для жизнедеятельности организмов имеют следующие газы, входящие в состав воздуха: кислород, азот, водяной пар, углекислый газ, озон. Кислород необходим для дыхания подавляющему большинству живых организмов. Азот, усваиваемый из воздуха некоторыми микроорганизмами, необходим для минерального питания растений. Водяной пар, конденсируясь и выпадая в виде осадков, является источником воды на суше. Углекислый газ – исходное вещество для процесса фотосинтеза. Озон поглощает вредное для организмов жесткое УФ-излучение.

Предполагают, что современная атмосфера имеет вторичное происхождение: она образовалась после завершения образования планеты около 4,5 млрд лет назад из газов, выделяемых твердыми оболочками Земли. В течение геологической истории Земли атмосфера под влиянием различных факторов претерпевала значительные изменения своего состава.

Развитие атмосферы зависит от геологических и геохимических процессов, происходящих на Земле. После возникновения жизни на нашей планете, то есть примерно 3,5 млрд лет назад, на развитие атмосферы начали оказывать существенное влияние и живые организмы. Значительная часть газов – азот, углекислый газ, водяной пар – возникла в результате извержения вулканов. Кислород появился около 2 млрд лет назад как результат деятельности фотосинтезирующих организмов, первоначально зародившихся в поверхностных водах океана.

В течение последнего времени происходят заметные изменения в атмосфере, связанные с активной хозяйственной деятельностью человека. Так, согласно наблюдениям, за последние 200 лет произошел существенный рост концентрации парниковых газов: содержание углекислого газа возросло в 1,35 раза, метана – в 2,5 раза. Значительно увеличилось содержание многих других переменных компонентов в составе воздуха.

Происходящие изменения состояния атмосферы – увеличение концентрации парниковых газов, озоновые дыры, загрязнение воздуха – представляют собой глобальные экологические проблемы современности.

7.12. Общие представления о географической оболочке

В. В. Докучаев, открывший закон географической зональности, отмечал, что в природе гармонично взаимодействуют друг с другом шесть природных компонентов: земная кора литосферы, воздух атмосферы, вода гидросферы, растительный и животный мир биосферы, а также почва постоянно обмениваются между собой веществом и энергией.

Обмен веществом происходит постоянно, и примеров таких можно привести множество:

♦ вода растворяет минералы и горные породы;

♦ вода гидросферы является частью живых организмов биосферы;

♦ вода в виде пара постоянно присутствует в нижнем слое атмосферы Земли;

♦ минералы и горные породы литосферы всегда находятся в живых организмах, в атмосфере (пыль, песок), в воде;

♦ углекислый газ воздуха растворяется в воде;

♦ организмы биосферы – растения – усваивают углекислый газ, выделяя кислород;

♦ накапливаясь на дне океанов, останки организмов биосферы образуют толщи осадочных пород литосферы;

♦ кислород в атмосфере и гидросфере является главным источником жизни организмов биосферы.

Все процессы на Земле происходят благодаря энергии Солнца и внутренней энергии Земли. В каждом из приведенных выше примеров предполагается и обмен энергией. Так, энергия растений биосферы, потребляемая животными, создает энергию животного мира. Вечные льды гидросферы охлаждают атмосферу и гидросферу. Благодаря этим процессам в природном комплексе сохраняется определенное равновесие между всеми природными компонентами. Благодаря этим процессам природа имеет удивительную способность к самовосстановлению, самоочищению, саморегуляции. Если в природном комплексе меняется один какой-нибудь компонент, то все другие меняются тоже, при этом стараясь восстановить свое равновесие. Стремление к самовосстановлению – одно из главных свойств природы.

► Географическая оболочка – это целостная и непрерывная оболочка Земли, среда деятельности человека, в пределах которой соприкасаются, взаимно проникают друг в друга и взаимодействуют нижние слои атмосферы, поверхностные толщи литосферы, вся гидросфера и биосфера. Между этими частями происходит непрерывный обмен веществом и энергией. Таким образом, географическая оболочка – это планетарный, охватывающий всю поверхность Земли, природный комплекс.

Суммарная толщина географической оболочки – несколько десятков километров. Основным источником процессов, происходящих в географической оболочке, служит энергия Солнца. Ее неравномерное поступление и распределение по шарообразной поверхности Земли приводит к огромной пространственной дифференциации природных условий в географической оболочке, в результате чего ее можно разделить на более мелкие природные комплексы, среди которых есть сходные (однородные) и совершенно различные.

Наиболее крупные зональные подразделения географической оболочки – географические (природные) пояса Земли, протягивающиеся в широтном или субширотном направлении. Они совпадают с климатическими поясами и имеют те же названия, так как выделяются по температурным условиям и преобладающим воздушным массам.

Однако природные комплексы географических поясов также неоднородны. Наиболее значительные изменения в природных условиях вызваны делением поверхности Земли на материки и океаны. Различное сочетание тепла и влаги в прибрежных и внутренних частях материков является причиной образования в географических поясах природных зон – природных комплексов менее крупных размеров, которые в свою очередь можно подразделить на подзоны и другие более мелкие природные комплексы, например ландшафты.

Ландшафт (от нем. Land – земля и schaft – взаимосвязанный) – природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, климат, воды, почвы, растительность и живой мир) находятся в сложном взаимдействии и взаимообусловленности, образуя единую неразрывную систему. Многими учеными ландшафт рассматривается в качестве основной единицы в иерархии природно-территориальных комплексов.

Особенности различных ландшафтов формируются под воздействием как зональных, так и азональных факторов. К зональным относят климат, воду, почвы, растительный и животный мир; к азональным – рельеф, геологическое строение, горные породы.

Еще одно важное положение в современных концепциях географии занимает понятие географическая среда, которая возникла в результате длительной эволюции географической оболочки под влиянием антропогенного воздействия, создания так называемой «вторичной природы», то есть городов, заводов, каналов, транспортных магистралей и др.

► Географическая срела – это часть природы Земли, с которой человеческое общество непосредственно взаимодействует в своей жизни и производственной деятельности на данном этапе исторического развития.

В последнее время наряду с понятием о географической среде в научный обиход вошло также понятие об окружающей природной среде (или окружающей среде).

Окружающая среда – необходимое условие жизни и деятельности общества. Она служит средой его обитания, важнейшим источником ресурсов, оказывает большое влияние на духовный мир людей.

Природное окружение всегда было источником существования человека. Однако взаимодействие человека и природы менялось в разные исторические эпохи.

Два миллиона лет назад первобытные люди все необходимое для жизни находили в природном окружении, занимаясь охотой и собирательством: люди охотились на животных и птиц, ловили рыбу, выкапывали корни и луковицы растений, собирали ягоды, грибы, личинки насекомых, опустошали птичьи гнезда, забирали мед у пчел, вылавливали моллюсков и ракообразных на морском побережье, кочуя в поисках пищи с места на место. Некоторые индийские племена Северной и Южной Америки, бушмены Африки, аборигены Австралии до сих пор живут собирательством.

Появление и развитие земледелия 7 тыс. лет назад положило начало массовой вырубке лесов на Земле. По оценкам ученых, к моменту появления человека на Земле леса занимали 60 % ее поверхности, а сейчас – только 30 %. В настоящее время нетронутые человеком леса сохранились в тайге России, Канады, а также в тропических лесах Амазонии. В наибольшей степени леса сведены в Евразии и Северной Америке. По мере расширения пахотных земель и пастбищ быстрыми темпами вырубаются тропические леса Африки, Юго-Восточной Азии, Амазонии. Древесина повсеместно используется в качестве дешевого топлива.

Пастбищные земли наиболее сильно подвержены опустыниванию. Этот процесс характерен для всех материков Земли. По оценкам специалистов, человек радикально изменил и освоил 56 % территории суши, причем это наиболее благоприятные для жизни районы. Природу некоторых географических зон Земли можно наблюдать только в заповедниках. К ним относятся в первую очередь североамериканские прерии и европейские степи. Они полностью освоены человеком.

Ученые-географы предложили классифицировать географические зоны по степени их преобразования человеком; неизмененные (арктические пустыни), слабо измененные (тундра, лесотундра, северная тайга, полупустыни и пустыни), сильно измененные (смешанные и широколиственные леса, южная тайга), преобразованные (лесостепи, степи).

В ландшафтоведении, в зависимости от степени антропогенного воздействия, выделяют первичные природные ландшафты, которые образованы действием лишь природных факторов; природно-антропогенные ландшафты, которые образованы действием как природных, так и антропогенных факторов; и антропогенные ландшафты, существование которых поддерживается лишь за счет деятельности людей.

Вопросы для самопроверки

1. Чему равен радиус Земли? Насколько экваториальный радиус Земли длиннее полярного?

2. Как называется оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней части мантии?

3. Назовите три слоя, составляющие материковую земную кору.

4. Назовите древние платформы, лежащие в основании материков Африка, Северная Америка, Южная Америка.

5. Дайте определение тектонических структур: плита, платформа, щит, фундамент, осадочный чехол.

6. Перечислите важнейшие функции гидросферы Земли. Каким образом вода осуществляет терморегуляцию планеты?

7. Какова роль гидросферы в круговороте веществ в природе?

8. На какие отдельные зоны делится атмосфера? Каковы принципы этого деления?

9. Каков состав атмосферы?

10. В чем разница между климатом и погодой?

11. В чем заключается гипотеза возникновения атмосферы?

Глава 8

ЖИВАЯ МАТЕРИЯ

8.1. Электромагнитные взаимодействия как определяющие химический и биологический уровень организации материи

Живое вещество, как и вся материя Вселенной, состоит из атомов и молекул, для которых уже известны определенные законы поведения, в том числе на квантово-молекулярном уровне. В этом смысле при научном познании живого представляется вполне возможным применение физических представлений и моделей по исследованию развития природы и закономерностей процессов, проходящих в живом организме. По этому поводу советский физико-химик и биофизик М. В. Волькенштейн писал: «В биологии как в науке о живом возможны только два пути: либо признать невозможным объяснение жизни на основе физики и химии, либо такое объяснение возможно и его надо найти, в том числе на основе общих закономерностей, характеризующих строение и природу материи, вещества и поля».

По мнению многих исследователей, изучение проблем генетического кода, молекулярной природы наследственности и т. д. на заключительном этапе сводится к квантово-механическому объяснению всех этих явлений. В связи с этим следует отметить, что атомно-молекулярное толкование большинства явлений живого на сегодняшний день представляется наиболее верным. Вероятно, что живой и неживой природой управляют одни законы, однако механизм их проявления разный, что подтверждается синергетикой как наукой о неравновесных системах и самоорганизации.

Существование физических полей разной природы в живых организмах представляет значительный интерес. Это связано с одной стороны с раскрытием сущности физики живого, а с другой – с взаимодействием полей живых организмов с полями окружающей природной среды, обусловленными главным образом гелио– и геофизическими факторами. Эти взаимодействия обеспечивают живому организму необходимый ему объем информации в процессе жизнедеятельности. Функционирование всех систем живого организма динамично отражается в мозаике физических полей и излучений, исходящих из него, которые, в свою очередь, зависят от параметрических изменений естественных фоновых полей и излучений, окружающих живой организм.

Идентификация полей и излучений, например, человеческого организма сейчас широко используется в медицине для определения динамики различных физиологических процессов и выявления «неполадок» в функционировании определенных органов. Поэтому физические поля и излучения живого организма как бы есть своеобразное «табло» его физиологических процессов. Например, человеческий организм способен продуцировать инфракрасное излучение (ИК) и излучения сверхвысокой частоты (СВЧ), электромагнитные поля (ЭМП) и излучения (ЭМИ) и т. д. По существу, живой организм окружен биополем, под которым следует понимать присущую ему совокупность физических полей.

Электромагнитное взаимодействие обусловливается электрическими и магнитными зарядами. Электрический заряд всегда связан с элементарными частицами. Магнитные силы порождаются движением электрических зарядов, то есть электрическими токами. Согласно закону Кулона, сила электрического взаимодействия будет силой притяжения или отталкивания в зависимости от знаков взаимодействующих зарядов. Видимый свет, являющийся основой существования зеленых растений, синтезирующих органическое вещество на Земле, да и всего живого, является электромагнитным излучением определенного диапазона частот.

Согласно теории советского биохимика А. И. Опарина электромагнитные излучения Солнца и электрических разрядов явились энергетической основой абиогенного происхождения жизни. Именно с их помощью происходил процесс образования биомолекул: аминокислот, нуклиотидов, полисахаридов, белковых комплексов, а затем клетки как главной структуры живого.

Электромагнитные поля и электромагнитные излучения являются основными видами излучения для живых организмов. Почти все носители информации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют электромагнитную природу. Электромагнитные взаимодействия характеризуют структуру и поведение атомов, отвечают за связи между молекулами различных веществ, таким образом определяя химические и биологические явления.

Электромагнитные поля и излучения в живом организме связаны с возникновением, движением и взаимодействием электрических зарядов в процессе его онтогенеза. На клеточном уровне они возникают при работе митохондрий, на органном и организменном уровнях – при работе сердца и токе крови в сосудах, при нервных и мышечных сокращениях.

Электрические явления в живом организме характеризуются определенными последовательностями электрических импульсов и ритмами определенной характеристики, поскольку в каждом органе вырабатываются свои определенные, специфические электроколебательные процессы. Ритмичность и частота колебаний этих процессов зависят от степени активности организма (сон, бег, сильный стресс и т. д.). В свою очередь, активность физиологического состояния организма (например, человека) и его работоспособность также зависят от биоритмов и периодически меняются сообразно времени суток. Биологические ритмы как следствие эволюционного процесса проявляются на всех уровнях организации живой материи, начиная с клеток и заканчивая биосферой.

Ритмичность на уровне клеток живого организма определяется биохимическими колебательными процессами, связанными с движением ионов, необходимых для жизнедеятельности клетки (К+,Са2+ и др.), как вовнутрь клетки, так и из нее. Доказано, что общим регулятором внутриклеточных процессов являются ионы кальция. Именно они и их концентрация обеспечивают биологические ритмы клеток.

Ритмичность на уровне растительных организмов проявляется в годовом изменении темпов роста, суточном движении листьев; на уровне животных организмов в темпах двигательной активности, в колебаниях температуры, функционировании органов внутренней секреции, синтеза гормонов, белков, половой активности и т. д. Американский математик и кибернетик Н. Винер писал, что «именно ритмы головного мозга объясняют способность чувствовать время». Чем сложнее система, тем она обладает большим количеством биоритмов. Биоритмы определяют биологическое время и свойственны неравновесным самоорганизующимся живым системам.

Интенсивность физико-химических процессов в мембране и, следовательно, в самой клетке определяется величиной мембранного потенциала. Это значит, что энергия электрического поля в мембранах, подобно конденсаторам, играет важную роль в поддержании устойчивого/неустойчивого равновесия и рассматривается как резерв свободной энергии. Эта энергия, наряду с энергией АТФ (аденозинтрифосфат) и перекисного окисления липидов необходима живому организму для функционирования и развития.

Биохимические реакции в живом организме обусловлены биологическим током, возникающим при движении электронов и, в основном, ионов. При этом возрастает роль поляризации клеток и биополимерных молекул, роль структуры воды в процессах метаболизма. Изменения электрических свойств организмов связано с перераспределением в них электрических зарядов при их движении. Это же происходит и в потоке крови. Крови свойственны электропроводность и магнетизм. При ее движении по сосудам возникают электродинамические, электромагнитные и гидродинамические взаимодействия со стенками сосудов.

Следовательно, электромагнитные взаимодействия являются атрибутом существования живой материи на любом уровне ее организации. Живые организмы буквально плавают в море всевозможных физических полей – как внутренних, вырабатываемых самими организмами, так и внешних.

8.2. Симметрия и асимметрия в природе

Симметрия и асимметрия являются объективными свойствами природы, одними из фундаментальных в современном естествознании. Симметрия и асимметрия имеют универсальный, общий характер как свойство материального мира.

Симметрия (от греч. symmetria – соразмерность, порядок, гармония) является всеобщим свойством природы. Представление о симметрии у человека складывалось тысячелетиями. Термин «симметрия» фигурирует в представлениях человека как элемент чего-то «правильного», прекрасного и совершенного. В своих раздумьях над картиной мироздания человек определял симметрию как магическое качество природы, ее целесообразность, совершенство и старался отразить эти свойства в музыке, поэзии, архитектуре. В определенной мере симметрия выражает степень упорядоченности системы. В связи с этим имеется тесная корреляционная связь энтропии как меры неупорядоченности с симметрией: чем выше степень организованности вещества, тем выше симметрия и ниже энтропия.

Степень симметрии природных систем отражается в симметрии математических уравнений, законов, отображающих их состояние, в неизменности каких-либо их свойств по отношению к преобразованиям симметрии.

Симметрия – это понятие, отражающее существующий в природе порядок, пропорциональность и соразмерность между элементами какой-либо системы или объекта природы, упорядоченность, равновесие системы, устойчивость, то есть некий элемент гармонии.

Асимметрия – понятие, противоположное симметрии, отражающее разупорядочение системы, нарушение равновесия, что связано с изменением и развитием системы.

Из определений симметрии и асимметрии следует, что развивающаяся динамическая система должна быть обязательно несимметричной и неравновесной.

Современное естествознание представлено целой иерархией симметрий, которая отражает свойства иерархии уровней организации материи. Выделяют различные формы симметрий: калибровочные, пространственно-временные, изотопические, перестановочные, зеркальные и т. д. Все эти виды симметрий подразделяются на внешние и внутренние.

Внутреннюю симметрию невозможно наблюдать, она скрыта в математических уравнениях и законах, выражающих состояние исследуемой системы. Пример тому – уравнение Максвелла, описывающее взаимосвязь электрических и магнитных явлений, или теория гравитации Эйнштейна, связывающая свойства пространства, времени и тяготения.

Внешняя симметрия (пространственная или геометрическая) представлена в природе большим многообразием. Это симметрия кристаллов, молекул, живых организмов.

Для чего нужна симметрия живому и как она возникла?

Живые организмы формировали свою симметрию в процессе эволюции. Зародившиеся в водах океана, первые живые организмы имели правильную сферическую форму. Внедрение организмов в другие среды заставляло их адаптироваться к новым специфическим условиям. Один из способов такой адаптации – симметрия на уровне физической формы. Симметричное расположение частей органов тела обеспечивает живым организмам равновесие при движении и функционировании, жизнестойкость и адаптацию. Довольно симметричны внешние формы крупных животных, человека. Растительный мир организмов также наделен симметрией, что связано с борьбой за свет, физической устойчивостью к полеганию (закон всемирного тяготения). Например, конусообразная крона ели имеет строго вертикальную ось симметрии – вертикальный ствол, утолщенный книзу для устойчивости. Отдельные ветви симметрично расположены по отношению к стволу, а форма конуса способствует рациональному использованию кроной светового потока солнечной энергии, увеличивает устойчивость. Таким образом, благодаря притяжению и законам естественного отбора ель выглядит эстетически красиво и «построена» рационально. Внешняя симметрия насекомых и животных помогает им держать равновесие при движении, извлекать максимум энергии из окружающей среды и рационально ее использовать.

В физических и химических системах симметрия приобретает еще более глубокий смысл. Так, наиболее устойчивы молекулы, обладающие высокой симметрией (инертные газы). Симметрия молекул определяет характер молекулярных спектров. Высокая симметрия характерна для кристаллов. Кристаллы – это симметричные тела, их структура определяется периодическим повторением в трех измерениях элементарного атомного мотива.

Асимметрия также широко распространена в мире.

Внутреннее расположение отдельных органов в живых организмах часто асимметрично. Например, сердце расположено слева у человека, печень – справа и т. д. Л. Пастер, французский микробиолог и иммунолог, выделил левые и правые кристаллы винной кислоты. Молекула ДНК асимметрична – ее спираль всегда закручена вправо. Все аминокислоты и белки, входящие в состав живых организмов, способны отклонять поляризованный луч света влево.

В отличие от молекул неживой природы, где левые и правые молекулы встречаются часто, то есть носят в основном симметричный характер, молекулы органических веществ характеризуются ярко выраженной асимметрией. Придавая большое значение асимметрии живого, В. И. Вернадский предполагал, что именно здесь проходит тонкая граница между химией живого и неживого. Л. Пастер также, основываясь на этих признаках, провел границу между живым и неживым. Следует также отметить, что живые организмы (растения) в процессе жизнедеятельности поглощают из окружающей среды (почвы) в значительной степени химические соединения минеральной пищи, молекулы которой симметричны и в своем организме превращают их в асимметричные органические вещества: крахмал, белки глюкозу и т. д. Симметрия молекул пищевых веществ живого организма согласуется с симметрией молекул самого организма. В противном случае пища будет несовместимой (ядовитой).

Структура компонентов клетки также асимметрична, что имеет большое значение для ее обмена веществ, энергетической обеспеченности, а также способствует более высокой скорости протекания биохимических реакций.

Симметрия и асимметрия – это две полярные характеристики объективного мира. Фактически в природе нет чистой (абсолютной) симметрии или асимметрии. Эти категории – противоположности, которые всегда находятся в единстве и борьбе. Там, где ослабевает симметрия, возрастает асимметрия, и наоборот. На разных уровнях развития материи ей свойственна то симметрия, то асимметрия. Однако эти две тенденции едины, а их борьба носит абсолютный характер. Эти категории тесно связаны с понятиями устойчивости и неустойчивости систем, порядка и беспорядка, организации и дезорганизации, отражающими свойства систем и динамику развития, а также взаимосвязь между динамическими и статическими законами.

Полагая, что равновесие есть состояние покоя и симметрии, а асимметрия приводит к движению и неравновесному состоянию, можно считать, что понятие равновесия играет в биологии не менее важную роль, чем в физике. Принцип устойчивости термодинамического равновесия живых систем характеризует специфику биологической формы движения материи. Именно устойчивое динамическое равновесие (асимметрия) является ключевым принципом постановки и решения проблемы происхождения жизни.

8.3. Самоорганизация природы (понятие синергетики)

Случайные отклонения параметров системы от равновесия (флуктуации) играют очень важную роль в функционировании и существовании системы. Один из двух типов случайностей имеет направленный, созидательный и эволюционный характер, а второй создает неопределенность и играет деструктивную роль, отсекая все то лишнее и ненужное, что не укладывается в рамки фундаментальных законов и принципов бытия. Вследствие такого совместного действия возникает неустойчивость в системе, которая может служить толчком к возникновению из беспорядка (хаоса) определенных новых структур. Последние при благоприятных условиях переходят во все более устойчивые и упорядоченные аттракторы (от лат. attractio – притяжение). В дальнейшем их самопроизвольное (спонтанное) образование идет за счет внутренней перестройки самой системы и согласованного кооперативного взаимодействия всех ее частей и элементов в соответствии с требованиями окружающей среды. Самоупорядочивание системы всегда связано со снижением энтропии в ней. Случайность и дезорганизация на атомно-молекулярном уровне здесь выступают в качестве созидающей силы, которая упорядочивает состояние системы уже на макроуровне и объединяет ее элементы в единое целое. Это явление получило название самоорганизации.

Следовательно, самоорганизация – это процесс спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка (хаоса) в открытых неравновесных системах. За счет роста флуктуаций при поглощении энергии из окружающей среды система достигает некоторого критического состояния и переходит в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и порядка по сравнению с предыдущим.

Таким образом, возникающая из хаоса упорядоченная структура (аттрактор) является результатом конкуренции множества всевозможных состояний, заложенных в системе. В результате конкуренции идет самопроизвольный отбор наиболее адаптивной в сложившихся условиях структуры. На такой концепции построена модель универсального эволюционизма, где дарвинское учение об изменчивости, наследственности и естественном отборе получило фундаментальное методологическое обоснование. Изменчивость окружающего мира обусловливается случайностью и неопределенностью как фундаментальным свойством материи. Наследственность, от которой зависит настоящее и будущее, определяется прошлым. Степень зависимости от прошлого определяется «памятью» системы, которая теоретически может принимать значения в диапазоне от нуля (хаотические образования) до максимально бесконечной величины (жесткие причинно обусловленные системы). Однако реальные системы имеют некоторый небольшой диапазон «памяти», определяемый уровнем их организации. Изменчивость дает возможность появиться многообразию различных вариантов развития систем, но наследственность значительно ограничивает их число. Она отбирает только жизненные, наиболее целесообразные и устойчивые в сложившейся обстановке структуры, устраняя при этом все нежизненные и неустойчивые.

Прошедшие отбор и передающиеся по наследству жизненные структуры постепенно под влиянием важных факторов накапливают определенные количественные изменения, что ослабляет их динамическую устойчивость (гомеостаз). Эти количественные изменения могут перейти в качественные путем скачка. При этом система на некоторое время оказывается в неустойчивом, флуктуационном состоянии, теряет «наследственную память». Характер ее последующего развития будет определяться случайными, непредвиденными факторами, действующими в это время на систему. При этом у системы для выхода из флуктуации есть только два пути: либо деградация и разрушение, либо самоорганизация, усложнение и эволюция. Подобный сценарий развития материи идет на всех ее структурных уровнях как череда сменяющих друг друга постоянных изменений. Таким образом, порядок и беспорядок, организация и дезорганизация выступают как диалектическое единство, их взаимодействие поддерживает саморазвитие системы.

Однако самым трудным положением самоорганизации являются вопросы, как получается, что система самопроизвольно переходит из состояния хаоса как наиболее вероятного с энергетической точки зрения в состояние порядка, менее вероятного и менее выгодного (как требующего более высокой энергии); как и благодаря чему происходит ее самоорганизация (самоупорядочение). Пока еще в современной науке на эти вопросы ответа нет.

Следует отметить, что в научном мире и в научной литературе одни авторы используют термин «самоорганизация», а другие – «синергетика» (от греч. synergeia – сотрудничество, содружество). Фактические значения слов «самоорганизация» и «синергетика» существенно различаются, но их концептуальный смысл одинаков. Синергетика – область научных исследований коллективного поведения частей сложных систем, связанных с неустойчивостями и касающихся процессов самоорганизации. Синергетика – это теория самоорганизации систем различной природы, предметом которой они являются.

Сама идея самоорганизации (синергетики) имела место еще в классической науке XVIII–XIX вв. Это космогоническая гипотеза Канта– Лапласа, теория эволюции Ч. Дарвина, теория поведения термодинамических систем Максвелла-Больцмана. Однако лишь только в 70-е гг. XX в., когда были накоплены большой теоретический материал и практический опыт, появилась возможность детального исследования открытых, неравновесных систем, анализа и описания механизмов и закономерностей их развития. Основные положения теории синергетики разработаны в трудах Г. Хакена, Г. Николиса, И. Пригожина в 70-х гг. XX в. Сам термин «синергетика» в научный обиход ввел Г. Хакен, немецкий физик, профессор Штутгартского университета. Большую роль в становлении теории самоорганизации сыграли работы наших соотечественников: В. Вернадского, Б. Белоусова, В. Жаботинского, А. Руденко, Ю. Климантовича, А. Колмогорова. Современное естествознание идет по пути теоретического моделирования сложнейших природных систем, способных к саморазвитию и самоорганизации.

На идеях синергетики сформировалось современное миропонимание. Природа сквозь призму синергетики предстает как развивающаяся, нелинейная, открытая сложноорганизованная иерархическая система. Учитывая, что в природе и обществе существует огромное количество реальных систем, которые подчиняются законам синергетики, необходимо понять, что создание синергетической картины мира по сути своей является научной революцией, по своему статусу сравнимой с открытием строения атома, созданием генетики и кибернетики. Идеи синергетики стали основой для сближения традиционной европейской мысли об уровнях организации материи с идеями древней восточной философии о глобальной взаимосвязи и взаимозависимости всего сущего, о взаимодействии потенциального и реального.

8.4. Основные свойства самоорганизующихся систем

Открытые системы

Основным понятием термодинамики является понятие энтропии как меры способности теплоты к превращению. Энтропия характеризует меру внутренней неупорядоченности системы. Она свойственна изолированным, то есть закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии с окружающей средой. По отношению к закрытым системам были сформулированы и два закона (начала) термодинамики.

Качественное отличие закрытой (замкнутой) системы от открытой в том, что в первой тоже может сохраняться неравновесная ситуация, однако до тех пор, покуда система за счет своих внутренних процессов не достигнет равновесия, при котором энтропия будет максимальной. Иное дело в открытых системах, которые обмениваются энергией с окружающей средой. Здесь за счет прихода энергии извне могут возникать диссипативные структуры с гораздо меньшей энтропией. Иначе говоря, система, самоорганизуясь в новом стационарном состоянии, уменьшает свою энтропию, она как бы «сбрасывает» ее избыток, возрастающий за счет внутренних процессов, в окружающую среду. В живых организмах это происходит за счет дыхания, экскреции. Открытая система как бы «питается» отрицательной энтропией (негэнтропией), выбрасывая наружу положительную. При этом возникают новые устойчивые неравновесные, но близкие к равновесию состояния. При таком неравновесии рассеивание энергии минимально и интенсивность роста энтропии оказывается меньше, чем в других близких состояниях. Здесь имеет место принцип производства минимума энтропии. Открытые системы – это необратимые системы. Для них весьма важен фактор времени.

Принцип производства минимума энтропии

В энергетических процессах открытых систем имеет место принцип Пригожина—Гленсдорфа – принцип производства минимума энтропии. Здесь под производством энтропии понимают отношение изменения энтропии dS к единице объема системы. Производством энтропии по этому принципу можно определить степень упорядоченности. Как известно, изменение энтропии выражается уравнением

dS = dSi + dSe,

где dS – полное изменение энтропии в системе; dSi – изменение энтропии, связанное с происходящими внутренними необратимыми процессами в системе; dSe – энтропия, перенесенная из внешней среды через границы системы.

Из уравнения следует, что в изолированной системе энтропия dSe равна нулю, а внутренняя энтропия dSi > 0, так как dSe может компенсировать dSi, произведенную внутри системы, или быть больше ее. Из этого следует, что dSe < 0. Таким образом, энтропия в систему не поступает, а только может из нее выводиться. Условие dS =0 означает стационарное состояние, а dS < 0 – усложнение и рост системы. Изменение энтропии при этом соответствует соотношению dSe < dSi. Соотношение показывает, что энтропия, обусловливаемая необратимыми процессами внутри системы, выносится в окружающую среду.

Свой принцип И. Пригожин и П. Гленсдорф выразили следующим образом: при неравновесных фазовых переходах, что соответствует точкам бифуркации, через которые проходит процесс самоорганизации, система движется по пути, соответствующему меньшему значению производства энтропии. Значит, чем меньше производство энтропии, тем более организованна система. В этом главный смысл процесса самоорганизации, то есть в создании определенных структур из хаоса неупорядоченного состояния. Открытые системы будто бы структурируют энергию окружающей их среды, причем упорядоченная часть энергии остается внутри системы, а неупорядоченная энергия сбрасывается системой обратно в окружающую среду.

Таким образом, неравновесный термодинамический процесс создает условия для состояния, когда приток энергии извне не только компенсирует (гасит) рост энтропии, но и снижает ее количество.

Нелинейные системы (нелинейность)

Открытый характер большинства природных систем указывает на то, что в мире должны доминировать не равновесие и стабильность, а неустойчивость и неравновесность. Сама неравновесность порождает избирательность системы, ее специфические реакции на воздействия внешней среды. Тесная связь со средой отражается на функционировании систем; они как бы приспосабливаются к внешним условиям. Например, слабые воздействия среды могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем более сильные, но не гармонирующие с тенденцией развития системы. Отсюда следует, что на нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции, то есть когда действие двух факторов на ситуацию вызывает эффект, который не имеет ничего общего с результатами отдельного действия каждого фактора. В нелинейных системах развитие идет по нелинейным законам, приводящим к многовариантности путей выбора и альтернатив выхода из состояния неустойчивости.

В нелинейных системах процессы могут носить резко пороговый характер, когда при постепенном изменении внешних условий наблюдается скачкообразный их переход в другое качество. При этом старые структуры разрушаются, переходя к качественно новым структурам.

Неравновесные, открытые нелинейные системы постоянно создают и поддерживают неоднородность в среде. Здесь между средой и системой могут создаваться отношения положительной обратной связи, которые еще более усиливают отклонения системы от равновесия. В результате такого взаимодействия открытой системы со средой могут наблюдаться самые неожиданные последствия.

Неравновесная термодинамика

Классическая термодинамика (закрытые системы) утверждает, что рост энтропии означает необратимость термодинамического процесса. Поэтому, если считать Вселенную закрытой системой, то с точки зрения второго закона термодинамики в ней постепенно произойдет выравнивание температур и установится полное равновесие, что соответствует «тепловой смерти» Вселенной. Энтропия будет расти и вместе с ней станет возрастать степень хаоса.

Эти утверждения не согласуются с гипотезой возникновения Вселенной и со всем дальнейшим ходом глобального эволюционного процесса. Вывод о росте беспорядка в мире противоречит как химическому, так и биологическому развитию систем, да и всему процессу самоорганизации систем во Вселенной. Однако рост энтропии, согласно второму закону термодинамики, выделяет направление термодинамических процессов, что означает одномерность времени, или так называемую «стрелу времени».

