Развитие представлений о строении мира

В начале XX в. на смену классической механике пришла новая фундаментальная теория – специальная теория относительности (СТО). Опубликованная в 1905 г. работа А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел» позволила разрешить многие физические проблемы, которые не укладывались в рамки классических представлений о пространстве и времени. Одним из важных выводов СТО является положение о взаимосвязи таких философских категорий, как пространство и время.

Новые понятия и принципы теории относительности существенно изменили не только физические, но и общенаучные представления о пространстве, времени и движении, которые господствовали в науке более двухсот лет.

Перейдя от инерциальных систем отсчета к системам отсчета, движущимся с ускорением, и введя теорию тяготения, А Эйнштейн в 1916 г. формулирует общую теорию относительности (ОТО). Решая уравнения общей теории относительности, можно построить математическую модель Вселенной, ее геометрию и поведение вещества. Российский ученый

Стр. 23

А. А. Фридман (1922), решая уравнение ОТО, пришел к выводу о том, что Вселенная не может быть стационарной, как предполагал сам А. Эйнштейн. Она должна либо сжиматься, либо расширяться. Единственным допущением, которое сделал А. А. Фридман, было предположение о пространственной однородности вещества во Вселенной.

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл, исследуя небо на самом большом телескопе, диаметр которого составлял 100 дюймов, сделал два очень важных открытия, которые стали ключевыми в развитии современной космологии: изотропность галактик во Вселенной и «красное смещение».

Исследовав более 5 млн галактик, Э. Хаббл установил, что в любом направлении насчитывается одинаковое их количество – 131, т. е. в космических масштабах вещество распределено в пространстве равномерно. Таким образом, предположение А. А. Фридмана о равномерности распределения вещества во Вселенной оказалось верным.

Другим очень важным открытием явилось так называемое «красное смещение», которое заключается в том, что длина волн спектральных линий галактик увеличивается. Такое смещение длин волн можно интерпретировать как доплеровский эффект, связанный со скоростью удаления от нас галактик (источников света). Таким образом, Э. Хаббл своими наблюдениями экспериментально доказал, что Вселенная расширяется, и теоретические предсказания А. Фридмана блестяще подтвердились.

В 1927 г. бельгийский ученый Ж. Леметр независимо от А. А. Фридмана, анализируя решения ОТО, выдвинул гипотезу о возникновении Вселенной из точки и ее дальнейшем расширении. Такой процесс возникновения Вселенной Ж. Леметр представил в виде большого взрыва.

Эту идею развил американский ученый русского происхождения Г. Гамов. Им была предложена концепция формирования Вселенной из сверхплотного, сверхгорячего (сингулярного) состояния, которая получила в дальнейшем название концепции «горячей Вселенной». С ее помощью Г. Гамов пытался объяснить происхождение химических элементов. Его математические расчеты показывали, что в процессе эволюции Вселенной можно выделить два этапа. Опуская вопрос о возникновении материи, к первому периоду развития следует отнести примерно 1 млн лет, когда излучение преобладало над веществом. Затем в результате расширения и охлаждения материи наступила эра доминирования вещества, которая продолжается по сей день. Возраст же Вселенной, по данным разных авторов, колеблется в интервале 12-20 млрд лет. По расчетам Г. Гамова, а затем и других ученых после процесса нуклеосинтеза излучение должно остаться, продолжая движение вместе с веществом в расширяющейся Вселенной, и сохраняться до нашего времени. Такое остаточное (реликтовое) излучение было открыто американскими радиоастрономами А. Пензиасом и Р. Вильсоном в 1964 г., за что в 1978 г. они были удостоены Нобелевской премии.

Стр. 24

Из двух существовавших в то время космологических теорий – теории расширяющейся Вселенной (начальное состояние, из которого возникла Вселенная, было очень плотным и горячим; затем Вселенная стала расширяться и охлаждаться, образуя звезды и галактики) и теории стационарной Вселенной (Вселенная существовала всегда, наблюдаемое разрежение вещества компенсируется его непрерывным творением) – космология Большого взрыва Г. Гамова заняла прочное место в современной науке. Вторая теория не предсказывает и не может объяснить существование реликтового излучения.

Попробуем проследить динамику эволюции Вселенной, начиная с временного интервала t = 10^-42 с после взрыва. Расчеты показывают, что на данный момент времени вещество имело плотность = 10⁹⁶ кг/м³ при температуре T=10³²К, а спустя всего 1с эти величины имели значения = 5 10⁸ кг/м³ и T=10¹⁰ К это время свободные кварки (антикварки), лептоны (антилептоны) и фотоны, составляющие, по представлению ученых, всю материю Вселенной, претерпевают глобальные изменения.

В самом начале (t ~ 10^-4 с) идет процесс образования адронов (анти-адронов) и лептонов (антилептонов). Количество вещества примерно одинаково. В конце этого периода (1с) произошла аннигиляция частиц и античастиц, но в силу целого ряда законов микромира осталось некоторое количество вещества, послужившее «кирпичиками» для построения нашей Вселенной.

Следующим этапом является синтез ядер легких элементов (Н, Не) из оставшихся протонов и нейтронов (адронов). По времени этот этап занял примерно 3 мин.

Затем наступает этап рекомбинации, входе которого свободные протоны и электроны кооперируются за счет взаимного притяжения и формируют нейтральные атомы самых легких элементов таблицы Менделеева (водород и гелий). Этот процесс уже длится в своей активной фазе 700 000 лет.

Стр. 25

Таким образом, через миллион лет после Большого взрыва Вселенная была заполнена нейтральными атомами водорода и гелия, а также фотонами. Имеющиеся неоднородности плотности вещества развивались в скопления галактик. В самих галактиках формировались скопления звезд, планетарные системы.

Как уже отмечалось, в основе современных представлений о строении материального мира лежит системный подход, согласно которому любой объект материального мира может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целостность [9].

Система – совокупность элементов и связей между ними.

Элемент – минимальный, далее уже неделимый компонент системы. Элемент является таковым лишь по отношению к данной системе. В других же отношениях он может представлять собой сложную систему.

Совокупность связей между элементами образует структуру системы.

Устойчивые связи элементов определяют упорядоченность системы. Существуют два типа связей между элементами системы – по горизонтали и по вертикали.

Связи по горизонтали – это связи координации между однопорядко-выми системами. Они носят коррелирующий характер: изменение любой части системы вызывает изменение другой.

Связи по вертикали – это связи субординации, т. е. соподчинения элементов. Они выражают сложное внутреннее устройство системы, в которой одни части по своей значимости могут уступать другим и подчиняться им. Вертикальная структура включает уровни организации системы, а также их иерархию.

Итак, согласно современным научным взглядам на природу, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы.

В естественных науках выделяют два больших класса материальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.

В неживой природе структуры различного масштаба обычно выстраивают в определенном порядке от самых больших до самых малых и называют структурно-масштабной лестницей. В зависимости от размеров этих структур их условно делят на три блока: мегамир, макромир и микромир. К мегамиру (великий) относят космические объекты – звезды, галактики и т. д К макромиру (большой, крупный) относят объекты, соразмерные человеку. Микромир (малый) – это мир атомов, молекул, элементарных частиц.

Стр. 26

Представим структурно-масштабную лестницу в виде таблицы, в которой указаны характерные размеры структур итип фундаментального взаимодействия, ответственного за их формирование (табл. 1).

Таблица 1 Структурно-масштабная лестница

Рассмотрим объекты (структуры) более подробно.

Метагалактика – доступная для наблюдения часть Вселенной. С метагалактикой тесно связано понятие «космологический горизонт». Космологический горизонт находится на расстоянии, которое свет прошел за время, равное возрасту Вселенной (13-18 млрд лет). Космологический горизонт – граница метагалактики – отступает на 300 000 км каждую секунду, и что находится за горизонтом, мы не знаем.

Стр. 27

Галактики на небе расположены и равномерно и неравномерно. Так, на площадке в один квадратный градус насчитывается до 500 000 галактик, а всего на небесной сфере более 41 тыс. квадратных градусов. Эстонские астрономы в 1975 г. построили пространственную модель для нескольких тысяч галактик, зная расстояния до них. Оказалось, что пространственная структура распределения галактик представляет собой ячейки типа пчелиных сот. Вдоль стенок этих ячеек расположены галактики, а внутри – пустоты (воиды).

В тех местах, где пересекаются стенки ячеек, т. е. узлах, наблюдаются сверхскопления галактик, которые насчитывают десятки тысяч отдельных галактик (рис. 3).

Солнце

Расстояние млн св. лет

Рис. 3. Сверхскопление галактик в Волосах Вероники

Стр. 28

Известны также малочисленные группы галактик. Примером может служить местная группа галактик (рис. 4), в которую входят две большие спиральные галактики: наша галактика (Млечный Путь) и Туманность Ан-дроменды, а также ряд галактик меньших размеров. Кроме того, каждая главная спиральная галактика имеет несколько галактик-спутников. У Туманности Андромеды существует пять больших и пять маленьких спутников. Крупными спутниками нашей галактики являются Большое и Малое Магеллановы Облака, а также 14 карликовых галактик (рис. 5).

Малое Облако (видимое с ребра)

Рис. 5. Млечный Путь и его спутники

Стр. 29

Скопления звезд в галактиках бывают двух типов: шаровые и рассеянные. В нашей галактике около 500 шаровых скоплений и 20 тыс. рассеянных (рис. 6). Шаровые скопления, которые содержат сотни тысяч или даже миллионы звезд, имеют возраст порядка 15 млрд лет.

Рис. 6. Схема строения нашей галактики (Млечный Путь)

Встречаются как сравнительно старые, так и молодые рассеянные звездные скопления.

Звезда – основная структурная единица мегамира – природный термоядерный реактор, где происходит переработка вещества на ядерном уровне.

Основой классификации элементарных частиц (по современному каталогу их насчитывается более трехсот) является деление их на два больших класса: адроны и лептоны. Адроны – это элементарые частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, а лептоны – в слабых и электромагнитных. Класс адронов, в свою очередь, делится на два семейства (барионы и мезоны). Барионы – это такие адроны, которые при реакциях могут превращаться в протоны или получаться из них. К барионам относятся протон и нейтрон (основа ядра).

В 1964 г. американские физики М. Гелл-Манн и С. Цвейг предложили кварковую модель строения вещества. В соответствии с этой моделью любой адрон может быть представлен в виде набора двух или трех кварков – частиц, имеющих дробный электрический заряд и служащих своеобразным «клеем» при образовании ядерного вещества. Нельзя представить в таком виде только лептоны – класс частиц, в который входят электрон, нейтрино и ряд других частиц. Теория кварков в современной науке нашла большое количество косвенных подтверждений.

Стр. 30

История науки знает множество попыток представить сложные процессы во Вселенной в виде определенных схем. Успешное познание окружающего мира и приведение наблюдаемых явлений к простейшим понятиям возможны лишь в том случае, если мы сумеем описать мир в терминах ограниченного числа фундаментальных взаимодействий.

В основе научного мировоззрения лежат представления о материи. По определению В. И. Ленина, материя – это философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями и существует независимо от них. С понятием материи связано бесконечное множество существующих в мире объектов и систем, проявляющих все реально существующие свойства, связи и формы движения. Неотъемлемый атрибут материи- движение. Материи присущи саморазвитие, превращение одних состояний и форм в другие. Всеобщие формы бытия – пространство и время. Универсальное свойство материи – отражение.

Современная наука изучает как неживую материю, так и особые типы материальных систем- живую материю (совокупность организмов, способных к воспроизводству) и социально организованную материю (общество).

Философия занимается исследованием наиболее общих свойств материи, а естествознание, напротив, изучает свойства, структуру и превращение конкретных видов материи.

Научное мировоззрение исходит из принципа материального единства мира. Что за этим стоит? Во-первых, любая часть доступной для наблюдения Вселенной развивается из общего начального (сингулярного) состояния, претерпевшего Большой взрыв. Во-вторых, вся совокупность химических элементов, существующих во Вселенной, возникла в результате процессов ядерных реакций в недрах звезд. Это подтверждают результаты спектрального анализа звезд, туманностей, планет. В-третьих, во Вселенной действуют единые естественнонаучные законы (с учетом масштабирования).

Стр. 31

Согласно современным представлениям, в природе существуют четыре основных типа фундаментальных взаимодействий – гравитационное, электростатическое, электромагнитное и ядерное (сильное). Каждое из четырех взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия. Так, интенсивность гравитационного, электростатического и электромагнитного взаимодействий убывает с расстоянием по закону: а интенсивность ядерного взаимодействия – по закону . Первые три фундаментальных взаимодействия считают слабыми, а ядерное взаимодействие – сильным.

Гравитационное взаимодействие.Гравитация как один из типов фундаментальных взаимодействий первой стала предметом научного исследования. Созданная в XVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила осознать истинную роль гравитации как силы природы.

Гравитация обладает малой интенсивностью. Гравитационное взаимодействие в 10³⁹ раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов.

Второй удивительной чертой гравитации является ее универсальность. Каждая частица во Вселенной испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает притяжение.

Кроме того, гравитация – дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве на бесконечно большие расстояния. В астрономическом масштабе гравитация формирует космические образования (звездные системы, галактики, группы галактик и т. д.).

Электрическое и электромагнитное взаимодействия.По величине, электрические и магнитные силы намного превосходят гравитационные.

В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. В середине XIX в. Дж Максвелл объединил электричество и магнетизм в теорию электромагнетизма- первую часть единой теории поля. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Электрически заряженные частицы притягиваются (отталкиваются). Сила их взаимодействия также является дальнодействующей. Электромагнитное взаимодействие обусловлено движением электрических зарядов и проявляется на всех уровнях существования материи – в мега-, макро- и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов.

Стр. 32

Ядерное (сильное) взаимодействие.Данное взаимодействие проявляется только между частицами, принадлежащими к классу адронов (протоны, нейтроны), и не зависит от электрических зарядов взаимодействующих частиц Сильное взаимодействие является источником огромной энергии и осуществляется с участием кварков. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры ядра. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается, так как радиус его действия не превышает 10^{-15 м (короткодействующее взаимодействие).}

Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия и радиус действия (табл. 2).

Таблица 2 Константы взаимодействия

Из табл. 2 видно, что константа гравитационного взаимодействия самая малая. Радиус его действия, как и электромагнитного взаимодействия, неограничен. Гравитационное взаимодействие (в классическом представлении) в процессах микромира существенной роли не играет. Однако в мегамире ему принадлежит определяющая роль. Например, движение планет Солнечной системы происходит в строгом соответствии с законами гравитационного взаимодействия.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее и тем больше его энергия связи. Так, ядра химических элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс часто называют радиоактивным распадом.

Стр. 33

Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного.

Познание есть обобщение действительности, и поэтому цель науки -поиск единства в природе, связывание разрозненных фрагментов знания в единую картину. Для того чтобы создать единую систему, нужно открыть глубинное связующее звено между различными отраслями знания, некоторые фундаментальные отношения. Поиск таких связей и отношений – одна из главных задач научного познания. Всякий раз, когда удается установить такие новые связи, значительно углубляется понимание окружающего мира, формируются новые способы познания, которые указывают путь к неизвестным ранее явлениям

Так, существует точка зрения, что все четыре фундаментальных взаимодействия (или хотя бы три) представляют собой явления одной природы и может быть найдено их единое теоретическое объяснение – «Великое объединение». Перспектива создания единой теории мира физических элементов (на основе одного – единственного взаимодействия) остается пока весьма привлекательной.

Естествознание – совокупность наук о природе – изучает материальный мир во всем многообразии его существования и превращений. Материя как объективная реальность проявляется в двух формах: вещества и поля. Обе формы находятся в тесной связи.

Вещество – такая форма материи, которая проявляется прежде всего в виде частиц, имеющих собственную массу (массу покоя). Это материя на разных уровнях ее организации: элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы, агрегаты молекул, кристаллы, жидкости, газы, горные породы и т. д.