Неклассическая термодинамика изучает реальный мир открытых систем, проявляющийся в неживой и живой природе, с позиций синергетики. Это потребовало новых идей, понятий образов, а также пересмотра старых. В большей степени это относится к представлениям о порядке и хаосе. В синергетике хаос – это то, что отличается от порядка некоей структуры. Это не полное отсутствие структуры, а тоже структура, но определенного типа (как бы нарушенная структура). Подструктурой понимается совокупность устойчивых связей объекта (с другими объектами), обеспечивающая его целостность. Иначе говоря, структура – это взаиморасположение и связь составных частей чего-либо, то есть определенная организация объекта. Она характеризуется устойчивостью, четкостью внутренних связей, способностью к сопротивлению внешним факторам и изменениям. Структура – ключевое понятие в синергетике (самоорганизации). Открытые системы, как уже указывалось, постоянно обмениваются со средой энергией и веществом, находясь в относительно стабильном термодинамическом неравновесии. Биологической системе (живому организму) для устойчивого динамического состояния характерно минимальное производство энтропии, а для неустойчивого стационарного – максимальное неживое состояние. Вероятнее всего, что развитие живого осуществляется через неустойчивости, хотя в целом оно стремится к устойчивому состоянию на микроскопическом уровне за счет запасенной свободной энергии. При стремлении к устойчивому состоянию организм «сбрасывает» в окружающую среду ненужный избыток энтропии, тем самым постоянно поддерживая неравновесное термодинамическое состояние.

Диссипативные структуры

Диссипативная структура – одно из основных понятий теории структур И. Пригожина. Система в целом может быть неравновесной, но уже определенным образом несколько упорядоченной, организованной. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными структурами (от лат. dissipation – разгонять, рассеивать свободную энергию), в которых при значительных отклонениях от равновесия возникают упорядоченные состояния. В процессе образования этих структур энтропия возрастает, изменяются и другие термодинамические функции системы. Это свидетельствует о сохранении в целом ее хаотичности. Диссипация как процесс рассеяния энергии играет важную роль в образовании структур в открытых системах. В большинстве случаев диссипация реализуется в виде перехода избыточной энергии в тепло. Образование новых типов структур указывает на переход от хаоса и беспорядка к организации и порядку. Эти диссипативные динамические микроструктуры являются прообразами будущих состояний системы, так называемых фракталов (от лат. fractus – дробный, изрезанный). Большинство фракталов либо разрушается, полностью так и не сформировавшись (если они оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы), либо иногда остаются как отдельные архаичные остатки прошлого (например, древние обычаи народов, древние слова и т. д.). В точке бифуркации (точке ветвления) идет своеобразный естественный отбор фрактальных образований. «Выживает» образование, оказавшееся наиболее приспособленным к условиям окружающей среды.

При благоприятных условиях новая структура (фрактал) «разрастается» и преобразуется постепенно в новую макроструктуру – аттрактор. При этом система переходит в новое качественное состояние. В этом новом состоянии система продолжает свое наступательное движение до следующей точки бифуркации, то есть до следующего неравновесного фазового перехода.

В целом диссипация как процесс рассеивания энергии, затухания движения и информации играет весьма конструктивную роль в образовании новых структур в открытых системах. Для диссипативной системы невозможно предсказать конкретный путь развития, поскольку трудно предугадать начальные реальные условия ее состояния.

Теория бифуркаций

Открытая нелинейная самоорганизующаяся система всегда подвержена колебаниям. Именно в колебаниях система развивается и движется к относительно устойчивым структурам. Этому способствует постоянный обмен системы энергией и веществом с окружающей средой.

Аномальные изменения в среде могут вывести систему из состояния динамического равновесия, и она станет неравновесной. Например, усиливающийся приток энергии в систему вызывает флуктуации и делает ее неравновесной и нерегулируемой. Организация системы все более расшатывается, изменяются свойства системы.

Если параметры системы достигают определенных критических значений, то система переходит в состояние хаоса.

Состояние максимальной хаотичности неравновесного процесса называют точкой бифуркации. Точки бифуркации – это точки равновесия как устойчивого, так и неустойчивого точки «выбора» дальнейшего пути развития системы.

Для синергетики важны неустойчивые состояния. Появление неустойчивых состояний создает потенциальную возможность системе перейти в новое качественное состояние. Оно будет характеризоваться новыми параметрами системы и новым режимом ее функционирования.

В состояниях выбора пути, то есть в точках бифуркаций большое значение имеют случайные флуктуации (колебания). От них зависит, по какому пути из множества возможных система будет выходить из состояния неустойчивости. Многие флуктуации рассеиваются, некоторые не оказывают влияния на дальнейший путь развития системы как очень слабые. Но при определенных, пороговых условиях за счет случайных внешних воздействий эти флуктуации могут усиливаться и действовать в резонанс, подталкивая систему к выбору определенного пути развития (определенной траектории).

В точках бифуркации самоорганизующаяся система, стоя перед выбором путей развития, образует множество диссипативных динамических микроструктур, как бы «эмбрионов» будущих состояний системы – фракталов. Набор таких состояний в точках бифуркаций перед выбором дальнейшего пути и образует детерминированный, или динамический, хаос. Однако большинство этих будущих прообразов системы – фрактальных образований гибнет в конкурентной борьбе. В результате выживает та микроструктура, которая является наиболее приспособленной к внешним условиям. Весь этот процесс носит случайный и неопределенный характер. Выжившая в конкурентной борьбе фрактальных образований формирующаяся макроструктура получила название аттрактора (см. выше). В результате этого система переходит в новое качественно более высокое организационное состояние. Направление движения этого аттрактора начинает подчиняться необходимости. Система теперь ведет себя как жестко детерминированная.

Таким образом, аттрактор представляет собой отрезок эволюционного пути от точки бифуркации до определенного финала (им может быть другая точка бифуркации). Обычные аттракторы характеризуются устойчивостью динамической системы. Аттрактор как бы притягивает к себе подобно магниту множество различных траекторий системы, определяемых разными начальными значениями параметров. Здесь очень важную роль играют кооперативные, совместные процессы, которые основываются на когерентном, то есть согласованном, взаимодействии всех элементов зарождающейся устойчивой структуры.

Аттрактор можно сравнить с конусом или воронкой, которые своей широкой частью обращены к зоне ветвления, то есть к точке бифуркации, а узкой частью – к конечному результату, то есть к упорядоченной структуре. Если система попадает в сферу действия определенного аттрактора, то она эволюционирует именно к нему. Разными путями эволюция выходит на одни и те же аттракторы. В результате этого формируются параметры порядка, то есть устойчивого динамического состояния. В этом состоянии система может находиться до тех пор, пока в силу каких-либо причин, а также случайных флуктуаций она вновь не придет в неустойчивое положение. Эти причины связаны с дисгармонией, несоответствием внутреннего состояния открытой системы внешним условиям окружающей ее среды. Вследствие этого система теряет свою устойчивость, возвращаясь к хаотическому состоянию, и у нее вновь появляется множество новых путей развития. Для наглядности бифуркационный процесс эволюции системы можно представить в виде бифуркационного дерева (рис. 8.1).

По подобному принципу в виде эволюционного дерева можно представить развитие биологических видов или антропогенеза.

В точках бифуркации даже маленькое случайное изменение может привести к серьезному возмущению системы. Поэтому самоорганизующимся системам нельзя грубо навязывать определенные пути развития. Здесь необходимо исследовать и найти пути совместной жизни природы и человека, стараться глубоко познать природу их совместной эволюции, коэволюции.

Основы теории бифуркаций были заложены в начале XX в. французским математиком А. Пуанкаре и русским математиком А. Ляпуновым. В дальнейшем эта теория получила развитие в школе русского физика А. Андронова. Теория бифуркаций в настоящее время находит широкое применение в междисциплинарных науках, а также в физике, химии, биологии.

Рис. 8.1. Бифуркационный характер эволюции системы (X, Z – параметры системы, t – время, А и В – точки бифуркации)

Эволюционное движение системы обязательно связано с необходимостью перестройки адаптивных механизмов на качественно новый, более высокий уровень. Если система благодаря внутренней перестройке смогла (успела) адаптироваться к новым условиям, то она приобретает новое, организационно более высокое, устойчивое состояние; если нет, то она разрушается и гибнет. В адаптированном устойчивом положении система может находиться до следующей случайной флуктуации, после которой ситуация повторяется. По этой схеме идет эволюционное развитие всех систем на всех структурных уровнях, хотя скорость этого процесса различна. Так, химическая эволюция Вселенной продолжается от времени Большого взрыва до наших дней – это около 20 млрд лет, эволюция живой материи – 3,7 млрд лет, эволюция человека – около 2 млн лет, а человеческого общества – порядка нескольких десятков тысяч лет.

С точки зрения синергетической самоорганизации жизнь зародилась в диапазоне сложных систем. В этом случае следует считать жизнь совокупностью («сборкой») физико-химических элементов.

С позиций синергетики закономерным представляется и эволюция мира живого, которая по линии развития древесных млекопитающих привела к появлению человека как биологического вида, а также человеческого общества как социальной системы.

Бифуркационное дерево как модель эволюции природы, человека, общества

Синергетическую модель эволюции неживой, живой природы и человеческого общества с точки зрения бифуркационных изменений можно представить в виде глобального процесса самоорганизации материи во Вселенной. Этот процесс идет на трех уровнях.

1. Первый уровень представлен самоорганизацией и эволюцией неживой (косной) материи. Это химическая эволюция, идущая по направлению: элементарные частицы-атомы-молекулы, а также структурная эволюция, идущая по направлению: газопылевые туманности-звездные системы-галактики-метагалактики-Вселенная.

Косное вещество самоорганизовывалось посредством отражения косной материи и обмена физической информацией, носителем которой являются различные фундаментальные взаимодействия. Этот этап (этап предбиологической эволюции) длится от момента Большого взрыва по настоящее время.

2. Второй уровень представляет собой самоорганизацию и эволюцию живого вещества. Можно предположить, что в какой-то момент эволюции косной материи во Вселенной в какой-то определенной точке (в данном случае на Земле, а может, еще где-то) в результате диссипации случайно создались условия для группировки органических молекул в комплексы (системы), у которых со временем через ряд бифуркаций появилась способность к саморегуляции и самовоспроизведению. В результате обмена веществом и энергией с изменяющейся окружающей средой шло постепенное последовательное усложнение органических систем в течение многих миллиардов лет, что привело к возникновению высокоорганизованной формы материи – живому веществу, то есть растений и животных.

Постоянные сложные взаимодействия живого с косной материей в виде потоков вещества, энергии и информации поддерживали динамическую устойчивость живых систем на разных уровнях их организации и сложности. Живые системы, чтобы выжить, обладали более сложной формой отражения опережающего характера, нежели косные. У живых систем выработались особые формы приема, накопления и передачи информации. Самой высокоорганизованной формой живого оказался человек, обладающий разумом, способный реально анализировать и познавать окружающий мир, искать и находить свое место в нем. Весь этот процесс самоорганизации и эволюции живого вещества на планете Земля продолжается вот уже более 3,5 млрд лет.

3. Третий уровень – организация человеческого общества, то есть социальный. На каком-то определенном отрезке длинного эволюционного пути от высших животных до человека возникают условия для появления сообщества, основанные на разуме и коллективной деятельности. В этих сообществах в процессе самоорганизации в течение миллионов лет происходила как социальная, так и психологическая эволюция человека. В конце концов человек стал вершиной пирамиды всего живого на Земле. Уровень познания природы человеком резко возрос, усложнились коммуникативные отношения и связи. Человек окружил себя мощной техносферой. Высокая техническая и технологическая оснащенность позволяет человеку изменять облик планеты, создавать искусственную среду обитания в любой точке планеты, а также в околоземном пространстве. Человек стал серьезно изменять характер энергетических вещественных и информационных потоков в биосфере, влиять на направленность биогеохимических циклов.

В связи с таким ходом развития человеческого общества встает глобальный вопрос, куда пойдет эволюционная ветвь его дальнейшего развития на Земле, если рассматривать этот процесс через призму бифуркационных ветвлений.

В настоящее время в результате исторического развития человеческого общества возникли проблемы, связанные с антропогенной деятельностью человека: это взаимоотношения человека и природы, людей между собой, отдельной личности и человеческого общества. Эти проблемы порождены тем, что современная цивилизация в центр своего бытия поставила покорение природы, потребительское отношение к ней. Она смотрит на мир вообще и на конкретные его объекты в частности только с точки зрения их полезности и практического использования, создав при этом массу глобальных проблем. Они привели человечество к так называемому цивилизованному кризису, где доминирует парадигма личной выгоды, соперничества и борьбы. На возможность такого кризиса указывал еще В. Вернадский. Ускорение процессов развития человечества сопровождается понижением уровня его устойчивости, стабильности, возникновением новых аттракторов. Эволюция на Земле приобрела планетарный характер, в нее вовлекаются природные и социальные системы. Советский академик, работающий в области прикладной математики и физики, Н. Моисеев, выдвигает человечеству два требования (императива) – экологического и нравственного порядка. Экологический императив заключается в том, что нельзя ставить экономические интересы человечества выше экологических. Нравственный императив призывает к обновлению нравственности в соответствии с необходимостью коэволюции природных и общественных систем. Русский философ Н. Бердяев в первой половине XX в., анализируя будущее человечества, поставил ему диагноз:

Индивидуализм, атомизация общества, безудержная похоть жизни, неограниченный рост народонаселения и неограниченный рост потребностей, упадок веры, ослабление духовной жизни – все это привело к созданию индустриально-капиталистической системы, которая изменила весь характер человеческой жизни, весь стиль ее, оторвав жизнь человеческую от ритма природы.

Сегодня переживает кризис сама исходная парадигма социума, направляющая все свои силы и средства на хищническое освоение природы, не учитывая ее возможностей. В кризисе и самосознание человека, и его культура. Этот кризис не позволяет ему справиться со все углубляющимися глобальными проблемами. Природа может сбросить «непослушное ей» человечество с лица Земли.

Сейчас необходимо осознать, что XXI в. может стать концом человеческой цивилизации, социальное время может закончиться. Поэтому борьба за выживание есть борьба и за время, которого может не хватить, чтобы осознать реальные условия существующего мира и приспособиться к ним.

Радикальным действием человека по преодолению кризиса в системе «общество-природа», по мнению группы ученых, разрабатывающих современное учение о ноосфере (Д. Беккер, Н. Моисеев, А. Урсул и др.), должно быть формирование личности нового типа. Человек третьего тысячелетия должен обладать высокой экологической культурой и планетарным сознанием. Именно экологическая культура определяет характер и качественный уровень отношений между человеком и социоприродной средой. Экологическая культура проявляется в системе духовных ценностей, а также во всех видах и результатах человеческой деятельности в отношении природы. Глубокое осознание общих закономерностей развития мира, всех взаимосвязей между природой, человеческим обществом и культурой способствует правильному определению человеком своего места в системе мироздания, а также корректному образу мышления и соответствующему поведению в социоприродной среде.

8.5. Представление о жизни в современном естествознании

Ответить на вопрос, что такое жизнь, дать ей точное, исчерпывающее определение современная наука не в состоянии. Каждый ученый дает свое определение жизни. Однако универсального критерия живого нет, как нет и особых признаков, которые бы позволяли безоговорочно отделить живое от неживого.

Живое имеет много общего с неживым. Так, организмы и предметы состоят из атомов и молекул, в основе которых одни и те же химические элементы, функционирование которых определяется законами физики и химии и т. д. Однако организмы (живое) обладают своими специфическими признаками, которых нет у объектов неживой природы.

Признание того, что жизнь должна определяться законами физики и химии, все же не предоставляет возможности понять ее сущность как особого явления во Вселенной. Это, по-видимому, и наводит человека на мысль о духовном начале ее сути.

Исторически все религиозные учения и верования указывали на присутствие в живых организмах, особенно в человеке, духовного начала – бессмертной души, которая является якобы атрибутом и критерием всего живого, главным его признаком. На это указывают работы античных философов: Платона, Аристотеля (его энтелехия как духовное начало), а в более поздний период – Гегеля (мировой разум) и многих других философов.

В биологии даже сформировалась концепция так называемого витализма (от лат. vitalis – жизненный), указывающая на присутствие в живых организмах особого нематериального начала, «жизненной силы», направляющей жизненные процессы в организме и управляющей им. В последнее время сформировались понятия энергоинформационного поля и энергоинформационного обмена.

Все перечисленное является попытками объяснить живое нематериальными представлениями. Так или иначе, критерием живого признается душа, которая управляет всеми жизненными материальными процессами в организмах, не нарушая при этом фундаментальных законов природы. Однако с позиций современной научной мысли с этим согласиться весьма трудно. Все-таки жизнь материальна по своей сути. Жизнь проявляется в виде движения; но движение материальных носителей жизни характеризуется особой специфической формой.

Отличительные признаки живого

К важнейшим свойствам живых систем, отличающих их от неживой (косной) природы, можно отнести следующее:

1. Живые организмы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Они способны ассимилировать получение извне вещества, перестраивать их в ткани своего тела.

2. Живое отличается сложным строением и системной организацией, которые у них намного выше, чем у неживых объектов. Живым системам свойственен более высокий уровень асимметрии, они характеризуются высокой самоупорядоченностью в пространстве и времени.

3. Живые организмы способны создавать порядок из хаоса уже на молекулярном уровне и тем самым противодействовать росту энтропии. Они извлекают структурированную полезную для организма отрицательную энтропию из окружающей среды, обеспечивая термодинамическую неравновесность своих систем. При этом избыток положительной, неструктурированной энтропии «сбрасывается» обратно в окружающую среду. Живому свойственна энергетическая экономичность и высокая эффективность использования энергии.

4. Живое способно реагировать на внешние раздражители. Ему свойственны активность и движение во взаимодействии с окружающей средой.

5. Живому свойственны самоорганизация, постоянное развитие, изменение и усложнение. Если в самоорганизации неживых структур молекулы просты, а механизм реакций сложен, то в живых системах, наоборот, молекулы очень сложны, а механизмы просты. В метаболических функциях важную роль играет обратная связь (петли обратной связи), образующаяся при автокаталитических реакциях. Автокатализ, кросскатализ и автоингибиция характерны только живым системам. Для создания и развития новых структур, новых органов необходима положительная обратная связь, расшатывающая систему, а для устойчивого состояния – отрицательная обратная связь. Таким образом, живой организм способен не только к саморегуляции, но и к самосохранению, устойчивости своего существования. Реакция живого организма на воздействия среды носит опережающий характер.

6. Живые организмы способны размножаться, то есть воспроизводить самих себя. Это самовоспроизводство идет в избыточных количествах, что способствует естественному отбору.

7. Наследственность живого определяется генетическим аппаратом, а изменчивость – условиями окружающей среды и реакцией на них организмов. У живых организмов есть прошлое. Наследственная информация, заложенная в генах организма, необходима ему для существования, развития и размножения. Она передается по наследству его потомкам, определяя направление развития организма в окружающей среде. Организм гибко реагирует на изменяющую внешнюю среду, откликается новыми свойствами, которые, передаваясь потомкам, обеспечивают эволюцию их развития.

8. Высшим формам живой материи свойствен разум, это позволяет материи изучать, анализировать и познавать самое себя.

Все перечисленные признаки, свойственные живому, могут встречаться отдельными фрагментами и в неживой природе. Но во всей своей совокупности они присущи только живому, что и отличает живую материю от неживой.

Определения жизни

Как уже указывалось, жизнь очень сложна, многообразна, многокомпонентна и многофункциональна. Она не может быть определена по какому-то одному критерию, наиболее существенному признаку. Поэтому на сегодняшний день наука не имеет достаточно четкого определения жизни. Разноплановость понимания жизни объясняется многогранностью подходов ученых к ее определению.

Сама идея жизни, совокупность ее существенных свойств, ее сущность витает в умах ученых вот уже многие тысячелетия. И только в последние сто лет стала складываться определенная парадигма, в диапазоне которой усиленно ведутся поиски общей теории жизни и ее сущности.

Рассмотрим некоторые определения жизни, данные прославленными учеными и мыслителями XIX–XX вв.

Так, с точки зрения материалистической философии Ф. Энгельс (1820–1895) дает следующее определение жизни как особой формы движения материи: «Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка».

Исходя из этого определения, можно сказать, что основа жизни есть обмен веществ. Это важный, но не единственный критерий.

Советский биофизик М. Волькенштейн (1912–1992) дает определение жизни с точки зрения системно-синергетического подхода: «Жизнь – это форма существования макроскопических гетерогенных открытых систем, далеких от равновесия, способных к самоорганизации, саморегуляции и самовоспроизведению». Это определение является более полным, нежели определение Ф. Энгельса, поскольку отражает принципиальное отличие живой материи от неживой.

Автор наиболее популярной гипотезы о происхождении жизни на Земле советский биохимик А. Опарин (1894–1980) дает свое определение жизни: «Жизнь – это непрерывный процесс внутреннего движения, синтеза и распада, обмена энергией с окружающей средой, направленный на самосохранение и самовоспроизведение в передаче устойчивых признаков в меняющихся условиях внешней среды».

Австрийский физик Э. Шредингер (1887–1961) дает определение жизни с точки зрения своей науки: «Жизнь – это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время».

Русский математик А. Ляпунов (1857–1918), рассматривающий жизнь с точки зрения информации, писал: «Жизнь – это высокоупорядоченное состояние вещества, использующее для выработки сохраняющихся реакций информацию, кодируемую состояниями отдельных молекул».

Австрийский физик Л. Больцман (1844–1906) сделал первую попытку дать определение жизни с физических позиций. Он писал, что «всеобщая борьба за существование – это борьба за отрицательную энтропию, становящуюся доступной при переходе от пылающего Солнца к холодной Земле».

Русский геохимик В. Вернадский (1863–1945) отметил около двадцати различий между живым и неживым. Основываясь на них, он дал следующее обобщение: «Жизнь есть космическое явление, в чем-то резко отличное от косной материи».

8.6. Структурные уровни организации живой материи

Биологический уровень организации материи представлен живой природой во всем ее многообразии. Изучением живой природы занимается биология. Спецификой объекта этой науки о жизни как определяющей многие особенности биологического познания, его стратегию, процессы дифференциации и интеграции является попытка общего понимания «конечной цели» – сущности жизни и путей ее достижения.

Кроме необычайного разнообразия биологическое познание сталкивается с удивительной сложностью внешнего и внутреннего строения живых форм материи. Вместе с тем населяющие Землю живые организмы не представляют собой неорганизованную, хаотическую систему, не имеющую вполне определенных, закономерных связей и взаимозависимостей между составляющими ее отдельными компонентами и их группами. Напротив, такие связи и взаимозависимости в живой природе встречаются повсеместно и давно зафиксированы наукой. Живые организмы группируются в соответствии с особенностями своего внутреннего и внешнего строения, а также по другим признакам и свойствам в ряд систематических единиц, имеющих общее происхождение. Все без исключения живые организмы на Земле обладают множеством специфических признаков, отличающих их от неживой материи. И это не только морфологические внешние признаки, но и все то, что характеризует жизнь как таковую, независимо от конкретных форм ее существования. Это выражается в особом типе структурной организованности строения и функций живой материи, подчиненной жесткой иерархии, начиная с ее молекулярно-генетического уровня и кончая биосферой в целом.

Основные особенности живых систем

Жизнь на Земле чрезвычайно разнообразна. С начала появления жизни на Земле, то есть с течением биологического времени (3,5–3,7 млрд лет) эволюция живых организмов насчитывает огромное количество видов. В настоящее время, по разным оценкам, на Земле существует около 500 тыс. видов растений, из которых 300 тыс. высших. Царство животного мира более разнообразно, чем царство растений. На сегодняшний день описано около 1,5 млн видов представителей животного мира, но очевидно, что это далеко не исчерпывающие сведения.

Все разнообразие видов на Земле классифицируют согласно категориям систематики: царство-тип-подтип-класс-отряд-семейство-род-вид-подвид-разновидность. Наиболее широкая и общая таксономическая единица – это царство. Современная биология выделяет пять царств. Это прокариоты, простейшие, грибы, растения, животные. Все эти таксономические единицы являются результатом исторического процесса в мире живой материи, его эволюции (табл. 8.1).

Таблица 8.1

Обзор царств организмов и некоторых важных подгрупп (по 3. Брему и И. Мейнке, 1999)

Жизнь есть качественно новая форма организации материи, основное свойство которой состоит в способности усваивать энергию Солнца за счет процесса фотосинтеза и воспроизводить из неживого живое. Современная биологическая картина мира основывается на том, что мир живого – это колоссальная система высокоорганизованных систем.

Специфика жизненных процессов тесно связана с особым типом их субстрата – чрезвычайно сложными органическими соединениями: белками и нуклеиновыми кислотами. Любой живой организм представляет собой открытую органически целостную систему, в которой происходят сложные взаимодействия и имеют место взаимозависимости отдельных структурных и функциональных компонентов. Последние определяют автономный и самопроизводный характер морфогенетических процессов живых систем и их способность к самоорганизации. Это обеспечивает самосохранение живых систем, их адаптацию к внешней среде. Взаимодействие с внешней средой осуществляется через обменные процессы, в ходе которых происходит сложный синтез и деструкция поступающих в организм веществ. Молекулярная биология нашего времени выявила поразительное единство живой материи на всех уровнях ее развития – от простейших микроорганизмов до человека. Это единство представлено двумя основными классами молекул – нуклеиновыми кислотами и белками. Именно их взаимодействие и составляет основу жизни.

Почти все живые организмы состоят из клеток (кроме вирусов и фагов). По этому признаку организмы делятся на доклеточные и клеточные.

Доклеточные формы жизни – вирусы – занимают промежуточное положение между живым и неживым. Они сочетают в себе свойства и живого, и неживого. Вирусы существуют в двух формах – в форме вариона (покоящийся, внеклеточный вирус, который в «спячке» ведет себя как неживое вещество) и в форме репродуцирующегося внутриклеточного вируса, который ведет себя как живое вещество. Вирусы были открыты в 1982 г. русским микробиологом Д. И. Ивановским. Вирусы состоят из белковых молекул и нуклеиновых кислот и не имеют собственного обмена веществ. Они существенно отличаются от остальных форм жизни. Иногда их даже выделяют в отдельное царство живых организмов – Vira.

Все клеточные живые организмы делятся на одноклеточные и многоклеточные. Одноклеточные организмы (бактерии, простейшие, некоторые водоросли и грибы) состоят лишь из одной клетки. Одноклеточные в свою очередь делятся на прокариотов (клетка которых лишена ядра) и эукариотов (клетка которых имеет ядро). Многоклеточные организмы состоят из множества клеток. Так, например, организм человека состоит из 10^14 клеток. Клетки многоклеточного организма выполняют различные функции – как специализированные, так и общеклеточные. Многоклеточный живой организм обладает функциями и свойствами, которые не сводятся к функциям отдельных клеток и даже их суммы.

Современная наука о клетке – цитология – представляет клетку как чрезвычайно сложноорганизованную биологическую систему. Клетка состоит из оболочки (мембраны), наполненной протоплазмой. В протоплазме находятся органоиды, выполняющие определенные специализированные функции (обмен веществ, дыхание, синтез белка и т. д.), и ядро (или нуклеотид) с генетическим аппаратом.

Элементы и компоненты биологических систем выражают дискретную составляющую живого. Живые объекты в общей системе живых организмов в природе относительно обособлены один от другого (особи, популяции, виды). Каждая особь одноклеточного или многоклеточного организма состоит из клеток. Клетка состоит из органелл. Органеллы в свою очередь представлены отдельными высокомолекулярными органическими веществами. Вследствие такой чрезвычайной сложности живых систем в природе не может быть двух одинаковых особей, популяций или видов, хотя в целом они могут быть очень близкими.

Биологические системы отличаются высоким уровнем целостности, основанной на структурах и типах связей между ее элементами. Это открытые системы, которым свойствен обмен веществом и энергией с окружающей средой. В процессе органической эволюции биологическим системам свойственны усложнение, снижение энтропии и рост самоорганизации.

Характерными особенностями живых систем кроме обмена веществом и энергией являются саморегуляция, раздражимость, синтез органических веществ, рост, размножение, адаптация к окружающей среде и передача наследственных признаков. В живых системах саморегуляция осуществляется на уровне интенсивного обмена веществом, энергией и информацией с окружающей природной средой.

Фундаментальным свойством живого является опережающее возбуждение, которое лежит в основе формирования адаптивных признаков. Вследствие этого многие действия живых организмов имеют опережающий характер по отношению к окружающей природной среде. Это так называемое опережающее отражение. Живое заранее готовится, например, к смене времен года. Так, рыба средних широт уже с осени накапливает жир, готовясь к зиме; деревья задолго сбрасывают листву, многолетние растения для лучшей перезимовки накапливают в клетках углеводы. Проявление опережения может быть не только на биохимическом уровне, но и на социальном, что выражается в различного рода планированиях.

Уникальной особенностью живого является его самовоспроизведение, которое осуществляется на основе матричного принципа синтеза макромолекул. ДНК, хромосомы и гены как главные управляющие системы живых организмов обладают высокой стабильностью к идентичному самовоспроизведению, что обеспечивает передачу наследственных признаков ряду поколений. В изменяющихся условиях среды достаточно стабильное генное управление претерпевает некоторые структурные изменения. Эти изменения, мутации в выжившем и изменившемся в соответствии с условиями среды организме передаются по наследству по матричному принципу. Это приводит к разнообразию живой материи.

Концепция системно-структурных уровней организации живой материи позволяет не только представить многообразие живых организмов по уровням их сложности и специфики функционирования, но и расположить их в иерархическом порядке, где каждый предыдущий уровень входит в последующий, образуя единое целое живой системы. Критерием выделения тех или иных уровней являются специфичные дискретные структуры, а также фундаментальные биологические взаимодействия.

Существуют различные градации структурных уровней организации живой материи, которые довольно многочисленны. Среди них: самоорганизующиеся комплексы, биомакромолекулы, клетки, многоклеточные организмы. Имеют место и такие классификации: 1) молекулярно-генетический, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценозный; 2) молекулярный, клеточный, тканевый, органный, организменный (онтогенетический), популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный. Определены и некоторые другие уровни организации живой материи. Однако классическими уровнями в современной биологии являются следующие: молекулярно-генетический, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, био-геоценотический (биосферный).

Молекулярно-генетический уровень биологических структур

Молекулярно-генетический уровень является тем уровнем организации живой материи, на котором совершался переход от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живой. Знание этого уровня организации живого необходимо для понимания жизненных явлений, происходящих на всех других уровнях организации жизни. Это уровень функционирования биополимеров, таких как белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и другие важнейшие органические соединения, положившие начало основным процессам жизнедеятельности. На этом уровне организации живой материи элементарными структурными единицами являются гены. Вся наследственная информация у живых организмов заложена в молекулах ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты). Реализация этой информации связана с участием молекул РНК (рибонуклеиновые кислоты). С молекулярными структурами связаны хранение, изменение и реализация наследственной информации, то есть передача ее из поколения в поколение. Поэтому этот уровень и называют молекулярно-генетическим. РНК и ДНК были выделены из ядер клеток и поэтому получили название нуклеиновых, то есть ядерных, кислот.

В этих кислотах имеются углеводные компоненты: Д-дезоксирибоза в ДНК и Д-рибоза в РНК, отсюда и название этих нуклеиновых кислот.

Роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственности, а также участие их в синтезе белка и обмене веществ были окончательно выяснены лишь в середине XX столетия. В 1953 г. американскими учеными Д. Уотсоном и Ф. Криком была предложена и экспериментально подтверждена гипотеза о структуре молекулы ДНК как материального носителя генетической информации. В 1960-е гг. французскими учеными Ж. Моно и Ф. Жакобом была решена одна из главных проблем генной активности, которая объясняла фундаментальную особенность функционирования живой природы на молекулярном уровне.

На молекулярно-генетическом уровне важнейшей задачей современной биологии является исследование механизмов передачи генной информации, наследственности, а также изменчивости.

Одним из важнейших механизмов изменчивости на молекулярном уровне является механизм мутации генов, то есть их непосредственное преобразование под воздействием внешних факторов, вызывающих мутации (появление мутагенов), это – вирусы, радиация, токсические химические соединения.

Механизмом изменчивости может быть и рекомбинация генов, то есть создание новых их комбинаций. Этот процесс свойствен половому размножению у высших организмов. При нем не происходит изменения общего объема генетической информации. Этот механизм называется классическим.

В других так называемых неклассических случаях рекомбинация может сопровождаться увеличением информации генома клетки. В этом случае фрагменты хромосомы клетки-донора включаются в хромосому принимающей клетки. Они могут оставаться в скрытом, латентном, состоянии некоторое время, а также соединяться с принимающей клеткой (клеткой-реципиентом), когда под действием внешних факторов они становятся активными.

Клеточный уровень

Любой живой организм состоит из клеток. Клетка является элементарной самостоятельной единицей не только строения, но и функционирования живого организма. Она представляет собой мельчайшую элементарную живую систему и является основой жизнедеятельности и воспроизводства всех живых организмов.

В клетке как микроносителе жизни заключена такая генетическая информация, которая вполне достаточна для производства всего организма. На клеточном уровне идут процессы обмена веществ, процессы передачи и переработки информации и превращения веществ и энергии. Поэтому элементарные явления на клеточном уровне создают энергетическую и вещественную основу жизни на других уровнях живой материи.

Исследование клетки стало возможным благодаря изобретению микроскопа в XVII в. Впервые клетка была описана английским естествоиспытателем Р. Гуком.

Клетки всех живых организмов сходны по своему строению и составу вещества. Всеми весьма многообразными и сложными процессами в клетке управляет особая структура – ядро. Ядро хранит и воспроизводит генетическую информацию, координирует и регулирует процессы обмена веществ в клетке, а также ее воспроизводство путем деления.

В начале XIX столетия было описано клеточное ядро, что послужило значительным толчком в развитии теории клетки. Клеточная теория явилась важнейшим событием в биологии XIX в. Именно она стала фундаментом для развития физиологии, эмбриологии, теории эволюции. Это явилось огромным шагом вперед в понимании индивидуального развития живых организмов.

Клетки отличаются большим разнообразием форм, размеров и функций. Их подразделяют на две группы: клетки, не содержащие ядра, то есть безъядерные клетки, представленные одноклеточными организмами – прокариотами, и клетки, имеющие ядро, то есть ядерные клетки, представляющие одноклеточные организмы – эукариоты, а также все многообразие многоклеточных организмов.

По типу питания клетки подразделяются на два вида: автотрофные, которые не нуждаются в органической пище и сами производят органические питательные вещества, используя энергию солнца, углерод, воду и минеральные вещества за счет процесса фотосинтеза (растения); и гетеротрофные, использующие для своего питания готовое органическое вещество.

Онтогенетический (организменный) уровень

Онтогенетический уровень организации живой материи включает в себя как одноклеточные, так и многоклеточные организмы. Это более высокий и сложный комплексный уровень организации живого на Земле. Сам термин «онтогенез» означает индивидуальное развитие организмов, охватывающее все изменения от зарождения до смерти. Термин был впервые введен в биологию немецким биологом Э. Геккелем в 1866 г, который в сформулированном им биологическом законе указывает на то, что каждый отдельный организм в своем индивидуальном развитии повторяет в сокращенной форме историю своего вида.

Основной жизненной единицей на этом уровне является особь, а элементарным явлением – онтогенез. На этом уровне развития живого идет декодирование, а также реализация генетической и наследственной информации, завершающиеся становлением дефинитивной организации. Идет проявление фенотипических признаков, служащих материалом для естественного отбора. На этом уровне создаются особенности как структурные, изучаемые микро– и макроморфологией, так и функциональные, которые составляют предмет изучения физиологии, биофизики и биохимии.

Особенно важное значение для изучения функционирования и развития многоклеточных организмов имеет физиология. Она изучает механизмы действия различных функций живого организма, их связь, регуляцию и адаптацию к внешней среде, а также эволюционное развитие особи. Многоклеточные организмы состоят из тканей и органов.

Ткани представляют собой совокупность клеток и межклеточного вещества. В растениях это образовательная, основная, защитная и проводящая ткань. Ткани у животных – это эпителиальная, мышечная, соединительная и нервная.

Органы – это сравнительно крупные функциональные единицы, объединяющие ткани в определенные физиологические комплексы. Органы в свою очередь входят в состав более крупных единиц, систем организма. Это пищеварительная, нервная, сердечно-сосудистая, дыхательная системы и т. д.

Популяционно-видовой уровень

Это уже надорганизменный уровень, единицей которого является популяция. Именно популяции являются реальными системами, посредством которых существуют виды живых организмов. На этом уровне изменения, возникающие на первых трех уровнях, приводят к существенным эволюционным преобразованиям (микроэволюциям) за счет выработки новых адаптивных норм (признаков) и связанных с ними процессов видообразования.

Популяции являются генетически открытыми системами. Хотя они обладают некоторой относительной изоляцией, все же периодически они имеют возможность обмена генетической информацией. Именно популяции выступают в качестве элементарных единиц эволюции. Изменения их генофонда приводят к появлению новых видов. Популяциям свойственна активная и пассивная подвижность, что определяет постоянное перемещение особей. Популяции имеют способность к самостоятельному существованию, однако им свойственно и объединение. Объединяясь на определенной территории, они образуют биоценозы.

Биосферный (биогеоценотический) уровень

Как правило, биоценозы состоят из нескольких популяций и являются компонентами уже более сложной биологической системы – биогеоценоза. Биогеоценоз представляет собой единство живого (биоценоза) и неживого, то есть определенного участка земной поверхности (биотопа). Биогеоценоз – это подвижная, открытая, развивающаяся система. Она постоянно обменивается веществом и энергией с другими биогеоценозами и с окружающим пространством.

Биогеоценоз как целостная саморегулирующаяся система состоит из нескольких подсистем. Это первичные системы – продуценты. Они перерабатывают неживую материю, превращая ее в органическое вещество своих тел (растения, водоросли, некоторые микроорганизмы). Вторичные системы представлены консументами, которые получают энергию за счет органического вещества, синтезированного продуцентами (все травоядные животные), далее идут консументы второго порядка – хищники. Живые организмы после своего отмирания (органический детрит) перерабатываются редуцентами, то есть микроорганизмами, разлагающими остатки органической материи до минеральных веществ. Эти вещества, попадая в почву, вновь используются растениями, и круговорот веществ замыкается. Следовательно, в биогеоценозе происходит круговорот веществ, в котором живые организмы являются главной движущей силой.

Устойчивость и саморегуляция биогеоценозов увеличивается пропорционально разнообразию составляющих его элементов. Выпадение одного или нескольких компонентов биогеоценоза может привести к необратимому нарушению равновесия и к его гибели. Это указывает на тесную взаимосвязь организмов всех уровней в биогеоценозе посредством пищевых цепей и пищевых сетей. В связи с этим высокоорганизованные организмы не могут существовать без более простых.

Совокупность всех биогеоценозов планеты образует биосферу. Биосферный уровень организации живого – это наивысший уровень, охватывающий все явления жизни на Земле. Живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов на планете, в том числе и человека) и преобразованная им окружающая среда – это и есть биосфера. Следовательно, биосферный уровень объединяет все другие уровни организации жизни на Земле. На этом уровне протекают вещественно-энергетические круговороты, вызванные жизнедеятельностью организмов и образующие в сумме большой биосферный круговорот.

Учение о биосфере разработал В. И. Вернадский. Он доказал тесную связь органического мира на планете как единого нераздельного целого с геологическими процессами. Благодаря биогенной миграции атомов живое вещество выполняет свои геохимические функции и является мощной геологической силой.

8.7. Гипотезы происхождения жизни

Происхождение жизни на Земле является одной из важнейших проблем естествознания. Еще в глубокой древности люди задавали себе вопросы, откуда произошла живая природа, как появилась жизнь на Земле, где грань перехода от неживого к жизни и пр. На протяжении десятков веков менялись взгляды на проблему жизни, высказывались разные идеи, гипотезы и концепции. Этот вопрос волнует человечество и по настоящее время.

Некоторые идеи и гипотезы о происхождении жизни получили широкое распространение в разные периоды истории развития естествознания. В настоящее время существует пять гипотез возникновения жизни:

1. Креационизм – гипотеза, утверждающая, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения, то есть Богом.

2. Гипотеза стационарного состояния, согласно которой жизнь существовала всегда.

3. Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни, которая основывается на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества.

4. Гипотеза панспермии, согласно которой жизнь была занесена на Землю из космического пространства.

5. Гипотеза исторического происхождения жизни путем биохимической эволюции.

Согласно креационистской гипотезе, которая имеет самую длинную историю, создание жизни есть акт божественного творения. Свидетельством этому является наличие в живых организмах особой силы, «души», управляющей всеми жизненными процессами. Гипотеза креационизма навеяна религиозными воззрениями и к науке отношения не имеет.

Согласно гипотезе стационарного состояния, жизнь никогда не возникала, а существовала вечно вместе с Землей, отличаясь большим разнообразием живого. С изменением условий жизни на Земле происходило и изменение видов: одни исчезали, другие появлялись. Эта гипотеза основывается в основном на исследованиях палеонтологии. По своей сущности эта гипотеза не относится к концепциям возникновения жизни, поскольку вопрос о происхождении жизни она принципиально не затрагивает.

Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни была выдвинута в древнем Китае и Индии как альтернатива креационизму. Представления этой гипотезы поддерживали мыслители Древней Греции (Платон, Аристотель), а также ученые периода Нового времени (Галилей, Декарт, Ламарк). Согласно этой гипотезе, живые организмы (низшие) могут появиться путем саморождения из неживого вещества, содержащего некое «активное начало». Так, например, по Аристотелю, насекомые и лягушки при определенных условиях могут заводиться в иле, сырой почве; черви и водоросли в стоячей воде, а вот личинки мух – в протухшем мясе при его гниении.

Однако уже с начала XVII в. такое понимание происхождения жизни стало подвергаться сомнению. Ощутимый удар по этой гипотезе нанес итальянский естествоиспытатель и врач Ф. Реди (1626–1698), который в 1688 г. раскрыл сущность появления жизни в гниющем мясе. Ф. Реди сформулировал свой принцип: «Все живое – от живого» и стал основоположником концепции биогенеза, утверждавшей, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни.

Французский микробиолог Л. Пастер (1822–1895) своими опытами с вирусами окончательно доказал несостоятельность идеи спонтанного самозарождения жизни. Однако, опровергнув эту гипотезу, он не предложил свою, не пролил свет на вопрос о возникновении жизни.

Тем не менее опыты Л. Пастера имели большое значение в получении богатого эмпирического материала в области микробиологии его времени.

Гипотеза панспермии – о неземном происхождении жизни путем занесения «зародышей жизни» из космоса на Землю – впервые была высказана немецким биологом и врачом Г. Рихтером в конце XIX в. Концепция панспермии (от греч. pan – весь, sperma – семя) допускает возможность происхождения жизни в разное время в разных частях Вселенной и переноса ее различными путями на Землю (метеориты, астероиды, космическая пыль).

Действительно, в настоящее время получены некоторые данные, указывающие на возможность образования органических веществ химическим путем в условиях космоса. Так, в 1975 г. предшественники аминокислот были найдены в лунном грунте. В межзвездных облаках обнаружены простейшие соединения углерода, в том числе и близкие к аминокислотам. В составе метеоритов найдены альдегиды, вода, спирты, синильная кислота и т. д.

Концепцию панспермии разделяли крупнейшие ученые конца XIX – начала XX в.: немецкий химик и агроном Ю. Либих, английский физик У. Томсон, немецкий естествоиспытатель Г. Гельмгольц, шведский физико-химик С. Аррениус. С. Аррениус в 1907 г. в своих трудах даже описывал, как с других планет в космическое пространство уходят с пылинками и живые споры организмов. Носясь в бескрайних просторах космоса под действием давления звездного света, они попадали на планеты и там, где были благоприятные условия (в том числе на Земле) начинали новую жизнь. Идеи панспермии поддерживали и некоторые русские ученые: геофизик П. Лазарев, биолог Л. Берг, биолог-почвовед С. Костычев.

Существует идея о возникновении жизни на Земле почти с момента ее образования. Как известно, Земля образовалась около 5 млрд лет назад. Значит, жизнь могла зародиться во время образования Солнечной системы, то есть в космосе. Поскольку длительность эволюции Земли и жизни на ней разнится незначительно, то существует версия, что жизнь на Земле – это продолжение вечного ее существования. Эта позиция близка к теории вечного существования жизни во Вселенной. В масштабе глобального эволюционного процесса можно полагать, что возникновение жизни на Земле может, по-видимому, совпадать с образованием и существованием материи. Академик В. Вернадский разделял идею вечности жизни не в контексте ее перераспределения в космосе, а в смысле неразрывности и взаимосвязанности материи и жизни. Он писал, что «жизнь и материя неразрывны, взаимосвязаны и между ними нет временной последовательности». На эту же мысль указывает и русский биолог и генетик Тимофеев-Ресовский (19001982). В своем кратком очерке теории эволюции (1977 г.) он остроумно заметил: «Мы все такие материалисты, что нас всех безумно волнует, как возникла жизнь. При этом нас почти не волнует, как возникла материя. Тут все просто. Материя вечна, она ведь всегда была, и ненужно никаких вопросов. Всегда была. А вот жизнь, видите ли, обязательно должна возникнуть. А может быть, она тоже была всегда. И не надо вопросов, просто всегда была, и все».

Для обоснования панспермии в научно-популярной литературе приводятся «факты» о неопознанных летающих объектах, прилете инопланетян на Землю, наскальные топологические рисунки.

Однако серьезных доказательств эта концепция не имеет, а многие доводы выступают против нее. Известно, что диапазон жизненных условий для существования живого довольно узок. Поэтому вряд ли живые организмы выжили бы в космосе под действием ультрафиолетовых лучей, рентгеновского и космического излучения. Но и не исключается возможность занесения отдельных предпосылочных факторов жизни на нашу планету из космоса. Следует отметить, что это принципиального значения не имеет, поскольку концепция панспермии в корне не решает проблемы происхождения жизни, а лишь переносит ее за пределы Земли, не раскрывая самого механизма ее образования.

Таким образом, ни одна из перечисленных четырех гипотез до настоящего времени не подтверждена надежными экспериментальными исследованиями.

Наиболее доказательно с точки зрения современной науки выглядит пятая гипотеза – гипотеза происхождения жизни в историческом прошлом в результате биохимической эволюции. Ее авторами являются отечественный биохимик академик А. Опарин (1923 г.) и английский физиолог С. Холдейн (1929 г.). Об этой гипотезе мы подробно будем говорить в следующем разделе.

Гипотеза происхождения жизни в историческом прошлом в результате биохимической эволюции А. И. Опарина

С точки зрения гипотезы А. Опарина, а также с позиций современной науки возникновение жизни из неживого вещества произошло в результате естественных процессов во Вселенной при длительной эволюции материи. Жизнь есть свойство материи, которое появилось на Земле в определенный момент ее истории. Это результат процессов, протекающих сначала многие миллиарды лет в масштабе Вселенной, а потом сотни миллионов лет на Земле.

А. Опарин выделил несколько этапов биохимической эволюции, конечной целью которых явилась примитивная живая клетка. Эволюция шла по схеме:

1. Геохимическая эволюция планеты Земля, синтез простейших соединений, таких как СО_2,1 ч[Н_3,Н_20 и т. д., переход воды из парообразного состояния в жидкое в результате постепенного охлаждения Земли. Эволюция атмосферы и гидросферы.

2. Образование из неорганических соединений органических веществ – аминокислот – и их накопление в первичном океане в результате электромагнитного воздействия Солнца, космического излучения и электрических разрядов.

3. Постепенное усложнение органических соединений и образование белковых структур.

4. Выделение белковых структур из среды, образование водных комплексов и создание вокруг белков водной оболочки.

5. Слияние таких комплексов и образование коацерватов (от лат. coacervus – сгусток, куча, накопление), способных обмениваться веществом и энергией с окружающей средой.

6. Поглощение коацерватами металлов, что привело к образованию ферментов, ускоряющих биохимические процессы.

7. Образование гидрофобных липидных границ между коацерватами и внешней средой, что привело к образованию полупроницаемых мембран, что обеспечивало стабильность функционирования коацервата.

8. Выработка в ходе эволюции у этих образований процессов саморегуляции и самовоспроизведения.

Так, по гипотезе А. Опарина, появилась примитивная форма живого вещества. Такова, по его мнению, предбиологическая эволюция вещества.

Академик В. Вернадский возникновение жизни связывал с мощным скачком, прервавшим безжизненную эволюцию земной коры. Этот скачок (бифуркация) внес в эволюцию столько противоречий, что они создали условия для зарождения жизни.

8.8. Физико-химические предпосылки для зарождения жизни на Земле

Как известно, возраст Земли составляет примерно 5 млрд лет. Жизнь на Земле существует порядка 3,5–3,7 млрд лет. Так, признаки деятельности первых живых организмов обнаружены в докембрийских породах. Как видно, жизнь по «возрасту своему» является почти ровесницей Земли. Отсюда следует, что само происхождение жизни на Земле тесно связано с протеканием определенных химических процессов и реакций на поверхности нашей планеты.

Начальный этап этого процесса (появления жизни) связан с геологической эволюцией Земли. На первых этапах своей истории наша планета была очень горячей (4–8 тыс. °С). По мере остывания вследствие вращения атомы тяжелых элементов смещались к центру. На поверхностных слоях концентрировались атомы легких элементов, таких как углерод, азот, водород, кислород. При дальнейшем охлаждении Земли появились химические соединения: метан, вода, двуокись углерода, аммиак, молекулярный водород, азот. В этой атмосфере присутствовали лишь следы свободного кислорода. Она была богата инертными газами: неоном, аргоном, гелием.

Физические и химические свойства воды (высокая теплоемкость, вязкость, полярность, агдезия, когезия, хороший растворитель и т. д.) и углерода (способность образовывать линейные соединения, трудность образования оксидов, способность к восстановлению, ковалентная связь) определили роль воды и углерода в зарождении жизни.

Образование простых органических соединений

Первичная атмосфера Земли на начальных этапах эволюции планеты носила восстановительный характер, поскольку практически не содержала свободного кислорода. Понижение температуры способствовало переходу некоторых газообразных соединений в жидкое и твердое состояния. При падении температуры поверхности Земли ниже 100 °C произошла конденсация водяных паров с сильнейшими ливнями и грозами. Это привело к образованию первичных водоемов. Активная вулканическая деятельность Земли выносила в водную среду наряду с другими соединениями множество соединений металлов с углеродом, карбидов. В результате соединения карбидов с водой образовывались углеводородные соединения. Теплая дождевая вода имела в своем составе углеводородные соединения, газы (СО_2,NН_3 и др.), соли, которые вступали в химические реакции. Образовывались и углеродисто-азотистые группы – N = С = N-. Постепенно в водной среде на поверхности нашей молодой планеты стали накапливаться простейшие органические соединения.

Образование сложных органических соединений

Следующий этап биогенеза характеризовался образованием уже более сложных органических соединений, созданием белковых веществ. Повышенная температура в водах океана, мощное ультрафиолетовое излучение Солнца (тогда озоновый слой отсутствовал), грозовые электрические разряды создавали мощный энергетический фон, благодаря которому простые молекулы органических веществ при взаимодействии с другими химическими соединениями и между собой постепенно усложнялись. Это усложнение привело к образованию различных полимеров: полисахаридов, аминокислот, жирных кислот, нуклеиновых кислот. Это предположение экспериментально было подтверждено американским ученым биологом С. Миллером в 1953 г. на специально сконструированной установке. При этом были получены сахара и целый ряд аминокислот. Позже в аналогичных экспериментах в условиях лаборатории была доказана возможность получения сложных биохимических соединений, в том числе и белковых молекул, а также азотистых оснований нуклеотидов. Данные опыты показали возможность образования молекул белка в искусственных условиях.

Образовавшиеся сложные органические вещества скапливались в водах первичного океана, особенно в его прибрежных, хорошо прогреваемых частях, образуя первичный «бульон». Его насыщению способствовала и деятельность подземных вулканов. В таком «бульоне» предположительно мог развиваться процесс образования сложных органических макромолекул.

Химический состав живой природы

Состав живых организмов насчитывает всего 16 химических элементов, в то время как неживая природа – более 110 элементов. Из 16 элементов живой природы четыре элемента – углерод, водород, кислород и азот – составляют 99 % массы живого вещества. Связано это с особенностями физических и химических свойств этих элементов – валентностью, способностью образовывать прочные ковалентные связи между атомами. В живом организме главным элементом является углерод. В основе живого лежат углеродные соединения, где атомы углерода связываются между собой прочной ковалентной связью. Это обеспечивает стабильность и прочность как химического соединения, так и живого организма в целом. Атомы углерода способны образовывать длинные разветвленные цепочки как друг с другом, так и с атомами кислорода, водорода, азота. По существу, все живое – это «углеродные» тела. Раньше полагали, что молекулы углерода присущи только живому. Поэтому соединения углерода получили названия органических. В природе соединений углерода существует гораздо больше, чем соединений других элементов таблицы Менделеева, причем большая их часть не связана с живыми организмами.

В состав живого входят также такие макроэлементы, как фосфор, сера, калий, кальций, магний, железо, натрий. Они образуют группу так называемых биофильных элементов, или органогенов. Важное функциональное значение для организмов имеют и микроэлементы: кобальт, бор, цинк, молибден, йод, медь. Они составляют сотые и тысячные доли процента от массы организмов.

Мономеры и макромолекулы

Все живое состоит из различных малых органических молекул – мономеров. Объединяясь, мономеры образуют макромолекулы (их еще называют биологическими молекулами), представляющие собой полимерные цепочки. Мономеры складываются в определенную, конкретную молекулярную конструкцию, образуя при этом необходимый конкретный белок. Это значит, что процессы химической самоорганизации макромолекул играли ключевую роль в предбиологической эволюции.

Современная эволюционная химия как наука о самоорганизации и эволюции химических систем предпочтение в проблеме самоорганизации макромолекулярных структур в предбиологический период отдает катализу. Появление автокаталитических, а также повышение уровня информационных связей резко увеличило интенсивность упорядочения перехода материи от простых ко все более сложным, информационно насыщенным органическим соединениям. По мнению А. Руденко, эволюционирующими элементами в развитии предбиологических химических систем являются именно те структуры и соединения, которые резко усиливали действия катализаторов. В этом смысле биокатализ с участием ферментов тесно связан с проблемами биогенеза и происхождения жизни.

По мнению М. Эйгена, образование макромолекул и их эволюция связаны с неравновесным состоянием открытых живых систем. Обмен веществом и информацией с окружающей средой (метаболизм) можно рассматривать как совокупность химических реакций в живой системе (клетке). При этом молекулы-мономеры, переходя из окружающей среды в живую систему (организм), привносят в него определенную информацию. Последняя перерабатывается организмом и закрепляется в нем при процессах полимеризации и деструкции. Полимеризация идет путем самоинструктируемой репродукции образованных макромолекул. Если в живой системе скорость репродукции (воспроизведения) выше, чем скорость деструкции биополимеров, то макромолекулы растут; если нет, то они распадаются. Поступают в систему только те мономеры, которые преодолевают конкуренцию, поэтому они имеют определенную селекционную ценность для макромолекул. Таким образом, идет естественный отбор, то есть предшественниками живых систем, по-видимому, были лишь те макромолекулы, которые обладали определенными необходимыми свойствами. Следовательно, дарвинский естественный отбор уже проявил себя и на добиологической стадии развития материи.

В живых организмах важную роль играют три класса молекул – мономеров: аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды. Они служат строительным материалом для полимерных биологических макромолекул, таких как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Размеры мономеров колеблются в диапазоне 0,5–1,0 нм, а макромолекул – 5-300 нм. Диаметр молекулы аминокислоты порядка 0,5 нм, хромосомы – примерно 1 нм, а атомов углерода и водорода – около 0,4 нм. Для сравнения средний диаметр соматической клетки 10–20 мкм, растительной – 30–50 мкм. Таким образом, атомы примерно в 100 000 раз меньше клетки.

Все живые организмы, их клетки, органеллы как субструктуры клеток, выполняющие специфические функции, являются в целом совокупностями макромолекул. Живые организмы содержат четыре основных класса биополимеров: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Они являются структурной основой всех живых организмов и играют важнейшую роль в процессах жизнедеятельности.

Белки – это высокомолекулярные органические соединения, макромолекулы которых построены из остатков 20 аминокислот (мономеров). Белки играют первостепенную роль в процессах жизнедеятельности всех живых организмов. Им свойственны разнообразные функции: структурная – построение клеток и тканей; регуляторная – ее выполняют некоторые из гормонов; защитная – выполняют антитела; транспортная – выполняет гемоглобин; энергетическая и т. д. Только в организме человека, например, насчитывается свыше 10 млн различных белков. Без белков невозможен обмен веществ. Биосинтез белков идет при участии нуклеиновых кислот. На долю белка приходится примерно 50 % сухой массы всех органических соединений клетки.

Нуклеиновые кислоты, или полинуклиотиды. Эти биополимеры построены из большого числа остатков нуклиотидов и являются составной частью всех живых систем. Этим макромолекулам принадлежит ведущая роль в биосинтезе белков и передаче наследственных признаков организма. Эти кислоты сходны по своему составу и строению, но значительно различаются по молекулярному весу, который составляет диапазон от нескольких десятков тысяч до 150 млн. Существует 2 типа нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – содержит генетическую информацию о последовательности аминокислот в полипептидных цепях и определяет саму структуру белков. РНК – рибонуклеиновая кислота несет ответственность за создание белков. Порядок расположения составляющих молекулы ДНК и РНК нуклеотидов определяет порядок расположения аминокислот, а также их воспроизведение в первичных структурах белков. Следовательно, через молекулы нуклеиновых кислот передается информация о различных наследственных свойствах структур живых организмов и идет реализация механизма наследственности.

Коацерваты

Возрастающая концентрация «первичного бульона» органических веществ приводила к их взаимодействию, объединению и обособлению в некие мелкие структуры в водном растворе, которые А. Опарин назвал коацерватными каплями или коацерватами. Следует отметить, что в настоящее время структуры, подобные коацерватам, получают искусственным путем, смешивая растворы разных белков. Коацерваты, по А. Опарину, – это мельчайшие коллоидные образования типа капель, обладающие осмотическими свойствами. Благодаря взаимодействию электрических зарядов в слабых растворах происходит агрегация молекул. Молекулы воды создают поверхность раздела вокруг образовавшегося агрегата. Предположительно, что уже одновременно с образованием полимеров (полимеризации) шло и образование биологических мембран, ограничивающих вещества коацервата от среды.

Образование мембран считается трудной задачей химической эволюции. Без них не может быть даже самой примитивной клетки. Предполагается, что мембранные структуры, как и ферменты, возникли в ходе образования коацерватов. Биологические мембраны – это белково-липидные агрегаты, характеризующиеся полупроницаемостью. Они ограничивают вещество коацервата от окружающей среды, придавая прочность коацерватной «упаковки».

Коацерваты имеют сложную организацию и обладают рядом свойств примитивных живых систем. Так, они способны к поглощению из окружающей среды различных веществ, которые вступают во взаимодействие с веществами коацервата. Это похоже на первичную форму усвоения веществ (ассимиляцию). Образующиеся в коацервате продукты распада выделяются наружу, проходя через полупроницаемую перегородку. Однако, в принципе, коацерваты нельзя отнести к живым системам, поскольку они не обладают способностью к саморегуляции и самовоспроизведению. Они обладают лишь предпосылками живых систем.

Образование простейших форм живых организмов

Переход коацерватов как преджизненных систем к живому – это главный вопрос в учении о происхождении жизни. Он связан с действием механизма конвариантной редупликации. В ходе предбиологического отбора выживали те системы, которые имели не только способность к обмену веществ, но и особое строение макромолекул. Это обусловило появление главного качества живого – наследственности. При появлении устойчивого механизма воспроизведения генетической информации эра химической эволюции закончилась. Наступило время биологической эволюции, эра естественного отбора.

С образованием коацерватов как предвестников живой клетки В. Вернадский связывает появление первичного круговорота веществ в природе, обусловленного взаимным обменом органических веществ в процессе их синтеза или распада. При этом уже имел место процесс естественного отбора: более устойчивые образования сохранялись, а неустойчивые – распадались. В процессе отбора устойчивые коацерваты не теряли свою структуру даже при делении. Это характеризует уже самоорганизацию и самовоспроизводство.

Переход систем к самовоспроизведению, то есть к матричному синтезу белков являлся огромным качественным скачком в эволюции материи. Как произошел этот скачок, пока не ясно. Основная сложность в том, что для саморепродукции нуклеиновых кислот необходимы ферментные белки, а для создания белков – нуклеиновые кислоты. Как разорвать этот круг? Как объяснить, что на стадии предбиологического отбора произошло объединение способностей к самовоспроизводству полинуклиотидов с каталитической активностью полипептидов в условиях разобщения в пространстве и времени начальных и конечных продуктов реакции.

Наиболее перспективными в этом отношении являются гипотезы, основывающиеся на принципе самоорганизации и представлениях о гиперциклах.

Гиперциклы – это системы, связывающие самовоспроизводящиеся (автокаталитические) единицы друг с другом посредством циклической связи. В них происходит самоорганизация химических реакций, так что циклическая организация одного уровня является элементом цикла другого, уже более высокого уровня. По мнению немецкого физико-химика М. Эйгана (род. в 1927 г.), гиперциклы определяют репродукцию последующих белков, а также осуществляют роль самовоспроизводящейся системы химических реакций. Гиперцикл, сформировавшийся из нуклеиновых кислот, которые способны с помощью ферментов синтезировать белки, обеспечивает отбор макромолекул с объемом информации, достаточным для возникновения живого организма. Циклические реакции в процессе эволюции повторяются, и каждое повторение ведет к образованию новых, более совершенных систем управления. Такое развитие обеспечивает последующему поколению организмов все большую адаптацию к окружающей среде, увеличивая дальнейшее разнообразие их реакций. При этом происходит усложнение структур, возрастает уровень их организации, что уменьшает энтропию внутренних состояний.

Следовательно, можно предположить, что гиперциклы являются тем мостиком, через который природа организовала переход от молекул неживой природы к биомакромолекулам живой, преодолев барьер между живым и неживым.

Дальнейший предбиологический отбор и развитие коацерватов, вероятно, шли несколькими путями. Один из них – это выработка и накопление специфических белковоподобных полимеров, ускорителей химических реакций. В связи с этим строение нуклеиновых кислот имело «направленность на размножение» систем, когда удвоение нуклеиновых кислот шло при участии ферментов. По-видимому, на этом направлении и произошло образование циклического обмена веществ в живых системах.

Второй путь связан с отбором в системе коацерватов самих нуклеиновых кислот в наиболее удачных сочетаниях последовательности нуклеотидов. На таких направлениях формировались гены. Сформировавшиеся гены делают систему уже самовоспроизводящейся, со сложившейся определенной вполне стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте. Эти системы уже могут по определению называться живыми. Так, предположительно, сформировалась первичная самовоспроизводящаяся живая система – примитивные первичные организмы.

Конечно, в проблеме возникновения живого еще много неясного. Неразрешенным остаются вопросы, почему белковые полимерные цепи содержат только «левую симметрию», а вот спираль молекулы ДНК закручена вправо; какие причины предбиологической эволюции могли привести к такой закономерности в асимметрии живого.

Асимметричные молекулы, отклоняющие луч света вправо или влево, в химии называются стереоизомерами. Само же свойство зеркальной асимметрии носит название хиральности или киральности (от греч. cheir – рука).

Известно, что в неживой природе хиралъные (киралъные) молекулы равновесно встречаются как в левом, так и в правом варианте. В живой природе – только в левом или только в правом. В этом смысле молекулы неживой природы симметричны и хирально нечисты, в то время как молекулы живых организмов хирально чисты. Например, молекула воды зеркально симметрична, а вот молекулы глюкозы, фруктозы, аминокислоты зеркально асимметричны. Это явление представляет собой один из признаков отличия живого от неживого. Так, попадая в организм растения, вода и углекислый газ, то есть хирально нечистые молекулы, в результате фотосинтеза «переконструируются» в хираль-но чистые молекулы органических веществ (белки, сахара и т. д.).

Таким образом, отличие «живых» молекулярных конструкций от «неживых» состоит не только в том, что первые построены из органических веществ молекул, но еще и в том, что биомолекулы вмонтированы в эту конструкцию оригинальным образом с учетом только либо левой, либо правой формы.

Сейчас с помощью экспериментов доказано, что такое разделение имеет место при нелинейной динамике протекания химических автокаталитических реакций. Это значит, что переход от симметричных молекул неживого к асимметричным биомолекулам живой природы вполне реально мог происходить при определенных условиях на стадии предбиологической эволюции материи. Таким образом, одним из необходимых условий перехода от неживого к живому является спонтанное, возможно скачкообразное, нарушение зеркальной симметрии как результат реакций автокаталитического типа. Образование жизни – это процесс самоорганизации, когда из хаотического состояния левых и правых неорганических и органических молекул соединений (энантиомеров) стали образовываться упорядоченные, хирально чистые органические только левые или только правые молекулы.

По-видимому, именно естественный отбор в процессе химической (предбиологической) эволюции привел к хиральной чистоте нуклеиновых кислот и белков, их несовместимости со своими зеркальными отображениями. По подсчетам ученых, для этого потребовалось около 1 млн лет.

Некоторые современные исследователи генетической программы строения белков живого организма с позиций хиральности рассматривают уникальную последовательность звеньев в определенных биополимерных цепях. Такое свойство живой материи они называют гомо-хиральностью. Согласно этим выводам, основные биологические макромолекулы представляют собой гомохиральные полимеры. Однако механизм образования гомохиральности пока остается загадкой.

Клетка как элементарная единица живого

Все живое состоит из клеток как отдельных единиц и размножается из клеток. Поэтому клетку можно считать мельчайшей единицей всего живого. Клетка характеризуется всеми признаками живого. Каждая отдельная клетка является микроносителем жизни, так как в ней заключена генетическая информация, достаточная для воспроизведения всего организма. Жизнь каждой отдельной клетки организма подчинена деятельности организма в целом. Клетке свойственны все признаки живого: раздражимость, обмен веществ, самоорганизация и саморегуляция, передача наследственных признаков. Это сложная самоорганизующаяся биохимическая «лаборатория», состоящая из большого количества четко и согласованно функционирующих органоидов. Отдельные клетки способны самостоятельно существовать только в случае, если они представляют собой одноклеточный организм. Клетки же многоклеточного организма неспособны к самостоятельному существованию в открытой среде. Основной составляющей клетки являются биополимеры, призванные осуществлять важнейшие функции в общей системе согласованных автокаталитических циклов, которые составляют основу жизни биологических систем.

Важнейшей функцией клетки является ее размножение путем деления. С ростом клетки постепенно замедляются процессы жизнедеятельности вследствие ухудшения условий питания отдельных ее элементов. Рост клетки сопровождается также построением копий ее составляющих элементов. В связи с этим способности управления внутренними процессами клетки снижаются, растет энтропия, что способствует переходу в неустойчивое состояние. Далее идет деление клетки на две дочерние как выход из неустойчивого, неравновесного состояния. При делении клетки лишняя энтропия сбрасывается наружу, а образовавшиеся две новые клетки обретают устойчивость до момента следующего деления. На протяжении всей жизни в любом организме идет непрерывная замена старых клеток на образующиеся новые. Средний срок жизнедеятельности клеток человека – один-два дня. Каждый день в организме человека погибает около 70 млрд клеток кишечного эпителия и 2 млрд эритроцитов, которые заменяются на новые. Полная замена клеток крови человека происходит в течение четырех месяцев. Нейроны – нервные клетки – не восстанавливаются, но в течение всей жизни человека непрерывно перестраиваются.

Количество клеток у различных живых систем различно. Так, у примитивных беспозвоночных оно достигает 10^2-10^4, у высокоорганизованных организмов – 10^15-10^17. Масса клетки составляет 10-8-10-9 г. Средний размер соматической клетки живого организма достигает в диаметре 10–20 мкм, а растительной – 30–50 мкм.