Поле (гравитационное, электромагнитное, внутриядерное) – такая форма материи, которая характеризуется прежде всего энергией, а не массой, хотя и обладает последней.

В соответствии с современными представлениями материя дискретна. Любое тело и любое поле состоят из «элементарных» тел и «элементарных» полей, т. е. микрочастиц и микрополей.

Как уже отмечалось ранее, микрочастицы подразделяются на два класса: адроны и лептоны.

Стр. 34

Перечень известных частиц не исчерпывается пептонами и адронами, образующими строительный материал вещества. Есть частицы, которые не являются строительным материалом материи, а непосредственно обеспечивают четыре фундаментальных взаимодействия, т. е. образуют своего рода «клей», не позволяющий миру распадаться на части.

Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает протон.

Переносчики сильного взаимодействия – глюоны, связывающие кварки попарно или тройками.

Слабое взаимодействие осуществляется с помощью частиц, которые называются бозоны. Они были открыты в 1983 г.

В настоящее время высказывается мнение (пока экспериментально не подтвержденное), что возможно существование и переносчиков гравитационного взаимодействия- гравитонов. Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света, следовательно, это частицы с нулевой массой покоя. На этом сходство между данными частицами исчерпывается.

Встречающиеся в природе различные виды материи могут превращаться друг в друга различными способами. Водород, соединяясь с кислородом, образует воду, протоны и нейтроны формируют ядра атомов, ядра вместе с электронами образуют атомы, электрон, аннигилируя с позитроном, превращается в кванты электромагнитного поля и т. д. Поэтому можно констатировать, что количество одного вида материи может уменьшаться или увеличиваться, однако это всегда связано с увеличением или уменьшением количества другого вида материи.

Экспериментально установлено, что в изолированной системе общее количество материи постоянно, при этом она из одной формы может переходить в другую. Другими словами, материя из ничего не создается и в ничто не превращается, она лишь из одной формы переходит в другую в строго определенных количествах. Это закон сохранения и превращения материи, являющийся фундаментальным законом природы.

Впервые закон сохранения и превращения материи был сформулирован и экспериментально доказан для частного случая закона сохранения массы при химических реакциях. В 17S6 г. М. В. Ломоносов, исследуя взаимодействие свинца с воздухом в запаянном сосуде, не обнаружил различие массы сосуда до и после реакции окисления. Дальнейшие исследовагам ученых А. Лавуазье (1774), X. Ландольта и Л. Этвеша (1909) подтвердили сохранение массы при химических реакциях в закрытых системах с очень высокой степенью точности (погрешность менее 10^-6 %).

Стр. 35

Независимо от закона сохранения массы развивались представления о справедливости закона сохранения и превращения энергии, берущего начало с известной формулировки М. В. Ломоносова. Под энергией понимают общую количественную меру различных форм движения и взаимодействия материальных объектов. Различают следующие виды энергии:

• механическую (кинетическую) – энергию макроскопических тел;

• тепловую – энергию хаотического движения атомов и молекул;

• электрическую, преимущественно связанную с перемещением электронов между атомами и молекулами;

• магнитную – форму материального взаимодействия, возникающего между движущимися электрически заряженными частицами посредством магнитного поля. Строго говоря, магнитное и электрическое поле – это две неразрывные стороны единого электромагнитного поля. Только в случае статических полей можно говорить об их относительной самостоятельности;

• химическую, являющуюся следствием движения электронов в атомах или молекулах;

• потенциальную, обусловленную движением материи в виде физических полей (обменом между взаимодействующими частицами (квантами) соответствующего физического поля).

Все перечисленные выше виды энергии, характеризующие конкретные формы движения, способны переходить друг в друга. Итак, энергия не возникает из ничего и не уничтожается бесследно, она лишь может превращаться в другие виды энергии в строго эквивалентных отношениях.

Экспериментальной проверкой этого закона занимались многие ученые. Так, Г. Гесс (1840) исследовал тепловые эффекты химических реакций, Дж. Джоуль и Э. Ленц (1842)- преобразование электрической энергии в тепловую и т. д.

Обобщение двух частных законов – закона охранения массы и закона сохранения и превращения энергии – в единый фундаментальный закон сохранения и превращения материи произошло в начале XX в. и связано с революцией в физике. Этот период отмечен успехами в исследовании элементарных частиц, созданием квантовой механики и теории относительности.

Стр. 36

Согласно теории относительности Эйнштейна (1905-1916), масса любого тела при приближении скорости его движения V к скорости света с изменяется со скоростью как

где – масса покоя, и полная энергия движущегося тела равна Е = тс² . Таким образом, масса материального объекта выступает в новом качестве, т. е. она является не только мерой инерции, но и мерой энергии. Становится понятной причина дефекта массы, обнаруженного у составных ядер атомов. Было установлено, что масса ядра не равна простой сумме масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Дефект массы обеспечивается энергией связи нуклонов в ядре. Таким образом, закон сохранения и превращения энергии здесь тоже выполняется.

Открытие сложного строения атома – важнейший этап становления современной физики. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные системы, были сформированы новые представления о свойствах микрочастиц, которые описываются квантовой механикой.

Существование закономерной связи между всеми химическими элементами, ярко выраженной в периодической системе Менделеева, наталкивает на мысль о том, что в основе строения всех атомов лежит общее свойство.

Различные предположения о строении атома долгое время не подтверждались какими-либо экспериментальными данными. Лишь в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения при определенных условиях одних атомов в другие. На основе этих открытий стало быстро развиваться учение о строении атома.

Первый толчок был дан Дж. Томсоном (1895), который открыл электрон – отрицательно заряженную частицу, входящую в состав всех атомов. Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, а атом в целом нейтрален, то было сделано предположение о наличии и положительного заряда в атоме.

Стр. 37

Затем последовало открытие А. Беккерелем явления радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном превращении атомов одних элементов в атомы других элементов. Именно исследование радиоактивности позволило получить первые представления о строении атома.

В 1911 г. Э. Резерфорд предлагает ядерную модель атома. Исследования по рассеянию -частиц хорошо объясняли планетарную модель атома, состоявшую из положительно заряженного ядра, заключавшего в себе почти всю массу атома, и «планетарной системы» электронов.

В 1913 г. Н. Бор впервые при решении вопроса о строении атома применил принцип квантования. Его гипотеза строения атома основывалась на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой: 1) существуют стационарные состояния (орбиты) электронов; 2) при переходе из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Теория Бора занимает пограничное положение между классической физикой и квантовой механикой.

Полной теории структуры атомных ядер пока не создано. Существует «капельная» модель, удовлетворительно объясняющая деление ядер, но не объясняющая периодичность элементов таблицы Менделеева и саму радиоактивность. Предложенная Ю. С. Майером «оболочечная» модель ядра (аналог оболочечной структуры электронов в атоме) хорошо объясняет устойчивость ядер, их периодичность, но не объясняет явление деления ядер. В настоящее время ученые используют «комбинированную» модель ядра -гибрид «капельной» и «оболочечной» моделей. Предполагается, что протоны и нейтроны независимо друг от друга заполняют ядерные слои и оболочки, подобно тому как электроны распределяются в электронных оболочках атома.

Сегодня известно порядка 300 устойчивых и более 1000 радиоактивных ядер, которые с течением времени могут испытать радиоактивный распад и превратиться в ядра других элементов. Радиоактивность – процесс превращения одних ядер в другие с испусканием элементарных частиц. Различают естественную (спонтанную) и искусственную радиоактивность.

Стр. 38

Замечено, что ядра, содержащие количество протонов или нейтронов, равное «магическому числу» ряда 2, 8, 14,20,28, 50, 82,126 и 152, особенно стабильны. Предполагается, что «магические числа» нуклонов соответствуют завершенным ядерным слоям и подслоям.

Символ элемента записывают следующим образом:

где Z – порядковый номер в таблице Менделеева (зарядовое число, равное числу протонов в ядре); А – массовое число, равное сумме числа протонов и нейтронов в ядре.

А = Z N,

где N- число нейтронов.

К «магическим» ядрам по числу протонов можно отнести: ₂₈Ni, ₅₀Sn, ₈₂Pb; по числу нейтронов: ₃₈Sr⁸⁸, ₄₀Zr⁹⁰, ₅₆Ba¹³⁸; к дважды «магическим»: ₂He⁴, ₈O¹⁶, ₁₄Si²⁸, ₂₀Ca⁴⁰, ₈₂Pb²⁰⁸.

Продолжительность жизни радиоактивных атомов определяется строением их ядер и характеризуется периодом полураспада Т_1/2, т. е. временем, в течение которого распадается половина исходного количества ядер данного элемента. Величина Т_1/2варьируется в очень широком диапазоне от 10^-3 с до 10¹⁰ лет. Для большинства изотопов она составляет от 30 с до 10 сут.

Типы радиоактивного распада:

1. Альфа-распад. Сопровождается выбрасыванием из ядра а-частицы (ядра гелия), что характерно для тяжелых элементов, и происходит по схеме

_ZX^A_Z-2Y^A-4 ₂He⁴,

2. Бета-распад. Сопровождается выбрасыванием из ядра электрона или позитрона и протекает по схеме

_ZX^A _{Z 1}Y^A _-1e⁰ , (электронный распад).

где – нейтрино.

Стр. 39

Существуют три разновидности бета-распада:

• Испускание электрона ядром происходит за счет превращения нейтрона в протон:

₀n¹ ₁p¹ _-1e⁰ ,

где – антинейтрино.

• Дня ядер с недостатком нейтронов (легкие элементы) характерен по-зитронный распад:

₁p¹ ₀n¹ ₁e⁰ ,

где ₁e⁰ – позитрон, -нейтрино.

• К такому же изменению ядра, как и при позитронием распаде, приводит электронный захват, при котором электрон, находящийся на одном из ближайших к ядру подслоев, захватывается ядром:

_ZX^A _-1e⁰ _Z-1Y^A

Попавший в ядро электрон участвует в превращении протона в нейтрон, т. е. ₁p¹ _-1e⁰ ₀n¹ ,где – «жесткое» электромагнитное или гамма-излучение.

Для тяжелых элементов наряду с естественной радиоактивностью (а и р) возможно самопроизвольное деление ядра на две части.

Отметим, что все элементы, начиная с z = 83, являются радиоактивными. Среди них существует всего три изотопа, продолжительность жизни которых такова, что они смогли сохраниться на Земле (₉₂U²³⁵, ₉₂U⁹⁰, ₉₀^Th232). Цепочки распадов тяжелых элементов завершаются образованием стабильных изотопов свинца и гелия.

Поскольку человек живет в материальном мире, состоящем из большинства нестабильных изотопов, то он постоянно находится в поле излучения от различных источников. Современные оценки усредненной радиационной нагрузки, приходящейся на человека, не попавшего в зону аварий и не связанного с атомной техникой, приведены в табл. 3.

Превращение ядер происходит не только при радиоактивном распаде, но и при разнообразных ядерных реакциях. Они осуществляются при взаимодействии нейтронов, протонов, альфа-частиц, гамма-квантов с ядрами элементов. Схема этих реакций такова: ядро-мишень захватывает бомбардирующую частицу с образованием составного ядра (компаунд-ядро). Это ядро испускает другую элементарную частицу или легкое ядро и превращается в новый изотоп.

Стр. 40

Таблица 3 Относительные дозы облучения населения от различных источников, %

Ядерные реакции осуществляются как для тяжелых ядер (конец таблицы Менделеева), так и для легких. Первые известны как реакции деления ядер (цепная реакция деления урана), вторые – как реакции синтеза легких элементов (термоядерные реакции). И те и другие реакции сопровождаются выделением огромного количества энергии, которое человечество стремится использовать в мирных целях.

Современная теория строения атома базируется на законах, описывающих движение микрочастиц, которые качественно отличаются от свойств и закономерностей движения макроскопических тел, хорошо изученных классической физикой. Движение и взаимодействие микрочастиц описывает квантовая (волновая) механика, которая основывается на принципах квантования энергии, волновом характере движения микрочастиц и вероятностном (статистическом) методе описания микрообъектов.

Формирование квантово-механических взглядов опиралось на целый ряд экспериментальных фактов, открытых к началу XX в. (фотоэффект, атомные спектры, эффект Комптона и др.)- Классические представления не могли дать приемлемого их объяснения.

Стр. 41

Гипотезу о квантовании энергии теплового излучения впервые высказал М. Планк (1900) и позднее обосновал А. Эйнштейн (1905). Энергия кванта Е зависит от частоты излучения:

E = hv, где h – универсальная постоянная (постоянная Планка), h= 6,63 10³⁴ Дж с;

v – частота излучения.

А. Эйнштейн первым понял, что дискретность поглощения и испускания – неотъемлемое свойство самого излучения. Через некоторое время после введения понятия кванта он применил идею дискретности излучения к объяснению явления фотоэффекта (появление электрического тока в вакууме вследствие выбивания электронов из металла под действием излучения).

Таким образом, в теории электромагнитного излучения появились два представления. С одной стороны, электромагнитное излучение для всех длин волн обнаруживает волновые свойства (дифракция, интерференция, поляризация), что убедительно доказывает его волновую природу. С другой стороны, оно рассматривается как поток микрочастиц – фотонов (квантов энергии), корпускулярные свойства которого наглядно проявляются при фотоэффекте и комптоновском рассеянии.

На вопрос, какой из двух точек зрения отдать предпочтение, следует ответить: и та и другая сторона явления составляют сущность излучения. Таким образом, излучение имеет как волновую, так и корпускулярную природу. Этот корпускулярно-волновой дуализм является объективной реальностью существования излучения.

В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу о том, что двойственность свойств присуща не только электромагнитному излучению (полю), но и другой форме материи – веществу. При этом каждой частице массой т, движущейся со скоростью v, соответствует длина волны :

h/mv.

Гипотеза де Бройля была подтверждена явлением дифракции электронов на кристаллах никеля. В настоящее время дифракция электронов, протонов, нейтронов широко используется в науке и технике для исследования структуры вещества. После экспериментального подтверждения гипотезы де Бройля было установлено, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всей материи, т. е. как излучению (полю), так и веществу.

Стр. 42

В классической механике частица обладает свойством двигаться по вполне определенной траектории, и в любой момент времени мы можем точно определить ее координаты и скорость.

Волна таким свойством не обладает. Она не имеет координат, и нет смысла говорить о длине волны в данной точке пространства.

Из корпускулярно – волнового дуализма вытекает совершенно неожиданное правило: если мы точно знаем координаты частицы, то мы не знаем ее скорости (импульса), и наоборот, если частица имеет точно определенную скорость (импульс), мы ничего не можем сказать о ее координате. Это правило называется принципом неопределенности, установленным Г. Гейзенбергом в 1927 г., и математически записывается как

где – неопределенность координаты x,

– неопределенность импульса вдоль оси х;

h– постоянная Планка.

В квантовой физике, физике микромира, мы никогда не знаем состояние микрочастицы, системы с точностью большей, чем это допускает принцип неопределенности. Поэтому ученые вынуждены перейти на вероятностный метод описания систем и явлений микромира.

Так, понятие «материальная точка» исчезает, уступив место чему-то вроде «вероятностного облака», более или менее плотного в той или иной области пространства. Это зависит от «степени вероятности», с которой точка находится в этой области.

Прорыв в решении задачи о поведении электрона в атоме произошел с созданием Э. Шредингером (1926) волновой квантовой механики. В качестве отправных были взяты следующие положения: движение электрона имеет волновую природу; наши знания носят вероятностный характер.

Стр. 43

Поскольку имеется волновое движение, то для его математического описания должно существовать волновое уравнение. Так как для световых и звуковых волн уравнения движения известны, то можно найти такое уравнение и для электронных волн (волн де Бройля).

Э. Шредингер ввел некоторую функцию координат и времени, названную волновой функцией (пси-функцией), несущей при определенных условиях вероятностный смысл (квадрат ее модуля определял плотность вероятности нахождения электрона в данной точке пространства). Используя закон сохранения энергии для движущейся частицы, он записал волновое уравнение, решение которого определяло вид волновой функции.