8.9. Теории эволюции органического мира

Начальные этапы биологической эволюции

Появление примитивной клетки означало окончание предбиологической эволюции живого и начало биологической эволюции жизни.

Первыми возникшими на нашей планете одноклеточными организмами были примитивные бактерии, не обладавшие ядром, то есть прокариоты. Как уже указывалось, это были одноклеточные безъядерные организмы. Они были анаэробами, поскольку жили в бескислородной среде, и гетеротрофами, поскольку питались готовыми органическими соединениями «органического бульона», то есть веществами, синтезированными в ходе химической эволюции. Энергетический обмен у большинства прокариот происходил по типу брожения. Но постепенно «органический бульон» в результате активного потребления убывал. По мере его исчерпания некоторые организмы стали вырабатывать способы формирования макромолекул биохимическим путем, внутри самих клеток при помощи ферментов. В таких условиях конкурентоспособными оказались клетки, которые смогли получать большую часть необходимой энергии непосредственно от излучения Солнца. По этому пути и шел процесс формирования хлорофилла и фотосинтеза.

Переход живого к фотосинтезу и автотрофному типу питания явился поворотом в эволюции живого. Атмосфера Земли стала «наполняться» кислородом, который для анаэробов явился ядом. Поэтому многие одноклеточные анаэробы погибли, другие укрылись в бескислородных средах – болотах и, питаясь, выделяли не кислород, а метан. Третьи приспособились к кислороду. У них центральным механизмом обмена стало кислородное дыхание, которое позволило увеличить выходполезной энергии в 10–15 раз по сравнению с анаэробным типом обмена – брожением. Переход к фотосинтезу был длительным процессом и завершился около 1,8 млрд лет назад. С возникновением фотосинтеза в органическом веществе Земли накапливалось все больше энергии солнечного света, что ускоряло биологический круговорот веществ и эволюцию живого в целом.

В кислородной среде сформировались эукариоты, то есть одноклеточные, имеющие ядро организмы. Это были уже более совершенные организмы с фотосинтетической способностью. Их ДНК уже были сконцентрированы в хромосомы, тогда как у прокариотных клеток наследственное вещество было распределено по всей клетке. Хромосомы эукариотов были сконцентрированы в ядре клетки, а сама клетка уже воспроизводилась без существенных изменений. Таким образом, дочерняя клетка эукариот была почти точной копией материнской и имела столько же шансов на выживание, сколько и материнская.

Образование растений и животных

Последующая эволюция эукариотов была связана с разделением на растительные и животные клетки. Такое разделение произошло в протерозое, когда Земля была заселена одноклеточными организмами (табл. 8.2).

Таблица 8.2

Возникновение и распространение организмов в истории Земли (по З. Брему и И. Мейнке, 1999 г.)

С начала эволюции эукариоты развивались двойственно, то есть в них параллельно были группы с автотрофным и гетеротрофным питанием, что обеспечивало целостность и значительную автономность живого мира.

Растительные клетки эволюционировали в сторону уменьшения способности передвижения из-за развития жесткой целлюлозной оболочки, но в направлении использования фотосинтеза.

Животные клетки эволюционировали в сторону увеличения способности к передвижению, а также совершенствования способов поглощать и выделять продукты переработки пищи.

Следующим этапом развития живого стало половое размножение. Оно возникло примерно 900 млн лет назад.

Дальнейший шаг в эволюции живого произошел около 700–800 млн лет назад, когда появились многоклеточные организмы с дифференцированными телом, тканями и органами, выполняющими определенные функции. Это были губки, кишечнополостные, членистоногие и т. д., относящиеся к многоклеточным животным.

На протяжении всего протерозоя и в начале палеозоя растения населяют в основном моря и океаны. Это зеленые и бурые, золотистые и красные водоросли.

Впоследствии в морях кембрия уже существовали многие типы животных. В дальнейшем они специализировались и совершенствовались. Среди морских животных той поры ракообразные, губки, кораллы, моллюски, трилобиты и т. д.

В конце ордовикского периода стали появляться крупные плотоядные, а также позвоночные животные.

Дальнейшая эволюция позвоночных шла в направлении челюстных рыбообразных. В девоне стали появляться уже двоякодышащие рыбы – амфибии, а затем насекомые. Постепенно развивалась нервная система как следствие совершенствования форм отражения.

Особо важным этапом в эволюции форм живого являлись выход растительных и животных организмов из воды на сушу и дальнейшее увеличение количества видов наземных растений и животных. В дальнейшем именно из них и происходят высокоорганизованные формы жизни. Выход растений на сушу начался в конце силура, а активное завоевание суши позвоночными началось в карбоне.

Переход к жизни в воздушной среде требовал от живых организмов очень многих изменений и предполагал выработку соответствующих приспособлений. Он резко увеличил темпы эволюции живого на Земле. Вершиной эволюции живого стал человек.

Жизнь в воздушной среде «увеличила» массу тела организмов, в воздухе не содержатся питательные вещества, воздух иначе, чем вода, пропускает свет, звук, тепло, количество кислорода в нем выше. Ко всему этому необходимо было приспособиться. Первыми приспособившимися к условиям жизни на суше позвоночными были рептилии. Их яйца были снабжены пищей и кислородом для эмбриона, покрыты твердой скорлупой, не боялись высыхания.

Примерно 67 млн лет назад преимущество в естественном отборе получили птицы и млекопитающие. Благодаря теплокровности млекопитающих они быстро завоевали господствующее положение на Земле, что связано с условиями похолодания на нашей планете. В это время именно теплокровность стала решающим фактором выживания. Она обеспечивала постоянную высокую температуру тела и стабильность функционирования внутренних органов млекопитающих. Живорождение млекопитающих и вскармливание детенышей молоком явилось мощным фактором их эволюции, позволяющим размножаться в разнообразных условиях среды. Развитая нервная система способствовала разнообразию форм приспособления и защиты организмов.

Произошло разделение хищно-копытных животных на копытных и хищников, а первые насекомоядные млекопитающие положили начало эволюции плацентарных и сумчатых организмов.

Решающим этапом эволюции жизни на нашей планете явилось появление отряда приматов. В кайнозое примерно 67–27 млн лет назад приматы разделились на низших и человекообразных обезьян, являющихся древнейшими предками современного человека. Предпосылки появления современного человека в процессе эволюции формировались постепенно. Сначала был стадный образ жизни. Он позволил сформировать фундамент будущего социального общения. Причем если у насекомых (пчелы, муравьи, термиты) биосоциальность вела к потере индивидуальности, то у древних предков человека, напротив, она развивала индивидуальные черты особи. Это явилось мощной движущей силой развития коллектива.

Свой следующий шаг эволюция жизни сделала в образе появления человека разумного (Homo sapiens). Именно человек разумный обладает способностью целенаправленно изменять окружающий его мир, создавать искусственные условия своего обитания и преобразовывать облик нашей планеты.

Эволюционная теория Ч. Дарвина

Под эволюцией (от лат. evolutio – развитие, развертывание) следует понимать процесс длительных, постепенных, медленных изменений, приводящих к коренным качественно новым изменениям (образованию других структур, форм, организмов и их видов).

Идея длительного и постепенного изменения всех видов животных и растений высказывалась учеными задолго до Ч. Дарвина. В таком духе высказывались в разное время Аристотель, шведский натуралист К. Линней, французский биолог Ж. Ламарк, современник Ч. Дарвина английский натуралист А. Уоллес и другие ученые.

Несомненной заслугой Ч. Дарвина является не сама идея эволюции, а то, что именно он впервые обнаружил в природе принцип естественного отбора и обобщил отдельные эволюционные идеи в одну стройную теорию эволюции. В становлении своей теории Ч. Дарвин опирался на большой фактический материал, на эксперименты и практику селекционной работы по выведению новых сортов растений и различных пород животных.

При этом Ч. Дарвин пришел к выводу, что из множества разнообразных явлений живой природы явно выделяются три принципиальных фактора в эволюции живого, объединяемых краткой формулой: изменчивость, наследственность, естественный отбор.

Эти фундаментальные принципы основываются на следующих выводах и наблюдениях над миром живого – это:

1. Изменчивость. Она свойственна любой группе животных и растений, организмы отличаются друг от друга во многих различных отношениях. В природе невозможно обнаружить два тождественных организма. Изменчивость является неотъемлемым свойством живых организмов, она проявляется постоянно и повсеместно.

По Ч. Дарвину, в природе имеется два вида изменчивости – определенная и неопределенная.

1) Определенная изменчивость (адаптивная модификация) – это способность всех особей одного и того же вида в каких-то определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (пищу, климат и т. д.). По современным представлениям, адаптивные модификации не передаются по наследству, а поэтому в своем большинстве не могут поставлять материал для органической эволюции.

2) Неопределенная изменчивость (мутации) вызывает существенные изменения в организме в самых различных направлениях. Эта изменчивость в отличие от определенной носит наследственный характер, при этом незначительные отклонения в первом поколении усиливаются в последующих. Неопределенная изменчивость тоже связана с изменениями окружающей среды, но не непосредственно, как в адаптивных модификациях, а опосредованно. Поэтому, по Ч. Дарвину, решающую роль в эволюции играют именно неопределенные изменения.

2. Постоянная численность вида. Число организмов каждого вида, появляющихся на свет, больше того числа, которое может найти пропитание и выжить; тем не менее численность каждого вида в естественных условиях остается относительно постоянной.

3. Конкурентные отношения особей. Поскольку рождается больше особей, чем может выжить, в природе постоянно происходит борьба за существование, конкуренция за пищу и места обитания.

4. Адаптивность, приспособляемость организмов. Изменения, облегчающие организму выживание в какой-либо определенной среде, дают своим обладателям преимущества перед другими организмами, которые менее приспособились к внешним условиям и в результате погибли. Идея «выживаемости наиболее приспособленных» является главной в теории естественного отбора. 5. Воспроизведение «удачных» благоприобретенных характеристик в потомстве. Выживающие особи дают потомство, и таким образом «удачные», позволившие выжить положительные изменения передаются последующим поколениям.

Сущность эволюционного процесса состоит в непрерывном приспособлении живых организмов к разнообразным условиям окружающей природной среды и в появлении все более сложно устроенных организмов. Поэтому биологическая эволюция направлена от простых биологических форм к более сложным формам.

Таким образом, естественный отбор, являющийся результатом борьбы за существование, есть основной фактор эволюции, направляющий и определяющий эволюционные изменения. Эти изменения становятся заметными, проходя через смену многих поколений. Именно в естественном отборе отражается одна из фундаментальных черт живого – диалектика взаимодействия органической системы и среды.

Несомненные достоинства эволюционной теории Ч. Дарвина имели и некоторые недостатки. Так, она не могла объяснить причин появления у некоторых организмов определенных структур, кажущихся бесполезными; у многих видов отсутствовали переходные формы между современными животными и ископаемыми; слабым местом были также представления о наследственности. В дальнейшем обнаружились недостатки, касающиеся основных причин и факторов органической эволюции. Уже в XX в. стало ясно, что теория Ч. Дарвина нуждается в дальнейшей доработке и совершенствовании с учетом последних достижений биологической науки. Это стало предпосылкой для создания синтетической теории эволюции (СТЭ).

Синтетическая теория эволюции

Достижения генетики в раскрытии генетического кода, успехи молекулярной биологии, эмбриологии, эволюционной морфологии, популярной генетики, экологии и некоторых других наук указывают на необходимость соединения современной генетики с теорией эволюции Ч. Дарвина. Такое объединение породило во второй половине XX в. новую биологическую парадигму – синтетическую теорию эволюции. Поскольку она основана на теории Ч. Дарвина, ее называют неодарвинистской. Эту теорию рассматривают как неклассическую биологию. Синтетическая теория эволюции позволила преодолеть противоречия между эволюционной теорией и генетикой. СТЭ пока еще не имеет физической модели эволюции, но представляет собой многостороннее комплексное учение, которое лежит в основе современной эволюционной биологии. Этот синтез генетики и эволюционного учения явился качественным скачком как в развитии самой генетики, так и современной эволюционной теории. Этот скачок ознаменовал собой создание нового центра системы биологического познания и переходбиологии на современный неклассический уровень ее развития. СТЭ часто называют общей теорией эволюции, представляющей собой совокупность эволюционных идей Ч. Дарвина, главным образом, естественного отбора с современными результатами исследований в области наследственности и изменчивости.

Основные идеи СТЭ были заложены русским генетиком С. Четвериковым еще в 1926 г. в трудах по популярной генетике. Эти идеи были поддержаны и развиты американскими генетиками Р. Фишером, С. Райтом, английским биологом и генетиком Д. Холдейном и современным русским генетиком Н. Дубининым (1906–1998).

Основной предпосылкой для синтеза генетики с теорией эволюции стали биометрические и физико-математические подходы к анализу эволюции, хромосомная теория наследственности, эмпирические исследования изменчивости природных популяций и др.

Опорная точка СТЭ – представление о том, что элементарной составляющей эволюции является не вид(по Дарвину) и не особь (по Ламарку), а популяция. Именно она есть целостная система взаимосвязи организмов, обладающая всеми данными для саморазвития. Отбору подвергаются не какие-нибудь отдельные признаки или особи, а вся популяция, ее генотип. Однако этот отбор осуществляется посредством изменения фенотипических признаков отдельных особей, что приводит к появлению новых признаков при смене биологических поколений.

Элементарной единицей наследственности служит ген. Он представляет собой участок молекулы ДНК (или хромосомы), определяющий развитие определенных признаков организма. Советский генетик Н. В. Тимофеев-Ресовский (1900–1981) сформулировал положение о явлениях и факторах эволюции. Оно заключается в следующем:

♦ популяция – элементарная структурная единица;

♦ мутационный процесс является поставщиком элементарного эволюционного материала;

♦ популяционные волны – колебания численности популяции в ту или иную сторону от средней численности ее особей;

♦ изоляция закрепляет различия в наборе генотипов и вызывает деление исходной популяции на несколько самостоятельных;

♦ естественный отбор – избирательное выживание с возможностью оставления потомства отдельными особями, достигшими репродуктивного возраста.

Главный определяющий фактор синтетической теории эволюции – естественный отбор, направляющий эволюционный процесс. Чисто биологическое значение особи как организма, давшего потомство, оценивается ее вкладом в генофонд популяции. Объектами отбора в популяции являются фенотипы отдельных особей. Фенотип отдельного организма определяется и формируется на основе реализующейся информации генотипа в изменяющихся условиях среды. Вследствие этого из поколения в поколение отбор по фенотипам приводит к отбору генотипов.

Эволюция является единым процессом. В СТЭ различают два уровня эволюции: микроэволюцию, проходящую на популяционно-видовом уровне за относительно короткое время на ограниченных территориях, и макроэволюцию, проходящую на подвидовом уровне, где проявляются общие закономерности и направления в историческом развитии живого.

Микроэволюция – это совокупность эволюционных процессов, протекающих в популяциях вида, приводящих к изменениям генофондов этих популяций и к образованию новых видов. Она происходит на основе мутационной изменчивости под строгим контролем естественного отбора. Единственным источником появления качественно новых признаков являются мутации. Отбор – это творческий избирательный фактор, направляющий элементарные эволюционные изменения по пути адаптации организмов к изменяющимся условиям среды. На характер процессов микроэволюции оказывают влияние изменения численности популяций (волны жизни), обмен генетической информации между ними, а также изоляция. Микроэволюция приводит либо к изменению всего генофонда вида как целого (филогенетическая эволюция), либо к обособлению их от родительского исходного вида в качестве уже новых форм (видообразование).

Макроэволюция – это эволюционные преобразования, приводящие к изменению более высокого уровня таксонов, чем вид(семейства, отряды, классы). Она не имеет характерных ей механизмов и осуществляется посредством процессов микроэволюции. Постепенно накапливаясь, микроэволюционные процессы получают свое внешнее выражение в явлениях макроэволюции. Макроэволюция есть обобщенная картина эволюционных изменений, наблюдаемая в широкой исторической перспективе. Поэтому только на уровне макроэволюции проявляются общие тенденции, закономерности и направления эволюции живой природы, не поддающиеся наблюдению на микроэволюционном уровне.

Современные представления СТЭ указывают на то, что эволюционные изменения носят случайный и ненаправленный характер, поскольку случайные мутации являются для них исходным материалом. Эволюция идет постепенно и дивергентно через отбор небольших случайных мутаций. При этом новые жизненные формы образуются через крупные наследственные изменения, право на жизнь которых определяется естественным отбором. Медленный и постепенно идущий эволюционный процесс может иметь и скачкообразный характер, связанный с изменениями условий окружающей среды в результате бифуркационных процессов развития нашей планеты.

Синтетическая теория эволюции не является каким-то каноном, застывшей системой теоретических положений. В ее возможном диапазоне формируются новые направления исследований, появляются и будут появляться фундаментальные открытия, способствующие дальнейшему познанию эволюционных процессов живого.

По современным представлениям, важной практической задачей СТЭ является выработка оптимальных способов управления эволюционным процессом в условиях постоянно нарастающего антропогенного давления на окружающую природную среду. Эта теория используется при решении проблем взаимоотношения человека и природы, природы и человеческого общества.

Однако у синтетической теории эволюции есть некоторые спорные моменты и трудности, которые дают почву для возникновения недарвинистских концепций эволюции. К ним относятся, например, теория номогенеза, концепция пунктуализма и некоторые другие.

Теория номогенеза предложена в 1922 г. русским биологом Л. Бергом. Она основана на представлениях о том, что эволюция – это уже запрограммированный процесс реализации внутренних неотъемлемых от живого определенных закономерностей. Живому организму присуща некая внутренняя сила природы, которая всегда действует независимо от внешних условий целенаправленно в сторону усложнения живых структур. В подтверждение этому Л. Берг указывал на некоторые данные по конвергентной и параллельной эволюции некоторых групп растений и животных.

Одной из недавно возникших недарвинистских концепций является пунктуализм. Сторонники этого направления считают, что процесс эволюции идет скачкообразно – путем редких и быстрых скачков, на которые приходится всего 1 % эволюционного времени. Остальные 99 % времени своего существования видпребывает в состоянии стабильности. В крайних случаях скачок к новому виду может совершиться в небольших популяциях, состоящих всего их десяти особей, в течение одного или нескольких поколений. Эта концепция опирается на генетическую базу, заложенную молекулярной генетикой и современной биохимией. Пунктуализм отвергает генетико-популяционную модель видообразования, идею Ч. Дарвина о разновидностях и подвидах как зарождающихся видах. Пунктуализм сосредоточил свое внимание на молекулярной генетике особи как носителя свойств вида. Идея разобщенности макро– и микроэволюции и независимости управляемых ими факторов придает этой концепции определенную ценность.

Вполне вероятно, что в будущем может возникнуть единая теория жизни, объединяющая синтетическую теорию эволюции с недарвинистскими концепциями развития живой природы.

Эволюционная картина мира. Глобальный эволюционизм

Идея развития мира является важнейшей идеей мировой цивилизации. В своих далеких от совершенства формах она начала проникать в естествознание еще в XVIII в. Но уже XIX в. можно смело назвать веком идей эволюции. В это время концепции развития стали проникать в геологию, биологию, социологию и гуманитарные науки. В первой половине XX в. наука признавала эволюцию природы, общества, человека, но философский общий принцип развития еще отсутствовал.

И только к концу XX столетия естествознание приобрело теоретическую и методологическую основу для создания единой модели универсальной эволюции, выявления универсальных законов направленности и движущих сил эволюции природы. Такой основой является теория самоорганизации материи, представляющая синергетику. (Как уже указывалось выше, синергетика – это наука об организации материи.) Концепция универсального эволюционизма, которая вышла на глобальный уровень, связала в единое целое происхождение Вселенной (космогенез), возникновение Солнечной системы и планеты Земля (геогенез), возникновение жизни (биогенез), человека и человеческого общества (антропосоциогенез). Такую модель развития природы называют также глобальным эволюционизмом, поскольку именно она охватывает все существующие и мысленно представляемые проявления материи в едином процессе самоорганизации природы.

Под глобальным эволюционизмом следует понимать концепцию развития Вселенной как развивающегося во времени природного целого. При этом вся история Вселенной, начиная от Большого взрыва и заканчивая возникновением человечества, рассматривается как единый процесс, где космический, химический, биологический и социальный типы эволюции преемственно и генетически тесно взаимосвязаны. Космическая, геологическая и биологическая химия в едином процессе эволюции молекулярных систем отражает их фундаментальные переходы и неизбежность превращения в живую материю. Следовательно, важнейшей закономерностью глобального эволюционизма является направленность развития мирового целого (универсума) на повышение своей структурной организации.

В концепции универсального эволюционизма важную роль играет идея естественного отбора. Здесь новое всегда возникает как результат отбора наиболее эффективных формообразований. Неэффективные новообразования отбраковываются историческим процессом. Качественно новый уровень организации материи «утверждается» историей лишь тогда, когда он оказывается способным вобрать в себя предшествующий опыт исторического развития материи. Эта закономерность особенно ярко проявляется для биологической формы движения, но она свойственна вообще всей эволюции материи.

Принцип глобального эволюционизма основан на понимании внутренней логики развития космического порядка вещей, логики развития Вселенной как единого целого. Для такого понимания важную роль играет антропный принцип. Сущность его в том, что рассмотрение и познание законов Вселенной и ее строения ведется человеком разумным. Природа такова, какова она есть, только потому, что в ней есть человек. Иначе говоря, законы построения Вселенной должны быть таковы, чтобы она непременно когда-нибудь породила наблюдателя; если бы они были иными, Вселенную просто некому было бы познавать. Антропный принцип указывает на внутреннее единство закономерностей исторической эволюции Вселенной и предпосылок возникновения и эволюции живой материи вплоть до антропосоциогенеза.

Парадигма универсального эволюционизма является дальнейшим развитием и продолжением различных мировоззренческих картин мира. Вследствие этого сама идея глобального эволюционизма имеет мировоззренческий характер. Ведущей его целью является установление направленности процессов самоорганизации и развития процессов в масштабе Вселенной. В наше время идея глобального эволюционизма выполняет двоякую роль. С одной стороны он представляет мир как целостность, позволяет осмыслить общие законы бытия в их единстве; с другой стороны – ориентирует современное естествознание на выявление определенных закономерностей эволюции материи на всех структурных уровнях ее организации и на всех этапах ее саморазвития.

8.10. Основы генетики

История возникновения генетики

Основы современной генетики были заложены чешским естествоиспытателем Г. Менделем в 1865 г., который провел ряд опытов по скрещиванию гороха. Анализируя результаты опытов, он пришел к выводу, что наследование признаков осуществляется дискретными частицами (сейчас мы называем их генами) и не имеет промежуточного характера.

В 1900 г. выводы Г. Менделя были подтверждены экспериментами, проведенными Х. де Фризом, К. Корренсом, Э. Чермаком, что послужило толчком для новых исследований закономерностей наследования свойств родительских особей. Название науки – «генетика» – было введено в 1906 г. английским ученым У. Бетсоном. Понятие гена как элементарной единицы наследственности появилось в 1909 г. в работах датского ученого В. Иогансена.

Огромную роль в развитии и становлении генетики в начале XX в. сыграли работы выдающихся русских ученых Н. П. Дубинина, Д. Д. Ромашова, Н. В. Тимофеева-Ресовского.

► Генетика (от греч. gen3tikos – «происхождение») – это наука о законах наследственности и изменчивости.[6]

Наследственность следует понимать как свойство всех родительских особей передавать свои признаки потомству, благодаря чему живые организмы сохраняют определенные свойства в пределах вида на протяжении множества поколений. В то же время для организмов характерным является свойство изменения фенотипических и генотипических признаков, то есть изменчивость.

Достижения генетики тесно связаны с развитием новых научных методик и технологий, позволивших установить строение нуклеиновых кислот, расшифровать генетический код, выявить этапы биосинтеза белка и матричного синтеза. Таким образом, сформировались новые направления генетики, ставшие, по сути, самостоятельными науками: молекулярная генетика, иммуногенетика, медицинская генетика, генетика поведения, эволюционная генетика, геногеография и другие.

Основные понятия генетики

Ген – участок молекулы ДНК, определяющий возможность развития одного признака или синтеза белковой молекулы.

Доминантные гены – гены, проявляющиеся у гибридов и подавляющие развитие одного признака; расположены на одних и тех же участках хромосом и определяют развитие одного признака. Обозначаются прописной буквой: А, В…

Рецессивные гены – гены, подавляемые доминантными, не проявляющиеся у гибридов первого поколения. Обозначаются строчной буквой: а, в.

Аллельные гены – гены, расположенные на одних и тех же участках хромосом и определяющие развитие одного признака.

Генотип – совокупность всех генов одного организма.

Фенотип – совокупность всех признаков одного организма, сформированных в процессе его индивидуального развития. Фенотип составляют не только видимые признаки, но и биохимические и анатомические признаки.

Генофонд – совокупность всех генов, имеющихся у особей группы, популяции или вида.

Гомозиготные организмы – организмы, имеющие единообразные наследственные признаки (единообразные аллельные гены – или доминантные, или рецессивные).

Гетерозиготные организмы – организмы, имеющие различные наследственные признаки (различные аллельные гены—идоминантные, и рецессивные).

Гамета – половая клетка, имеющая одинарный (гаплоидный) набор хромосом.

Зигота – клетка, образовавшаяся при слиянии двух гамет (мужской и женской) и имеющая двойной (диплоидный) набор хромосом.

Закономерности наследственности

Современная генетика базируется на следующих положениях.

1. Наследственность является дискретным, жизненно важным свойством всех живых организмов, которое обусловлено наличием генов, локализованных в хромосомах; наследственность обеспечивает характер индивидуального развития организма в определенной среде.

2. Благодаря наследственной изменчивости возникло многообразие жизненных форм и стала возможной биологическая эволюция.

3. В основе индивидуального развития организмов лежат биохимические процессы, наследственно запрограммированные в молекулах ДНК и РНК. Наследственная информация передается с помощью генов, участков молекулы ДНК, определяющих характер биохимических реакций, которые обеспечивают проявление одного признака.

4. Наследственная информация содержится в ядре клетки и в небольших количествах – в митохондриях и хлоропластах.

Дискретность наследственной информации проявляется в независимом наследовании признаков, что было показано еще в опытах Г. Менделя по скрещиванию двух рас садового гороха – желтого и зеленого. При таком скрещивании Г. Мендель получал в первом поколении одинаковые гибриды, то есть все семена были желтые. В последующем признак, подавляющий проявление другого признака, был назван доминантным (желтая окраска семядолей), а подавляемый признак, не проявляющийся у гибридов первого поколения, назвали рецессивным (зеленая окраска семядолей). При скрещивании гибридов первого поколения Мендель установил, что во втором поколении оказалось 25 % зеленых семян и 75 % – желтых.

На основе этих опытов и установленных закономерностей были сформулированы законы моногибридного скрещивания, названные именем Г. Менделя.

► Первый закон Менделя, или закон единообразия гибридов первого поколения: при скрещивании особей, различающихся вариантами одного признака (аллельными генами), в первом поколении проявляется только один признак – доминантный.

► Второй закон Менделя, или закон расщепления: при скрещивании гибридных особей первого поколения происходит расщепление признаков. При этом расщепление по генотипу и фенотипу различно. Гибриды второго поколения расщепляются по фенотипу в отношении 3: 1, а по генотипу – в отношении 1:2:1.

► Третий закон Менделя, или закон комбинирования признаков, применим к более сложным вариантам наследования, когда родительские особи отличаются друг от друга по двум и более признакам. В таких случаях гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях.

Хромосомная теория наследственности

Важным этапом в развитии генетики стало создание в начале ХХ в. американским ученым Т. Х. Морганом хромосомной теории наследственности. Ее основные положения таковы.

♦ Гены располагаются в хромосомах в линейном порядке в определенной последовательности; каждый ген занимает определенное место (локус) в хромосоме.

♦ В гомологичных хромосомах аллельные гены занимают одно и то же место.

♦ В результате удвоения хромосом происходит удвоение генов.

♦ Гены, локализованные в одной хромосоме, наследуются совместно, образуя группу сцепления.

♦ Число групп сцепления соответствует гаплоидному набору хромосом и постоянно для каждого вида.

♦ Нарушение сцепленного наследования признаков может быть результатом кроссинговера. (Кроссинговер – от англ. crossingover – взаимный обмен участками парных хромосом, что приводит к перераспределению (рекомбинации) сцепленных генов.)

♦ Один ген может определять один или несколько признаков; также возможно и противоположное явление, когда несколько генов определяют развитие одного признака.

♦ Гены относительно стабильны, но подвлиянием факторов внешней среды способны к мутациям.

Существенным достижением генетики является выявление механизмов наследования пола. Важнейшая роль в генетическом определении пола принадлежит хромосомному набору зиготы. Так, у человека 23 пары хромосом, из них 22 пары одинаковы как у женского, так и у мужского организма, а одна пара различна. Это половые хромосомы.

У женщин половые хромосомы одинаковы, их называют Х-хромосомами, а у мужчин различны: одна Х-хромосома, другая – У-хромосома. Женские половые клетки (яйцеклетки) одинаковы, они несут по Х-хромосоме. Мужские половые клетки (сперматозоиды) различаются по наличию половых хромосом Х или У).

Пол человека закладывается в момент оплодотворения, когда хромосомные наборы половых клеток объединяются. Решающую роль в этом играет У-хромосома.

В хромосомах располагается наследственный материал организма – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Молекула ДНК состоит из двух полимерных (образованных повторяющимися элементами – мономерами) цепей, закрученных в спираль. Цепи построены из множества мономеров четырех видов – нуклеотидов.

Наследственная информация кодируется в молекуле ДНК благодаря сочетанию трех нуклеотидов – триплетов. Каждый триплет соответствует одной аминокислоте в синтезируемом белке, который отвечает за развитие определенного признака. В передаче генетической информации от родителей потомству большое значение имеют разные типы рибонуклеиновой кислоты (РНК): транспортная, информационная и рибосомная.

Изменчивость

Наследственность как свойство живой материи тесно связана с противоположным свойством – изменчивостью.

► Изменчивость – это способность живых организмов приобретать новые признаки.

Различают наследственную (генотипическую) и ненаследственную (модификационную) изменчивость.

Ненаследственная изменчивость возникает под влиянием тех или иных факторов внешней среды и характеризуется:

♦ групповым характером изменений;

♦ соответствием возникших изменений действию определенного фактора среды;

♦ изменениями, которые могут развиваться в определенных пределах (норма реакции).

Наследственная изменчивость связана с изменением генотипа и сохраняется в ряду поколений. Различают мутационную и комбинативную наследственную изменчивость.

Мутационная изменчивость (или мутации) представляет собой спонтанные скачкообразные изменения генетического материала, возникающие вследствие нарушений в структуре генов или хромосомы. Мутации могут быть полезными или вредными для организма. Частота мутаций в естественных условиях мала (примерно одна мутация на 200 тыс. генов). Однако влияние некоторых факторов среды существенно увеличивает число мутаций. К таким факторам, или мутагенам, относятся: ионизирующее излучение, температура, электромагнитные поля, некоторые химические вещества.

Мутации повышают генетическое разнообразие внутри популяции или вида, так как поставляют материал для естественного отбора и образования новых видов. Таким образом, положительные мутации, встречающиеся крайне редко, лежат в основе эволюционного процесса.

Комбинативная изменчивость связана с перестройкой структуры хромосомы, порядком расположения генов (рекомбинацией), при этом сами гены не изменяются.

Генетическая и клеточная инженерия

Возникновение генетической (генной) инженерии связано с созданием технологии выделения генов из ДНК и методики размножения нужного гена естествоиспытателем П. Бергом (1972 г., США). Внедрение в живой организм чужеродной генетической информации, генетическое манипулирование с целью изменения существующих и создания новых генотипов составляют одну из самых перспективных актуальных задач генной инженерии.

На основе генной инженерии возникла новая отрасль фармацевтической промышленности, представляющая собой перспективную ветвь современной биотехнологии – микробиологический синтез. С помощью методов генной инженерии получены клоны многих генов, инсулин, гистоны, коллаген и глобин мыши, кролика и человека, пептидные гормоны и интерферон, которые используют в лечебной практике.

Развитие генной инженерии делает возможным создание новых генотипов сельскохозяйственных растений и животных, для которых характерно отсутствие определенных болезней и увеличение продуктивности.

Методы генной инженерии широко применяются в медицине, фармакологии, микробиологии. Например, с помощью молекулярных проб (фрагментов ДНК) можно определить зараженность донорской крови вирусом СПИДа.

Разработаны генные технологии улучшения вакцин и создания новых вакцин. Генетики ведут исследования по генетической модификации свойств микроорганизмов, необходимых для сыроварения, виноделия, хлебопечения, производства кисломолочных продуктов.

В сельском хозяйстве используют модифицированные микробы для борьбы с вредными вирусами, микробами и насекомыми.

Клеточная инженерия занимается генетическими манипуляциями с отдельными клетками или группами клеток. К достижениям клеточной инженерии можно отнести методику оплодотворения в пробирке яйцеклетки с последующей имплантацией ее зародышей в матку. В настоящее время в мире насчитывается десятки тысяч «детей из пробирок».

Методы клеточной инженерии применяются в животноводстве при выведении животных с определенными, полезными для человека качествами. В данном случае в яйцеклетки подопытных животных внедряют участки молекул ДНК, изменяя генотип особи.

В растениеводстве с целью уменьшить сроки размножения и значительно увеличить число новых экземпляров используют клональное микроразмножение (получение растительного организма из одной клетки).

Однако необходимо отметить и негативный аспект развития генной и клеточной инженерии: становится реальной возможность получения новых патогенных вирусов и создания новых видов бактериологического оружия, что не только ведет к дестабилизации и напряженности отношений между странами, но и ставит под угрозу благополучие человеческой цивилизации.