По своему значению в квантовой механике уравнение Шредингера играет такую же роль, как второй закон Ньютона в классической механике. Подобно тому как в классической механике с помощью второго закона Ньютона решаются задачи, связанные с движением макроскопических тел, в квантовой механике с помощью уравнения Шредингера решаются задачи, связанные с движением микрообъектов.

Решения волнового уравнения показывают, что энергия микрочастиц может принимать строго определенные (дискретные) значения, позволяют для различных условий получить распределение плотности вероятности нахождения микрочастицы в пространстве (для электронов это орбитали, электронные облака).

Согласно решению волнового уравнения, электрон в атоме может находиться только в определенных квантовых состояниях, соответствующих разрешенным значениям его энергии связи с ядром. Для атома водорода энергия электрона может принимать только те значения, которые задаются выражением

E_n = -13,6 эВ,

где п – главное квантовое число (и = 1,2,3,4,…, );

1эВ= 1,6 10^-19 Дж.

Графически энергию квантовых состояний и квантовых переходов можно изобразить с помощью схемы уровней энергии (рис. 7).

Квантовое состояние с наименьшей энергией (n = 1, Е₁) называют основным. Остальные квантовые состояния с более высокими значениями энергии (E₂, Е₃, Е₃, …) называют возбужденными.

Стр. 44

Электрон в основном состоянии связан с ядром наиболее прочно. С увеличением энергии эта связь ослабевает вплоть до отрыва при n . В основном состоянии электрон в атоме может существовать неограниченно долго, а в возбужденном состоянии – ничтожно мало (для атома водорода – 10^-8с).

Рис. 7. Схема уровней энергии и квантовые переходы электрона в атоме водорода

Возбуждение электронов в атоме возможно различными способами (нагревание, электрический разряд, поглощение света или другого излучения). Возбуждаясь, электрон переходит на тот или иной энергетический уровень. Через 10^-8с электрон перейдет на нижележащий энергетический уровень, освобождая при этом порцию энергии. Если происходит переход с уровня n = 3 на уровень п = 2, то освобождается энергия hv = Е₃– Е₂ = 1,89 эВ.

Отметим, что квантовые переходы электрона соответствуют скачкообразному изменению среднего размера электронного облака: ослабление энергии связи электрона с ядром – увеличению объема облака, возрастание энергии связи – сжатию и уплотнению облака.

Экспериментально квантование энергии электронов в атомах обнаруживается в их спектрах поглощения и испускания. Атомные спектры имеют линейчатый характер.

Стр. 45

Спектры испускания легко иллюстрируются схемой уровней энергии на рис. 7. Если каким-либо способом атомарный водород перевести в возбужденное состояние, то квантовые переходы электронов с вышележащих уровней на нижележащие станут сопровождаться выделением квантов света в виде фотонов с энергией Е = hv (т. е. определенной частоты и длины волны), что будет фиксироваться появлением определенных спектральных линий. Переходам на уровень с и = 1 соответствуют линии в ультрафиолетовом диапазоне спектра (серия Лаймана), переходам на уровень с n = 2 -линии видимой области спектра (серия Бальмера) и т. д.

Очень важно, что спектры атомов строго характеристичны, т. е. индивидуальны для атомов каждого элемента. Именно это позволяет при помощи спектрального анализа определять состав вещества, в том числе и таких удаленных предметов, как Солнце и звезды.

Установлено, что электронная плотность в атоме распределена неравномерно. Область пространства, где пребывание электрона наиболее вероятно, называется орбиталью. Орбиталь однозначно можно описать с помощью набора целых чисел, называемых квантовыми числами. Как показывают расчеты, таких чисел четыре – п, l, m_l, s. Известное уже нам n – главное квантовое число – определяет энергию электронного облака. Орбитальное квантовое число l определяет форму орбитали (сфера, гантелька, розетка и т. д.). Ориентацию в пространстве определяет m_l – магнитное квантовое число. Четвертым квантовым числом является s – спиновое квантовое число, характеризующее собственный момент импульса частицы.

Квантовые числа характеризуют энергию электрона, объем и форму его орбитали, ее ориентацию в пространстве. При переходе атома из одного квантового состояния в другое значения квантовых чисел изменяются и происходит перестройка электронного облака.

При рассмотрении более сложных атомов (многоэлектронные системы) большое значение имеет принцип Паули, по которому в любой кванто-во-механической системе не может быть двух электронов с одинаковой четверкой квантовых чисел.

Поразительным является то, что все выводы, следующие из квантово-механических принципов, находятся в полном соответствии с построением периодической таблицы элементов Менделеева, созданной еще в 1869 г.

Стр. 46

Термодинамический метод описания

Методы описания систем и процессов

ПРОЦЕССЫ В ВЕЩЕСТВЕ

Окружающий нас материальный мир, как уже отмечалось, состоит из бесчисленного количества разновидностей объектов разного масштаба и сложной их соподчиненности. Все разновидности вещества в зависимости от условий участвуют в различных взаимодействиях, взаимных превращениях, проявляя при этом разнообразные физические и химические свойства, которые зависят от их строения, состава и структуры. Очевидно, что, изучая сущность процессов взаимопревращения веществ, изменение структуры их свойств, требуется решать широкий круг вопросов.

1. Почему происходят различные процессы?

2. Как направление процессов зависит от условий эксперимента?

3. Насколько полно идут эти процессы?

4. Какие вещества и в каких агрегатных состояниях образуют конечные продукты в результате превращений?

5. С какими реальными скоростями и по каким механизмам (в том числе химическим) реализуются превращения?

Ясно, что перечень вопросов может быть существенно расширен.

Каковы же основные методологические подходы к ответам на поставленные вопросы?

Первый метод – термодинамика. Особенностью этого метода является то, что он не рассматривает структуру, строение макрообъекта (макросистему, имеющую ~ 10²⁰ молекул) на молекулярном уровне. Термодинамический метод исследует закономерности превращения одних видов энергии в другие и носит опытный и формальный характер. Термодинамика опирается на некоторые фундаментальные законы (начала), использует простой математический аппарат, что дает возможность ее широкого применения, но имеет и некоторые ограничения.

Второй метод – статистическая механика, в основе которой лежит учение о молекулярном строении вещества Статистическая механика описывает движение коллектива частиц и получает их усредненные характеристики с помощью статистических законов, что дает возможность связать макросвойства системы с микросвойствами отдельных частиц По сравнению с термодинамикой второй метод расширяет область рассматриваемых явлений.

Стр. 47

Третий метод- квантово-механический, лежащий в основе учения о строении и свойствах отдельных атомов и молекул и взаимодействии их между собой. При этом главное внимание уделяется законам движения и распределения электронов по орбиталям. Отметим, что именно квантовая механика объясняет природу химических связей, соединяющих атомы в молекулы.

Классическая физика подчеркивает устойчивость, постоянство окружающего мира. Сегодня очевидно, что это справедливо лишь в редких случаях. Даже обобщенная с учетом положений квантовой механики и теории относительности динамика (наука о движении и его причинах) не делает различий между прошлым и будущим.

Окружающий нас мир непрерывно изменяется. Движение – неотъемлемый атрибут материи. Движение материи проявляется в разных формах, которые постоянно переходят друг в друга.

Мерой движения материи, т. е. его количественной и качественной характеристикой, является энергия, которая, как и движение, может существовать в различных формах.

Движение неуничтожимо, как и сама материя, что проявляется в форме наиболее общего закона природы – закона сохранения и превращения энергии. Энергия не создается и не исчезает бесследно. При всех процессах и явлениях суммарная энергия частей материальной системы, участвующих в данном процессе, не увеличивается и не уменьшается, оставаясь постоянной.

Законы превращения одной формы энергии в другую изучаются термодинамикой.

Исторически термодинамика возникла как наука, изучающая переход теплоты в механическую работу, т. е. ее появление было обусловлено необходимостью создания теоретических основ тепловых машин.

Современная термодинамика – наука, изучающая взаимосвязь между тепловой и другими видами энергии, а также влияние этой связи на свойства физических тел.

Стр. 48

Всякое превращение энергии связано с каким-либо процессом. В каждом процессе участвует определенное количество материальных тел. Совокупность тел, участвующих в том или ином процессе, называют системой. Система выделяется в пространстве либо реальными физическими, либо мысленными модельными границами. Тела, находящиеся за пределами (границами) системы, образуют окружающую среду (рис. 8).

Окружающая среда

Окружающая среда

Рис. 8. Выделение термодинамической системы из окружающей среды

Система и окружающая среда могут взаимодействовать друг с другом. Это взаимодействие заключается в передаче друг другу энергии и массы. Такие системы называются открытыми.

Если количество вещества в системе в ходе процессов остается постоянным, т. е. обмена веществом с окружающей средой нет, то система называется замкнутой (закрытой). В такой системе возможен только процесс обмена энергией с окружающей средой.

Если масса и энергия системы остаются постоянными, то такая система называется изолированной. Все процессы, происходящие в ней, сводятся к перераспределению массы и энергии между отдельными частями системы. Изолированные системы независимо от своего начального состояния в конечном итоге приходят в состояние, которое в дальнейшем уже не изменяется. Это конечное состояние называется состоянием термического или теплового равновесия.

В основе термодинамики лежат три фундаментальных закона (начала), которые являются обобщением опытных данных (фактов).

Первое начало представляет собой закон сохранения и превращения энергии в применении к макроскопическим (термодинамическим) системам.

Второе начало определяет функцию состояния системы (энтропию), характеризующую направленность процессов в системе и условие равновесного состояния.

Третье начало утверждает принцип недостижимости абсолютного нуля температур и обращение в нуль энтропии равновесного идеального кристалла при приближении его температуры к абсолютному нулю.

Стр. 49

Первое начало термодинамики является математическим выражением закона сохранения энергии в замкнутой (изолированной) системе в случае, когда в ней имеют место механические и тепловые процессы.

В XVIII в. появилась первая формулировка первого начала термодинамики: «Вечный двигатель первого рода невозможен». Другими словами, была доказана невозможность создания механического вечного двигателя (устройства, с помощью которого можно было бы производить механическую работу без внешнего воздействия на него).

Первое начало термодинамики записывают в виде

Q = U A,

где Q – количество теплоты, полученное (или отданное) системой;

А – работа, совершенная системой над внешней средой;

U- изменение внутренней энергии системы.

Под внутренней энергией системы понимают полный запас кинетической и потенциальной энергии данной системы. Сюда входят энергия движения частиц и молекул, из которых состоят макрочастицы, энергия взаимодействия атомов в молекулах и отдельных составляющих атомов частиц.

Математическая формулировка первого начала термодинамики: количество теплоты Q, полученное системой, идет на изменение (приращение) ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил.

Несмотря на всю важность и общность первого начала термодинамики, оно оказалось недостаточным для полного описания термодинамических процессов и систем.

Недостатками первого начала являются:

1. Теплота (Q), входящая в уравнение, не выражена через параметры системы.

2. Не указывается направление процессов, происходящих в системе, и условия достижения равновесного состояния.

Эти недостатки легко просматриваются на простом примере падения тела в поле силы тяжести (рис. 9).

Стр. 50

Рис. 9. Схема падения тела

При падении тела из положения 1 в положение 2 наблюдается переход потенциальной энергии в кинетическую. При резкой остановке тела в положении 2 кинетическая энергия переходит в тепловую энергию хаотического движения частиц тела, опоры, воздуха и в виде тепла рассеивается в окружающем пространстве. Первому началу термодинамики не противоречил бы и обратный процесс: тело в положении 2 отбирает энергию из окружающей среды, охлаждая ее, и переходит, имея запас энергии, в положение 1.

Хорошо известно, что многие процессы, происходящие в реальном мире, необратимы. Направленность тех или иных процессов и является объектом описания второго начала термодинамики.

Второе начало термодинамики было впервые сформулировано Р. Кла-узиусом (1850) как обобщение фактов, наблюдаемых при изучении процессов теплопередачи: «Теплота не может сама собой переходить от холодного тела к нагретому».

В 1854 г. Р. Клаузиус вводит понятие энтропии (S) – некоторой функции состояния, изменение которой при температуре Т определяется для изолированной системы соотношением

Стр. 51

При обратимых процессах полное изменение энтропии системы равно нулю. Однако если процесс необратим, то изменение энтропии больше нуля, т. е. энтропия в изолированных системах при протекании необратимых процессов возрастает ( ).

Величина – количество теплоты, полученное или отданное системой вследствие необратимых процессов, протекающих внутри системы.

Отсюда если система изолирована и находится в равновесном состоянии, то , а следовательно, и Если же изолированная система находится в неравновесном состоянии, то Значит, для изолированных систем с помощью энтропии можно предсказать направление самопроизвольных процессов (они идут в сторону равновесного состояния).

Классическая термодинамика рассматривает макросистемы, не вникая в корпускулярную структуру. Почему в системе происходят процессы, приводящие ее из неравновесного состояния в равновесное, почему такие процессы являются необратимыми – на эти вопросы дает ответы статистическая физика.

Другой независимый способ рассмотрения тех же самых систем может быть реализован молекулярно – статистическим методом, который основывается на микроскопическом изучении поведения отдельных частиц, составляющих систему, и позволяет установить взаимосвязи между статистически усредненными параметрами этих частиц и макроскопическими параметрами термодинамической системы в целом.

В качестве примера системы, состоящей из большого числа частиц, можно рассматривать газ. Макросостояние газа определяется его параметрами: давлением, объемом и температурой. Микросостояние определяется координатами и скоростями движения его молекул в данный момент времени. Ясно, что микросостояние газа постоянно изменяется и для данного макросостояния мы имеем большое число микросостояний. Чем большее число микросостояний отвечает данному макросостоянию, тем легче оно возникает.

Пусть, например, имеется сосуд с разными газами, разделенными перегородкой с закрытым клапаном. Эти газы находятся в тепловом равновесии при одинаковом давлении Если клапан открыть, то через некоторое время из-за хаотического теплового движения произойдет полное смешение обоих газов и получится однородная смесь газов во всем объеме сосуда.

Стр. 52

Равномерное распределение молекул газа по всему объему будет более вероятным состоянием газа, чем вариант, когда смесь газа сама собой разделится на два отдельных компонента в одной и другой частях сосуда. Такое макросостояние (раздельные компоненты газа) реализуется меньшим числом способов, чем равномерное распределение, и представляется практически невероятным. Таким образом, смешение – процесс необратимый.

Введение Л. Больцманом (1872) понятия термодинамической вероятности W как числа микросостояний, посредством которых реализуется данное макросостояние, позволило интерпретировать энтропию (S) с точки зрения вероятностного состояния системы:

S = k lnW,

где k – постоянная Больцмана.

Таким образом, S – функция состояния системы, определяемая термодинамической вероятностью, в изолированной системе может изменяться только в сторону возрастания (если система неравновесна) или оставаться постоянной (если система находится в равновесном состоянии), т. е.

Если система находится в неравновесном состоянии, т. е. температура, давление, концентрация и т. д. в разных ее частях различны (W₁ S₁), то с течением времени наиболее вероятным станет такое ее состояние, когда эти параметры выравняются (W₂, S₂), причем W₂ > W₁ S₂ > S₁. Значит,

Отметим, что когда в системе наступает термодинамическое равновесие и энтропия достигает своего максимального значения S = S_max, то

Используя статистическое рассмотрение энтропии, часто вводят понятие «порядок» или «беспорядок», т. е. энтропия – мера беспорядка. Так, если взять кусок льда и поместить его в большой стеклянный куб (система замкнута) при комнатной температуре, то с течением времени будет наблюдаться изменение состояния льда (молекул воды во льде). В начальном состоянии молекулы воды, находясь в узлах кристаллической решетки льда, будут иметь состояние, определяемое термодинамической вероятностью W₁, а значит, и S₁). По мере нагревания лед постепенно переходит в жидкое состояние с W₂ > W₁ (S₂> S₁), т. е. беспорядок молекул воды стал больше, чем у молекул льда. Дальнейший нагрев воды до комнатной температуры (опыт проводили в термостате) приводит к ее испарению, превращению в пар с W₃, S₃, которые имеют большее значение, чем для воды (W₂, S₂). Таким образом, с ростом энтропии в изолированной системе беспорядок увеличивается.