В 1997 г. в печати появилась информация о том, что шотландский ученый Я. Вильмут разработал методику клонирования млекопитающих, в результате чего появилась клонированная овечка Долли. Было проведено 236 опытов, из которых только один оказался успешным – родилась овца, несущая весь генотип матери.

После этого все чаще стали возникать дискуссии по проблеме клонирования человека. Действительно, технологии генной инженерии приближаются к решению этой задачи. Но следует помнить, что клонирование человека вызовет целый ряд этических, юридических и религиозных проблем, среди которых наиболее острыми будут, вероятно, следующие:

♦ подрыв нравственных ценностей человечества;

♦ неблагоприятное влияние на социальную и биологическую устойчивость человеческой популяции;

♦ возможное зарождение цивилизации с иными нравственными критериями (или их отсутствием);

♦ появление криминальных объединений исследователей, использующих достижения генной инженерии в противоправных целях.

Таким образом, нравственные и социальные аспекты использования достижений генетики в интересах человека требуют широкого обсуждения, внимания и общественного контроля.

Вопросы для самопроверки

1. Почему электромагнетизм является атрибутом существования живой материи?

2. Что означает эволюционно-синергетический подход в описании природы?

3. В чем сущность самоорганизации в природе в целом и в живой материи в частности?

4. Какова роль синергетики для современного миропонимания?

5. Назовите основные свойства самоорганизующихся систем.

6. Дайте понятие бифуркационного дерева как модели эволюции природы, человека, общества.

7. Дайте определение жизни с точек зрения различных ученых. Назовите отличия живой материи от неживой.

8. Охарактеризуйте структурные уровни организации живой материи.

9. Сформулируйте основные гипотезы происхождения жизни на Земле.

10. Назовите основные этапы происхождения жизни по А. И. Опарину.

11. Охарактеризуйте клетку как элементарную единицу живого.

12. Назовите основные положения эволюционной теории Ч. Дарвина. Чем отличается синтетическая теория эволюции от дарвинской?

13. Что такое эволюционная картина мира и глобальный эволюционизм?

14. Дайте определения наследственности и изменчивости.

15. Что определяют понятия «наследование», «ген», «геном», «генофонд»?

16. Что представляют собой генотип и фенотип? Почему принято считать, что генотип определяет фенотип?

17. Дайте определение генетического кода и перечислите его свойства.

18. Перечислите основные принципы гибридологического анализа.

19. Какие признаки называются доминантными, а какие – рецессивными?

20. Какие организмы называются гомозиготными, а какие – гетерозиготными?

21. Дайте современную формулировку законов Менделя.

22. В чем состоят особенности генетики человека? Перечислите основные методы генетики человека.

Глава 9

УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

В 1875 г. в научной литературе появился термин «биосфера». Его предложил Эдуард Зюсс (1831–1914) – известный австрийский геолог. Введя в науку новый термин, Э. Зюсс не дал ему определения, поэтому слово «биосфера» стало изредка использоваться в геологической и географической литературе, причем каждый раз в различном значении.

В 1926 г. в Ленинграде вышла книга выдающегося русского ученого В. И. Вернадского «Биосфера». В этой книге впервые дано представление о биосфере Земли как о планетарной оболочке, наполненной, преобразованной и постоянно преобразуемой организмами. В. И. Вернадский распространил понятие «биосфера» не только на организмы, но и на среду обитания. Подчеркивая геологическую роль живых организмов, Вернадский писал: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а поэтому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

9.1. Биосфера, ее структура и функции

Длительный период добиологического развития нашей планеты, определяющийся действием физико-химических факторов неживой природы, закончился качественным скачком – возникновением органической жизни. С момента своего появления организмы существуют и развиваются в тесном взаимодействии с неживой природой, причем процессы в живой природе на поверхности нашей планеты стали преобладающими. Под действием солнечной энергии развивается принципиально новая (планетарных масштабов) система – биосфера. В составе биосферы различают:

♦ живое вещество, образованное совокупностью организмов;

♦ биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, известняки и др.);

♦ косное вещество, образующееся без участия живых организмов (основные породы, лава вулканов, метеориты);

♦ биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы).

Эволюция биосферы обусловлена тесно взаимосвязанными между собой тремя группами факторов: развитием нашей планеты как космического тела и протекающих в ее недрах химических преобразований, биологической эволюцией живых организмов и развитием человеческого общества.

Границы жизни определяются факторами земной среды, которые препятствуют существованию живых организмов. Верхняя граница биосферы проходит на высоте около 20 км от поверхности Земли и отграничена озоновым слоем, который задерживает коротковолновую часть ультрафиолетового излучения Солнца, губительную для жизни. В гидросфере земной коры живые организмы населяют все воды Мирового океана – до 10–11 км в глубину. В литосфере жизнь встречается на глубине 3,5–7,5 км, что обусловлено температурой земных недр и уровнем проникновения воды в жидком состоянии.

Атмосфера. Газовая оболочка Земли состоит в основном из азота и кислорода. В небольших количествах в ней содержатся диоксид углерода (0,003 %) и озон. Состояние атмосферы оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для процессов жизнедеятельности особенно важны: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества; диоксид углерода, используемый зелеными растениями в фотосинтезе; озон, создающий экран, защищающий земную поверхность от ультрафиолетового излучения. Атмосфера образовалась в результате мощной вулканической и горообразовательной деятельности, кислород появился значительно позднее как продукт фотосинтеза.

Гидросфера. Вода – важный компонент биосферы и необходимое условие существования живых организмов. Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их содержание широко варьируется в зависимости от температуры и присутствия живых организмов. В воде содержится в 60 раз больше диоксида углерода, чем в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием геологических процессов в литосфере, при которых выделялось большое количество водяного пара.

Литосфера. Основная масса организмов литосферы находится в почвенном слое, глубина которого не превышает нескольких метров. Почва состоит из неорганических веществ (песок, глина, минеральные соли), образующихся при разрушении горных пород, и органических веществ – продуктов жизнедеятельности организмов.

9.2. Живое вещество как системообразующий фактор биосферы

Огромной заслугой В. И. Вернадского является обоснование нового содержания представлений о живом веществе. Живым веществом Вернадский называл «совокупность организмов, сведенных к их весу, химическому составу и энергии». Живое вещество по своей массе представляет собой ничтожную часть биосферы. Если все живое вещество Земли равномерно распределить по ее поверхности, то оно покроет нашу планету слоем толщиной 2 см. Однако именно живое вещество, по мнению В. И. Вернадского, выполняет ведущие функции в формировании земной коры.

Живое вещество обладает рядом специфических свойств:

1. Живое вещество характеризуется огромной свободной энергией.

2. В живом веществе химические реакции протекают в тысячи (иногда и в миллионы) раз быстрее, чем в неживом веществе. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе пользуются понятием исторического, а в косном веществе – геологического времени.

3. Химические соединения, входящие в состав живого вещества (ферменты, белки и др.), устойчивы только в живых организмах.

4. Живому веществу присуще произвольное движение – пассивное, обусловленное ростом и размножением, и активное – в виде направленного перемещения организмов. Первое является свойством всех живых организмов, второе характерно для животных и в редких случаях – для растений.

5. Для живого вещества характерно гораздо большее химическое и морфологическое разнообразие, чем для неживого.

6. Живое вещество в биосфере Земли находится в виде дисперсных тел – индивидуальных организмов. Размеры и масса живых организмов сильно колеблются (диапазон более 10^9).

7. Живое вещество возникает только из живого и существует на Земле в форме непрерывного чередования поколений.

Живые организмы в пределах биосферы распределены очень неравномерно. На большой высоте и глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются достаточно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности земли, в почве и поверхностном слое Мирового океана.

В. И. Вернадский выделил две формы концентрации живого вещества: жизненные пленки, занимающие огромные площади, и сгущения жизни, представленные небольшими площадями (например, пруд). Вся остальная часть биосферы является зоной разряжения живого вещества.

В океане можно выделить две жизненные пленки – планктонную и донную, которые находятся на границе раздела фаз. Планктонная лежит на границе атмосферы и гидросферы, донная – на границе гидросферы и литосферы. Сгущения жизни в океане различают трех типов: прибрежные, саргассовые и рифовые.

На суше также имеются различные формы концентрации жизни. Верхняя пленка жизни на суше – наземная, расположенная на границе атмосферы и литосферы. Под ней находится почвенная пленка жизни, представляющая собой сложную систему, населенную огромным количеством бактерий, простейших и других представителей живых организмов.

Сгущения жизни представлены на суше береговыми, пойменными и тропическими формами.

Важная закономерность наблюдается в соотношении видового состава живых организмов на Земле. Растения составляют 21 % от общего числа видов, образуя 99 % общей биомассы. Среди животных 96 % видов представлены беспозвоночными и только 4 % – позвоночные, из которых только 10 % – млекопитающие.

Таким образом, организмы, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития, в количественном отношении значительно преобладают.

Масса живого вещества очень мала по сравнению с массой неживого вещества и составляет всего 0,01-0,02 % от косного вещества биосферы. В то же время живое вещество играет главенствующую роль в геохимических процессах. Ежегодно благодаря жизнедеятельности растений и животных воспроизводится около 10 % биомассы.

Живым веществом в биосфере выполняются важные функции:

1. Энергетическая функция – поглощение солнечной энергии и энергии при хемосинтезе, дальнейшая передача энергии по пищевой цепи.

2. Концентрационная функция – избирательное накопление определенных химических веществ.

3. Средообразующая функция – преобразование физико-химических параметров среды.

4. Транспортная функция – перенос веществ в вертикальном и горизонтальном направлениях.

5. Деструктивная функция – минерализация необиогенного вещества, разложение неживого неорганического вещества.

Живые организмы осуществляют миграцию химических элементов в биосфере в процессе дыхания, питания, обмена веществ и энергии.

Главная функция биосферы заключается в обеспечении круговорота химических элементов, который выражается в циркуляции веществ между атмосферой, почвой, гидросферой и живыми организмами.

9.3. Биосфера – экосистема планетарного масштаба

В условиях научно-технического прогресса человечество все чаще вступает в конфликт с природой. Активная деятельность человека не только существенно меняет не только облик нашей планеты, но и влияет на характер процессов в биосфере. Деятельность человека приводит к нарушению биотического круговорота веществ, истощению природных ресурсов, нарушению термодинамического равновесия и т. д. Дальнейшее углубление этого конфликта может привести к глобальной катастрофе, которая грозит гибелью всего живого на планете, в том числе и человека. В связи с этим должны быть коренным образом пересмотрены взаимоотношения человека с окружающей его средой, его место в природе. Существование и развитие человечества должны соизмеряться с законами развития биосферы.

Основополагающее значение для разработки стратегической концепции взаимоотношений между человеческим обществом и окружающей средой имеют учение о биосфере (В. И. Вернадский, 1926) и понятия о биогеоценозах (В. Н. Сукачев, 1940) и экологических системах (А. Тенсли, 1935) как элементарных структурно-функциональных единицах биосферы. Биогеоценоз (экосистема) – это устойчивое сообщество организмов разных видов (растений, животных и микроорганизмов), тесно связанных между собой и с окружающей их неживой природой (биотопом) обменом веществ и энергии. Биогеоценоз пространственно ограничен (например, биогеоценоз дубравы) и относительно однороден (как по видовому составу живых существ, так и по комплексу абиотических факторов – свет, температура, давление и др.). Постоянное поступление энергии Солнца, минеральных веществ почвы, газов и воды обеспечивает жизненные процессы организмов, при которых выделяются теплота, кислород, диоксид углерода, продукты жизнедеятельности. Основные функции биогеоценоза – аккумуляция и перераспределение энергии и круговорот веществ. Ведущая активная роль в процессах взаимодействия компонентов биогеоценоза принадлежит живым существам. Организмы, входящие в биогеоценоз, можно отнести к трем функциональным группам – продуцентам, консументам и редуцентам. Продуценты составляют группу автотрофных организмов (фото– и хемосинтетиков), которые потребляют неорганические вещества из биотопа, используют энергию солнечного света (либо энергию, выделяемую при окислении ими неорганического субстрата) и синтезируют органическое вещество. К этой группе относятся растения и некоторые бактерии. Консументы – гетеротрофные организмы, использующие готовые органические вещества (в виде пищи) как источники энергии и веществ, необходимых для их жизнедеятельности. К ним относятся все животные, некоторые грибы, бактерии и растения (растения-хищники и растения-паразиты). Редуценты – это организмы-деструкторы, разлагающие остатки организмов, превращая их в простые неорганические соединения. Трофические отношения между тремя названными компонентами биоценоза определяют всю «экономику» биогеоценоза – потоки энергии и круговорот веществ. Продуценты, поглощая минеральные вещества и улавливая солнечную энергию, создают органические вещества, из которых строится их тело (солнечная энергия, таким образом, переводится в энергию химических связей). Консументы, поедая продуцентов и друг друга (растительноядные, хищные, паразитические организмы), расщепляют органические вещества пищи, используя их и высвобождающуюся энергию для построения собственного тела и обеспечения жизнедеятельности. Наконец, редуценты разлагают органические вещества мертвых организмов, получая необходимые им материалы и энергию. Редуценты обеспечивают возврат неорганических веществ, которые вновь могут быть использованы продуцентами. Постоянное осуществление круговорота веществ является залогом длительного существования биогеоценоза, несмотря на ограниченный запас минеральных веществ. Взаимодействия всех организмов биогеоценоза между собой и с физической средой характеризуются динамическим равновесием (экологический гомеостаз системы). Биогеоценозы являются структурно-функциональными единицами биосферы, ее материально-энергетическими ячейками и взаимосвязаны круговоротом веществ и потоком энергии. Обмен веществами между биогеоценозами может осуществляться в газообразном, жидком и твердом состояниях, а также в форме живого вещества (например, миграции животных).

Биотический круговорот органических веществ – основа и условие существования биосферы. Его непрерывность – залог развития и самого существования жизни на Земле. Каждый вид является звеном в процессе биотического круговорота. Непрерывность жизни обеспечивается процессами синтеза и распада. Поступающая в биосферу солнечная энергия частично расходуется на синтез высокомолекулярного богатого энергией органического вещества. Передаваясь с одного трофического уровня на другой, энергия постепенно рассеивается. Особая роль в круговороте принадлежит микроорганизмам, которые превращают мертвые остатки растений и животных в неорганические вещества, используемые в дальнейшем зелеными растениями для фотосинтеза. Обновление всего живого вещества биосферы Земли происходит приблизительно за 8 лет. Вещество наземных растений обновляется за 14 лет, а вся биомасса океана – за 33 дня.

В. И. Вернадский рассматривал биотический круговорот как основу организации жизни в планетарном масштабе.

9.4. Принципы устройства биосферы

Итак, биосфера – совокупность всех живых организмов вместе со средой обитания. Среда обитания включает воду, нижнюю часть атмосферы и верхнюю часть земной коры. Живые и неживые вещества биосферы находятся в непрерывном взаимодействии и единстве, образуя целостную систему. Многолетняя работа В. И. Вернадского над проблемами взаимодействия живой материи и геохимических процессов на Земле была завершена созданием учения о биосфере, основными положениями которого являются следующие.

1. Целостность биосферы определяется самосогласованностью всех процессов в биосфере, ограниченных физическими константами, уровнем радиации и пр.

2. Земные законы движения атомов, преобразования энергии являются отражением гармонии космоса, обеспечивая гармонию и организованность биосферы. Солнце как основной источник энергии биосферы регулирует жизненные процессы на Земле.

3. Живое вещество биосферы с древнейших геологических времен активно трансформирует солнечную энергию в энергию химических связей сложных органических веществ. При этом сущность живого постоянна, изменяется лишь форма существования живого вещества. Само живое вещество не является случайным созданием, а есть результат превращения солнечной световой энергии в действительную энергию Земли.

4. Чем мельче организмы, тем с большей скоростью они размножаются. Скорость размножения зависит от плотности живого вещества. Растекание жизни – результат проявления ее геохимической энергии.

5. Автотрофные организмы получают все необходимые для жизни вещества из окружающей косной материи. Для жизни гетеротрофов необходимы готовые органические соединения. Распространение фотосинтезирующих организмов (автотрофов) ограничивается возможностью проникновения солнечной энергии.

6. Активная трансформация живым веществом космической энергии сопровождается стремлением к максимальной экспансии, стремлением к заполонению всего возможного пространства. Этот процесс В. И. Вернадский назвал «давлением жизни».

7. Формами нахождения химических элементов являются горные породы, минералы, магма, рассеянные элементы и живое вещество. В земной коре происходят постоянные превращения веществ, круговороты, движение атомов и молекул.

8. Распространение жизни на нашей планете определяется полем устойчивости зеленых растений. Максимальное поле жизни ограничивается крайними пределами выживания организмов, которое зависит от устойчивости химических соединений, составляющих живое вещество, к определенным условиям среды.

9. Количество живого вещества в биосфере постоянно и соответствует количеству газов в атмосфере, прежде всего кислорода.

10. Всякая система достигает устойчивого равновесия, при котором свободная энергия системы приближается к нулю.

Особое место в трудах В. И. Вернадского занимает концепция эволюции биосферы. Он выделяет три этапа развития биосферы. Первый – возникновение первичной биосферы с биотическим круговоротом веществ. Ведущие факторы на этом этапе – геологические и климатические изменения на Земле. Второй этап – усложнение структуры биосферы в результате появления одноклеточных и многоклеточных эукариотных организмов. Движущим фактором выступает биологическая эволюция. И наконец, третий этап – возникновение человеческого общества и постепенное превращение биосферы в ноосферу. Ведущим фактором в этом процессе является разумная деятельность человека, характеризующаяся рациональным регулированием взаимоотношений человека и природы.

9.5. Превращение биосферы в ноосферу

Современная биосфера сложилась в результате длительного эволюционного процесса живого и косного вещества нашей планеты. Роль человека в развитии биосферы определяется прежде всего его биосоциальной природой. Существование человека как гетеротрофного организма зависит от наличия органической пищи, воздуха, воды и т. д. В то же время человек обладает существенными особенностями, выделяющими его из живой природы, – это разум, способность к труду, творческой деятельности, производственным отношениям. На ранних этапах существования человека его деятельность не нарушала равновесия в биосфере. Потребляемые человечеством ресурсы природы и продукты его жизнедеятельности циркулировали в общем круговороте веществ, так же как и продукты деятельности других видов живых существ. Постепенно деятельность человека стала не просто приспособлением к условиям среды, но приобрела разумный целенаправленный характер, изменяя окружающую природу. Человек вывел много новых сортов растений и породживотных, увеличивая разнообразие природных видов, но в то же время многие виды исчезли или находятся на грани уничтожения (дронт, стеллерова корова, странствующий голубь и др.). Деятельность человека становится мощным экологическим фактором, нарушающим равновесие в природе, биосфере. Воздействия человека на окружающую природу достигли к настоящему времени планетарных масштабов. В результате деятельности человека происходят изменения климата, ландшафтов, состава атмосферы, видового и численного состава живых существ. Повсеместное уничтожение лесов приводит к снижению выделения в атмосферу кислорода и утилизации углекислого газа, к эрозии почв, изменению климата, нарушению водного режима. Сгорание органического топлива снижает содержание кислорода в атмосфере (так, например, при пробеге автомобилем 100 км пути расходуется годовая норма кислорода для одного человека). В последние годы отмечается повышение содержания углекислого газа в атмосфере, накопление промышленной пыли. Это ведет к возникновению «парникового эффекта» – нарушению рассеивания тепла с поверхности Земли в космос, что приводит к постепенному потеплению климата на планете. В атмосферу ежегодно поступают миллионы тонн загрязненных веществ. Особую опасность представляет сернистый газ, который соединяется с парами воды и является причиной выпадения кислотных дождей. Повсеместно на нашей планете отмечается ухудшение состояния водных систем в результате ирригационных и мелиоративных мероприятий. Происходит истощение подземных вод, массовая гибель малых рек, сокращение крупных рек, высыхание крупных водоемов (например, исчезло с лица Земли Аральское море-озеро). Значительно воздействие человека на литосферу – распахивание земель для сельскохозяйственных нужд (сегодня 30 % суши занято угодьями) приводит к эрозии почв, их засаливанию, поднятию грунтовых вод. Человек создает техносферу, не составляющую целостную систему с биосферой, не создающую новых запасов энергии. Деятельность человека представляет угрозу для экологического равновесия, для существования биосферы.

Выходом из экологического кризиса должно стать создание на Земле ноосферы. Концепция ноосферы явилась логическим результатом научной деятельности В. И. Вернадского, который говорил, что «биосфера перейдет однажды в сферу разума – ноосферу. Произойдет великое объединение, в результате которого развитие планеты сделается направленным силой разума». О формировании на Земле ноосферы он наиболее подробно писал в незавершенной работе «Научная мысль как планетное явление». Рассматривая переход биосферы в ноосферу («сферу разума»), В. И. Вернадский указал ряд конкретных условий, необходимых для становления и существования ноосферы. Нужно, чтобы:

♦ человечество стало единым целым, заселив и преобразовав всю планету;

♦ резко преобразовались – стали мобильными – средства связи и обмена информацией между странами;

♦ усилились связи, в том числе политические, между всеми странами Земли;

♦ расширились границы биосферы, произошел выход в космос;

♦ были открыты и начали активно использоваться новые источники энергии, развивалась энергетика;

♦ установилось реальное равенство людей всех рас и религий;

♦ наладилось разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения;

♦ были исключены войны из жизни общества;

♦ произошел рост общего уровня жизни, были побеждены голод и болезни.

Ноосфера – это высшая стадия развития биосферы, когда преобразующая деятельность человека основывается на научном понимании естественных и социальных процессов с учетом общих законов развития природы. Ноосфера не может формироваться стихийно, для ее формирования необходимы сознательная деятельность людей, активное вмешательство разума в судьбу природы. Изменения биосферы должны происходить в интересах человечества, но без ущерба для самой биосферы. Такое взаимоотношение человека и биосферы называется коэволюцией.

В структуре ноосферы выделяют следующие компоненты: человечество, совокупность научных знаний, сумму техники и технологий в единстве с биосферой.

Ноосфера предполагает не выживание человечества, а сохранение экосферы в гармонии живой и неживой природы, сохранение природы с сохранением ресурса органического мира в биогеоценозах.

Идеи В. И. Вернадского нашли отражение в современной концепции устойчивого развития. Человеческая цивилизация достигла критического уровня, после которого одинаково возможны и качественно новая степень развития, и катастрофа. Устойчивое развитие предполагает как установление баланса между потреблением и воспроизводством природных ресурсов, так и обеспечение устойчивого роста благосостояния, социальной защищенности и возможности гармоничного развития личности. Устойчивое развитие – это поступательное движение темпов экономического роста, при котором давление на окружающую среду компенсируется восстановлением ее свойств. Ноосферные преобразования требуют от человечества способности к рациональному мышлению, научному предвидению, единства экологии, экономики и политики.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое биосфера?

2. Какова структура биосферы?

3. Назовите вещества, составляющие биосферу.

4. Чем определяются границы жизни?

5. Какими свойствами обладает живое вещество?

6. Назовите формы концентрации живого вещества в биосфере.

7. В чем заключается космическая роль биосферы?

8. Что такое биогеоценоз?

9. Назовите группы организмов биогеоценоза, объединенных трофическими связями.

10. Что такое коэволюция?

Глава 10

ЧЕЛОВЕК КАК ПРЕДМЕТ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

10.1. Происхождение человека

Одним из центральных вопросов современного естествознания, на который наука не дает однозначного ответа, является вопрос о появлении человека на Земле. Изучением происхождения и эволюции человека, движущих сил и закономерностей антропогенеза, соотношения биологического и социального в процессе развития человека занимается отрасль естествознания антропология (от греч. anthropos – человек). В настоящее время существует несколько концепций происхождения человека.

1. Концепция креационизма. В древних мифах и легендах разных народов нашли отражение представления о божественном происхождении человека, согласно которым всемогущий бог (боги) создал окружающий мир и человека. Нередко в мифах говорится, что предками человека были различные животные: у жителей леса – волки, медведи; у жителей приморья – моржи или рыбы. Религиозные учения указывают на божественное происхождение человека. Господствующая в европейских странах религия – христианство – признает творцом мира и человека единого Бога, который создал человека на шестой день творения мира по своему образу и подобию.

2. Концепция эволюции. Попытки определить положение человека в природе, объяснить его сходство с другими животными имели место уже в трудах античных ученых-философов. Карл Линней в 1735 г., создавая свою классификацию органического мира, помещает человека в отряд приматов вместе с лемуром и обезьяной. Идея родства между высшими приматами и человеком нашла поддержку и научное обоснование в работах Ж. Б. Ламарка (1809),

Ж. Бюффона (1749). Крупнейшим вкладом в развитие симиальной (обезьяньей) теории антропогенеза стала книга Ч. Дарвина «Происхождение человека и половой отбор» (1871), в которой выдвигается гипотеза о происхождении человека от обезьяноподобного предка, предсказаны грядущие ископаемые находки, подчеркивается особое сходство человека, шимпанзе и гориллы и предполагается, что родиной первых людей была Африка. В дальнейшем открытия в области сравнительной анатомии, физиологии, биохимии, генетики предоставили ряд доказательств родства человека с высшими приматами. Найденные палеонтологами останки общих предков человека и человекообразных обезьян подтвердили правильность концепции антропогенеза.

3. Трудовая концепция. Фридрих Энгельс в своей работе «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека» рассматривает особенности эволюции приматов, связанные с трудовой деятельностью. Существенным моментом в процессе антропогенеза является прямохождение, вызвавшее интенсивное развитие нервной системы, прежде всего головного мозга. Благодаря прямохождению произошло разделение функций верхних и нижних конечностей, сформировалась неспециализированная рука – орудие труда, способное производить сотни разнообразных и тонких движений. Совместная трудовая деятельность в тяжелых условиях помогла людям выжить и справиться с многочисленными угрозами окружающего мира, создать свой мир, комфортный и безопасный. Труд явился предпосылкой зарождения и дальнейшего развития общественных отношений, речи, мышления, сознания – всего, что отличает человека от животного. Человек – единственное существо на Земле, способное сознательно, целенаправленно преобразовывать окружающий мир, планировать и предвидеть результаты. Постепенно биологические факторы эволюции человека уступают место социальным факторам.

4. Концепция мутагенеза. В конце 20-х гг. XX в. исследователи пришли к выводу, что видообразование не может быть объяснено только изменениями условий окружающей среды (С. С. Четвериков, Р. А. Фишер, Н. П. Дубанин и др.). Основную роль в эволюции должны играть доминантные мутации – изменения генетического кода особи. Условия среды и образ жизни способствуют только естественному отбору среди множества мутаций особей, отличающихся некоторым преимуществом, лучшей приспособленностью к данным условиям. Причиной возникновения такого рода мутаций, как предполагают ученые, могут быть экстремальные геофизические факторы, например изменение уровня радиации или геомагнитная инверсия. Учеными установлено, что местом возникновения антропоидов является Восточная и Южная Африка, характеризующаяся высоким уровнем радиации и активной вулканической деятельностью. В результате землетрясений смещение геологических пластов вызвало обнажение радиоактивных пород и резкое увеличение радиоактивного излучения, что привело к интенсивному мутагенезу. Совпадение по времени с данными процессами геомагнитной инверсии сделало возможным появление разнообразных генетических мутаций, в том числе и биологически полезных. Гипотеза геомагнитной инверсии (смены магнитных полюсов Земли) была выдвинута антропологом Г. Н. Матюшкиным. Установлено, что северный и южный магнитные полюса Земли периодически меняются, при этом защитная функция магнитосферы ослабевает, что усиливает проникновение на поверхность Земли космической радиации на 60 %. Геомагнитные инверсии сопровождаются увеличением частоты мутаций в два раза, а это приводит к мощным вспышкам биологического формообразования. Найденные в Африке останки древних обезьянолюдей антропологи относят к периоду геомагнитной инверсии, появление питекантропа также по времени совпадает с очередной геомагнитной инверсией (690 тыс. лет назад). Следующая смена полюсов произошла 250–300 тыс. лет назад, в это же время на Земле существовали неандертальцы. Появление современного человека (30–40 тыс. лет назад) также совпадает с периодом очередной геомагнитной инверсии.

5. Космическая концепция, концепция панспермии. Жизнь зародилась в космосе и была занесена на Землю в виде космических зачатков – космозоев (Рихтер Г., 1865). Космическую концепцию поддерживали русские ученые С. П. Костычев, Л. С. Берг, В. И. Вернадский, связывая возникновение жизни с появлением на Земле частичек вещества, пылинок, спор из космического пространства, которые летают во Вселенной за счет светового давления.

В конце 1960-х гг. благодаря успехам космонавтики, изучению неопознанных летающих объектов (НЛО), описанию наскальных рисунков вновь возник интерес к гипотезам панспермии. Так, Б. И. Чувашов (1966) писал, что жизнь во Вселенной существует вечно и может быть перенесена с одной планеты на другую.

10.2. Сходство и отличие человека и животных

В науке накоплено достаточно большое число фактов, свидетельствующих о поразительном сходстве человека и животных, что позволяет сделать вывод о единстве происхождения живых существ. Элементный состав живых организмов на Земле одинаков, то есть в составе тел живых организмов присутствуют одни и те же химические элементы. В клетках животных содержатся похожие белки и нуклеиновые кислоты, выполняющие одинаковые функции. Особенно большое сходство выявлено между человеком и обезьянами: так, ДНК человека и макаки содержат 66 % сходных генов, а ДНК человека и шимпанзе – 92 %. Сходны и иммунологические свойства крови: и у человека, и у человекообразных обезьян различаются группы крови и имеется резус-фактор.

В строении тела человека и животных выделяют аналогичные органы и части тела. Сходство общего плана строения человека и животных доказывает родство и общность происхождения животных. Причем чем выше на эволюционной лестнице находится животное, тем большее сходство с человеком можно наблюдать. Как и у всех обезьян, передние конечности человека хватательные, имеют кисть, свободно сгибающуюся и разгибающуюся; большой палец противопоставлен остальным; концевые фаланги снабжены сводчатыми ногтями. В плечевом поясе хорошо развиты ключицы, обеспечивающие разнообразные и сложные движения передних конечностей. Черепная коробка крупная. Глазницы расположены на фронтальной стороне черепа и обращены вперед. Поля видимости каждого глаза не изолированы, как у большинства млекопитающих, а перекрываются одно другим, что обеспечивает бинокулярное, объемное зрение.

Человек и приматы, в отличие от других млекопитающих, обладают высокоразвитым головным мозгом, имеющим затылочную долю и выделяющиеся лобные доли. Наличие затылочных долей связано с развитием зрения, а лобных – с интеллектуальными способностями. Весь же комплекс – способные к манипуляциям передние конечности, высокоразвитые органы зрения и головной мозг обезьян – фундаментальная предпосылка способности к труду.

Развитие зародышей животных одного типа во многом сходно. У всех хордовых на ранних стадиях эмбриогенеза закладывается осевой скелет (хорда), появляется нервная трубка, образуются жаберные щели. Строение сердца зародыша человека напоминает строение сердца рыб – одно предсердие и один желудочек. Исследование эмбрионального развития различных животных привело к выводу, что человек в своем эмбриональном развитии проходит все стадии эволюции вида. Такая особенность была сформулирована во второй половине XIX в. немецкими учеными Ф. Мюллером и Э. Геккелем как биогенетический закон – «в онтогенезе повторяется филогенез», согласно которому индивидуальное развитие особи (онтогенез) представляет собой краткое повторение филогенеза (исторического развития вида).

Черты поведения человека и животных во многом схожи. У животных, так же как у человека, развита система общения с помощью соответствующих сигналов. Механизмы поведения человека как биологического вида и животных едины. Выдающиеся русские ученые И. М. Сеченов (1863) и И. П. Павлов (1926) создали рефлекторную теорию поведения, базирующуюся на сложных и многообразных проявлениях деятельности нервной системы, функциональной единицей которой является рефлекс.

Вместе с тем в строении и физиологии человека имеются существенные отличия от животных. Прямохождение стало возможным вследствие сильного развития мускулатуры нижних конечностей, появления в позвоночнике выраженных изгибов (шейный, грудной, поясничный, крестцово-копчиковый), изменения положения таза (под углом 60° к горизонтали), формирования сводчатой стопы с хорошо развитым первым пальцем. В соответствии с вертикальным положением тела изменилось и расположение внутренних органов.

Следует отметить функциональное разделение верхних и нижних конечностей человека. Рука человека характеризуется высокой степенью развития – гибкая подвижная кисть руки, наличие большого количества мелких мышц, большой палец противопоставлен ладони, что позволяет крепко удерживать предметы. Рука человека неспецифична, она может выполнять разнообразные сложные и тонкие движения.

Главным отличием в строении человека и животного является развитие головного мозга – материальной основы мышления, сознания, речи. Головной мозг человека не только значительно крупнее, но и гораздо более сложно устроен, чем мозг животных. Это связано с появлением новых структур, ансамблей нейронов, регулирующих сложные движения, речь, мышление. Полушария головного мозга человека неравноценны, они функционально асимметричны. Ученые доказали, что левое полушарие связано с логическим мышлением, целенаправленностью действий, а правое – с эмоциональной сферой, с интуицией.

К морфофункциональным особенностям тела человека можно также отнести преимущественно развитый мозговой отдел черепа по сравнению с лицевым, большой объем головного мозга, бинокулярное зрение, кожу, лишенную волосяного покрова, малую плодовитость и другие.

Результатом эволюции стали фундаментальные биосоциальные отличия человека, которые появляются в процессе онтогенеза при условии жизни человека среди людей, в социуме. Эти особенности касаются и физиологии, и поведения, и образа жизни человека.