Стр. 53

После формулировки второго начала термодинамики Л. Больцманом возникла драматическая гипотеза «тепловой смерти Вселенной». По словам Р. Клаузиуса, энтропия Вселенной возрастает. Все виды энергии во Вселенной перейдут в энергию теплового движения, равномерно распределенного по веществу. Все макроскопические процессы, определяющиеся переносом энергии, массы, заряда, прекратятся.

Действительно, при таком «сценарию) развития Солнце и звезды в какой-то момент израсходуют запасы свободной энергии, излучив их во всех направлениях. Звезды погаснут, и все существующие перепады температур выравняются, все тела приобретут некоторую одинаковую среднюю температуру. При этом в соответствии с законом сохранения энергии полная энергия Вселенной сохранится, но исчезнет вся жизнь, ни одна машина не сможет прийти в движение.

Почему такая гипотеза несостоятельна?

Во-первых, второе начало термодинамики было сформулировано на основе обобщения опытных данных, относящихся к ограниченным, хотя и большим, макросистемам. Для распространения же этого начала на всю Вселенную нет оснований.

Во-вторых, Вселенная не является изолированной системой. Согласно современным данным, она неоднородна, нестационарна и бесконечна.

В-третьих, в космическом масштабе определяющее значение во взаимодействии отдельных частей Вселенной имеют гравитационные силы, что обусловливает существенную роль в эволюции больших флуктуации, случайностей. В данном случае, когда гравитационная энергия макроскопических частей сталкивается с соизмеримой по величине их внутренней энергией, мы имеем систему, которая в целом не является чисто термодинамической, т. е. второе начало термодинамики нельзя применят/ к большим участкам Вселенной, а тем более ко всей Вселенной как целому.

Стр. 54

Концепция самоорганизации- новое междисциплинарное направление научных исследований, продолжающее формироваться ив настоящее время. По своему влиянию оно сравнимо с кибернетикой, с системными исследованиями и с эволюционной теорией в биологии. Поэтому не случайно говорят, что самоорганизация становится парадигмой исследования обширного класса систем и процессов различной природы.

Классическую физику и термодинамику объединяет общая черта: их предмет познания- это простые (замкнутые, изолированные, обратимые во времени) системы. Однако такое понимание предмета познания является абстракцией. Подавляющее большинство реальных систем открытые. Это значит, что они обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой. К такого рода системам относятся физические, химические, биологические и социальные системы, которые больше всего интересуют человека.

Человек всегда стремится постичь природу сложного, пытаясь ответить на вопросы: как ориентироваться в сложном и нестабильном мире? какова природа сложного и каковы законы его функционирования и развития? в какой степени предсказуемо поведение сложных систем?

В 70-е гг. XX в. начала активно развиваться теория сложных самоорганизующихся систем. Результаты исследований в области нелинейного (порядка выше второго) математического моделирования сложных открытых систем привели к рождению нового мощного научного направления в современном естествознании – синергетики (в переводе с древнегреческого- сотрудничество, совместное действие). Как и кибернетика, синергетика – это некоторый междисциплинарный подход. В отличие от кибернетики, где акцент делается на процессах управления и обмена информацией, синергетика ориеширована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения.

Мир нелинейных, самоорганизующихся систем гораздо богаче, чем закрытых, линейных систем. Вместе с тем нелинейные системы сложнее моделировать. Как правило, для приближенного решения большинства нелинейных уравнений требуется сочетание современных аналитических методов с вычислительными экспериментами. Синергетика открывает для точного, количественного, математического исследования такие сторонымира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т. п.

Стр. 55

Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: от морфогенеза в биологии, некоторых аспектов функционирования мозга, флаттера (колебания на грани разрушения) крыла самолета, от молекулярной физики и автоколебательных процессов в химии (реакция Белоусова – Жаботинского (БЖ)) до эволюции звезд и космологических процессов, от электронных приборов до формирования общественного мнения и демографических процессов. Основной вопрос синергетики- существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, определяющие их структуру и функции.

Отметим главные характеристики самоорганизующихся систем. Согласно определению одного из основоположников синергетики Г. Хакена, система является самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием понимается такое, которое навязывает системе структуру или функционирование.

Основные свойства самоорганизующихся систем- открытость, нелинейность, диссипативность. Таким образом, теория самоорганизации имеет дело с открытыми, нелинейными, диссипативными, далекими от равновесия системами.

Открытость. Как уже отмечалось, классическая термодинамика изучала изолированные (закрытые) системы, которые не обменивались с внешней средой ни веществом, ни энергией. Применительно к таким системам центральным понятием является энтропия, возрастание которой ( ) характеризовало переход системы от неравновесного состояния к равновесному.

Открытые системы- это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность изолированным системам, неизбежно стремящимся к однородному равновесному состоянию. Открытые системы – это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени.

Стр. 56

В открытых системах ключевую роль – наряду с закономерным и необходимым – могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы.

Нелинейность. Большинство систем Вселенной носит открытый характер, и это означает, что во Вселенной доминируют неустойчивость и неравновесность. Последняя, в свою очередь, порождает избирательность системы, ее необычные реакции на внешние воздействия среды. Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании. Так, некоторые более слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы. Иначе говоря, на нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции: здесь возможны ситуации, когда совместные действия причин А и В вызывают эффекты, которые не имеют ничего общего с результатами воздействия А и В по отдельности.

Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер: при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачкообразно. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикально – качественному изменению [15].

Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких услових между системой и средой могут иногда создаваться отношения положительной обратной связи, т. е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые, в свою очередь, определяют изменения в самой этой системе (например, в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого). Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными.

Диссипативность.В настоящее время известно множество примеров образования упорядоченных состояний в результате неравновесных процессов. При этом наблюдается как пространственное упорядочение, так и упорядочение во времени.

Стр. 57

Такие состояния И. Пригожин назвал диссипативными структурами. Этим названием подчеркивается, что они возникают в системах с потерей (диссипация) энергии в ходе необратимых неравновесных процессов. Для возникновения диссипативных структур необходимо соблюдение определенных условий:

• они могут образовываться только в открытых системах; в них возможен приток энергии, компенсирующий потери и обеспечивающий существование упорядоченных состояний;

• диссипативные структуры возникают в макроскопических системах, т. е. системах, состоящих из большого числа элементарных составляющих (атомов, клеток, звезд – в зависимости от масштабов явления);

• диссипативные структуры возникают лишь в системах, описываемых нелинейными уравнениями для макроскопических функций. Самоорганизация не связана с каким-либо особым классом веществ. Она существует лишь при особых внутренних и внешних условиях системы и окружающей среды. Диссипативные структуры являются устойчивыми (стационарными) образованиями. Их устойчивость определяется устойчивостью источников энергии и зависит от времени их существования.

Обратимся к примерам самоорганизации.

Рассмотрим однородную покоящуюся жидкость между двумя бесконечными горизонтальными плоскостями. Путем нагрева нижней пластины (T₁) создадим в этой системе постоянный градиент температур (T₂– температура верхней пластины, причем T₁ > T₂). Из-за стремления теплых нижних слоев жидкости подняться вверх, а верхних холодных – опуститься вниз система становится неустойчивой. В результате при достижении критической разности температур T₁ – T₂ = T_кр возникает конвекционное движение жидкости, т. е. ее структурирование. Жидкость формируется в виде небольших ячеек (ячеек Бенара).

При наблюдении сбоку (рис. 10) видно, что движение жидкости достаточно сложное. Ячейки выстраиваются вдоль горизонтальной оси, причем в соседних ячейках жидкость перемещается в противоположных направлениях: то по часовой стрелке (R), то против (L). При наблюдении сверху эффект структурирования жидкости проявляется в возникновении ячеистой (сотовой) структуры (рис. 11)

Стр. 58

Структурирование жидкости в условиях неравновесности приводит к качественно новым эффектам – эффектам усложнения. Наличие противоположного вращения жидкости в ячейках говорит о нарушении симметрии. Отметим, что переход от простого поведения жидкости к сложному происходит скачкообразно, при этом огромное число частиц демонстрирует когерентное (согласованное) поведение, т. е. если в первой ячейке молекулы жидкости двигаются по часовой стрелке (R), то в 3-й, 5-й, 1001-й и во всех нечетных ячейках движение жидкости также будет происходить по часовой стрелке.

Рис. 10. Возникновение конвективных ячеек

Рис. 11. Ячейки Бенара (вид сверху)

Установлено, что такой эксперимент характеризуется идеальной воспроизводимостью: при одних и тех же условиях и при достижении T_кр, возникает такая же конвекционная картина – ячеистая структура с попеременным вращением в соседних ячейках. Однако направление вращения в ячейках непредсказуемо и неуправляемо, т. е. носит случайный, вероятностный характер (рис. 12).

Стр. 59

Рис. 12. Множественность решений структурирования системы

Таким образом, мы наблюдаем равнозначность правостороннего и левостороннего вращения жидкости в ячейках или соответствия между случайностью и определенностью. В области физики такой дуализм наблюдался лишь при квантово-механическом описании микрообъектов. Аналогичный дуализм известен в биологии со времен Ч. Дарвина (естественный отбор – мутация). Иначе говоря, вдали от равновесия система способна приспосабливаться к своему окружению несколькими различными способами.

Итак, рассмотрев эффект Бенара, мы видим, что неравновесность позволила системе избежать тепловой разупорядоченности и трансформировать часть энергии, сообщаемой внешней средой, в упорядоченное поведение нового типа – диссипативную структуру, характеризуемую нарушением симметрии, множественными выборами и корреляцией в макромасштабах. Можно сказать, что в системе произошло рождение сложного. Такую сложность обычно приписывают исключительно биологическим системам.

Некоторые химические реакции обладают удивительными чертами самоорганизации. Наиболее известна из них реакция Белоусова -Жабо-тинского (1958). При определенных условиях при окислении лимонной кислоты броматом калия, катализируемым ионной парой Се⁴ – Се³ , происходят периодические колебания концентрации ионов брома и отношения концентраций ионов церия разной валентности.

Голубой цвет наблюдается при избытке Се⁴ , красный – при избытке Се³ . Ритмическая смена цвета с идеально регулируемыми периодом и амплитудой колебания концентраций определяется характеристиками системы. Типичное поведение такого рода показано на рис. 13.

Если рассмотреть реакцию БЖ, протекающую в системе без перемешивания реагентов, то развивается пространственная неоднородность концентрации Се⁴ и Се³ . Так, если реакцию проводить в тонкой, длинной вертикально расположенной трубке, то можно наблюдать возникновение полосчатой структуры чередующихся горизонтальных зон.

Стр. 60

Рис. 13. Автоколебания концентрации Се⁴

Таким образом, при протекании реакции БЖ вдали от состояния равновесия система способна проявлять разнообразный и высокий уровень самоорганизации с возникновением пространственно-временной упорядоченности.

А теперь обрисуем в общем и кратко путь эволюции системы от исходного состояния через хаос к состоянию новой организации.

В замкнутую изолированную систему (в термостате) энергия или веще-ство вводятся извне дозированно, чтобы ее исходное состояние не выходило за заданные границы. В открытой нелинейной системе нет таких ограничений. Здесь вещество и энергия среды могут поступать в нее произвольно, поэтому такая система может выйти из состояния равновесия и стать неравновесной. По мере дальнейшего притока вещества и энергии она с ускорением (нелинейно) уходит все дальше от состояния равновесия, становится все более неравновесной и нерегулируемой. Организация состояния такой системы все более расшатывается, пока наконец совсем не разрушится и процесс не станет хаотичным. Таким образом, на первой стадии своей эволюции неравновесный процесс переходит от состояния порядка к хаосу.

Состояние максимальной хаотичности неравновесного процесса называют точкой бифуркации (от лат. bifurcus – раздвоенный). Благодаря хаотичности дальнейшее развертывание неравновесного процесса имеет не один путь движения, а множество возможных путей из зоны ветвления, т. е. из точки бифуркации. Состояние бифуркации можно уподобить положению шарика на выпуклой поверхности типа сферической. Любое влияние может вывести шарик из неустойчивого состояния, и он начнет скатываться сверху вниз. По какой траектории он будет скатываться из точки бифуркации, угадать точно нельзя. Это случайный процесс.

Стр. 61

Но как только траектория движения определится, направление движения начнет подчиняться необходимости. Теперь необходимость предопределяет, каким финалом завершится нелинейный процесс. Отрезок эволюционного пути от точки бифуркации до финала называют аттрактором (от лат. attrahere – притягиваю).

Это значит, что конечный пункт развертывания нелинейного процесса, или финал, как бы притягивает к себе, т. е. предопределяет траекторию развертывания нелинейного процесса (движение шарика) от точки бифуркации. Аттрактор уподобляется воронке, которая своим раструбом обращена к зоне ветвления, а узким горлышком – к конечному результату. Это значит, что шарик, находящийся на выпуклой поверхности, может попасть в раструб воронки не из одной – единственной точки, а из ряда смежных точек зоны ветвления. По мере движения по аттрактору множество возможных траекторий движения сокращается и в конечном счете процесс с необходимостью завершается единственным результатом.

Развертывание нелинейного процесса от точки бифуркации до выбора аттрактора – это начало второй части эволюции нелинейного процесса.

При рассмотрении первой части данного процесса мы видели, что избыточное поступление энергии извне привело этот процесс к дезорганизации, к хаотичному состоянию. Поэтому на первый взгляд может показаться, что дальнейший приток энергии в систему извне бесполезен и даже вреден. Но опыт показывает, что это не так.

Наоборот, если теперь ввести в систему достаточное количество «свежей» энергии, то в хаотичном состоянии начнет зарождаться новая организация. Когда величина вводимой извне энергии достигает некоторого критического значения, то система внезапно (скачком) переходит из хаотического состояния в новое устойчивое (организованное) состояние [7].

Во второй части эволюции нелинейной системы происходит обратный процесс – переход от состояния дезорганизации к новой организованности, от хаоса – к новому порядку. Из-за принудительного действия поступающей извне энергии множество разнонаправленных случайных явлений, характерных для состояния хаоса, вдруг обретают когерентное, т. е. совместное, согласованное, поведение. Отсюда и название дисциплины, изучающей такие процессы, – синергетика.

Стр. 62

БИОЛОГИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ЖИЗНИ

Анаэробы – организмы, способные жить в отсутствии свободного кислорода (многие виды бактерий, моллюски).

Аэробы – организмы, жизнь которых невозможна без свободного молекулярного кислорода (растения, животные, многие микроорганизмы).

Биоценоз- совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих участок суши или водоема и характеризующихся определенными отношениями между собой.

Ген (от греч. genos – род, происхождение, наследственный фактор) -единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака.

Геном – совокупность всех генов хромосомного набора данного организма. В хромосомах человека локализовано около 100000 генов. Эти активные гены составляют лишь 2% всего вещества наследственности- де-зоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Остальные 98% служат для регуляции генной активности и, вполне возможно, являются опытным полем эволюции.

Гетеротрофы – организмы, питающиеся органическими веществами. К ним относятся многие микроорганизмы, грибы, все животные, человек.

Евгеника – учение о здоровой наследственности человека и о возможных методах поддержания и улучшения его здоровья.

Коацерваты – области полимера, биополимера (капли, слои) с повышенной концентрацией этого вещества по сравнению со всем остальным раствором.

Метаболизм (от греч. metabde – перемена, превращение) – совокупность процессов обмена веществ в растениях, животных, микроорганизмах. Включает в себя всю совокупность реакций, протекающих в клетках и обеспечивающих как расщепление, так и синтез.

Популяция – относительно изолированная от других и обладающая определенным генофондом совокупность особей определенного вида, в течение длительного времени (большое число поколений) населяющих определенное пространство; рассматривается как элементарная единица эволюции.