Развитие разума. Человек в отличие от животных обладает особой формой мышления – понятийным мышлением. В понятии заключаются наиболее важные существенные признаки и свойства, понятия абстрактны. Отражение действительности животными всегда конкретно, предметно, связано с определенными предметами окружающего мира. Только мышление человека может быть логичным, обобщающим, отвлеченным. Животные могут совершать очень сложные действия, но в их основе лежат инстинкты – генетические программы, передающиеся по наследству. Набор таких действий строго ограничен, определена последовательность, которая не меняется с изменением условий, даже если действие становится нецелесообразным. Человек же вначале ставит цель, составляет план, который может измениться при необходимости, анализирует результаты, делает выводы.

Речь. И. П. Павлов (1925), исследуя особенности высшей нервной деятельности человека, выявляет ее качественные отличия от нервной деятельности животных – наличие второй сигнальной системы, то есть речи. Органами чувств животные и человек способны улавливать различные изменения качеств и свойств окружающих предметов и явлений (звук, цвет, свет, запах, вкус, температуру и т. д.). Именно работа сенсорных механизмов лежит в основе действия первой сигнальной системы, общей у человека и животных. В то же время у человека развивается вторая сигнальная система. Сигналами здесь служат слова, речь, отделенная от самого предмета, абстрактная и обобщенная. Слово заменяет непосредственные раздражители, является «сигналом сигналов». Многочисленные наблюдения показали, что вторая сигнальная система может быть развита только при общении с людьми, то есть развитие речи имеет социальный характер.

Трудовая деятельность. Многие животные способны к определенной созидательной деятельности. Но только человек способен изготавливать сложные орудия труда, планировать трудовую деятельность, корректировать ее, предвидеть результаты и активно изменять окружающий мир.

Использование огня. Огромное значение для развития человека и общественных отношений имело освоение огня. Этот факт позволил человеку выделиться из мира природы, стать свободным, не зависеть от условий стихии. Положительным в развитии человечества стали тепловая обработка пищи и использование огня для изготовления более совершенных орудий труда.

Разделение труда. Уже на начальных этапах развития человеческого общества происходило разделение труда по возрастным и половым признакам. Это привело к развитию общественных отношений, к росту производительности труда, позволило передавать опыт и знания новому поколению.

Семейно-брачные отношения. Регулирование брачных отношений обществом явилось положительным фактором не только для развития социума, но и для биологической эволюции человека. Запрет родственных браков предупреждает накопление негативных мутаций, приводит к обогащению генофонда общества.

10.3. Стадии эволюции человека

В настоящее время палеонтология располагает обширными сведениями об историческом развитии предков человека. Антропологами найдено и изучено большое количество ископаемых останков вымерших человекообразных обезьян и древнейших людей, которые дают возможность составить картину возникновения и становления человека. Самые ранние останки полуобезьян имеют возраст 70–90 млн лет. Человекообразные обезьяны появились 50 млн лет назад. Примерно 2026 млн лет назад выделилась ветвь, явившаяся предком всех современных представителей семейства.

Гоминиды-дриопитеки. Эти древние человекообразные обезьяны, обитавшие на Африканском и Европейском континентах, вели древесный образ жизни и питались, по-видимому, плодами. Передвижение по деревьям с различной скоростью, меняющимися направлением и расстояниями привело к высокому развитию двигательных центров головного мозга. Древесный образ жизни способствовал уменьшению плодовитости, что компенсировалось более тщательным уходом за потомством.

Примерно 6–8 млн лет назад в связи с мощными горообразовательными процессами в Южной Африке наступило похолодание, появились обширные открытые пространства. В таких условиях преимуществом для выживания явились прямохождение, стадный образ жизни и использование освободившихся передних конечностей. В результате дивергенции произошло формирование двух эволюционных ветвей – одной, ведущей к современным человекообразным обезьянам, и другой – ведущей к человеку.

Первыми в ряду предков современного человека стоят австралопитеки (от лат. australis – южный + греч. pithekos – обезьяна), которые появились в Африке около 4 млн лет назад. Австралопитеки, так называемые «обезьянолюди», населяли открытые равнины и полупустыни, жили стадами, ходили на нижних (задних) конечностях, причем положение тела было почти вертикальным. Руки, освободившиеся от функции передвижения, могли использоваться для добывания пищи и защиты от врагов. Австралопитеки имели массу 20–50 кг, рост 120150 см, головной мозг достигал объема 550 см^3.

Около 2–1,5 млн лет назадв Восточной и Южной Африке, в Юго-Восточной Азии жили существа, более близкие к человеку, чем австралопитеки. Homo habilis («человек умелый») умел обрабатывать гальку для изготовления орудий, строил примитивные укрытия и хижины, начал применять огонь. Ростом «человек умелый» был около 1,5 м. Его лицо имело еще архаичную форму с надглазничными валиками, плоским носом и выступающими вперед челюстями. Но мозг стал крупнее (около 700 г). Использование орудий, стадный образ жизни способствовали дальнейшему развитию мозга и возникновению речи.

Признаком, отличающим человекообразных обезьян от людей, считается масса головного мозга, равная 750 г. В процессе становления человека условно выделяют три этапа:

1) древнейшие люди;

2) древние люди;

3) современные люди.

Древнейшие люди. Известно несколько разновидностей древнейших людей: питекантроп, синантроп, гейдельбергский человек и другие. Более крупные, обладающие большим объемом мозга и более высокоразвитым интеллектом, с более совершенной техникой изготовления орудий, эти люди освоили новые места обитания, заселив небольшими группами Африку, Европу и Азию. По строению тела во многих отношениях они походили на современного человека (рост 1,61,8 м, а вес – 50–70 кг). Масса головного мозга достигала 800-1000 г. Древнейшие люди широко пользовались различными орудиями из камня, дерева и кости, активно охотились на буйволов, носорогов, оленей. Жили они в основном в пещерах. Внутри жилья устраивался примитивный очаг. Огонь уже систематически использовался для обогрева и приготовления пищи, сохранялся и поддерживался.

Древние люди (неандертальцы). В ледниковый период на Земле существовал Homo sapiens neanderthalensis – неандерталец. Неандертальцы представляли собой неоднородную группу, в которой можно выделить две ветви. Первая характеризовалась мощным физическим развитием – они были низкорослые и коренастые (рост – до 1,7 м, вес – до 75 кг), с сильно выраженной мускулатурой. Череп массивный, с толстыми надглазничными валиками, покатым лбом, слаборазвитым подбородочным выступом и крупными зубами. Объем головного мозга достигал 1500 см^3. Другая группа неандертальцев имела более тонкие черты – меньшие надбровные валики, высокий лоб, менее массивные челюсти. В физическом развитии они заметно уступали первой группе. В то же время они имели больший объем лобных долей головного мозга. Ученые считают, что эволюция этой группы неандертальцев в направлении совершенствования внутригрупповых связей привела к появлению 40–50 тыс. лет назадвида человека разумного (Homo sapiens).

Неандертальцы занимались охотой и рыболовством (охотились, в частности, на таких крупных животных, как мамонты), изготавливали одежду из шкур, строили жилища, умели добывать огонь. Предположительно, неандертальцам была свойственна речь. Неандертальцы явились первыми людьми, которые систематически хоронили умерших. Погребение умерших было обрядом.

Современные люди. В 1868 г. на юго-западе Франции в гроте Кро-Маньон были найдены останки вполне современного человека, относящегося к подвиду Homo sapiens. Впоследствии многочисленные останки кроманьонцев были обнаружены в различных районах Европы, Африки, Азии, Америки и Австралии. Кроманьонцы имели высокий рост (до 1,8 м), это были люди с высоким лбом, с хорошо развитым подбородочным выступом. Средний объем головного мозга кроманьонца составлял 1500 см^3. Имелись и другие характерные особенности – голова посажена прямо, лицевая часть прямая и не выступает вперед, надглазные валики отсутствуют или развиты слабо, нос и челюсти сравнительно невелики. По сравнению с неандертальцами кроманьонцы производили значительно более тщательно изготовленные каменные орудия. Около половины всех инструментов было сделано из кости. Для изготовления изделий из рога, дерева и кости применялись каменные резцы. Новые орудия способствовали освоению человеком окружающего мира, уменьшению зависимости от внешней среды. В этот период начинается одомашнивание животных и окультуривание растений человеком. Возможность жить в условиях ледникового периода обеспечивалась более совершенными жилищами и появившимися новыми средствами защиты от неблагоприятных условий среды (одежда, систематическое использование огня).

Совместная производительная деятельность, развитие общественных отношений, появление более совершенных орудий труда, жилища, одежды привели к снижению роли биологического фактора эволюции и усилению ведущего действия социальных законов развития.

10.4. Соотношение биологического и социального в человеке

Все современное человечество принадлежит к одному биологическому виду – человек разумный (Homo sapiens), представляющему собой уникальную жизненную форму, соединяющую биологическую и социальную сущности. Жизнедеятельность человеческого организма основывается на фундаментальных биологических механизмах, закономерностях обмена веществ и энергии, обусловленных морфофункциональными особенностями организма, которые обеспечивают адаптацию к окружающей среде. В то же время биологическая сущность проявляется в условиях действия законов высшей, социальной формы движения материи. В процессе антропогенеза формировалась социальная сущность человека как система материальных и духовных факторов, межчеловеческих и психоэмоциональных отношений, возникающих в совместной трудовой деятельности. Социальный фактор оказывает существенное влияние на жизнедеятельность человека, на его здоровье.

Вопрос соотношения биологического и социального в человеке всегда интересовал ученых. Существуют два противоположных представления о закономерностях становления личности. Сторонники пан-биологизма объясняют все особенности человека его биологической сущностью, наследственными генетическими программами. Пансоциологизм считает, что наследственные факторы у всех людей одинаковы, а индивидуальные особенности личности развиваются под влиянием общественных отношений, обучения и воспитания.

В настоящее время в науке распространены представления о том, что человек является своеобразным и неотъемлемым компонентом биосферы. Особенность биологической сущности человека заключается в том, что она проявляется в условиях действия законов высшей, социальной формы движения материи. Из социальной сущности людей вытекают закономерности и направления исторического развития человечества. Биологическим процессам, происходящим в организме человека, принадлежит фундаментальная роль в обеспечении важнейших сторон жизнеспособности и развития. Тем не менее в популяциях людей эти процессы не приводят к результатам, обычным для остального мира живых существ. Так, естественный отбор – движущий фактор эволюции живых организмов – утратил свое значение (например, в видообразовании) в развитии человека, уступив ведущую роль социальным факторам. Процесс индивидуального развития человека базируется на информации двух видов. Первый вид представляет собой биологически целесообразную информацию, которая отбиралась и сохранялась в процессе эволюции предковых форм и зафиксирована в виде генетической информации в ДНК (универсальный для всех живых организмов механизм кодирования, хранения, реализации и передачи информации из поколения в поколение). Благодаря этому в индивидуальном развитии человека складывается уникальный комплекс структурных и функциональных признаков, отличающих его от других живых организмов. Второй вид информации представлен суммой знаний, умений, которые приобретаются, сохраняются и используются поколениями людей в ходе развития человеческого общества. Освоение этой информации индивидуумом происходит в процессе его воспитания, обучения и жизни в социуме. Данная особенность человека определяется понятием социальной наследственности, присущей исключительно человеческому обществу.

Происхождение человека как существа биосоциального явилось естественным и закономерным результатом развития одной из ветвей эволюции животного царства. Современное человечество представляет собой один вид – Homo sapiens, в пределах которого традиционно выделяют три основные расы: европеоидную (евразийскую), австрало-негроидную (экваториальную) и монголоидную (азиатско-американскую). Расы – это исторически сложившиеся группы людей, характеризующиеся общностью наследственных физических особенностей (цвет кожи, глаз и волос, разрез глаз, очертания головы и т. п.), являющихся второстепенными. По основным же признакам, характерным для человека (объем и строение головного мозга, строение кисти и стопы, форма позвоночного ствола, строение голосовых связок, способности к творческой и трудовой деятельности), расы не различаются. Образование рас – сложный процесс, многие расовые признаки возникали путем мутаций, но они могли возникать и в результате таких эволюционных факторов, как дрейф генов и изоляция. С развитием цивилизации роль естественного отбора и изоляции начинает снижаться. В результате усиления взаимодействия между народами начинает проявляться метисация (смешение рас), особенно ускоряющаяся в наши дни благодаря возрастающим масштабам миграции людей, разрушению социально-расовых барьеров и т. п. По-видимому, эти процессы приведут к исчезновению расовых различий, хотя на это и уйдут тысячи и тысячи лет.

10.5. Здоровье человека. Демографические проблемы

Проблема сохранения здоровья населения особенно актуальна в современном обществе, отличающемся негативной характеристикой основных демографических показателей наряду с прогрессирующим распространением алкоголизма, наркотоксикомании и заболеваний, передающихся половым путем.

Особую тревогу вызывает состояние здоровья молодежи, детей и подростков. Совершенно здоровых, гармонично развитых детей – не более 2–3 %. Еще 14–15 % детей – практически здоровы, а у 35–40 % имеются различные хронические заболевания. Не менее половины детей имеют те или иные функциональные отклонения. Данные медицинских осмотров свидетельствуют о том, что за период обучения в школе состояние здоровья детей ухудшается в 4–5 раз. Так, к моменту окончания средней школы каждый четвертый выпускник имеет патологию сердечно-сосудистой системы, а каждый третий – близорукость, нарушение осанки.

Особое место среди школьной патологии занимает детский травматизм. Наиболее часто среди учащихся встречаются черепно-мозговые травмы, переломы костей конечностей, раны, вывихи, растяжения связок, ушибы. Большинство подобных травм (до 60 %) возникает во внеурочное время: на переменах в школе и во время игр – во дворе, на спортплощадке, на улице. Серьезную угрозу здоровью детей представляет дорожно-транспортный травматизм, частота которого нарастает год от года. Особенно большое число травм приходится на средний школьный возраст.

Как показали многочисленные исследования, состояние здоровья человека более всего зависит от самого человека. Незнание правил безопасного поведения, несоблюдение здорового образа жизни, беспечное отношение к своему здоровью – вот причина высокого уровня травматизма, появления различных заболеваний, ухудшения здоровья молодежи.

В современной медицине здоровье и болезнь не противопоставляются друг другу, а рассматриваются в тесной взаимосвязи. Установлено, что под «нормой» не всегда следует подразумевать полное здоровье, а под несоответствием норме следует иметь в виду не только патологию, но и ряд пограничных состояний между здоровьем и болезнью.

Согласно определению Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), «здоровье – это состояние физического, духовного и социального благополучия, не сводящееся к отсутствию болезни». Это «такое состояние организма человека, когда функции всех его органов и систем уравновешены с внешней средой и отсутствуют какие-либо болезненные изменения».

Различают индивидуальное здоровье (человека) и коллективное здоровье (семьи, профессиональной группы, социального слоя, населения). Здоровье человека давно стало не только его личной проблемой, но и критерием жизни в различных странах мира.

Основными показателями удобства и достатка человеческой жизни являются:

♦ состояние системы здравоохранения;

♦ санитарные условия и окружающая среда;

♦ процент истощенных малолетних детей;

♦ отношение к женщине в обществе;

♦ уровень грамотности населения;

♦ организация родовспоможения.

Экономический рост, национальный валовой продукт, использование современных технологий не могут являться гарантией благополучия нации, поскольку сопровождаются усилением разрыва между богатыми и бедными, ростом социальной напряженности, терроризмом и военными конфликтами.

Здоровье населения определяют и социальные факторы:

♦ защищенность населения (политическая, правовая, юридическая);

♦ реализация прав на труд, образование, здравоохранение, отдых, информацию и др.;

♦ характер питания (его достаточность и полноценность);

♦ реальная заработная плата и условия труда;

♦ жилищные условия и т. д.

Понятие здоровья определяется в соответствии с основными функциями, выполняемыми человеком. Каковы эти функции?

Человек – качественно новая, высшая ступень жизни на Земле, субъект общественно-исторической деятельности и культуры. Человек одарен понятийным мышлением, разумом, свободной волей и словесной речью. Человек – живая система, в основе которой в неразрывной связи лежат: физическое и духовное, природное и социальное, наследственное и приобретенное начала.

► Инливилуалычое злоровье можно определить как способность взаимосвязанных функциональных структур организма обеспечивать реализацию наследственных программ и репродуктивных функций, умственных способностей и созидательной деятельности.

Полноценное здоровье – состояние организма, характеризующееся состоянием динамического равновесия между функциями его систем и органов и факторами внешней среды. Понятие здоровья включает биологические и социальные характеристики человека и оценку его функциональных резервов, позволяющие организму адаптироваться к различным условиям окружающей среды.

Важнейшим показателем здоровья являются не только физические показатели, но и способность комфортно существовать в обществе, умение контактировать (социализация), способность воспринимать и усваивать информацию. Изучение функционального состояния организма, уровня его адаптации позволяет контролировать здоровье в динамике развития, определяя степень риска болезни и выявляя тревожные симптомы онтогенеза. Различают четыре варианта функционального состояния организма человека:

♦ удовлетворительную адаптацию к условиям среды;

♦ напряжение механизмов адаптации;

♦ недостаточную, неудовлетворительную адаптацию;

♦ срыв адаптации.

Уровень физиологической адаптации варьируется в пределах одной возрастной группы, так же как и способность компенсировать внешние воздействия путем включения резервных функций. Чем шире диапазон адаптивных реакций, тем лучше адаптирован организм. Органический диапазон приспособительных реакций, неспособность поддерживать нормальную жизнедеятельность проявляются повышенным риском заболеваемости.

Современное общество заинтересовано в повышении уровня как здоровья каждого индивида, так и коллективного здоровья. Все большее значение приобретает валеология – учение о здоровье, противопоставленное медицине болезней, но, по сути, основанное на принципах профилактической медицины. Главной задачей валеологии становится повышение потенциала здоровья популяции за счет предупреждения заболеваемости и инвалидизации.

Следует отметить, что конечные цели медицины болезней и валеологии совпадают – это здоровье. Однако медицина болезней стремится изучить и распознать возможные болезни и повреждения, а затем, вылечивая их, вернуть человеку здоровье.

Учение о здоровье, или валеология, ориентируется на вероятный риск заболеваний, на ранние признаки пограничных состояний, на их устойчивость или ограниченность во времени проявления.

Важной задачей валеологии является конструирование положительных ориентиров, закладка установок на ценность здоровья и человеческой жизни, формирование доступной и доходчивой мотивации здорового образа жизни.

Состояние здоровья зависит более чем на 50 % от индивидуального образа жизни, от влияния факторов окружающей среды – на 25 %. Это свидетельствует о том, что резерв в сохранении здоровья человека заложен в организации его образа жизни, который зависит от валеологической культуры.

Понятие валеологическая культура включает в себя:

♦ знание индивидом генетических, физиологических, психологических возможностей своего организма;

♦ знание методов и средств контроля и сохранения своего психофизиологического статуса и укрепления здоровья;

♦ умение распространять валеологические знания на свое окружение и на социальную среду в целом.

Образ жизни также зависит от наследственных и приобретенных состояний, нарушений работы адаптивных и защитных механизмов, экологии, валеологического воспитания.

Причиной многих заболеваний все чаще становятся гиподинамия, психоэмоциональный стресс, информационное перенасыщение. Сохранение здоровья во многом является результатом безопасной жизнедеятельности. Каждый человек обязан знать и соблюдать принципы обеспечения безопасности, последствия воздействия травмирующих и вредных факторов, должен предвидеть опасность и уметь избежать ее или ослабить негативное действие.

Одна из ведущих задач школьного курса Основы безопасности жизнедеятельности состоит в создании у учащихся мотивации здорового образа жизни и выработки индивидуального способа валеологически обоснованного безопасного поведения.

Здоровый образ жизни – это поведение человека, направленное на сохранение и укрепление здоровья, способствующее полноценной, содержательной, успешной жизни, в которой человек в полной мере мог бы раскрыть и реализовать свои способности и возможности.

«Здоровье не все, но все без здоровья – ничто», – говорил Сократ. Только здоровому человеку свойственно ощущение полноты жизни.

Здоровый образ жизни – это образ жизни, воспитывающий гармонично развитую личность, помогающий стойко переносить жизненные невзгоды, психические и физические нагрузки, включая природные, социальные и личностные.

Непосредственно с проблемами поддержания здоровья связаны демографические проблемы. Рост численности населения Земли подвержен определенным закономерностям. Так, демографы отмечают, что при низком уровне промышленного развития рождаемость и смертность достаточно высоки, вследствие чего численность населения растет медленно. В высокоразвитом индустриальном обществе рождаемость снижается и темпы роста численности населения тоже снижаются. В то же время в высокоразвитых странах снижается смертность и растет продолжительность жизни, что приводит к увеличению численности населения. Так, средняя продолжительность жизни в некоторых странах свыше 80 лет (Андорра, Макао, Япония, Австралия и др.).

В современной России складывается особенно неблагоприятная динамика демографических показателей за последние 15 лет. За это время численность населения России уменьшилась со 150 млн до 143 млн человек, снизилась рождаемость и повысилась смертность. По оценкам специалистов, численность населения Российской Федерации к 2015 г. составит 137 млн человек, а к 2050 г. – менее 100 млн человек. Средняя продолжительность жизни в нашей стране составляет 67 лет: для женщин – 71 год, для мужчин – 60 лет. Такая большая разница может быть объяснима распространенностью среди мужчин привычек нездорового образа жизни. Основными причинами смертности в нашей стране остаются сердечно-сосудистые и онкологические заболевания, травмы и несчастные случаи, что является следствием нездорового образа жизни и злоупотребления психоактивными веществами – алкоголем, табаком, наркотиками.

Для решения демографических проблем особое значение имеет политика государства – реализация программ, направленных на создание благоприятных социальных и природных условий жизнедеятельности населения. Особую поддержку государства должны получать наиболее незащищенные слои населения – молодые семьи, дети-сироты, матери-одиночки и др.

10.6. Работоспособность и творчество

Трудовая деятельность, являясь одной из главных социальных особенностей человека, на протяжении многих веков изменяла не только окружающий мир, но и самого человека. На начальных стадиях развития труд преимущественно был физическим, основанным на работе мышц. Работа мышц обусловливается сложными биохимическими и электрическими процессами в мышечной поперечно-полосатой ткани. Важнейшим свойством мышечной ткани является работоспособность, то есть способность выполнять работу в течение определенного времени. В динамике работоспособности при выполнении работы можно выделить три стадии:

♦ врабатывание – постепенное увеличение работоспособности до оптимальной, при этом человек восстанавливает навыки, знакомится с новым видом деятельности;

♦ оптимальная работоспособность – высокий уровень работоспособности, сопровождающийся четкой ритмической работой с высокой производительностью и минимальным количеством ошибок;

♦ утомление – снижение уровня работоспособности, неточность в работе, увеличение числа ошибок;

Утомление – закономерный процесс, обратимое состояние, возникающее при работе. Оно может быть довольно легко снято небольшим отдыхом, перерывом, сменой формы деятельности. Однако если утомление не снять, то оно будет накапливаться и перерастет в переутомление. Переутомление – патологическое состояние, которое требует врачебного вмешательства. Переутомление может быть снято физиотерапевтическими процедурами, изменением режима труда и отдыха, витаминотерапией и др.

Любая трудовая деятельность требует физических и психических затрат организма. С развитием, совершенствованием трудовых процессов человек при исполнении работы испытывает все меньшее физическое напряжение и все больше от него требуется психических и умственных усилий. Умственная работоспособность является свойством нервных клеток и развивается в процессе работы по тем же этапам, что и физическая. Длительный умственный и физический труд приводит к утомлению, проявляющемуся в усталости – обессиленности, раздражительности, упадке сил.

Работоспособность человека зависит от внешних и внутренних условий.

Внешние условия – это средства и орудия труда, условия труда, окружающая обстановка. Внутренние условия – это знания и умения человека, его профессионализм, мотивационная направленность и заинтересованность в результатах.

Необходимым условием высокой работоспособности человека является его состояние здоровья – как физического, так и нравственного.

Трудовая деятельность человека существенно отличается от трудовой деятельности животных возможностью внесения в деятельность нового, оригинального, творческого. Благодаря творчеству мир человека становится разнообразным, комфортным, безопасным, менее зависимым от условий природы.

Творчество – это эффективное применение имеющегося опыта для создания качественно новых предметов материальной или духовной культуры. Для творчества необходимы воображение, интуиция, способность к рефлексивной оценке собственной деятельности, высокая умственная активность.

Под творчеством понимают деятельность, порождающую нечто новое на основе реорганизации имеющегося опыта и формирования новых комбинаций знаний, умений, продуктов.

Выделяют четыре стадии творческого процесса.

1. Сознательная переработка информации. В этот период человек вычленяет и уточняет интересующую его проблему, преобразовывая имеющуюся информацию. Активный логический поиск решения проблемы приводит к возникновению в сознании множества неадекватных вариантов, путей достижения цели, появление новых нерешенных задач.

2. Созревание идеи в подсознании. Большой объем информации, появившейся в сознании в результате напряженной умственной деятельности, начинает вытесняться в подсознание. Активная умственная деятельность, взаимодействие сознательного и бессознательного могут сопровождаться негативными реакциями – чувством неудовлетворенности, дискомфорта, отрицательными эмоциями. В это время человеку лучше оставить решение проблемы, переключиться на другую деятельность или отдохнуть.

3. Озарение. Третий этап в развитии творческого процесса наступает внезапно, часто во сне, когда сознание не контролируется личностью. Появляется вариант решения проблемы, который мгновенно воспринимается сознанием как единственно правильный, оптимальный. Человек испытывает мощные положительные эмоции – чувство восторга, блаженства.

4. Сознательное развитие идеи. Далее полученное решение, идея переводится сознанием в речевое выражение, анализируется, проверяется истинность результата. Четвертый этап нередко бывает достаточно длительным и трудоемким. Человек, используя свой опыт, эрудицию, ищет объяснение полученного результата, его подтверждение, экспериментально проверяет его истинность.

Вопросы для самопроверки

1. Какие концепции антропогенеза вы знаете?

2. Назовите факты, подтверждающие сходство человека и животных.

3. Назовите биосоциальные отличия человека и животных.

4. Какие морфофункциональные особенности отличают человека от животных?

5. Что такое здоровье?

6. Какие факторы определяют состояние здоровья населения?

7. Назовите причины заболеваний, характерные для жителей мегаполиса.

8. Каковы демографические проблемы современной России?

Глава 11

ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ

11.1. Задачи, методы экологии как науки

Экология (от греч. oikos – дом, жилище, logos – знание, учение) – это наука, изучающая условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают. Термин «экология» предложил немецкий биолог Эрнест Геккель в 1866 г. Под экологией он понимал сумму знаний, относящихся к природе.

Основной частью экологии, ее фундаментом является общая экология, которая изучает общие закономерности взаимоотношений любых живых организмов и среды. Предметом изучения общей экологии являются объекты организменного, популяционно-видового, биоценотического и биосферного уровней организации в их взаимодействии с окружающей средой. В связи с этим выделяют следующие основные разделы экологии:

♦ экология организмов (аутэкология), которая изучает индивидуальные связи отдельной особи или групп особей одного вида с окружающей средой;

♦ экология популяций (демэкология), в задачи которой входит изучение структуры, динамики популяций отдельных видов (механизмы регуляции численности организмов, оптимальная плотность, допустимые нормы их изъятия и др.);

♦ экология сообществ, или биоценология (синэкология), которая изучает взаимоотношения популяций, сообществ и экосистем со средой, структуру и механизмы функционирования биогеоценозов.

Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования. Например, выделяют экологию растений, животных, экологию микроорганизмов. В структуре современной экологии выделяют следующие направления:

♦ глобальная экология (основным объектом изучения является биосфера как глобальная экосистема);

♦ экология человека (рассматривается взаимодействие человека как биосоциального существа с окружающей средой);

♦ социальная экология (изучаются взаимоотношения в системе «человеческое общество – природа»);

♦ урбоэкология (экология города), наука о взаимодействии человека и окружающей городской среды;

♦ прикладная экология (инженерная, медицинская, агроэкология, строительная и др.).

В последние годы сформировалось новое направление – экологическая безопасность – это состояние защищенности природной среды и жизненно важных интересов человека от возможного негативного воздействия хозяйственной и иной деятельности, чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, их последствий (Закон «Об охране окружающей среды»).

Таким образом, экология как наука основана на разных разделах биологии (физиологии, генетике, биофизике, зоологии, ботанике и др.) и связана с другими науками (например, с физикой, химией, географией, психологией, педагогикой, правом). Только на основе интеграции этих дисциплин возможно преодолеть технократическую парадигму мышления, выработать новый тип экологического сознания, мышление, коренным образом меняющее поведение людей по отношению к природе.

Исходя из приведенных выше направлений следует, что задачи экологии многообразны:

1. Исследование влияния среды на строение, жизнедеятельность и поведение организмов.

2. Исследование закономерностей организации жизни, в том числе в связи с антропогенными воздействиями на природные системы.

3. Изучение экологических механизмов адаптации к среде.

4. Исследование процессов, протекающих в биосфере, с целью поддержания ее устойчивости.

5. Создание научной основы рациональной эксплуатации природных ресурсов, прогнозирование изменений природы под влиянием деятельности человека и управления процессами, протекающими в биосфере.

6. Прогнозирование и оценка возможных отрицательных последствий в природной среде под влиянием деятельности человека.

7. Оптимизация экономических, правовых, социальных и иных решений для обеспечения экологически безопасного, устойчивого развития.

8. Восстановление нарушенных природных систем, сохранение эталонных участков биосферы.

9. Формирование экологического мировоззрения, развитие экологического сознания и культуры у людей всех возрастов и профессий.

10. Создание новых технологий, основанных на понимании экологических возможностей данного региона, его специфичности.

Экология использует широкий набор методов исследования. Методы экологических исследований – это пути и способы изучения экологических явлений, которые подразделяются на полевые и лабораторные (Пономарева И. Н. Экология. – М., 2001).

Полевые способы предполагают изучение экологических явлений в природной среде. Они помогают установить взаимосвязи организмов, видов и сообществ со средой, выяснить общую картину развития и жизнедеятельности биосистем. Полевые методы, в свою очередь, подразделяются:

♦ на маршрутные (прямое наблюдение, оценка состояния, измерение, описание, составление схем, карт);

♦ на стационарные (длительное наблюдение за объектами, замеры, описание, инструментальный отчет);

♦ на описательные (первоначальное знакомство с объектом, применяется при регистрации основных особенностей изучаемых объектов, прямом наблюдении, картировании, инвентаризации);

♦ на экспериментальные (опыт, эксперимент, количественная оценка, химические методы анализа и др.), мониторинг (наблюдение, оценка и прогноз состояния природной среды).

Лабораторные методы используются при проведении работ в лабораторных условиях, но пересекаются с методами полевых исследований. Особое внимание в экологии отводится методу моделирования. Моделирование – метод опосредованного практического и теоретического оперирования объектом, когда исследуется не сам интересующий объект непосредственно, а вспомогательная, искусственная или естественная система (модель), соответствующая свойствам реального объекта. Любая модель всегда упрощена, отражает общую суть процесса.

Мониторинг окружающей среды – комплексная система наблюдений за состоянием окружающей среды, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов. В процессе проведения мониторинга ставятся следующие цели:

♦ количественная и качественная оценка состояния воздуха, поверхностных вод, почвенного покрова, флоры и фауны, а также постоянный контроль стоков и выбросов на промышленных предприятиях;

♦ составление прогноза о состоянии окружающей среды и возможных его изменениях;

♦ наблюдение за происходящими в окружающей природной среде физическими, химическими, биологическими процессами, за уровнем загрязнения атмосферного воздуха, почв, водных объектов, последствиями его влияния на растительный и животный мир;

♦ обеспечение заинтересованных организаций и населения текущей и экстренной информацией об изменениях в окружающей природной среде, а также предупреждение и прогнозирование ее состояния.

В зависимости от степени выраженности антропогенного воздействия различают мониторинг фоновый и импактный.

Фоновый (базовый) мониторинг – слежение за природными явлениями и процессами, протекающими в естественной обстановке, без антропогенного влияния. Импактный мониторинг – слежение за антропогенными воздействиями в особо опасных зонах. В зависимости от масштабов наблюдения различают мониторинг глобальный, региональный и локальный. Глобальный мониторинг – слежение за развитием общемировых биосферных процессов и явлений; региональный мониторинг – слежение за природными и антропогенными процессами и явлениями в пределах какого-то региона; локальный – мониторинг в пределах небольшой территории. В рамках программы ЮНЕП (программа ООН по проблемам окружающей среды) в 1973–1974 гг. были разработаны основные положения функционирования Глобальной системы мониторинга окружающей среды, основная задача которой – предоставление информации, необходимой для защиты здоровья, благополучия, безопасности и свободы людей и управления окружающей средой и ее ресурсами.

Таким образом, экология является мировоззренческой, синтетической областью знаний, интегрирующей естественнонаучные и гуманитарные знания. Стратегической задачей экологии является развитие теории взаимодействия природы и общества на основе нового взгляда, рассматривающего человеческое общество как неотъемлемую часть биосферы.

11.2. Среды жизни, экологические факторы

Все разнообразие природных условий, которое встречается на Земле, называют средой жизни. Из среды организмы получают все необходимое для жизни и в нее выделяют продукты своего обмена веществ. На нашей планете живые организмы освоили четыре среды жизни: водную, наземно-воздушную, почвенную и организменную.

Организмы ведут свое существование в одной или нескольких средах жизни. Первой средой обитания на Земле стала вода. Затем живые организмы освоили наземно-воздушную среду, создали и заселили почву. Организменную среду освоили паразиты и симбионты (табл. 9.1).

Таким образом, своеобразие условий каждой среды жизни обусловило своеобразие живых организмов, свойственное разным средам. У всех организмов в процессе эволюции выработались специфические, морфологические, физиологические, поведенческие и другие приспособления к обитанию в своей среде. Все среды жизни, обеспечивая необходимыми условиями живущие в них организмы, постоянно претерпевают существенные изменения от жизнедеятельности этих организмов.