Стр. 63

Прокариоты (от греч. pro – вперед и karion – ядро) – организмы, лишенные сформированного ядра (вирусы, бактерии, сине-зеленые водоросли).

Хиральностъ молекулярная (дисимметрия) – отсутствие зеркальной симметрии у молекул живой материи, приводящее к отклонению ими поляризованного луча света.

Хромосомы – структурные элементы ядра клетки, содержащие ДНК, в которой заключена наследственная информация организма. В хромосомах в линейном порядке расположены гены.

Эукариоты (от греч. еu – хорошо и karion – ядро) – организмы, клетки которых содержат оформленное ядро. Эти организмы являются высшими, ядро в них отделено от цитоплазмы оболочкой.

Предмет биологии, ее структура и этапы развития.

Определение предмета биологии на первый взгляд кажется довольно простым. Биология – это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой [12].

Современная биологическая наука- результат длительного процесса развития. Вначале интерес к познанию живого у человека возник в связи с его важнейшими потребностями в пище, лекарствах, одежде, жилье и т. д.

Но только в эпоху первых древних цивилизаций люди стали изучать живые организмы более тщательно, составлять перечни животных и растений, населяющих различные регионы, систематизировать и классифицировать их. Одним из первых биологов древности был Аристотель.

В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе (фундаментальных и прикладных). Структуру его можно рассматривать с различных точек зрения:

• По объектам исследования биологию подразделяют на вирусологию, бактериологию, ботанику, антропологию и др.

• По свойствам, проявлениям живого вбиологии выделяются: морфология – наука о строении живых организмов; физиология – наука о функционировании организмов; молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток; экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой; генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости.

Стр. 64

• По уровню организации живых объектов выделяются: анатомия, изучающая макроскопическое строение животных; гистология, рассматривающая строение тканей; цитология, исследующая строение живых клеток.

Такая многоплановость комплекса биологических наук обусловлена чрезвычайным многообразием живого мира. К настоящему времени биологами обнаружено и описано более одного миллиона видов животных, около полумиллиона видов растений, несколько сотен тысяч видов грибов, более трех тысяч видов бактерий. Причем мир живой природы исследован далеко не полностью.

В развитии биологии выделяют три основных этапа: 1) систематики (К. Линней); 2) эволюционный (Ч. Дарвин); 3) биологии микромира (Г. Мендель). Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого, самих основ биологического мышления, со сменой биологических парадигм. Благодаря развитию современной биологии микромира, познанию молекулярных структур живого отчетливее стало просматриваться единство природы, органического и неорганического мира, специфика живого.

Важнейшим инструментом дальнейшего познания этого мира служит категория живого, являющаяся ключевой, исходной для всей системы биологических наук.

Современная биология в вопросе о сущности живого все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов, или критериев жизни. При этом подчеркивается, что только совокупность таких свойств может дать представление о специфике жизни. К числу свойств живого обычно относят следующие:

• живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем уровень организации неживых систем;

• живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию;

• живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Способность реагировать на внешние раздражения – универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных;

Стр. 65

• живые организмы не только изменяются, но и усложняются. Так, у растений или животных появляются новые ветви или органы, отличающиеся по своему химическому составу от породивших их структур;

• все живое размножается. Способность к самовоспроизведению – основополагающий признак жизни, поскольку при этом проявляется действие механизмов наследственности и изменчивости, которые определяют эволюцию всех видов живой природы;

• живые организмы передают по наследству информацию, необходимую для развития и размножения потомства. Эта информация заложена в генах – единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах. Генетический материал определяет направление развития организма. Информация в процессе передачи несколько изменяется, поэтому потомство не только похоже на родителей, но и отличается от них;

• живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни.

В современной литературе жизнь определяется как высшая из природных форм движения материи, характеризующаяся самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганичес-кие соединения. Важнейшими признаками жизни являются противостояние энтропийным процессам, обмен веществ с окружающей средой, воспроизводство на основе генетического кода и молекулярная хиральность.

Структурный, или системный, анализ показывает, что мир живого чрезвычайно многообразен, имеет сложную структуру. На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни или системы организации живого мира. Самым распространенным является выделение на основе критерия масштабности следующих уровней организации живых систем:

1. Молекулярный уровень, который составляет предмет изучения молекулярной биологии. Важнейшей проблемой является изучение механизмов передачи генной информации и ее практическое использование при помощи генной инженерии и биотехнологии.

2. Клеточный и субклеточный уровни, отражающие процессы функционирования клеток и внутриклеточные механизмы.

Стр. 66

3. Организменный и органо-тканевый уровни, отражающие строение, физиологию, поведение и индивидуальность отдельных особей, функции и строение органов и тканей живых существ.

4. Популяционно-видовой уровень, который ограничивается особями одного вида, свободно скрещивающимися между собой. Этот уровень составляет ядро исследований эволюции живого, его исторического развития.

5. Уровень биогеоценозов, включающий ступень структуры живого, состоящую из участков Земли с определенным составом живых и неживых компонентов, представляющих собой единый природный комплекс, экосистему. Рациональное использование природы невозможно без знания структуры и функционирования биогеоценозов, или экосистем.

6. Биосферный уровень, включающий всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.

Два главных компонента биосферы – живые организмы и среда их обитания – непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в тесном органическом единстве, образуя целостную динамическую систему [2].

5.3.1. Молекулярно-генетический уровень

Классическая менделевская генетика поставила перед современной наукой о наследственности самые главные вопросы: что такое ген, как он контролирует развитие признаков, как изменяются ген и генотип, каким образом происходит развитие популяций и возникновение новых видов?

Первый закон Менделя касается единообразия первого поколения гибридов. Второй закон (закон расщепления) отражает появление в потомстве доминантных и рецессивных генов в определенных численных соотношениях. Третий закон Менделя фиксирует независимое комбинирование признаков.

Носителями наследственной информации, согласно современным представлениям, являются хромосомы и гены. Они были открыты в конце XIX в.

Одним из величайших прорывов науки в познании структуры живой материи на молекулярно – генетическом уровне стала публикация в 1953 г. работы американского биохимика Д. Уотсона и английского биофизика Ф. Крика, в которой раскрывалась структура носителя наследственности всего живого на Земле – молекулы ДНК.

Стр. 67

Основу гена составляют нуклеиновые кислоты ДНК (дезоксирибонук-леиновая кислота) и-РНК (рибонуклеиновая кислота) – сложные органиче-ские соединения, состоящие из углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора. Нуклеиновые кислоты представляют собой фосфорсодержащие биополимеры, имеющие универсальное распространение в живой природе. Рентгеноструктурные исследования и анализ результатов на ЭВМ показали, что ДНК (рис. 14) состоит из двух цепей, правозакрученных между собой так, чтобы сохранялись определенные углы между разными атомными группировками. Таким образом, ДНК – двойная спираль, составленная из аминокислот белков.

Рис. 14. Молекула ДНК (показана плотная одномерная структура)

Нуклеиновые кислоты, являющиеся носителями информации, выполняют три функции: 1) хранение информации; 2) реализацию ее в процессе роста новых клеток; 3) самовоспроизведение.

Стр. 68

Сходство и различие живых тел определяются набором белков. Путем синтеза различных белков в соответствии с генетическим кодом реализуется многообразная информация о свойствах организма.

Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза белка, называется геном.

Ген представляет собой внутриклеточную молекулярную структуру. Гены располагаются, как правило, в ядрах клеток и являются своего рода «мозговыми центрами» клеток.

У высших организмов гены входят в состав хромосом – самовоспроизводящихся структур, постоянно присутствующих в ядрах клеток животных и растений и участвующих в процессе размножения.

Гены располагаются в хромосомах в линейном порядке. Самоудвоение и распределение хромосом при клеточном делении обеспечивают передачу наследственных свойств организма от поколения к поколению. Хромосомы различимы в виде четких структур под микроскопом во время деления клеток. Каждая хромосома имеет специфическую форму и размер.

Например, у человека из 23 пар хромосом 22 пары одинаковы у мужского и женского организмов, а одна пара различна. Именно благодаря этой паре хромосом, называемых половыми хромосомами, различаются два пола. Половые хромосомы у женщины одинаковые, их назвали Х-хромосомами. У мужчин кроме Х-хромосом имеется У-хромосома, которая и играет решающую роль при определении пола.

Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данной растительной или животной клетки, называется геномом.

Процесс воспроизводства состоит из трех частей: репликации, транскрипции, трансляции. Репликация – это удвоение молекул ДНК, необходимых для последующего деления клеток. Основой способности клеток к самовоспроизведению является уникальное свойство ДНК самокопироваться и строго равноценное деление репродуцированных хромосом. Это служит условием деления клетки на две идентичные.

При репликации ДНК разделяется на две цепи, после чего вдоль каждой цепи из нуклеотидов, свободно пребывающих внутри клетки, выстраивается еще одна цепь, идентичная матричной (рис. 15).

Транскрипция представляет собой перенос кода ДНК путем образования одноцепочной молекулы информационной РНК на одной нити ДНК.

Стр. 69

Информационная РНК – это копия части молекулы ДНК, состоящая из одного или группы рядом лежащих генов, которые несут информацию о структуре белков.

Трансляция – это синтез белка на основе генетического кода информационной РНК в особых частях клетки – рибосомах, куда транспортная РНК доставляет аминокислоты.

5.3.2. Клеточный уровень живого

Клетка является основной элементарной единицей жизни, способной к воспроизведению. Именно в ней протекают все главнейшие обменные процессы, такие как биосинтез, энергетический обмен и др. Поэтому начало биологической эволюции и появление подлинной жизни связано с возникновением клеточной организации.

Стр. 70

Самыми ранними из возникших на Земле одноклеточных организмов были бактерии, не обладавшие ядром (прокариоты). Вероятно, они жили за счет потребления органических соединений, возникающих абиогенно (из косной материи) под действием электрических разрядов и ультрафиолетовых лучей. Организмы, обладающие ядром (эукариоты), возникли гораздо позднее (около 1,5 млрд лет назад). Кроме строения клетки, различие между прокариотами и эукариотами заключается в том, что первые могут жить как в бескислородной среде, так и в атмосфере, содержащей кислород, в то время как для эукариот почти во всех случаях необходим кислород.

Существенным отличием прокариот от эукариот является то, что у последних центральным механизмом обмена стало дыхание, а у большинства прокариот энергетический обмен происходит в процессе брожения.

После появления в атмосфере достаточного количества свободного кислорода аэробный механизм оказался намного выгодней, так как при окислении углеводов выход биологически полезной энергии увеличивается в 18 раз по сравнению с брожением

Крупным шагом в процессе эволюции стало возникновение у организмов фотосинтезирующей способности. Около 3 млрд лет назад обеднение среды органическими азотистыми соединениями вызвало появление живых существ, способных использовать атмосферный азот. При помощи фотосинтеза произошло насыщение атмосферы кислородом в количестве, достаточном для возникновения и развития организмов, у которых энергетический обмен основан на процессе дыхания. Появление значительной концентрации кислорода привело к образованию в верхней части атмосферы озонового слоя, защищавшего жизнь на Земле от губительного воздействия излучения из космоса.

5.3.3. Организменный уровень живых систем

Следующей ступенью эволюции после появления одноклеточных стало возникновение и совершенствование многоклеточных организмов.

На промежуточной стадии между одноклеточными организмами и примитивными многоклеточными возникли колониальные одноклеточные. При дальнейшем развитии произошла специализация клеток членов колонии по принципу разделения на осуществляющих функции питания и движения (жгутики) и служащих для размножения (генеративные). Последующая специализация потребовала образования центра координации, т. е. нервного центра. Возникает хорошо выраженная централизованная нервная система. Одновременно совершенствуются способы полового размножения: переход к внутреннему оплодотворению у растений и живорождению у животных.

Стр. 71

Для животных конечным этапом эволюции многоклеточной организации стало появление организмов с поведением «разумного типа» и в финале – возникновение человека.

Всех многоклеточных подразделяют на три царства: грибы, растения и животные. Об эволюции грибов известно мало, поскольку они почти не оставили шшеонотологических следов. Эволюцию растений и животных можно проследить довольно подробно.

Среди основных особенностей эволюции растительного мира отметим следующие:

• большинство из первичных растений свободно плавало в морской воде или прикреплялось ко дну;

• с образованием почвы произошел выход растений на сушу. Организм растения для прикрепления к суше обретает корень, стебель и лист, развивается сосудистая проводящая система, защитные и опорные ткани;

• возникает независимое от капельно-водной среды половое размножение;

• происходит переход от наружного оплодотворения к внутреннему, появляется двойное оплодотворение, зародыш обеспечивается запасами питательных веществ;

• органы размножения и перекрестного опыления у цветковых совершенствуются с эволюцией насекомых. Развивается зародышевый мешок для защиты эмбриона от неблагоприятных влияний внешней среды. Возникают разные способы распространения семян и плодов с помощью широкого спектра физических и биологических факторов.

История животных изучена наиболее полно. Самые ранние следы животных имеют возраст около 700 млн лет. Предполагается, что первые животные произошли либо от общего ствола всех эукариот, либо от одной из групп древнейших водорослей. За всю историю животного миравозникло 35 типов, из которых 9 вымерли, а 26 существуют до сих пор. Наиболее существенные черты эволюции заключаются в следующем:

1. Прогрессивное развитие многоклеточности и в соответствии с этим специализация тканей и всех систем органов. Способность к перемещению в значительной степени определила совершенствование форм поведения.

2. Возникновение у животных твердого скелета: у позвоночных -внутреннего, у членистоногих – внешнего. Такое разделение определило разные пути эволюции этих типов животных. Наружный скелет членистоногих препятствовал увеличению размеров тела, поэтому все насекомые представлены сравнительно мелкими формами. Внутренний скелет не ограничивал увеличение размеров тела у позвоночных, поэтому динозавры достигали огромной величины.

Стр. 72

3. Появление и совершенствование организации животных (от кишечнополостных до млекопитающих). На этой стадии разделились насекомые и позвоночные. За счет развития центральной нервной системы у насекомых совершенствуются формы поведения по пути наследственного закрепления инстинктов. У позвоночных развивается головной мозг и система условных рефлексов, наблюдаются ярко выраженные тенденции к повышению средней выживаемости отдельных особей.

4. Финальной стадией эволюции позвоночных стало развитие группового адаптивного поведения; формирование разума как высшей формы деятельности мозга; возникновение биосоциального существа, носителя разума – человека.

С точки зрения современной науки элементарной единицей эволюции живого является популяция (от лат. populus – народ, население), т. е. сообщество особей одного вида, обладающее единой совокупностью генов и занимающее определенную территорию.

По мнению ученых, популяция представляет собой неразложимое на составные части эволюционное единство, способное к развитию во времени и пространстве, самовоспроизведению (посредством репродукции составляющих ее отдельных особей), трансформации и изменению ареала.

Популяционный уровень организации живого неразрывно связан с молекулярно – генетическим и биосферным и в значительной степени определяется ими, но также характеризуется процессами, присущими только этому уровню.

Для популяционного уровня характерен ряд признаков, а именно:

1. Активная или пассивная подвижность всех без исключения компонентов популяций. Это обусловливает периодическое или постоянное перемешивание особей популяции, которое становится более интенсивным при уменьшении территории и увеличении подвижности отдельных особей.

2. Наличие популяций разных рангов и различных внутрипопуляци-онных группировок. Существуют как относительно независимые географические популяции, так и местные, или «экологические», большинство из которых представляют собой временные или сезонные группировки.

Стр. 73

3. Совместное существование и функциональное единство, единообразие приспособлений к среде, морфофизиологическая общность и генетическая индивидуальность особей популяций.

4. Регуляторный биологический смысл пространственной структуры популяций, проявляющийся в том, что высокая численность особей и устойчивость достигаются только в тех популяциях, которые имеют сложную иерархически-пространственную структуру. Выпадение даже одного звена в виде одной или нескольких соподчиненных группировок популяции приводит к разрушению всей структуры, резкому падению плотности населения популяции и увеличению колебаний в численности особей.