Влияние среды на организмы обычно оценивают через отдельные факторы. Под экологическими факторами понимается любой элемент или условие среды, на которые организмы реагируют приспособительными реакциями или адаптациями. Каждая из сред обитания отличается особенностями воздействия экологических факторов. Все многообразие экологических факторов подразделяют на три группы – абиотические, биотические и антропогенные. Абиотические факторы – компоненты неживой природы. К ним относят: климатические (свет, температура, влажность, ветер, давление и др.), геологические (землетрясения, извержения вулканов, движение ледников, радиоактивное излучение и др.), эдафические или почвенные (плотность, структура, состав почвы), гидрологические (вода, течение, соленость, давление) и другие. Биотические факторы – факторы живой природы. В зависимости от воздействующего организма биотические факторы делят на фитогенные (влияние растений), зоогенные (животных), микробогенные (микроорганизмы), микогенные (грибы). Влияние биотических факторов вызывает рядприспособительных реакций со стороны растений и животных. Антропогенные факторы – факторы человеческой деятельности. Человек вызывает серьезные изменения в биогеоценозах. При этом изменения, производимые им, создают для одних видов благоприятные условия развития, а для других – неблагоприятные. В результате между видами возникают новые численные отношения, перестраиваются пищевые цепи, появляются приспособления, необходимые для существования организмов в измененной среде.

Таблица 9.1

Сравнительная характеристика сред жизни и адаптации к ним живых организмов

Экологические факторы могут оказывать на организм прямое действие и косвенное, положительное и отрицательное; они обладают различной изменчивостью во времени и в пространстве. Одни из них относительно постоянны (солнечная радиация, соленость океана), другие очень изменчивы (температура и влажность воздуха). Изменения факторов среды могут быть периодическими и непериодическими. Экологические факторы оказывают на живые организмы различные воздействия: ограничивающее (делают невозможным существование в данных условиях), раздражающее (вызывают биохимические и физиологические адаптации), модифицирующее (вызывают морфологические и анатомические изменения организмов), сигнальное (информируют об изменениях других факторов среды). Каждый экологический фактор характеризуется определенными количественными показателями (силой и диапазоном действия). Диапазон определяется как отрезок (амплитуда) в действии фактора, конкретный для каждого организма. Поэтому фактор имеет начальную границу действия, то есть порог включения фактора, и конечную, «верхнюю» границу действия фактора. Благоприятная сила воздействия называется оптимальной зоной экологического фактора или оптимумом. Угнетающее действие (максимальное или минимальное) называется зоной пессимума. Экологические факторы обычно действуют не поодиночке, а целым комплексом. При этом действие одного какого-либо фактора зависит от уровня действия других. Необходимо отметить, что совокупность факторов действует сильнее всего на те фазы развития организмов, которые имеют наименьшую экологическую валентность – минимальную способность к приспособлению.

11.3. Современные экологические проблемы

Экологические проблемы современности в основном связаны с антропогенными воздействиями, под которыми понимают деятельность, связанную с реализацией экономических, рекреационных, военных, культурных и других интересов человека, вносящую изменения в природную среду. Они могут быть положительными и отрицательными, длительными и кратковременными, целенаправленными и стихийными, точечными и площадными, длительными и кратковременными, а также глобальными, региональными и локальными. Среди основных глобальных экологических проблем современности ученые выделяют следующие: «парниковый эффект», истощение озонового слоя, «кислотные осадки», проблему утилизации отходов, загрязнение окружающей среды, опустынивание, деградацию почвы, эрозию почвы, вырубку лесов, сокращение численности и вымирание животных, изменение климата, истощение природных ресурсов, заболеваемость населения, фотохимический смог и другие.

Парниковый эффект – разогрев нижних слоев атмосферы вследствие способности атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать длинноволновое тепловое излучение земной поверхности. Атмосфера почти целиком пропускает излучение Солнца к Земле, но из-за наличия в атмосфере парниковых газов (диоксида углерода, метана, фреона, оксидов азота и др.) существенно задерживается обратное тепловое излучение земной поверхности. Парниковые газы образуют как бы стеклянную крышу парника над планетой, и большая часть излучаемого Землей тепла возвращается назад. Тепловая энергия накапливается в приповерхностных слоях атмосферы тем интенсивнее, чем больше в них концентрация парниковых газов. Отрицательные для человечества последствия парникового эффекта заключаются в повышении уровня Мирового океана в результате таяния льдов, увеличении количества осадков, изменении направлений ветров, океанических течений, повышении температуры, потеплении климата и др. Увеличение сезонного протаивания грунтов в районах с вечной мерзлотой создаст угрозу строениям, дорогам, коммуникациям, активизирует процессы заболачивания и т. д. Однако повышение температуры на 1–2 °C в целом будет благоприятным для сельского хозяйства европейской части нашей страны, так как позволит выращивать теплолюбивые сельскохозяйственные культуры на обширных территориях. В декабре 1997 г. в Киото была проведена международная конференция по глобальному изменению климата на планете, в которой приняли участие представители 159 стран. Был принят договор, предусматривающий общее сокращение выбросов в атмосферу парниковых газов на 5,2 %.

Кислотные осадки. Кислотными называют любые атмосферные осадки (дожди, туманы, снег), кислотность которых выше нормальной. Кислотные свойства среды определяются ионами водородов. Чем больше концентрация водородных ионов в растворе, тем выше его кислотность. Для выражения концентрации ионов водорода используют единицы водородного показателя, или pH. Шкала pH содержит величины от 0 (крайне высокая кислотность) через 7 (нейтральная среда) до 14 (крайне сильная щелочность). Кислотные дожди содержат растворы серной, азотной и других кислот, в которые превращается влага воздуха, поглощая сернистый и другие газы, содержащиеся в воздухе. Кислотные дожди угнетают растительность, снижают прирост леса и урожайность сельскохозяйственных культур, являются причиной закисления озер, что приводит к гибели икры, мальков, планктона, водорослей и рыб. Отрицательные последствия кислотных дождей зафиксированы в США, Европе, Канаде, России, на Украине, в Белоруссии и других странах.

Разрушение озонового слоя. Озоновой слой – это слой атмосферы с повышенным содержанием озона. Концентрация озона в слое очень низкая, и если выделить его в чистом виде и сжать до плотности, которую имеет воздух у поверхности Земли, то толщина озонового слоя не превысит 5 мм. Озон поглощает коротковолновое излучение Солнца, предохраняя живые организмы от его губительного воздействия. Впервые истощение озонового слоя привлекло внимание широкой общественности в 1985 г., когда над Антарктидой было обнаружено большое пространство с пониженным (до 50 %) содержанием озона, получившее название «озоновой дыры». Считается, что основной причиной возникновения «озоновых дыр» является значительное содержание в атмосфере фреонов. Фреоны (хлорфторуглероды) – высоколетучие химически инертные у земной поверхности вещества, широко применяемые в производстве и быту в качестве хладоагентов (кондиционеры, рефрижераторы, холодильники), распылителей (аэрозоли), пенообразователей. Фреоны, поднимаясь в верхние слои атмосферы, подвергаются фотохимическому разложению с образованием оксида хлора, интенсивно разрушающего озон. Однако ряд ученых продолжают настаивать на естественном происхождении «озоновой дыры». Причины ее возникновения они видят в естественной изменчивости озоносферы, циклической активности Солнца, процессах дегазации Земли и др. Истощение озонового слоя приводит к более высоким уровням ультрафиолетового излучения на поверхности Земли, что способствует увеличению случаев заболеваний раком кожи, снижению продуктивности сельскохозяйственных культур, замедлению процесса фотосинтеза в растениях и др.

Проблема утилизации отходов. Отходы – неиспользуемые остатки сырья, материалов, полуфабрикатов, иных изделий и продуктов, образующиеся в процессе производства продукции или ее потребления и утратившие свои потребительские свойства. По агрегатному состоянию отходы делятся на жидкие, твердые и газообразные. По происхождению отходы классифицируются на бытовые (коммунальные), промышленные, сельскохозяйственные, строительные, радиоактивные и др. Наиболее серьезные экологические проблемы связаны с опасными отходами, содержащими в своем составе вещества, которые обладают одним из опасных свойств (токсичность, взрывчатость, инфекционность, пожароопасность и т. д.) и присутствуют в количестве, опасном для здоровья людей и окружающей природной среды. Выделяют четыре класса опасности отходов: первый – вещества (отходы) чрезвычайно опасные, второй – вещества (отходы) высокоопасные, третий – умеренно опасные, четвертый – малоопасные.

Отходы являются источником загрязнения атмосферного воздуха, подземных и поверхностных вод, почв и растительности. Первоначально решение проблемы отходов виделось преимущественно в их уничтожении – закапывании или сжигании, но с увеличением загрязнения окружающей среды на первый план вышли экологически более приемлемые меры устранения отходов – их сортировка и повторное использование, то есть рециклинг, а также использование малоотходных технологий. Малоотходным считается такое производство, при котором вредное воздействие на окружающую среду не превышает уровня, допустимого санитарно-гигиеническими нормами, при этом часть сырья и материалов переходит в отходы, которые направляются на переработку или захоронение. Минимизация отходов в различных отраслях промышленности может быть достигнута следующими способами: усовершенствованием технологических процессов в направлении сокращения количества образующихся отходов; рециклизацией отходов, предпочтительно в процессе их образования, переработкой отходов в полезные побочные продукты; снижением объемов и токсичности отходов для облегчения последующего удаления и переработки.

11.4. Загрязнение окружающей среды

Несбалансированные взаимоотношения общества и природы, то есть нерациональное природопользование, часто приводят к экологическому кризису и экологической катастрофе. Экологический кризис (чрезвычайная экологическая ситуация) – это экологическое неблагополучие, характеризующееся устойчивыми отрицательными изменениями окружающей среды и представляющее угрозу для здоровья людей. Под экологической катастрофой (экологическим бедствием) понимают экологическое неблагополучие, характеризующееся необратимыми изменениями окружающей среды и существенным ухудшением здоровья населения.

Основным и наиболее распространенным видом отрицательного воздействия человека на биосферу является загрязнение. Под загрязнением понимают поступление в окружающую среду вещества и (или) энергии, свойства, местоположение или количество которых оказывают негативное воздействие на окружающую среду (Закон «Об охране окружающей среды»). Загрязнением также называют поступление в окружающую природную среду любых твердых, жидких и газообразных веществ, микроорганизмов или энергий (в виде звуков, шумов, излучений) в количествах, вредных для здоровья человека, животных, состояния растений и экосистем. Обычно рассматривают два различных по происхождению вида загрязнения: естественное, возникающее в результате действий природных явлений без участия людей; антропогенное, связанное с человеческой деятельностью, главной составной частью которого является техногенное загрязнение, обусловленное деятельностью промышленных производств. По агрегатному состоянию все загрязняющие вещества антропогенного происхождения подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. По природе загрязнителей различают следующие виды загрязнения: биологическое (патогенные микроорганизмы, продукты генной инженерии и др.), химическое (загрязнение биосферы пестицидами, тяжелыми металлами, пластмассами, отдельными химическими веществами и элементами), физическое (шумовое, тепловое, электромагнитное, радиационное). По пространственному признаку выделяют глобальное, региональное, локальное (наблюдаемое на небольшой территории) загрязнения. По объектам загрязнения различают загрязнение атмосферного воздуха, загрязнение поверхностных и подземных вод, загрязнение почв и т. д. и даже загрязнение околоземного космического пространства. В 2005 г. на территории Российской Федерации было отмечено 78 аварий (в 2004 г. – 59), приведших к загрязнению окружающей среды. В этом же году стационарной наблюдательной сетью Росгидромета был зарегистрирован 541 случай экстремально высокого загрязнения поверхностных води 3 случая экстремально высокого загрязнения атмосферного воздуха по визуальным и органолептическим признакам.

Загрязнение почвы. Почва – рыхлый поверхностный слой земной коры, образовавшийся в результате длительного воздействия на литосферу атмосферы, воды, животных и растений. Почва состоит из хорошо выраженных слоев – почвенных горизонтов, различающихся по структуре и цвету. Состояние почв, грунтов имеет важнейшее значение для оценки экологического состояния той или иной территории, так как почвы представляют тройной интерес: как начальное звено пищевых цепей, как интегральный показатель экологического состояния окружающей среды и как источник вторичного загрязнения приземного слоя атмосферы, поверхностных и грунтовых вод. Кроме вторичного негативного воздействия на здоровье населения через продукты питания или загрязнение вод и воздуха, возможно и прямое воздействие загрязненных почв на здоровье населения, особенно детей, за счет непосредственного контакта и поступления почвы в организм.

По распространенности и токсикологическому воздействию различается загрязнение почв неорганическими и органическими токсикантами. В группе неорганических токсикантов особое место занимают тяжелые металлы, к которым условно относят химические элементы с атомной массой более 50. Считается, что среди химических элементов тяжелые металлы являются наиболее токсичными, так как обладают большим сродством с физиологически важными органическими соединениями, способны к медленному накоплению в живых организмах, вызывают отрицательное воздействие на рост и развитие. Например, избыточное количество марганца, меди, хрома, свинца, никеля и других элементов, содержащихся в почвах вблизи крупных промышленных предприятий, снижает урожайность зерновых на 20–30 %, картофеля – на 47 %, бобовых – на 40 %. Поэтому борьба с выбросами промышленных предприятий является одновременно способом борьбы за плодородие почв. Основными органическими загрязнителями почвы являются бензапирен, полихлорированные бифенилы, хлорорганические пестициды и нефтепродукты.

Следует отметить, что почвы вокруг больших городов и крупных предприятий цветной и черной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, машиностроения, ТЭЦ на расстоянии в несколько десятков километров загрязнены тяжелыми металлами, нефтепродуктами, соединениями серы, свинца и другими токсичными веществами, которые в совокупности с бытовыми отходами существенно влияют на химический состав почвы, вызывая ухудшение ее качества. Также в почве присутствуют канцерогенные вещества, вызывающие опухолевые заболевания у живых организмов, в том числе раковые. Основными источниками загрязнения почвы канцерогенными веществами являются выхлопы автотранспорта, выбросы предприятий, продукты нефтепереработки.

К особо опасным последствиям влияния человека на почвы следует отнести эрозию, загрязнение химическими веществами, засоление, заболачивание, изъятие почв под различные сооружения. Под эрозией почв понимается разрушение и снос верхних, наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). Эрозия – это естественный процесс, существующий в природе, который протекает очень медленно, поэтому разрушение и потери почвы от выдувания и смыва уравновешиваются процессами почвообразования. Однако наряду с естественной, или геологической, эрозией существует ускоренная (разрушительная), возникающая под влиянием антропогенной деятельности. Отрицательное влияние на почву оказывают пестициды. Они вызывают изменения в экосистеме, действуя на все живые организмы, в то время как используются для уничтожения весьма ограниченного числа видов. В итоге наблюдается интоксикация огромного числа других биологических видов вплоть до их исчезновения. Среди пестицидов наибольшую опасность представляют стойкие хлорорганические соединения, которые сохраняются в почвах в течение многих лет и в результате биологического накопления могут стать опасными для жизни многих организмов, так как обладают мутагенными и канцерогенными свойствами.

Загрязнение атмосферного воздуха. Атмосферный воздух – это смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли. Основными составными частями атмосферы являются: азот, кислород, аргон и углекислый газ. Кроме аргона в малых концентрациях содержатся другие инертные газы. В атмосферном воздухе всегда присутствуют пары воды и твердые частицы – пыль.

Загрязнение атмосферного воздуха – это поступление в атмосферный воздух или образование в нем вредных (загрязняющих) веществ в концентрациях, превышающих установленные государством гигиенические и экологические нормативы качества атмосферного воздуха (Закон «Об охране атмосферного воздуха). Оно может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным). Естественное загрязнение воздуха вызвано природными процессами: вулканической деятельностью, ветровой эрозией, дымом от лесных пожаров, массовым цветением растений и др. Антропогенное загрязнение связано с выбросом загрязняющих веществ в результате деятельности человека. По масштабам оно значительно превосходит природное и может быть местным, которое характеризуется повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях, региональным – когда под воздействие попадают большие пространства планеты, и глобальным – связано с изменениями во всей атмосфере. Степень загрязнения атмосферного воздуха зависит от количества выбросов вредных веществ и их химического состава, от высоты, на которой осуществляются выбросы, от климатических условий, определяющих перенос, рассеивание и превращение выбрасываемых веществ.

Особое место среди источников загрязнения атмосферы занимает химическая промышленность. Она поставляет диоксид серы, сероводород, оксиды азота, углеводороды, галогены и другие вещества, которые могут вступать в химические реакции друг с другом, образуя высокотоксичные соединения. Вместе с туманом и некоторыми другими природными явлениями в местах повышенной концентрации химических веществ возникает фотохимический смог. Он образуется при интенсивном воздействии солнечной радиации на воздух, насыщенный выхлопными газами автомобилей. При безветрии в воздухе идут сложные реакции с образованием новых высокотоксичных загрязнителей – фотооксидантов, которые раздражают слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, легких и органов зрения. В некоторых городах, расположенных в низинах, в связи с быстрым увеличением автотранспортных средств вероятность образования фотохимического смога весьма велика.

На основании данных об уровнях загрязнения атмосферного воздуха различными веществами в более чем 100 городах России была определена ориентировочная численность населения, находящегося на загрязненных территориях. Установлено, что наиболее многочисленная группа населения – 15 млн человек – подвергается воздействию повышенных концентраций взвешенных веществ, второе место по масштабу популяционного воздействия занимает бензапирен. Повышенное содержание в атмосферном воздухе взвешенных веществ может привести к некоторому увеличению смертности населения (главным образом от болезней органов дыхания), а загрязнение атмосферного воздуха бензапиреном определяет высокую канцерогенную опасность атмосферного воздуха в городах, где расположены алюминиевые, сталеплавильные производства и нефтеперерабатывающие заводы. Во многих городах обнаружено превышение в воздухе концентрации фенола, диоксида азота, аммиака, стирола и др. В Санкт-Петербурге по количеству нестандартных проб воздуха наиболее неблагоприятная ситуация сложилась в Московском, Петроградском,

Калининском, Невском, Центральном районах. Эти районы характеризуются наличием магистралей с интенсивным движением автотранспорта, включая международные. Необходимо отметить, что все проанализированные загрязняющие вещества воздуха входят в состав автотранспортных выбросов, которые составляют более 75 % общего валового выброса вредных веществ в атмосферу.

Загрязнение гидросферы. Вода – комплексный природный ресурс, состоящий из вод Мирового океана (94 %), подземных вод(4 %), льда и снега (2 %), воды рек, озер и болот (0,4 %). Водные пространства занимают большую часть поверхности земного шара: акватория Мирового океана составляет 70,8 %, а на долю суши приходится лишь 29,2 % поверхности Земли. Масштабная эксплуатация Мирового океана оказывает сильное воздействие на его экосистему. Однако имеются мощные внешние источники загрязнения – атмосферные потоки и материковый сток. В результате на сегодняшний день можно констатировать наличие загрязняющих веществ не только в зонах, прилегающих к материкам, и в районах интенсивного судоходства, но и в открытых частях океанов, включая Арктику и Антарктику. Интенсивное развитие промышленности, транспорта, перенаселение ряда регионов планеты привело к значительному загрязнению гидросферы. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), около 80 % всех инфекционных заболеваний в мире связано с неудовлетворительным качеством питьевой воды и нарушением санитарно-гигиенических норм водоснабжения. По экспертным оценкам, до 80 % всех химических соединений, поступающих во внешнюю среду, попадают в водоисточники.

Наиболее интенсивному антропогенному воздействию подвергаются воды суши. Однако загрязнению подвержены не только поверхностные воды, но и подземные, которые загрязняются нефтяными промыслами и предприятиями горно-добывающей промышленности, шлаконакопителями и отвалами металлургических заводов, хранилищами химических отходов и удобрений, свалками, животноводческими комплексами, канализационными стоками населенных пунктов. Из загрязняющих воды веществ преобладают нефтепродукты, тяжелые металлы (медь, кадмий, свинец, цинк, ртуть, никель), фенолы, хлориды, сульфаты, соединения азота.

Основными источниками загрязнения гидросферы являются: хозяйственно-бытовые сточные воды, промышленные сточные воды, водный транспорт, сельскохозяйственные поля и крупные животноводческие фермы, утечки нефти и нефтепродуктов, сток с территорий населенных пунктов и промышленных площадок, дренажные воды с орошаемых земель. Основными видами загрязнений гидросферы считаются: механическое, физическое, химическое, органическое, биологическое, тепловое, радиоактивное. К наиболее существенным загрязнениям гидросферы в 2005 г. относится авария, произошедшая 13 ноября на химическом заводе в КНР, в результате которой в р. Сунгари (приток р. Амур) было сброшено 100 т бензола и нитробензола. Возникла реальная угроза загрязнения р. Амур – источника водоснабжения городов Хабаровска, Амурска, Комсомольска-на-Амуре.

11.5. Влияние неблагоприятных экологических факторов на состояние здоровья человека

Качество окружающей среды существенно влияет на здоровье населения. Практически все химические вещества и физические излучения в той или иной степени оказывают вредное воздействие на здоровье людей, причем важным является уровень их присутствия в окружающей среде. Согласно данным экспериментальных и эпидемиологических исследований, экологические факторы даже при невысоком уровне воздействия могут вызывать значительные расстройства здоровья людей. Загрязнение среды может приводить к серьезным нарушениям в состоянии здоровья, особенно таких малоустойчивых групп, как дети, беременные женщины, пожилые люди, больные хроническими заболеваниями. К факторам внешней среды, оказывающим влияние на организм, следует отнести: характер пищи, энергетические воздействия, динамический и химический характер атмосферы, водный компонент, биологические воздействия, сбалансированность и стабильность климатических и ландшафтных условий, ритмы природных явлений и др.

По степени опасности для здоровья человека среди химических загрязнителей первенство принадлежит тяжелым металлам, хлорированным углеводородам, пестицидам, нитратам, нитросоединениям, асбесту. Очень опасными для здоровья являются радионуклиды, токсины микроорганизмов, лекарственные средства (синтетические химические соединения, антибиотики и др.), а также загрязнители биологического происхождения (бактерии, вирусы, паразиты, простейшие, грибковые). Наиболее опасными и токсичными из тяжелых металлов являются свинец, ртуть, кадмий, никель, мышьяк и др. Учеными установлена связь между количеством обнаруженных в воде и почве кадмия и уровнем появления злокачественных новообразований различных форм среди населения экологически неблагоприятных районов.

Загрязнение кадмием пищевых продуктов, как правило, происходит из-за загрязнения почвы и питьевой воды сточными водами гальванических и других производств, в которых применяются кадмийсодержащие стабилизаторы, пигменты, краски; отходами от металлургических производств, а также при использовании фосфатных удобрений. Наиболее тяжелой формой хронического отравления кадмием является болезнь Итай-Итай, обнаруженная в 1946 г. в Японии. Эта болезнь характеризуется деформацией скелета с заметным уменьшением роста, сопровождается болями в пояснице и мышцах ног. Органами – мишенями кадмия являются печень, почки, костный мозг, трубчатые кости и отчасти селезенка. Кадмий депонируется в печени и почках, где его содержится до 30 % от общего количества в организме.

В настоящее время практически все компоненты окружающей среды загрязнены свинцом. Ежегодно предприятиями цветной металлургии выбрасывалось в воздух более 600 т свинца, стекольной промышленности – до 100 т, при сжигании топлива поступает в воздух до 0,4 т. Наибольшие концентрации свинца обнаруживаются в атмосферном воздухе городов и вдоль крупных автомагистралей. Основная часть свинца (70–85 %) поступает в организм человека с пищей, не более 10 % – с питьевой водой и до 25 % – из атмосферного воздуха. При включении в пищевые цепи свинец может поступать в организм человека с продуктами как растительного, так и животного происхождения. Свинец способен накапливаться в организме, особенно в костной ткани. Экспериментальные данные свидетельствуют, что для развития рака в присутствии свинца требуется в 5 раз меньшее количество канцерогенных углеводородов. Воздействие повышенных концентраций свинца приводит к изменению репродуктивной, нервной, сердечно-сосудистой, иммунной, эндокринной систем. Его токсикологическое действие проявляется в изменениях функционального состояния почек, синтеза гемма – основы гемоглобина.

Стойкими в экологических цепях оказываются радионуклиды, поступающие в организм человека также в основном с продуктами питания. Из продуктов расщепления урана представляют особую опасность стронций-90 и цезий-137 (имеющие период полураспада порядка 30 лет): стронций очень легко проникает в костную ткань позвоночных, а цезий накапливается в мускульных тканях, замещая калий. Они способны накапливаться в организме в количествах, достаточных для причинения ущерба здоровью, и задерживаться практически до конца жизни, вызывая канцерогенные, мутагенные и другие заболевания.

Воздействие атмосферных загрязнителей чаще всего приводит к ослаблению иммунитета, что сопровождается снижением сопротивляемости организма и повышенной заболеваемостью. Исследованиями Института экологии и гигиены окружающей среды РАМН установлена связь между уровнем суммарного загрязнения воздуха и показателями аллергической заболеваемости у детей. Так, в Москве доля часто болеющих острыми респираторными заболеваниями детей в очень загрязненных районах составила 8 %, а в менее загрязненных – 1,2 %.

В последние десятилетия существенно возросли суммарные выбросы в атмосферу от автотранспорта, причем в разных городах на долю этих выбросов приходится от 45 до 85 % загрязнения воздуха. В результате примерно 30 % городского населения страны дышат воздухом, в котором концентрация вредных веществ превышает санитарно-гигиенические нормативы в 10 и более раз. В городах с развитой металлургической промышленностью взрослое население чаще всего страдает болезнями органов кровообращения и органов пищеварения, а дети – болезнями органов дыхания и пищеварения, кожи и слизистых оболочек глаз. В настоящее время негативное воздействие окружающей человека среды проявляется в развитии следующих процессов: аллергизации населения, росте онкологической заболеваемости, нарушении биоритмов, росте числа лиц с избыточным весом, росте числа детей, родившихся недоношенными, акселерации, развитии профессиональных заболеваний, возрастании удельного веса хронических заболеваний и др.

11.6. Международное сотрудничество в области охраны окружающей среды

Международное сотрудничество в решении глобальных экологических проблем – это международная деятельность на правительственном и неправительственном уровнях, осуществляемая в рамках межгосударственных соглашений, международных программ ООН, ЮНЕСКО и др., экологических программ и проектов, осуществляемых частными и государственными экологическими фондами и направленных на объединение усилий государств, частных лиц и общественных объединений в преодолении глобальных экологических проблем человечества. Международное сотрудничество в области охраны окружающей природной среды регулируется международным экологическим правом, в основе которого лежат общепризнанные принципы и нормы. Высокая приоритетность экологического фактора в международных отношениях постоянно возрастает, что связано с ухудшением состояния окружающей среды.

Объекты международного сотрудничества в области охраны окружающей природной среды делятся на несколько групп. Так, выделяют национальные и международные объекты. К первым, то есть внутригосударственным, относятся недра, земля, воды, животный и растительный мир, которые находятся на территории государства. К международным объектам охраны окружающей среды относятся атмосферный воздух, Мировой океан, Антарктида и другие, которые не входят в юрисдикцию государств и не являются чьим-либо национальным достоянием. Они осваиваются и охраняются на основании различных конвенций, договоров, протоколов и других документов, отражающих совместные усилия международного сообщества. Основные принципы международного сотрудничества длительное время вырабатывались и формулировались мировым сообществом. Перечислим главные из них:

♦ каждый человек имеет право на жизнь в наиболее благоприятных экологических условиях;

♦ каждое государство имеет право на использование природных ресурсов и окружающей среды для развития и обеспечения нужд своих граждан;

♦ экологическое благополучие одного государства не может обеспечиваться за счет других или без учета их интересов (например, природные ресурсы слаборазвитых стран не должны безудержно эксплуатироваться другими государствами);

♦ недопустимы любые виды хозяйственной и иной деятельности, экологические последствия которой непредсказуемы;

♦ должен быть установлен контроль на глобальном, региональном и национальном уровнях за состоянием и изменениями окружающей среды и природных ресурсов на основе международно признанных критериев и параметров;

♦ должен быть обеспечен свободный и беспрепятственный международный обмен научно-технической информацией по проблемам экологии и передовых природосберегающих технологий;

♦ государства должны оказывать друг другу помощь в чрезвычайных экологических ситуациях.

Российская Федерация является активным участником международного сотрудничества в сфере обеспечения экологической безопасности. В настоящее время Россия участвует в многосторонних международных договорах, конвенциях и соглашениях об охране окружающей среды и природопользования со странами Европы, США, Азии. Одним из актуальных направлений в организации международного эколого-правового сотрудничества является прогнозирование возможностей возникновения и масштабов распространения новых техногенных факторов, оказывающих вредное влияние на экологическую обстановку, и разработка на данной основе системы мер по снижению степени негативного их воздействия на природную среду, климат, здоровье населения, духовные, социальные и прочие ценности человека и общества. Перспективной формой научно-технической интеграции с учетом обеспечения экологической безопасности может служить разработка многосторонних целевых программ сотрудничества, ориентированных на приоритетное решение взаимосвязанных научных и технических проблем на основе долевого участия в их финансовом, материально-техническом и другом обеспечении.

11.7. Экологическое образование

Интенсивное развитие экологического образования становится актуальной задачей всех цивилизованных стран и рассматривается как одно из средств преодоления глобального экологического кризиса. Экология как система научных и учебных дисциплин должна стать одним из главных компонентов содержания образования в XXI веке. Согласно Указу Президента Российской Федерации «О государственной стратегии Российской Федерации по охране окружающей среды и обеспечению устойчивого развития», первоочередными считаются следующие меры:

♦ создание инфраструктуры для обеспечения системы непрерывного экологического образования;

♦ пересмотр всех школьных курсов с точки зрения идеи экологически безопасного, устойчивого развития;

♦ создание системы практической деятельности учащихся по улучшению состояния окружающей среды;

♦ координация школьной и внешкольной систем образования, начального, среднего, профессионального образования, эколого-просветительской деятельности неправительственных организаций;

♦ подготовка и повышение квалификации педагогических кадров по вопросам экологического образования.

В настоящее время существует множество авторских определений понятия «экологическое образование». Так, И. Д. Зверев и И. Т. Суравегина, авторы Концепции общего среднего экологического образования, под экологическим образованием понимают непрерывный процесс обучения, воспитания и развития личности, направленный на формирование системы научных и практических знаний и умений, ценностных ориентаций, поведения и деятельности, обеспечивающих ответственное отношение к окружающей социально-природной среде и здоровью. Таким образом, экологическое образование – это целенаправленно организованный, планомерно и систематически осуществляемый процесс овладения экологическими знаниями, умениями и навыками. Целью экологического образования является необходимость формирования экологической культуры на основе овладения экологическими знаниями, умениями и ценностными ориентациями в отношениях с природой, поскольку существование человека без природы невозможно. Ключевую роль в достижении этой цели играет развитие экологического сознания личности. Ведущими идеями развития экологического образования являются:

♦ осмысление единства всего живого, а также живого и неживого в природе;

♦ понимание многообразия ценностей природы и невосполнимости жизни;

♦ понимание экологических взаимодействий, обеспечивающих целостность живых систем и устойчивость жизни;

♦ воспитание экологической ответственности за состояние окружающей среды, своего здоровья и здоровья других людей;

♦ осознание морального выбора способа целесообразной деятельности, согласующейся с экологическим и нравственным императивом.

Актуальность экологического образования обусловлена глобальностью экологических проблем, стоящих перед человечеством, и невозможностью их решения без сформированности экологической ответственности, экологической культуры. Большую роль в формировании и развитии экологического сознания, экологической культуры, знаний, умений, навыков учащихся играет организация внеурочной и внеклассной работы. К таким формам работы относятся: экологические игры (соревновательные, ролевые, имитационные), детские экологические движения, экскурсии, конкурсы экологической направленности, эколого-краеведческая деятельность, школьные проекты, экспедиции, факультативы, научные вечера, конференции, исследовательские работы учащихся, издание стенгазет, альбомов, участие в экологических олимпиадах, просмотр видеофильмов, школьный экологический мониторинг и др. В настоящее время можно определить несколько возможных направлений развития системы экологического образования, представленных в следующих моделях: от экологического образования – к образованию для устойчивого развития (социально-экономического аспект); к экологической культуре – через экологическое просвещение населения (эколого-культурологический аспект); экологическая компетентность – обязательный компонент профессиональной деятельности любого специалиста.

Таким образом, преобразующее воздействие человеческого общества на природу неизбежно, оно усиливается по мере роста численности населения, в результате научно-технического прогресса, увеличения числа и массы веществ, вовлекаемых в хозяйственный оборот. Стихийное использование природных ресурсов без соответствующих мер их защиты и возможности восстановления, интенсивное и все возрастающее загрязнение окружающей среды приводят к непоправимым изменениям в природе, катастрофическим изменениям в биосфере. В связи с этим обеспечение экологической безопасности является важнейшей естественнонаучной и социально-политической проблемой современности, от правильного решения которой зависит благополучие человечества. Сохранить гармоничные отношения человека и природы – основная задача, которая стоит перед нынешним поколением. Решение этой задачи требует изменения многих ранее сложившихся представлений о соизмерении человеческих ценностей, необходимости развития у каждого человека экологического сознания, экологической культуры.

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение экологии как науки. Назовите автора термина.

2. Назовите и проанализируйте основные задачи экологии.

3. Что понимается под средой обитания, экологическим фактором? Приведите примеры.

4. Назовите глобальные экологические проблемы современности, их особенности.