5. Неоднородность, или гетерогенность, популяций. Популяция, с одной стороны, выступает как устойчивая целостность, а с другой – характеризуется изменчивостью, одной из причин которой является мутационный процесс. Недостаточный размах изменчивости при быстром изменении среды может привести к вымиранию популяции.

Как конкретно-историческая сложноорганизованная целостность местная популяция характеризуется некоторыми статистическими параметрами, например волнами жизни, т. е. периодическими колебаниями численности, плотностью населения, соотношением возрастных групп и полов, смертностью ит. п.

Биоценоз – совокупность животных, растений и микроорганизмов, населяющих участок среды с однородными условиями жизни, например озеро, лес, луг, берег реки.

Биоценозы характеризуются составом входящих в них популяций (живых организмов) и тем ареалом суши или водоема, в котором они обитают.

Внутри биоценозов круговорот веществ совершается без обязательного и непосредственного участия соседних биоценозов. Одновременно устойчивость биоценозов зависит как от взаимодействия с соседними биоценозами, так и от их внутренней структуры.

Биоценозы являются компонентами третьего надорганизменного уровня – биогеоценозов (от греч. bios – жизнь, ge- Земля koinos- общий).Биогеоценозы характеризуются определенными биологическими – в виде биоценозов – и «биологическими факторами среды.

Стр. 74

Все живое представляет собой сложноорганизованные иерархические системы. Их познание требует объяснения сущности не только самих систем, но и их непосредственного окружения, признания единства внутреннего и внешнего. Такой окружающей средой развития биосистемы служит биогеоценоз.

Биогеоценоз представляет собой один из уровней организации живого, определенную целостность взаимодействующих элементов живого и неживого. Он является образованием историческим, поскольку изменяется во времени и пространстве.

6.3.6. Биосферный уровень. Ноосфера

Вначале под биосферой (понятие ввел Э. Зюсс) понималась вся совокупность живых организмов на Земле. Позднее под биосферой стали подразумевать совокупность всех живых организмов вместе со средой обитания, в которую входят вода, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры, населенная микроорганизмами.

Научную концепцию биосферы и ноосферы создал выдающийся русский академик В. И. Вернадский (1863-1945). Согласно его представлениям, жизнь существует в форме гигантской системы – биосферы, где живое вещество выполняет энергетические, геохимические и средобразующие функции, обеспечивающие сохранение и эволюцию организмов. Для описания целостности биосферы В. И. Вернадский ввел понятие «организованность», наметил пути изучения эволюции жизни как сложносопряженного процесса, который протекает одновременно на разных уровнях организации жизни. Вместе с тем он ставил задачу учитывать и обратное влияние структуры биосферы и действующих в ней биогеохимических принципов на процессы видообразования.

В работах В. И. Вернадского говорилось о высокой устойчивости основных характеристик биосферы, которая представляет собой единство геологических и биологических процессов.

В. И. Вернадский понимал биосферу как целостную систему, в которую входят следующие составные части:

• совокупность живых организмов – живое вещество;

Стр. 75

• вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами, -биогенное вещество (каменный уголь, битумы, известняки, нефть и т. д.);

• косное вещество, образованное в процессах, в которых живое вещество не участвует;

• вещество, создаваемое живыми организмами и косными процессами, и их динамическое равновесие;

• вещество, находящееся в процессе радиоактивного распада;

• рассеянные атомы, которые выделяются из земного вещества различных видов под влиянием космических излучений;

• вещество космического происхождения, проникающее на Землю из космоса.

В. И. Вернадский определял живое вещество как всю совокупность организмов, растительных и животных, в том числе и человека. По его мнению, в функциональном плане живое вещество – это то звено, которое соединяет историю химических элементов с эволюцией всей биосферы.

Одним из основных отличий живого вещества от косной материи В. И. Вернадский считал асимметрию пространственной структуры молекул живой материи, т. е. он развил и дополнил идеи Л. Пастера.

Взаимодействие живой и неживой материи состоит в непрерывном круговороте химических элементов, при этом можно выделить три фундаментальных принципа непрекращающегося обмена веществ биосферы:

• биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к своему максимальному проявлению;

• эволюция устойчивых на Земле видов жизни должна идти в направлении, увеличивающем проявление биогенной миграции атомов в биосфере;

• заселенность биосферы в определенный геологический период времени должна быть максимальной для живого.

Так, зеленые растения обеспечивают наличие молекулярного кислорода и выполняют функцию аккумуляции солнечной энергии в биосфере. Микроорганизмы участвуют в минерализации органических веществ, образовании ряда горных пород, в почвообразовании и патогенном действии на другие организмы.

Биосфера – иерархически организованная живая система, единый суперорганизм с развитым гомеостазом, делающим его относительно независимым от флуктуации внешних факторов.

Стр. 76

Так, сопоставление палеонтологических и геологических данных свидетельствует о том, что по меньшей мере 2 млрд лет организмы контролируют климат на Земле, поддерживая глобальную температуру в относительно узких пределах. В качестве признака жизни биосферы рассматривается также химическая неравномерность атмосферы Земли. Когда саморегулирующаяся система (биосфера) попадает в состояние стресса, близкое к границам саморегуляции, даже малое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое состояние (бифуркация) или полностью уничтожить всю систему.

Примерно через каждые 25-30 млн лет органический мир Земли потрясали крупные катастрофы, кризисы вымирания, но у биосферы выработались компенсаторные и регуляторные механизмы биосферного гомеоста-за, и здесь большую роль играет основная структурная единица биосферы – биогеоценоз.

Огромное влияние человека на природу и масштабные последствия его деятельности послужили основой для создания учения о ноосфере. Термин «ноосфера» (от греч. noos- разум) переводится буквально как «сфера разума». Впервые его ввел в научный оборот французский ученый Э. Леруа (1927). Он рассматривал ноосферу как некое идеальное образование, внебиосферную оболочку мысли, окружающую Землю.

Ряд ученых предлагает употреблять вместо понятия «ноосфера» другие понятия: «техносфера», «антросфера», «психосфера», «социосфера» -или использовать их в качестве синонимов. Подобный подход представляется весьма спорным, так как между перечисленными понятиями и понятием «ноосфера» есть определенная разница.

Следует также отметить, что учение о ноосфере не носит пока законченного, канонического характера.

Учение о ноосфере было сформулировано в трудах одного из его основателей В. И. Вернадского. Осознавая огромную роль и значение человека в жизни и преобразовании планеты, он употребляет понятие «ноосфера» в разных смыслах: 1) как состояние планеты, когда человек становится крупнейшей преобразующей геологической силой; 2) как область активного проявления научной мысли; 3) как главный фактор перестройки и изменения биосферы.

Стр. 77

Очень важным в учении В. И. Вернадского о ноосфере было то, что он впервые осознал и попытался осуществить синтез естественных и общественных наук при изучении проблем глобальной деятельности человека, активно перестраивающего окружающую среду. По его мнению, ноосфера есть уже качественно иная, высшая стадия биосферы, связанная с коренным преобразованием не только природы, но и самого человека. Это не просто сфера приложения знаний человека при высоком уровне техники. Для этого достаточно понятия техносфера». Речь идет о таком этапе в жизни человечества, когда преобразующая деятельность человека будет основываться на строго научном и разумном понимании всех происходящих процессов и обязательно сочетаться с «интересами природы».

В настоящее время под ноосферой понимается взаимодействие человека и природы, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития. В структуре ноосферы можно выделить в качестве составляющих человечество, общественные системы, совокупность научных знаний, сумму техники и технологий в единстве с биосферой. Гармоничная взаимосвязь всех составляющих есть основа устойчивого существования и развития ноосферы [2, 11].

Говоря об эволюционном развитии мира, его переходе в ноосферу, основатели этого учения расходились в понимании сущности данного процесса. Т. де Шарден говорил о постепенном переходе биосферы в ноосферу, т. е. в сферу разума, эволюция которой подчиняется разуму и воле человека, путем постепенного сглаживания трудностей между человеком и природой.

У В. И. Вернадского мы встречаем другой подход. В его учении о биосфере живое вещество преобразует верхнюю оболочку Земли. Постепенно вмешательство человека все возрастает, человечество становится основной планетарной геологообразующей силой. Поэтому человек несет прямую ответственность за эволюцию планеты. Понимание им данного тезиса необходимо и для его собственного выживания. Стихийность же развития сделает биосферу непригодной для обитания людей. В связи с этим человеку следует соизмерять потребности с возможностями биосферы. Воздействие на нее должно быть дозировано разумом в ходе эволюции биосферы и общества. Постепенно биосфера преобразуется в ноосферу, где ее развитие приобретает направляемый характер.

Стр. 78

В этом и заключается непростой характер эволюции природы, биосферы, а также сложности появления ноосферы, определения роли и места в ней человека. В. И. Вернадский подчеркивал, что человечество лишь вступает в данное состояние. Сегодня говорить об устойчивой разумной деятельности человека нет достаточных оснований. Итак будет, по крайней мере, до тех пор, пока человечество не решит глобальные проблемы планеты, в том числе экологическую. О ноосфере правильнее говорить как о том идеале, к которому человеку следует стремиться.

Проблема происхождения жизни во Вселенной тесно связана с проблемой возникновения жизни на Земле. Она является одной из наиболее важных, узловых проблем для формирования планетарно-космического взгляда на эволюцию в целом. Рассмотрение этой проблемы следует начинать с анализа основных концепций возникновения жизни на Земле, к которым относятся следующие:

1. Креационистская концепция (креационизм), в соответствии с которой жизнь была создана сверхъестественным существом (существами) в определенный момент (промежуток) времени.

2. Концепция панспермии, согласно которой возможен перенос жизни в космическом пространстве с одной планеты на другую («заражение» Земли из космоса).

3. Концепция самопроизвольного зарождения, в соответствии с которой возможно возникновение жизни из неживого вещества (неоднократное).

4. Концепция стационарного состояния (жизнь существовала всегда).

5. Концепция возникновения жизни в результате биохимической революции.

Согласно концепции креационизма жизнь мыслится как Божье творение. Возникновение жизни можно рассматривать и как результат деятельности высокоразвитой цивилизации, создающей различные формы жизни и наблюдающей за их развитием.

Концепция панспермии предполагает внезапное появление жизни на планете, но сам механизм возникновения жизни, якобы имевшей место где-то в другой звездной системе, данная концепция не рассматривает.

Пока эта гипотеза полного научного обоснования не получила. При всей широте спектра возможных условий существования живых организмов считается, что они должны погибнуть в космосе под действием облучения. Космические исследования до настоящего времени позволяют считать, что вероятность обнаружить жизнь в пределах Солнечной системы очень мала. Доводы в пользу нахождения в метеоритах объектов, напоминающих примитивные формы жизни, пока выглядят малоубедительно.

Стр. 77

Теория самопроизвольного зарождения жизни существовала в Древнем Египте, Китае, Индии. Ее развивали Фалес, Анаксагор, Демокрит, Аристотель, позднее поддерживали Галилей, Декарт, Ламарк, Гегель. Однако еще в 1688 г. итальянский биолог Ф. Реди серией опытов с открытыми и закрытыми сосудами доказал, что появляющиеся в гниющем мясе черви – это личинки мух, и сформулировал свой принцип: все живое из живого (концепция биогенеза). В 1860 г. Л. Пастер доказал, что бактерии вездесущи и могут заражать неживые вещества, для избавления от них необходима стерилизация. Л. Пастер обосновал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения жизни.

Отрицание возможности самозарождения жизни в настоящее время не противоречит представлениям о принципиальной возможности развития органической природы и жизни в прошлом из неорганической материи. На определенной стадии развития материи жизнь может возникнуть как результат естественных процессов, совершающихся в самой материи. Кроме того, элементарные химические процессы на начальных этапах возникновения и развития жизни могли происходить не только на Земле, но и в других частях Вселенной и в различное время. Поэтому не исключается возможность занесения определенных предпосылочных факторов жизни на Землю из космоса. Однако в изученной пока человеком части Вселенной только на Земле они привели к формированию и расцвету жизни.

Сторонники теории вечного существования жизни считают, что Земля никогда не возникала, а существовала вечно. При этом она всегда была способна поддерживать жизнь, причем некоторые виды при изменениях условий на планете резко меняли численность или вымирали.

Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как разрывы в палеонтологической летописи, со все более высокими оценками возраста Земли, с обнаружением некоторых видов животных, которые ранее считались вымершими.

Данная теория не выдерживает критики, если учесть, что возраст Земли составляет, по последним научным данным, 4,5 млрд лет.

Современные представления о происхождении жизни восходят к гипотезам советского академика А. И. Опарина и английского естествоиспытателя Д. С. Холдейна. Пик исследований приходится на 50 – 60-е гг. прошлого столетия, хот» книга А. И. Опарина «Происхождение жизни» была опубликована еще в 1924 г.

Стр. 80

Появление жизни А. И. Опарин рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень – биохимическую эволюцию.

В далеком прошлом (4,5 млрд лет назад) Земля была очень горячей (4000-8000 °С), и по мере остывания образовывалась земная кора, а из воды, аммиака, двуокиси углерода и метана – атмосфера. Такая атмосфера называется восстановительной, поскольку не содержит свободного кислорода. При понижении температуры на поверхности Земли ниже 100°С образовались первичные водоемы. Под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей в газовой смеси происходил синтез органических веществ – мономеров, которые локально накапливались и соединялись друг с другом, образуя полимеры. Можно допустить, что тогда же одновременно с полимеризацией шло образование надмолекулярных комплексов – мембран.

По однотипным правилам в «первичном бульоне» гидросферы Земли синтезировались полимеры всех типов: аминокислоты, полисахариды, жирные кислоты, нуклеиновые кислоты, смолы, эфирные масла и др. Это предположение было экспериментально подтверждено американским ученым Л. С. Миллером в 1953 г. Пропуская электрические разряды через смесь нагретых газов Н₂, Н₂О (пар), СН₄ и NH₃, он получил целый ряд аминокислот и органических кислот. Оказалось, что таким путем можно синтезировать очень многие органические соединения, входящие в состав биологических полимеров – белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов.

Первичные клетки предположительно возникли при помощи молекул жиров (липидов). Молекулы воды, смачивая только гидрофильные концы молекул жиров, ставили их как бы «на голову», гидрофобными концами вверх. Таким образом создавался комплекс упорядоченных молекул жиров, которые за счет прибавления к ним новых молекул постепенно ограничивали от всей окружающей среды некоторое пространство, которое и стало первичной клеткой, или коацерватом, – пространственно обособившейся целостной системой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечивало возможность первичного обмена веществ со средой.

Стр. 81

Кроме коацерватов в «первичном бульоне» накапливались полинук-леотиды, полипептиды и различные катализаторы, без которых невозможно образование способности к самовоспроизведению и обмену веществ. Катализаторами могли быть и неорганические вещества.

Главная проблема в учении о происхождении жизни состоит в объяснении возникновения матричного синтеза белков. Жизнь возникла не тогда, когда образовались пусть даже очень сложные органические соединения, отдельные молекулы ДНК и др., а тогда, когда начал действовать механизм конвариантной редупликации. Именно поэтому завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких коацерватов способности к самовоспроизведению составных частей, с переходом к матричному синтезу белка, характерному для живых организмов. В ходе предбиологического отбора наибольшие шансы на сохранение имели те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению.

Переход к матричному синтезу белков был величайшим качественным скачком в эволюции материи. Однако механизм такого перехода пока неясен.

В настоящее время наиболее перспективными являются гипотезы, которые опираются на принципы теории самоорганизации, синергетики, на представления о гиперциклах, т. е. о системах, связывающих самовоспроизводящиеся (автокаталитические) единицы друг с другом посредством циклической связи.

В таких системах продукт реакции одновременно является и ее катализатором или исходным реагентом. Поэтому и возникает явление самовоспроизведения, которое на первых этапах совсем не обязательно приводило к образованию точной копии исходного органического соединения. О трудностях становления самовоспроизведения свидетельствует существование вирусов и фагов, которые представляют собой, по-видимому, осколки форм предбиологической эволюции.

В системе коацерватов происходил отбор нуклеиновых кислот по наиболее удачному сочетанию последовательности нуклеотидов. По этому пути формировались гены. Самовоспроизводящиеся системы со сложившейся стабильной последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте уже могут быть названы живыми.

Стр. 82

В нашу эпоху отсутствуют условия для синтеза и усложнения органических веществ: простые соединения, которые могли бы где-то образоваться, сразу же были бы использованы гетеротрофами. Теперь живые существа появляются только вследствие размножения.

Возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами (ускорение эволюции во времени). Так, развитие от первичных протобионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн лег, птицы, млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн лет, приматы выделились за 12-15 млн лет, для становления человека потребовалось около 3 млн лет [13].

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Вопросами происхождения планет Солнечной системы занимается космогония. К сожалению, пока нет возможности проверить выводы теории на какой-то другой планетарной системе.

Наблюдения за планетами позволили выявить следующие закономерности:

• почти все планеты вращаются в одном направлении, как и почти все спутники вокруг своих планет;

• почти все планеты имеют малый наклон плоскости орбит к плоскости эклиптики (плоскости траектории годового движения Солнца) и малые эксцентриситеты (кроме Плутона и некоторых малых планет);

• все планеты вращаются вокруг Солнца в одном направлении вокруг своих осей;

• расстояния планет до Солнца составляют некоторую прогрессию, определяемую правилом Тициуса – Боде;

• планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) имеют меньшую плотность и больший размер и вращаются вокруг своих осей быстрее, чем планеты земной группы.

Возраст Земли составляет около 5 млрд лет. Максимальный возраст у метеоритов – объектов, приходящих к нам из Солнечной системы (7 млрд лет).

Стр. 83

Основные характеристики планет приведены в табл. 4.

Таблица 4 Характеристики планет Солнечной системы (масса и радиус Земли приняты за единицу)

В настоящее время известен ряд гипотез образования Солнечной системы [1].

Так, французский зоолог Ж. Л. Леклерк Бюффон (1707-1788) считал, что материя, из которой возникли все планеты, была выброшена из недр Солнца ударом кометы. Эти куски солнечного вещества постепенно группировались в комки и охлаждались. Бюффон ставил опыты с раскаленными шарами и заключил, что Земле потребовалось бы для охлаждения 75 тыс. лет. Он ввел в науку о неживой природе идею эволюции, что вызвало к жизни небулярную гипотезу происхождения планет (от лат. nebule – туман, облако).

По гипотезе Канта – Лапласа образование планет произошло в результате эволюции холодной (И. Кант) или горячей (П. Лаплас) пылевой туманности, быстро вращающейся вокруг центра масс.

И. Кант предположил, что Солнечная система образовалась из космического облака, или «хаоса». Мировое пространство, по его мнению, было заполнено инертной, бесформенной и неупорядоченной материей, стремящейся преобразоваться в более организованную путем естественного развития. Совокупность действия ньютоновского притяжения и сил отталкивания (понятие ввел И. Кант) обусловила возможность зарождения в хаосе круговых движений, поэтому и орбиты планет почти круговые, и вращаются они в одну сторону. Образовавшись из сгущений, возникших в первичной туманности, планеты отдалялись от нее и от Солнца центробежной силой.

Стр. 84

И. Канту удалось представить структуру Вселенной, которую не предполагал И. Ньютон: Вселенная есть иерархия самогравитирующих систем.

По П. Лапласу (1786), первичное Солнце было звездой огромных размеров, превышающих радиус орбиты Юпитера. При медленном вращении этой материи происходило охлаждение и конденсация. По мере сжатия скорость вращения увеличивалась вследствие сохранения момента количества движения, тогда как центробежная сила в области экватора росла, и в этой области от первичного Солнца должно было отделиться газовое кольцо. Из отделяющихся от первичного Солнца колец материи образовались планеты. Каждое кольцо разрывалось на несколько масс, конденсирующихся потом в планету. Спутники планет образовались из газовых колец, отделенных уже самими планетами.

Небулярная гипотеза Канта – Лапласа оставалась первой ротационной гипотезой о возникновении Солнечной системы вплоть до конца XIX в. Однако ока не объясняла больших размеров орбит внешних планет-гигантов и медленности вращения Солнца, а также не отвечала на вопрос, почему момент количества движения планет почти в 29 раз больше момента количества движения (момента импульса) Солнца, если Солнечная система изолирована.

Последнее обстоятельство предполагало вмешательство какой-то внешней силы. Так появились катастрофические гипотезы.

Д. X. Джинс, автор одной из таких гипотез, предположил, что какая-то звезда прошла около Солнца и вырвала газовые струи, из которых и возникли планеты. Недостатком такой гипотезы является уникальность образования планетной системы, поскольку близкое прохождение звезд, почти столкновение, – очень редкое событие (происходит раз в 10¹⁷ лет).

Академик О. Ю. Шмидт (1891-1956) отказался от гипотезы изолированной Солнечной системы. Он полагал, что Солнце могло захватить из галактики материю, обладающую достаточным моментом. При образовании планет из метеоритов стало преобладать какое-то направление вращения, и все планеты начали двигаться в одну сторону. Кроме того, орбиты стали симметричными по всем направлениям, почти круговыми. Расчеты О. Ю. Шмидта показали уменьшение периода вращения Солнца до 20 суток (сейчас он равен 25 суткам), что считается хорошим результатом.

Стр. 85

Академик В. Г. Фесенков (1899-1972) обратился к внутренним процессам Солнца. Он считал, что при переходе от одного типа ядерных реакций внутри Солнца к другому для условия равновесия потребовался выброс массы, что соответствовало расчетам английского астронома и математика Джорджа Дарвина (сына Ч. Дарвина) и русского математика и механика A.M. Ляпунова (1857-1918). Гипотеза В.Г. Фесенкова связала развитие Солнечной системы в единое целое и избавила теорию планетообразования от внешних случайных факторов.

Использование ЭВМ позволило рассчитать эволюцию модели Солнечной системы при разных начальных условиях.

При определенных значениях массы, плотности и температуры газопылевой комплекс начинает сжиматься, возникающие неоднородности разрывают его на фрагменты, из которых при дальнейшем сжатии и образуются протозвезды. Наше Солнце стало протозвездой около 5 млрд лет назад. Центробежные силы выделили экваториальную область, в ней возникали неустойчивые нестационарные потоки в газе и пыли, и часть этого вещества была оторвана от самого Солнца, унося с собой избыточный момент количества движения. Так образовался газопылевой диск в экваториальной плоскости Солнца. Этот диск рос, и в нем возникали условия для рождения планет. Во вращающемся и сжимающемся фрагменте, потерявшем часть вещества на образование диска, увеличивалась температура, росло давление, что препятствовало дальнейшему сжатию. Во внешних слоях стали происходить бурные процессы, вызвавшие появление токов огромной силы в ионизированном газе и сильных магнитных полей. Когда температура достигла 10 млн К, начались термоядерные реакции и «загорелось» Солнце. На этот процесс потребовалось почти 100 млн лет.

Протопланетное облако к этому времени представляло собой кольцо, в котором при уплотнении пылинки сжимались между собой. Солнце нагревало внутреннюю часть кольца, вызывая испарение, выгоняя солнечным ветром более легкие элементы в дальние части кольца, где они замерзали. Так происходило образование двух групп планет. Планеты земной группы образовались примерно за 100 млн лет.

Стр. 86

В зависимости от расстояния до Солнца разные части туманности остывали с разной скоростью. Это привело к неоднородности протекания химических процессов, которая усиливалась излучением и корпускулярной радиацией Солнца, что потом отразилось на составе образовавшихся планет. Химическая эволюция протекала тоже по-разному: сначала конденсировались наиболее тугоплавкие соединения, потом – летучие. Сгущение высокотемпературных фракций конденсатов вело к образованию ядер планет, обогащенных железо-никелевым сплавом. Затем оседали мегнезиально-силикатные породы, которые образовали первичные мантии. Более поздние конденсаты – гидратированные силикаты, органические вещества и летучие соединения. Так формировались первичные планеты земной группы [6].

Планеты-гиганты образовывались дольше. За 100 млн лет сформировались их ядра, потом они аккумулировали газ окружающего пространства и образовали свои атмосферы. Начальные температуры планет-гигантов были высокими (у Юпитера – 500 К, у Сатурна – 2000 К), что обеспечивалось распадом короткоживущих радиоактивных элементов и интенсивным падением метеоритов. Формирование более дальних планет происходило еще медленнее.

Планеты земной группы

Таким образом, в Солнечной системе образовались 9 планет и пояс астероидов (рис. 16). Объединенные в одну группу ближние к Солнцу планеты: Меркурий, Венера, Земля, Марс – хотя и близки по некоторым характеристикам, но все же каждая из них имеет свои особенности.

Меркурий – самая малая планета земной группы. Эта планета не смогла сохранить атмосферу в том составе, который характерен для Земли, Венеры, Марса. Ее атмосфера крайне разрежена и содержит Аr, Ne, He. Атмосфера Земли отличается большим содержанием кислорода и паров воды, благодаря которым обеспечивается существование биосферы. На Венере и Марсе в атмосфере содержится большое количество углекислого газа при очень малом содержании кислорода и паров воды – все это характерные признаки отсутствия жизни на данных планетах. Нет жизни и на Меркурии: отсутствие кислорода, водорода и высокая температура (620 К) препятствуют развитию живых систем. Остается открытым вопрос о существовании жизни на Марсе в отдаленном прошлом [17].

Стр. 87

Рис. 16. Схема Солнечной системы

Планеты Меркурий и Венера спутников не имеют. Природные спутники Марса – Фобос и Деймос.

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун относятся к планетам-гигантам.

Юпитер – пятая по расстоянию от Солнца и самая большая планета Солнечной системы – находится на среднем расстоянии от Солнца, равном 5,2 а. е. (1 а. е. = 1,510 км). Юпитер – мощный источник теплового радиоизлучения, обладает радиационным поясом и обширной магнитосферой. Эта планета имеет 16 спутников и окружена кольцом шириной около 6 тыс. км.

Сатурн – вторая по величине планета. Сатурн окружен кольцами, которые впервые наблюдал в 1610 г. Галилей с помощью созданного им телескопа. Кольца представляют собой плоскую систему множества мелких спутников планеты. Сатурн имеет 17 спутников и обладает радиационным поясом.

Уран – седьмая по порядку удаления от Солнца планета. Вокруг Урана вращается 15 спутников: 5 из них открыты с Земли, а 10 – с помощью космических аппаратов. Уран имеет систему колец.

Стр. 88

Нептун – одна из самых удаленных от Солнца планет (она находится от него на расстоянии около 30 а. е.). Нептун имеет 8 спутников. Удаленность от Земли ограничивает возможности его исследования.

Плутон не относится ни к планетам земной группы, ни к планетам-гигантам. Это сравнительно небольшая планета: ее диаметр около 3000 хм. Плутон принято считать двойной планетой. Его спутник, примерно в 3 раза меньший по диаметру, движется на расстоянии около 20 000 км от центра планеты, совершая один оборот за 4,6 суток.

Строение Земли

В настоящее время принято как научный факт сферное (оболочечное) строение Земли. Главными оболочками являются баросфера, гидросфера, атмосфера. О биосфере и ноосфере речь уже велась ранее. Гидросферу и атмосферу называют внешними оболочками Земли, баросфера- внутренняя земная оболочка [8,16].

Земные оболочки различаются прежде всего плотностью их физических веществ. Так, плотность воздуха при нормальных условиях (t = 0 °С, р = 1 атм = 760 мм рт. ст.) равна 1,3 г/1 дм³. Плотность воды составляет примерно 1 кг/1 дм³, плотность горных пород – 2,5-2,8 кг/1 дм³.

Земные оболочки взаимосвязаны и проникают друг в друга. Гидросфера практически всегда присутствует в литосфере (верхняя оболочка Земли) и в атмосфере, атмосфера – в литосфере и гидросфере и т. п. Во всех этих оболочках присутствует биосфера. В литосфере бактерии встречаются до глубины 4-5 км от поверхности Земли, в гидросфере – до максимальных глубин Мирового океана, в атмосфере – до основного озонового слоя (до 36 км от поверхности Земли).

Как уже отмечалось ранее, Эратосфен впервые довольно точно определил радиус Земли. Затем после работ И. Ньютона появилось предположение о том, что земной шар сплюснут у полюсов вследствие особого вращения, т. е. Земля имеет форму сфероида или эллипсоида, сплюснутого вдоль оси вращения. В XIX в. было установлено, что Земля имеет еще более сложную форму – геоида.

Геоид- фигура, поверхность которой всюду перпендикулярна направлению силы тяжести. Геоид – это такая фигура, которую образовала бы поверхность Мирового океана, будь она свободна от всяческих возмущений (приливов, неоднородностей атмосферного давления и т. п.). Геоид и элипсоид вращения, описывающие поверхность Земли, достаточно близки друг к другу.

Стр. 89

Что на сегодняшний день известно о строении Земли? Самый большой объем знаний получен путем анализа физических полей, основным из которых является поле упругих сейсмических волн, возникающих в очагах землетрясений, ядерных взрывов, а также путем математического моделирования.

Строение Земли очень сложное, оно постоянно уточняется и детализируется.

В первом приближении внутри Земли находятся ядро, мантия и земная кора. Все эти элементы имеют, в свою очередь, сложную структуру, состоят из концентрических слоев (рис. 17).

Рис. 17. Внутренние оболочки Земли

Ядро Земли занимает примерно 17% объема земного шара, или 34% массы Земли. В структуре ядра выделяют три слоя: внутреннее ядро (субъядро), находящееся глубже 5120 км; переходную область (4980-S120 км); внешнее ядро (от нижней границы мантии до глубины 4980 км).

Стр. 90

Внутреннее ядро Земли представляет собой шар диаметром 2500 км и имеет кристаллическую структуру. Его температура превышает 4000°С, но благодаря гигантскому давлению (свыше 500000 атм) оно сохраняет свою кристаллическую природу.

Согласно современным геофизическим данным, внешнее ядро жидкое. Оно состоит, по-видимому, из жидкого железа с примесью кремния, никеля и их соединений с серой и кислородом. Твердое ядро «плавает» в жидкой оболочке. Внутреннее ядро более чем на 90% состоит из железа. Эта железная составляющая (особенно во внешнем, жидком ядре) ответственна за земной магнетизм. Энергичное конвективное движение внутри внешнего ядра объясняет неоднократное изменение магнитной полярности нашей планеты. Палеомагнитные данные древних пород свидетельствуют о том, что северный и южный магнитные полюса неоднократно менялись местами.

Мантия Земли, расположенная от подошвы земной коры до поверхности ядра, находящегося на глубине 2900 км, состоит главным образом из окислов кремния, магния и железа. Вещество мантии находится в жидком состоянии, но вязкость его очень высока. Для всей мантии характерны сильные конвективные движения, которые обеспечивают смещение литосферных плит и приводят к извержению на поверхность Земли высокотемпературных (около 1300 °С) лав – мантийного вещества.

Ближайший к поверхности Земли слой мантии – это литосфера. Она состоит из плит, которые при отсутствии внешних воздействий длительное время сохраняют свою форму. Как правило, располагающееся под литосферными плитами вещество частично размягчено и под давлением деформируется и течет, что приводит к движению плит.

Перемещение литосферных плит, крупнейшие из которых Тихоокеанская, Северо-Американская, Евроазиатская, Африканская, Индо-Австра-лийская и Арктическая, составляют около 3 см в год, что за миллионы лет складывается в тысячи километров. Мощность (толщина) литосферных плит составляет от 2 до 100 км.

Земная кора – внешняя оболочка Земли толщиной менее 10 км под океанами, но более 25 км под материком. Океаническая кора состоит в основном из базальтов – пород вулканического происхождения. Континен-тальная кора сложена из гранитов и магматических пород. Плотность океанической коры больше, чем плотность континентальной коры.