5. Что вы понимаете под загрязнением окружающей среды, каковы его основные виды?

6. Приведите примеры влияния экологических факторов на здоровье человека.

7. В чем заключается сущность проведения мониторинга окружающей среды?

8. Почему необходимо международное сотрудничество в организации охраны природы?

9. Перечислите основные принципы международного сотрудничества в области охраны окружающей природной среды.

10. Назовите и объясните ведущие идеи экологического образования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современную науку характеризует смена парадигм, то есть сложившихся научных стереотипов. Смена научной парадигмы определяется, в первую очередь, переходом от антропоцентризма к биосфероцентризму, усиливающими процессами интеграции научного знания.

Сформировалась современная научная картина мира как целостная система представлений о мире, его общих свойствах и закономерностях, возникшая в результате обобщения основных естественно-научных теорий. Основой для формирования научной картины мира является естествознание.

Современное естествознание представляет собой разветвленную область научного знания о природе, характеризующуюся одновременно идущими процессами научной дифференциации и создания синтетических дисциплин и ориентированную на интеграцию научных знаний. Каждая дисциплина естествознания видит в природе свой аспект изучения. Это многообразие нашло свое отражение в большом количестве концепций, посвященных практически всем природным объектам, явлениям и процессам. Его отличают ясное понимание целостности природы, эволюционный подход к ее изучению и к осмыслению результатов исследований, интенсивно идущие процессы интеграции разных научных направлений. Системное изучение природы показывает, что материя состоит из атомов и элементарных частиц; свойства объектов зависят от количества и расположения элементарных частиц; Вселенная возникла давно и с тех пор изменяется; клетка является единицей всех живых организмов; все организмы появились в результате естественного отбора. В целом мир многообразен и постоянно находится в процессе превращения одних систем в другие. В то же время общее состояние знаний о природных объектах приводит к выводу, что мир до конца не познан и многие природные явления еще не получили свое объяснение, так как для этого еще не сложились предпосылки.

Сохранение высокого статуса фундаментальных исследований сочетается с расширением разработок прикладного характера. В будущем вряд ли человечество откажется от фундаментальных исследований, не приносящих сиюминутных выгод, но требующих значительных затрат, – освоения космического пространства, изучения микромира и др. Тем не менее наиболее активно, вероятно, будут развиваться те направления науки, которые предусматривают удовлетворение социальных потребностей. Среди таких перспективных направлений можно выделить следующие:

♦ развитие физики высоких энергий, способствующее уточнению специфики элементарных частиц, приближающей к построению единой теории поля;

♦ исследования в области термоядерного синтеза: их переход в сферу прикладных разработок должны доказать эффективность и безопасность функционирования промышленных термоядерных реакторов;

♦ химические исследования, обеспечивающие выход на уровень масштабного получения природных соединений, что будет способствовать смягчению проблемы мирового ресурсного дефицита;

♦ прогноз и предотвращение возможных экологических последствий конкретных научных и технологических разработок, которые обеспечиваются в процессе взаимосвязи фундаментальных и прикладных исследований.

Усиливающая тенденция к интеграции естественных наук позволяет предположить, что в дальнейшем на какой-то более глубокой основе будут объединены все науки о неживой и живой природе. Естествознание, вероятно, будет выступать как единая и многогранная наука о природе.

Учитывая динамизм науки, довольно трудно реально оценить ее будущее. При этом можно отметить следующие прогностические тенденции научного развития:

♦ повышение статуса науки в динамике цивилизационного процесса; именно с развитием научного знания складываются позитивные перспективы цивилизации;

♦ сочетание продолжающейся дифференциации естественных, технических и гуманитарных наук с усилением интегративных тенденций; интеграция системы научного знания в целях разрешения противоречий глобального масштаба;

♦ переход лидерства к системе наук о человеке и биосфере: с одной стороны, сохраняются активные познавательные и деятельностные функции человека, а с другой стороны, его активность ограничивается необходимостью сохранения равновесия естественных экосистем;

♦ реализация динамизма науки в рамках стратегии устойчивого развития, обеспечивающей ее прорыв в непознанное при сохранении сложившихся фундаментальных ценностей.

Динамика развития современной науки столь впечатляюща, что мышление вынуждено приспосабливаться к смене научных парадигм еще при жизни одного поколения. Это свидетельствует о непреходящей ценности и значимости науки – связующего моста между прошлым и будущим современной культуры.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

К главе 1 «Предмет и структура естествознания»

1. Наука сформировалась:

1) в Древней Греции;

2) в Европе в XVI–XVIII вв.;

3) в Европе в XIII–XV вв.;

4) в Древнем Риме.

2. Науку от обыденного познания отличает:

1) актуальность объекта познания;

2) достоверность полученных знаний;

3) значимость результатов познания;

4) используемый язык.

3. Определенный способ понимания какого-либо предмета, процесса или явления – это:

1) концепция;

2) закон;

3) гипотеза;

4) теория.

4. В научном исследовании выделяются уровни:

1) созерцательный и эмпирический;

2) созерцательный и концептуальный;

3) эмпирический и теоретический;

4) теоретический и концептуальный.

5. Дифференциация естественных наук начала происходить на стадии:

1) натурфилософии;

2) аналитического естествознания;

3) синтетического естествознания;

4) интегрального естествознания.

6. Совокупным объектом естествознания является:

1) Земля;

2) Галактика;

3) природа;

4) географическая оболочка Земли.

7. Теория – это:

1) предположительное знание, которое носит вероятностный характер;

2) истинное, доказанное, подтвержденное знание о сущности явлений;

3) утверждение, раскрывающее общие связи изучаемых явлений.

8. Методом эмпирического уровня познания является:

1) аналогия;

2) наблюдение;

3) моделирование;

4) синтез.

9. Классификация – это:

1) установление сходства и различия признаков исследуемых объектов;

2) объединение различных признаков исследуемых объектов;

3) отнесение объектов к определенному классу явлений.

К главе 2 «Фундаментальные понятия о материи»

1. Кварки – это:

1) космические тела с избыточным рентгеновским излучением;

2) элементарные частицы с дробным зарядом;

3) химические катализаторы нового поколения;

2. Физический вакуум – это:

1) особый вид материи, обеспечивающий физические взаимодействия материальных объектов;

2) основной вид материи, обладающий массой;

3) низшее энергетическое состояние квантового поля.

3. Сильное взаимодействие обеспечивает:

1) связь нуклонов в ядре;

2) химические превращения веществ;

3) распад элементарных частиц.

4. Какие элементарные частицы не относятся к андронам:

1) протоны;

2) нейтроны;

3) электроны;

4) нуклоны.

К главе 3 «Пространство, время, принципы относительности»

1. Не прибегая к вычислениям, укажите, в каких процессах энтропия возрастает:

1) H2O (г) – H2O (ж);

2) HCl (р) – HCl (г).

2. Специальная теория относительности (СТО) решает задачи:

1) классической механики;

2) абсолютности пространства и времени;

3) приспособления пространственно-временной метрики к современной физике;

4) неинерциальных систем отсчета.

3. Энтропия – это:

1) внутренняя энергия системы;

2) количество теплоты, которое идет на совершение механической работы;

3) термодинамическая функция состояния, которая характеризует часть внутренней энергии системы, способной преобразовываться в механическую работу; мера хаоса, которая в состоянии теплового равновесия достигает своего максимального значения.

4. Корпускулярно-волновой дуализм – это:

1) теория квантования физических величин;

2) постулат, что всем микрочастицам одновременно присущи и корпускулярные, и волновые свойства;

3) квантово-релятивистские представления о физической реальности на основе СТО и ОТО Эйнштейна.

К главе 4 «Естественнонаучные знания о веществе»

1. Вещество, уменьшающее скорость протекания химического процесса, называется:

1) катализатором;

2) ингибитором.

2. С современной точки зрения систематизирующим фактором Периодической системы Д. И. Менделеева является:

1) масса ядра атома;

2) заряд ядра атома;

3) заряд атома;

4) масса атома.

3. Как называется концепция о происхождении живого из неживого:

1) абиогенез;

2) филогенез;

3) онтогенез?

4. Количество органогенов, то есть элементов, которые в сумме являются основой живых систем и общая весовая доля которых, например, в организме человека 97 %, составляет:

1) 3;

2) 6;

3) 7;

4) 10.

5. Отбор химических элементов во Вселенной проявляется таким образом, что большую часть вещества в ней составляют всего два элемента, а именно:

1) кремний и углерод;

2) углерод и водород;

3) кислороди гелий;

4) водород и гелий.

6. Определите последовательность, в которой исторически развивалось химическое знание с учетом 4 концептуальных этапов: А – эволюционная химия, В – структурная химия, С – учение о химических процессах, D – учение о составе вещества:

1) А-B-C-D;

2) C-D-B-A;

3) D-B-C-A;

4) A-D-B-C.

К главе 5 «Нанотехнологии»

1. Нанотехнологии являются:

1) разделом химии;

2) разделом физики;

3) разделом астробиологии;

4) междисциплинарным направлением в естествознании.

2. Нанотехнологии оперируют объектами, линейные размеры которых составляют:

1) от1до10^9м;

2) от 10^9 до10-9м;

3) от 10-7 до10 -9 м.

К главе 6 «Мегамир и его свойства»

1. Космология – это:

1) раздел астрономии;

2) раздел космонавтики;

3) ненаучная форма познания Вселенной;

4) второе название космогонии.

2. Малые планеты, входящие в Солнечную систему, называются:

1) метеоры;

2) спутники;

3) астероиды;

4) кометы.

3. Наиболее крупная единица измерения космических расстояний:

1) парсек;

2) астрономическая единица;

3) световой год;

4) километр.

4. Вселенная однородна, поскольку она:

1) расширяется;

2) имеет одинаковые свойства во всех точках;

3) имеет одинаковые свойства по всем направлениям;

4) находится в горячем состоянии.

5. Возраст Вселенной исчисляется:

1) со времени образования галактик;

2) со времени образования Солнечной системы;

3) с момента Большого взрыва;

4) с начала фазы инфляции.

6. Наша Галактика имеет форму:

1) спиральную;

2) эллиптическую;

3) шаровидную;

4) неправильную.

7. Солнечная система в нашей Галактике располагается:

1) в плоскости, перпендикулярной галактической;

2) у галактической плоскости;

3) на периферии Галактики;

4) положение пока не выяснено.

8. Квазары – это:

1) новые звезды;

2) двойные звезды;

3) мощные источники радиоизлучения во Вселенной;

4) малые галактики – спутники нашей Галактики.

9. Звезды состоят преимущественно:

1) из водорода и азота;

2) из гелия и кислорода;

3) из водорода и гелия;

4) из гелия и азота.

10. Новые звезды образуются:

1) из межзвездного вещества;

2) из двойных звезд;

3) из красных карликов;

4) из переменных звезд.

11. Внешняя часть Солнца – атмосфера – состоит:

1) из ядра, конвективной зоны и короны;

2) из фотосферы, хромосферы и короны;

3) из ядра, области лучистого переноса энергии и короны;

4) из фотосферы, конвективной зоны и области лучистого переноса энергии.

К главе 7 «Планета Земля»

1. Известняк под влиянием повышенного давления и высоких температур превращается:

1) в мрамор;

2) в кварцит;

3) в гранит.

2. Месторождения нефти и газа связаны с тектоническими структурами:

1) гор;

2) равнин;

3) дна океана.

3. Мировой океан включает в себя:

1) все моря и океаны;

2) все океаны и находящиеся под ними подземные воды;

3) все океаны и льды Антарктиды;

4) все океаны.

4. В водах Мирового океана среднее содержание солей от общей массы воды составляет:

1) 35 %;

2) 1 %;

3) 3,5 %;

4) 10 %.

5. К континентальным водным бассейнам относят:

1) озера, моря, реки, болота;

2) озера, реки, болота, водохранилища;

3) реки, заливы морей, моря, болота;

4) реки, озера, водохранилища, заливы морей.

6. На глубине 1 км подземные воды могут находиться:

1) только в жидком состоянии;

2) и в твердом, и в жидком состоянии;

3) только в твердом состоянии;

4) только в парообразном состоянии.

7. Главные катионы морской воды – катионы натрия, магния, кальция, калия – поступили в воду:

1) в результате выветривания горных пород;

2) из атмосферы;

3) из почвы;

4) вместе с подземными водами.

8. С увеличением высоты над поверхностью Земли температура воздуха возрастает:

1) в тропосфере;

2) в стратосфере;

3) в мезосфере;

4) в термосфере.

9. На высоте 10 км над поверхностью Земли воздух состоит преимущественно:

1) из углекислого газа и азота;

2) из водорода и гелия;

3) из азота и кислорода;

4) из азота и озона.

10. Состояние нижнего слоя атмосферы в данном месте в данное время называется:

1) альбедо;

2) погода;

3) климат;

4) ветер.

К главе 8 «Живая материя»

1. Самоорганизующаяся система не характеризуется:

1) высокой упорядоченностью;

2) открытостью;

3) равновесностью;

4) отсутствием управления извне.

2. После прохождения точки бифуркации система:

1) перестает взаимодействовать с другими системами;

2) возвращается в исходное состояние;

3) случайно выбирает путь нового развития;

4) не подчиняется законам детерминизма.

3. Синергетика – это наука о превращении:

1) хаоса в космос (порядок);

2) простых систем в сложные;

3) сложных систем в простые;

4) порядка в хаос.

4. Ч. Дарвин показал, что под борьбой за существование понимается:

1) ожесточенная борьба особей одного вида;

2) установление между живыми организмами форм сотрудничества и взаимопомощи;

3) конкуренция между представителями разных видов животных;

4) борьба с неблагоприятными условиями природной среды;

5) противостояние живой природы индустриальной цивилизации.

5. Элементарными факторами и явлениями эволюции необходимо считать:

1) особь как элементарную эволюционную структуру;

2) изменение генотипического состава популяции как элементарное эволюционное явление;

3) генофонд популяции как элементарный эволюционный материал;

4) мутации как элементарные эволюционные факторы;

5) естественный отбор как элементарное эволюционное противодействие.

6. И. Пригожин открыл самоорганизацию макросистем в виде:

1) концентрационных автоволн;

2) открытых каталитических систем;

3) диссипативных структур;

4) нестационарных, нелинейных систем.

7. Коэволюция – это:

1) современный этап эволюции живого на Земле;

2) разрушение биоценоза;

3) взаимное приспособление видов;

4) самая жесткая борьба за существование.

8. Ч. Дарвин дал научное объяснение эволюции живой природы в работе:

1) «Происхождение человека»;

2) «Происхождение видов путем естественного отбора»;

3) «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека»;

4) «Выражение эмоций у человека и животных».

9. Элементарная структура эволюции, по современным представлениям, – это:

1) клетка;

2) организм;

3) популяция;

4) биоценоз.

10. В современной теории эволюции «волны жизни» – это:

1) периодическое изменение климата планеты;

2) волны Мирового океана;

3) количественные колебания в численности популяции;

4) увеличение числа близкородственных скрещиваний.

11. Единица строения и жизнедеятельности живого организма – это:

1) атом;

2) молекула;

3) ткань;

4) клетка.

12. Ген представляет собой:

1) участок информационной РНК;

2) участок молекулы ДНК;

3) полипептидную цепь.

13. По наследству передаются:

1) модификационные изменения;

2) фенотип;

3) генные мутации.

14. Мутаген – это:

1) организм, в котором произошли мутации;

2) фактор, увеличивающий число мутаций;

3) наследственная передача признака.

15. Генотип – это:

1) совокупность наследственного материала популяции;

2) совокупность генов всех живых организмов;

3) совокупность генов особи.

16. Автор хромосомной теории наследственности:

1) Т. Морган;

2) Г. Мендель;

3) Н. Вавилов.

К главам 9 «Учение о биосфере» и 10 «Человек как предмет современного естествознания»

1. Ноосфера это:

1) часть биосферы;

2) минеральная оболочка Земли;

3) сфера разума;

4) сфера деятельности.

2. Биогенное вещество:

1) создается в процессе жизнедеятельности организмов;

2) образовано совокупностью организмов;

3) образуется без участия живых организмов;

4) является результатом взаимодействия живого и неживого.

3. Жизненная пленка, лежащая на границе атмосферы и гидросферы, называется:

1) бентос;

2) планктон;

3) фотон;

4) пойма.

4. Превращение биосферы в ноосферу происходит под воздействием:

1) климатических факторов;

2) геологических факторов;

3) разумной деятельности человека;

4) биологической эволюции.

5. Состояние здоровья зависит в большей степени:

1) от состояния здравоохранения;

2) от индивидуального образа жизни;

3) от наследственности;

4) от факторов окружающей среды.

6. Полноценное здоровье характеризуется:

1) отсутствием болезней;

2) устойчивым эмоциональным состоянием;

3) равновесием между функциями организма и факторами внешней среды;

4) высокими физическими показателями.

7. Здоровый образ жизни – это:

1) отсутствие вредных привычек;

2) поведение, направленное на достижение успеха и благополучия;

3) отсутствие болезней;

4) поведение, направленное на сохранение и укрепление здоровья.

К главе 11 «Основы экологии»

1. Термин «экология» ввел ученый:

1) К. Линней;

2) Ж. Б. Ламарк;

3) Г. Гаузе;

4) Э. Геккель.

2. Почву как среду обитания сближает с водной средой:

1) температурный режим, пониженное содержание кислорода, наличие воды в разных формах, присутствие солей и органических веществ;

2) световой режим, перепады давления, изменение гравитационной составляющей;

3) изменение солевого состава по временам года, сочетание плотности и давления грунтов;

4) одинаковое значение pH среды, одинаковый состав микрофауны и микрофлоры.

3. Самая насыщенная (в пересчете на объем) жизнью среда:

1) почва;

2) атмосфера;

3) пресные воды;

4) моря и океаны.

4. Наиболее быстро в крупных промышленных городах из-за загрязнения среды идет рост таких заболеваний, как:

1) заболевания желудочно-кишечного тракта;

2) легочные заболевания и заболевания верхних дыхательных путей;

3) заболевания кожи;

4) заболевания суставов и костей.

5. Все проблемы экологии могут быть выражены одной фразой:

1) океан и суша связаны между собой;

2) все живое связано между собой и с окружающей средой;

3) все неживое взаимодействует между собой;

4) компоненты географической оболочки изолированы.

6. Основными экологическими факторами, способными влиять на демографическую ситуацию в мире, продолжают оставаться:

1) пищевые ресурсы и болезни;

2) особенности климата и рельефа местности;

3) особенности географического положения страны;

4) климатические условия.

7. Основной причиной выпадения кислотных дождей является:

1) попадание в воздух оксидов серы и азота – отходов сгорания любого ископаемого топлива, особенно низкосортного угля и мазута;

2) попадание в воздух оксидов фосфора и углерода – отходов сгорания любого вида топлива, особенно сланцев и торфа;

3) попадание в воздух большого количества хлора;

4) попадание в воздух пыли, содержащей частицы металла.

8. Считают, что озоновый экран разрушается в результате воздействия на него:

1) радиации;

2) сернистого газа;

3) фреона;

4) азота.

9. Наибольшее выпадение атмосферных осадков с растворимыми загрязняющими веществами происходит в районе:

1) Архангельска;

2) Екатеринбурга, Омска;

3) Верхоянска;

4) Якутска.

10. Мониторинг среды означает в первую очередь:

1) систему защиты среды обитания;

2) систему регулярных наблюдений за состоянием окружающей среды;

3) систему правовых законодательных актов по защите природной среды;

4) систему наблюдений за отдельным видом организмов.

ОТВЕТЫ НА ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

К главе 1

1. Ответ: 2;

2. Ответ: 4;

3. Ответ: 2;

4. Ответ: 3;

5. Ответ: 2;

6. Ответ: 3;

7. Ответ: 2;

8. Ответ: 2;

9. Ответ: 3.

К главе 2

1. Ответ: 2;

2. Ответ: 3;

3. Ответ: 1;

4. Ответ: 3.

К главе 3

1. Ответ: 2;

2. Ответ: 3;

3. Ответ: 3;

4. Ответ: 2.

К главе 4

1. Ответ: 2;

2. Ответ: 2;

3. Ответ: 1;

4. Ответ: 2;

5. Ответ: 4;

6. Ответ: 3.

К главе 5

1. Ответ: 4;

2. Ответ: 3.

К главе 6

1. Ответ: 1;

2. Ответ: 3;

3. Ответ: 1;

4. Ответ: 2;

5. Ответ: 3;

6. Ответ: 1;

7. Ответ: 2;

8. Ответ: 3;

9. Ответ: 3;

10. Ответ: 3;

11. Ответ: 2.

К главе 7

1. Ответ: 1;

2. Ответ: 2;

3. Ответ: 1;

4. Ответ: 3;

5. Ответ: 2;

6. Ответ: 2;

7. Ответ: 1;

8. Ответ: 2, 4;

9. Ответ: 3;

10. Ответ: 2.

К главе 8

1. Ответ: 3;

2. Ответ: 3;

3. Ответ: 1;

4. Ответ: 1, 3, 4;

5. Ответ: 2, 3, 4;

6. Ответ: 3;

7. Ответ: 3;

8. Ответ: 2;

9. Ответ: 3;

10. Ответ: 3;

11. Ответ: 4;

12. Ответ: 2;

13. Ответ: 3;

14. Ответ: 2;

15. Ответ: 3;

16. Ответ: 1

К главам 9 и10

1. Ответ: 3;

2. Ответ: 1;

3. Ответ: 2;

4. Ответ: 3;

5. Ответ: 2;

6. Ответ: 3;

7. Ответ: 4.

К главе 11

1. Ответ: 4;

2. Ответ: 1;

3. Ответ: 1;

4. Ответ: 2;

5. Ответ: 2;

6. Ответ: 1;

7. Ответ: 1;

8. Ответ: 3;

9. Ответ: 2;

10. Ответ: 2.

ЛИТЕРАТУРА

Аверьянов А. Н. Системное познание мира. – М., 1995.

Авраменко И. М. Природопользование: Курс лекций для студентов вузов. – СПб., 2003.

Агафонова Н. В. Прогресс и традиции в науке. – М., 1991.

Азимов А. Краткая история биологии. От алхимии до генетики: Пер. с англ. Л. А. Игоревского. – М.: ЗАО «Издательство Центрполиграф», 2002.

Азимов А. Язык науки. – М.: Мир, 1995.

Аистов И. А., Голиков П. А., Зайцев В. В. Концепция современного естествознания. – СПб.: Питер, 2005.

Алексеев П. В., Панин А. В. Возможности и границы познания. – М., 1995.

Андреев И. Я. – Происхождение человека и общества – М., 1982.

Атмосфера: Справочник. – Л., 1991.

Биология. Справочник школьника и студента / Под ред. З. Брема и И. Мейнке. – М.: Дрофа, 1999.

Биология: Энциклопедия / Под ред. М. С. Гилярова. – М.: Большая Российская энциклопедия, 2003.

БСЭ. – М., 1978.

Будыко М. И. Климат в прошлом и будущем. – СПб., 1995.

Бялко А. В. Наша планета – Земля. – М.: Наука, 1995.

Вернадский В. И. Живое вещество и биосфера. – М.: Наука, 1994.

Вернадский В. И. Избранные труды по истории науки. – М., 1991.

Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения – М., 1987.

Войткевич Г. В. Химическая эволюция Солнечной системы. – М.: Наука, 1991.

Гиренок Ф. И. Экология, цивилизация, ноосфера – М., 1987.

Голицын А. Н. Основы промышленной экологии: Учебник для нач. проф. образования. – М.: Изд-во «Академия», 2004.

Горбачев В. В. КСЕ. – М.: ОНИКС 21 век, 2005.

Горелов А. А. Концепции современного естествознания. – М., 2003.

Горшков В. Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. – М., 1995.

Грибов Л. Б., Прокофьев П. И. Основы физики – М., 1985.

Грушевицкая Т. Г., Садохин Б. П. Концепции современного естествознания. – М., 2003.

Данилова В. С., Кожевников П. П. Основные концепции современного естествознания. – М., 2001.

Девис П. Случайная Вселенная. – М., 1995.

Демин В. П., Селезнев В. П. К звездам быстрее света. Русский космизм вчера, сегодня, завтра. – М., 1993.

Долгов Б. Д., Зельдович Я. Б., СажинМ. В. Космология ранней Вселенной. – М., 1994.

Дубнищева Т. Я. Концепция современного естествознания. – Новосибирск,

2003.

Игнатова В. Б. Естествознание. – М.: Академкнига, 2002.

Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. – М., 1989.

Ишханов Б. С., Капитонов И. М., Юдин П. П. Частицы и атомные ядра. – М.: Изд-во МГУ, 2005.

Капке В. Б. Концепция современного естествознания. – М.: Логос, 2002.

Карпенков С. X. Концепции современного естествознания. – М., 2004.

Кедров Б. М. Предмет и взаимосвязь естественных наук. – М., 1997.

Кивенко П. В. Принципы познания живого. – Киев, 1991.

Климишин И. Б. Релятивистская астрономия. – М., 1980.

Концепция общего среднего экологического образования / Под ред. И. Д. Зверева и И. Т. Суравегиной // Программно-методические материалы: Экология. 5-11 кл. Сост. Н. В. Кузнецов. – М., 1998.

Кочергин Б. П. Научное познание: формы, методы, подходы. – М., 1991.

Кузнецова П. И. Наука в ее истории. – М., 1992.

Кузовлев В. Б. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. – М., 1983.

Кэрри У. В поисках закономерностей развития Земли и Вселенной. – М., 1991.

Лобашев М. Е. Генетика (курс лекций). – 2-е изд. – Л: Изд. ЛГУ, 1967.

Максаковский В. П. Географическая картина мира. – Ярославль, 1993.

Моисеев П. П. Судьба цивилизации. Путь разума. – М., 1998.

Пебел В. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. – М., 1993.

Пиколис Г., Пригожин И. Р. Познание сложного. – М., 1990.

Опарин А. И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие. – М., 1960.

Пахомов Б. Я. Становление современной научной картины мира. – М., 1995.

Петров Ю. А., Никифоров А. Л. Логика и методология научного познания. – М., 1988.

Пономарева И. Н. Экология. – М.: Вентана-Графф, 2001.

Пригожин И. Р. Конец определенности. Время, хаос и новые законы природы. – Ижевск, 1999.

Ревич Б. А. Экологическая эпидемиология: Учебник для вузов. – М., 2004.

Редже Т. Этюды о Вселенной. – М., 1995.

Садохин А. П. Концепции современного естествознания. – М., 2007.

Садохин А. П. Концепция современного естествознания. – М.: Омега, 2006.

Ситаров В. А., Пустовойтов В. В. Социальная экология: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. – М., 2000.

Современное естествознание: Энциклопедия: В 10-ти томах. – М.: ИД «МАГИСТР-ПРЕСС», 2000. – Т. 1. – Физическая химия.

Современное естествознание: Энциклопедия: В 10-ти томах. – М.: ИД «МАГИСТР-ПРЕСС», 2000. – Т. 2. – Общая биология.

Сутт Т. Я. Идея глобального эволюционизма и принцип антропности. – М., 1986.

Тимофеев-Ресовский Н. В., Яблоков А. В., Воронцов Н. Н. Краткий очерк теории эволюции. – М., 1969.

Топорнина Н. А., Стволинская Н. С. Генетика человека: Практикум для вузов. – М.: Гуманит. изд. центр «ВЛАДОС», 2001.

Торосян В. Г. Концепция современного естествознания (Учебное пособие). – М.: Высшая школа, 2003.

Традиции и революции в развитии науки. – М., 1991.

Трофимова Т. И. Курс физики. – М., 2003.

Философия и методология науки / Под ред. В. И. Купцова. – М., 1996.

Фролов И. Т. Жизнь и познание. – М.: Мысль, 1981.

Хакен Г. Информация и самоорганизация. – М., 1993.

Хотунцев Ю. Л. Экология и экологическая безопасность: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. – М.: Академия, 2002.

Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. – М., 2001.

Чижевский А. Л. Космический пульс жизни. – М., 1995.

Шкловский И. С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. – М., 1995.

Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики? – М.: Атомиздат, 1972.

Примечания

1

Собственный момент импульса микрочастицы, который не зависит от ее положения в пространстве.

2

Формулировка принадлежит известному физику Д. Бому.

3

ОТО – одна из самых сложных областей современной физики. Она базируется на громоздком математическом аппарате уравнений Эйнштейна, которые представляют собой систему ковариантных уравнений в частных производных.

4

К – кельвин, единица измерения температуры. Соотношение между температурой в кельвинах (Г) и температурой, выраженной в градусах Цельсия (t°), следующее: Ф = t° + 273,15.

5

ГПа – гигапаскаль. Паскаль (Па) – единица измерения давления. 1 Па ~10-5 атм. 1 ГПа = 109 Па.

6

Мамонтов С. Г. Биология: справочное издание. М., 1992. С. 99.

Content

Под редакцией Л. А. Михайлова
Концепции современного естествознания

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 ПРЕДМЕТ И СТРУКТУРА ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

1.1. Наука. Функции науки

1.2. Естествознание – комплекс наук о природе

1.3. Методы естественнонаучных исследований

Вопросы для самопроверки

Глава 2 ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ О МАТЕРИИ

2.1. Материя и ее свойства

2.2. Фундаментальные взаимодействия

2.3. Тепловое излучение. Рождение квантовых представлений

2.4. Гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств частиц

2.5. Опыты Резерфорда. Модель атома Резерфорда

2.6. Теория Бора для атома водорода. Постулаты Бора

2.7. Атом водорода в квантовой механике

2.8. Многоэлектронный атом. Принцип Паули

2.9. Квантово-механическое обоснование Периодического закона Д. И. Менделеева

2.10. Основные понятия ядерной физики

2.11. Радиоактивность

Вопросы для самопроверки

Глава 3 ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ, ПРИНЦИПЫ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

3.1. Ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени. Законы движения

3.2. Законы сохранения

3.3. Принципы современной физики

3.4. Понятие о состоянии системы. Лапласовский детерминизм

3.5. Специальная теория относительности (СТО)

3.6. Начала термодинамики. Представления об энтропии

Вопросы для самопроверки

Глава 4 ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ЗНАНИЯ О ВЕЩЕСТВЕ

4.1. Химия как наука. Краткая историческая справка. Проблемы и перспективы современной химии

4.2. Химический элемент. Строение атома. Периодический закон

4.3. Химическое соединение, химическая связь

4.4. Химическая реакция, ее скорость, кинетика и катализ, биокатализаторы

4.5. Взаимосвязь химического строения и структуры неорганических и органических соединений

4.6. Эволюционная химия – отбор химических элементов во Вселенной

4.7. Концептуальные системы химических знаний

Вопросы для самопроверки

Глава 5 НАНОТЕХНОЛОГИИ

Вопросы для самопроверки

Глава 6 МЕГАМИР И ЕГО СВОЙСТВА

6.1. Общие представления о Вселенной

6.2. Галактики

6.3. Звезды

6.4. Солнечная система

Вопросы для самопроверки

Глава 7 ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ

7.1. Форма и размеры Земли

7.2. Космические ритмы

7.3. Зональные комплексы

7.4. Комплексные природные зоны

7.5. Понятие о литосфере

7.6. Геологическое летосчисление

7.7. Рельефообразующие процессы

7.8. Основные формы рельефа Земли

7.9. Минеральные ресурсы литосферы

7.10. Гидросфера

7.11. Атмосфера

7.12. Общие представления о географической оболочке

Вопросы для самопроверки

Глава 8 ЖИВАЯ МАТЕРИЯ

8.1. Электромагнитные взаимодействия как определяющие химический и биологический уровень организации материи

8.2. Симметрия и асимметрия в природе

8.3. Самоорганизация природы (понятие синергетики)

8.4. Основные свойства самоорганизующихся систем

8.5. Представление о жизни в современном естествознании

8.6. Структурные уровни организации живой материи

8.7. Гипотезы происхождения жизни

8.8. Физико-химические предпосылки для зарождения жизни на Земле

8.9. Теории эволюции органического мира

8.10. Основы генетики

Вопросы для самопроверки

Глава 9 УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

9.1. Биосфера, ее структура и функции

9.2. Живое вещество как системообразующий фактор биосферы

9.3. Биосфера – экосистема планетарного масштаба

9.4. Принципы устройства биосферы

9.5. Превращение биосферы в ноосферу

Вопросы для самопроверки

Глава 10 ЧЕЛОВЕК КАК ПРЕДМЕТ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

10.1. Происхождение человека

10.2. Сходство и отличие человека и животных

10.3. Стадии эволюции человека

10.4. Соотношение биологического и социального в человеке

10.5. Здоровье человека. Демографические проблемы

10.6. Работоспособность и творчество

Вопросы для самопроверки

Глава 11 ОСНОВЫ ЭКОЛОГИИ

11.1. Задачи, методы экологии как науки

11.2. Среды жизни, экологические факторы

11.3. Современные экологические проблемы

11.4. Загрязнение окружающей среды

11.5. Влияние неблагоприятных экологических факторов на состояние здоровья человека

11.6. Международное сотрудничество в области охраны окружающей среды

11.7. Экологическое образование

Вопросы для самопроверки

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

К главе 1 «Предмет и структура естествознания»

К главе 2 «Фундаментальные понятия о материи»

К главе 3 «Пространство, время, принципы относительности»

К главе 4 «Естественнонаучные знания о веществе»

К главе 5 «Нанотехнологии»

К главе 6 «Мегамир и его свойства»

К главе 7 «Планета Земля»

К главе 8 «Живая материя»

К главам 9 «Учение о биосфере» и 10 «Человек как предмет современного естествознания»

К главе 11 «Основы экологии»

ОТВЕТЫ НА ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

К главе 1

К главе 2

К главе 3

К главе 4

К главе 5

К главе 6

К главе 7

К главе 8

К главам 9 и10

К главе 11

ЛИТЕРАТУРА

Примечания