Стр. 91

Водная оболочка Земли (гидросфера)

Поверхность Земли на 71% покрыта водой. Совокупность всех водных объектов земного шара: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников, снежных покровов – образует гидросферу Земли.

Большая часть гидросферы (около 63%) сосредоточена в Мировом океане. На пресные воды суши приходится не более 0,05% всех вод Отличительной особенностью водной оболочки является полный охват ее жизнью.

Воду еще с древних времен рассматривали как основу жизни. Согласно воззрениям Фалеса, Аристотеля и др., она входит в число четырех начал и ее соединение с другими началами (земля, воздух, огонь) породило все многообразие мира.

Вода обладает многими удивительными свойствами. Наибольшую плотность она имеет при 4°С, при дальнейшем охлаждении ее объем увеличивается почти на 10%, а плотность уменьшается. Поэтому лед и не тонет. На это уникальное свойство обратил внимание еще Галилей. Именно этой особенностью обусловливается сохранение жизни в водоемах зимой.

Из-за большой теплоемкости вода обеспечивает возможность стабилизации температуры в условиях, близких к благоприятным для живых организмов. Моря и океаны являются гигантскими термостатами, сглаживающими суточные и сезонные колебания температуры. Причем не только большие массы воды, такие как моря, способны сглаживать эти колебания. Резкие суточные колебания температуры врайоне великих пустынь связаны с отсутствием водяного пара в воздухе. Одно и то же количество солнечной энергии повышает температуру песка в 5 раз больше, чем температуру такого же количества сухого воздуха. Сухой воздух лишен водяного пара, способного сдержать быстрое ночное охлаждение песка.

Вода как растворитель играет основную роль всуществовании жизни. Более 90% массы живой клетки приходится на долю молекул воды. Действительно, основная часть реакций в живой клетке происходит в растворе, где ионы и молекулы получают возможность относительно свободного движения. Вода участвует в транспортировке веществпо живому организму, обеспечивает стабильные условия для обитанияклеток иорганизмов.

Стр. 92

Вода является участником процессов обмена веществ (метаболизма). При фотосинтезе она служит источником водорода и участвуют в реакциях гидролиза. Она одновременно и среда, в которой протекают все биохимические процессы, и их участник. Вода – слабый электролит. Даже в сверхчистой воде одна молекула из 5 млрд (2 10^-10) диссоциирует на катион водорода Н^– и анион ОН .

Земля непрерывно получает энергию от Солнца и одновременно излучает ее в космическое пространство. Если оценить баланс этих процессов, то получится следующее. В северном полушарии (от 38 параллели и до полюса) излучение энергии обычно больше, чем поглощение от Солнца. На экваторе ситуация меняется. Выравнивание температуры происходит исключительно благодаря круговороту воды.

За счет циркуляции воздушных масс в атмосфере и морских течений избыточная солнечная энергия переносится из теплых волн в холодные. Важную роль играют полюса, на которых вследствие таяния льда поглощается избыточная энергия.

Общая масса снега и льда на Земле составляет 0,0004% от массы всей Земли, или 2,15% от массы всей воды. Этого достаточно для того, чтобы покрыть всю поверхность планеты слоем толщиной 53 см. Если эта масса растает, то уровень океана поднимется на 64 м. В Антарктике и Гренландии находится 99% льда.

Общая масса воды составляет 1/4000 массы Земли (около 1,510¹⁵т). Вода находится в трех фазовых состояниях: твердом, жидком и газообразном (табл. 5).

Таблица 5 Количество воды на Земле

Мировой океан – основная часть гидросферы. Средняя глубина вод океана составляет 3,8км, общий объем воды- приблизительно 1 млрд 340млн км³. Основные характеристики океанов приведены в табл. 6.

Стр. 93

В настоящее время годовой водный баланс Мирового океана складывается следующим образом, тыс. км³: расход (испарение воды с поверхности Мирового океана и суши) – 505; приход (осадки) – 458 (90%); речной сток – 47.

Таблица 6 Основные характеристики океанов

Современный уровень Мирового океана установился около 7000 лет назад. Колебания уровня за последние 200 млн лет, по данным геологических исследований, составили не более ±100 м относительно современного.

Средняя продуктивность океана невелика и соизмерима с продуктивностью пустыни. Высокой продуктивностью отличаются только 17% поверхности океана. Это зоны, в которых солнечные лучи достигают дна (глубины не более 500 м, коралловые рифы, мелководья). Около половины поверхности Мирового океана – биологическая пустыня. Более 2/3 биомассы живых организмов сосредоточенно на глубине до 500 м.

Подземными водами называют все воды, находящиеся под земной поверхностью. В глубине Земли воды больше, чем на поверхности. По примерным оценкам, количество подземной воды составляет 28,5 млрд км³, что почти в 15-20 раз больше, чем в Мировом океане. Неразрывная связь всех вод Земли позволяет заключить, что подземная вода является основным резервуаром, из которого пополняются поверхностные моря и океаны.

Всю подземную гидросферу можно разбить на 5 зон:

1. Криозона – зона «твердой воды» (область льдов). Глубины, до которых простираются льды, неизвестны. Область их распространения охватывает северные районы Евразии и Америки, Антарктиду. Криозона включает не только лед, но и жидкие рассолы, замерзающие при низких температурах (могут отвечать за образование вечной мерзлоты). Толщина крио-зоны достигает 1 км.

Стр. 94

2. Зона «жидкой воды». Охватывает практически всю земную кору. Количество воды соизмеримо с содержанием ее в Мировом океане.

3. Зона парообразной воды. Ограничена слоями с температурой 450-700 °С. Простирается до глубины 160 км, давление достигает 5 ГПа.

4. Зона мономерных молекул воды. Охватывает слои с диапазоном температур 700-1000 °С и давлением до 10 ГПа. Граница доходит до глубины 270 км.

5. Зона «плотной воды». Простирается до глубины 3000 км и охватывает всю мантию с температурой 1000-4000 °С и давлением до 120 ГПа. Вода полностью диссоциирована на ионы водорода и кислорода и в обычном смысле, конечно, отсутствует.

Атмосфера Земли – это ее газовая (воздушная) оболочка, распространяющаяся до высот более 100 км.

С атмосферой человек связывает свои представления о погоде и климате, так как последние непосредственно влияют на живые организмы.

Масса атмосферы около 5 10¹⁸ кг, причем половина воздуха сосредоточена на высотах ниже 6 км. По оценкам ученых, возраст воздушной оболочки составляет несколько миллиардов лет.

Условная верхняя граница атмосферы располагается там, где ее плотность оказывается равной платности газов межпланетного пространства, -на высоте около 1000-1200 км (где еще наблюдаются полярные сияния).

Атмосфера вращается вместе с Землей. У поверхности Земли современная атмосфера состоит (в весовых процентах) из азота (78%), кислорода (21%), инертных газов и водорода (0,94%), углекислого газа (0,03%) и в небольших количествах содержит О₃, СО₂, NH₃, СН₄, SО₂ др. Воздух в атмосфере загрязнен: даже над открытым морем в 1 см³ воздуха содержится более 1000 пылинок. В атмосферу с земной поверхности непрерывным потоком поступают всевозможные примеси, порождаемые геохимическими и биологическими процессами, а также человеческой деятельностью. Прежде чем вернуться на Землю, в почву или воды, эти вещества вместе с потоками воздуха странствуют в атмосфере, участвуя в микрохимических и микрофизических процессах.

Стр. 95

Основными процессами в атмосфере являются солнечная радиация и конвективный обмен. Исследования атмосферы сводятся к выявлению в ней изотерм и изобар (линий и поверхностей системы координат, соответствующих постоянным температуре и давлению), а также аналогичных линий, характеризующих распределение влагосодержания. В атмосфере имеются свои узловые регионы с устойчивыми минимумами и максимумами температуры и давления, например исландский и алеутский минимумы давления. Именно в районе исландского минимума обычно зарождаются циклоны, проходящие через всю Европу с запада на восток. Кроме того, существуют области, в которых слабое давление летом сменяется повышенным давлением зимой (Восточная Сибирь).

По характеру изменения температуры с высотой в атмосфере выделяют 5 сфер: тропосферу (до 20 км); стратосферу (до 55 км); мезосферу (до 90 км); ионосферу (до 800 км); экзосферу (2000-3000 км).

Тропосфера простирается около полюсов на 8-10 км, около экватора -на 16-19 км, т. е. зависит от географической широты. В тропосфере находится 75% всей массы воздуха. В ней из-за постоянного перемешивания воздуха образуются облака, дождь, снег, град, ветер. Поэтому тропосферу называют «фабрикой погоды». С высотой температура воздуха в тропосфере убывает примерно на 1 градус на каждые 200 м. На верхней границе тропосферы средняя годовая температура равна – 50-70 °С.

В лежащей выше стратосфере температура воздуха медленно растет и на верхней границе достигает 0 °С. О температуре уже можно говорить только как о мере энергии частиц. Концентрация частиц в стратосфере в 100 раз меньше, чем у поверхности Земли. Водяного пара в стратосфере нет. Здесь на высоте от 20 до 30 км лежит озоновый слой. Между стратосферой и тропосферой за счет конвекции происходит постоянный обмен воздушными массами. Поэтому стратосферу иногда называют «кладовой погоды».

Следующий слой – мезосфера. При увеличении высоты температура падает до – 70-80 °С. На высоте 80 км образуются серебристые облака.

Выше мезосферы располагается ионосфера (до 800 км), которая состоит преимущественно из заряженных частиц, обладающих способностью отражать короткие радиоволны, что позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь. Температура характеризуется непрерывным повышением. Так, при подъеме с высоты 150 км до 500-600 км температура изменяется от 220 до 1500 °С.

Стр. 96

Внешняя оболочка – экзосфера – простирается от ионосферы до высоты 2000-3000 км, при этом температура с ростом высоты продолжает увеличиваться до 2000 °С.

Понятие климата возникло еще в Древней Греции (от греч. Mima – наклон). Люди уже тогда понимали, что погодные условия зависят от наклона земной поверхности к солнечным лучам, т. е. от высоты Солнца над горизонтом. Позднее помимо «наклона» стали учитывать влияние подстилающей поверхности океана и суши на атмосферу.

Под климатом понимают усредненные за сто лет характеристики (температуру, давление, освещенность, количество осадков и т. п.). Оказалось, что такое усреднение довольно точно характеризует условия, существующие как в отдельных зонах, так и на планете в целом. Именно поэтому климат является глобальной характеристикой. На протяжении жизни отдельного человека климат практически остается постоянным, погода рассматривается как нечто колеблющееся около некоторых средних величин.

Климат как общепланетное явление есть результат саморегулирующихся процессов в атмосфере. Последняя, в свою очередь, представляет собой сложную систему (с почти постоянным поступлением энергии извне), находящуюся в состоянии, близком к неустойчивому равновесию, с балансом энергии, зависящим от соотношения площадей ее подсистем. Количественная теория климата еще не создана. Для ее создания необходимо изучить гидрометеорологические процессы в масштабах всей планеты как единое целое.

Основными климатообразующими процессами являются теплообмен, влагообмен и циркуляция атмосферы. Все эти процессы связаны друг с другом, так как имеют один источник энергии – Солнце.

Теплообмен складывается в основном из процессов поглощения солнечной энергии поверхностью суши и океанов; испарения воды (включая испарение растениями); теплоотдачи от поверхности океана и суши в атмосферу, таяния и кристаллизации воды. Количество тепла, выделяемого океаном и сушей, примерно одинаково, но так как площадь суши в три раза меньше площади океанов, то интенсивность теплового потока с единицы поверхности суши в 3 раза выше, чем с единицы поверхности океана. Интенсивность теплового потока от океана достигает максимума в тропических поясах. Толщина океанического слоя, в котором проявляются сезонные колебания, составляет 240 м, а толщина аналогичного слоя суши -10 м. Океан играет ведущую роль в климатической системе, определяя изменения климата и долгосрочные аномалии погоды.

Стр. 97

Влагообмен проявляется в испарении воды с подстилающей поверхности, конденсации и выпадении осадков, переносе водных масс течениями в морях и океанах. Годовое количество осадков на океанах в 1,5 раза больше, чем на суше, однако в экваториальном поясе разницы практически нет. В умеренном поясе южного полушария на суше выпадает осадков больше, чем на океанах. Распределение осадков в пространстве связано с рельефом и физическими свойствами подстилающей поверхности, которые влияют на развитие вертикальных движений воздуха.

Циркуляция атмосферы складывается из горизонтальных и вертикальных воздушных течений. Существование постоянной разности температур между экватором и полярными областями является основной причиной движения воздуха в атмосфере. Воздушные потоки не распределяют влагу над поверхностью Земли. В процессе планетарного влагообмена в тропосферу над сушей поступает тепло с океанов, достаточное для испарения годового стока воды с суши в океан.

Климат классифицируют по различным признакам:

1. По объему территорий, охватываемых анализом отмеченных выше взаимосвязей: макроклимат – от планеты до крупных географических районов; мезоклимат – для крупного географического ландшафта (лес, город и т. п.); микроклимат – для небольшой территории или отдельных небольших объектов (склон, улица, дом, нора и т. д.).

2. По географическим зонам: климат тундры, тайги, пустыни, саванны, тропического леса и т. д.

3. По связи атмосферы с поверхностью Земли: климат приземного слоя, климат высоких слоев атмосферы.

4. По нахождению воздушных масс над сушей или океаном: океанический, морской, континентальный.

5. По степени насыщенности водяными парами: аридный (сухой), се-миаридный, гумидный (влажный).

Стр. 98

Основными географическими факторами, обусловливающими пространственные различия климата, являются: географическая широта местности, подстилающая Поверхность (пустыня, лес, тундра, степь и т. д.), близость к океану, высота над уровнем моря.

Географическая широта оказывает самое сильное влияние на взаимосвязь процессов тепло- и влагообмена, циркуляцию воздушных масс. Так, отклоняющая сила вращения Земли (силы Кориолиса), перенос влаги, выпадение осадков непосредственно связаны с широтой местности. Поэтому и возникло понятие зонального климата.

Температура воздуха вблизи поверхности Земли повышается при движении от полюса к экватору (рис.6).

Рис. 6. Связь среднегодовой температуры с широтой местности

Среднегодовая температура на Южном полюсе (-35 °С) ниже, чем на Северном (-19 °С). Область с самой высокой среднегодовой температурой (20°С) находится не на экваторе, она несколько смещена в сторону Северного полюса. Оказывается, Южное полушарие холоднее Северного. Это связано с разными условиями теплового режима полушарий.

Действительно, в Северном полушарии на сушу приходится 39% поверхности, а в Южном- 19%. Различны и характеристики полярных областей. Северная полярная область занята океаном и за счет связи с другими океанами получает значительное количество тепла. Южная полярная область занята материком, покрытым самым мощным ледяным покровом, и приток энергии возможен только за счет атмосферных процессов и излучения Солнца. Постоянные области высокого давления (антициклоны) изолируют Антарктику от переносов тепла. Свою лепту вносит и отражающая способность льдов. Так, поверхность антарктических льдов отражает 90% падающего от Солнца излучения (т. е. поглощается только 10%), а для Арктики отражение составляет 70% (30% поглощается льдами и водой).

Стр. 99

Облака составляют необходимое звено влагообмена, так как в них формируются осадки. Сами облака постоянно испаряются, поскольку окружены ненасыщенным воздухом, и, казалось бы, должны быстро исчезнуть, но восходящие потоки воздуха обеспечивают непрерывную конденсацию, поддерживающую существование облаков длительное время. Для обоих полушарий максимум облачности приходится на умеренные пояса. Наиболее облачная область Земли- Центральная Арктика. Тропические пояса характеризуются минимальной облачностью в любом сезоне.

Абсолютная и относительная влажность воздуха постоянно изменяются благодаря как крупномасштабным, так и местным движениям воздушных масс. Восходящие движения воздуха ведут к повышению абсолютной и относительной влажности, а нисходящие – к понижению. Важным локальным фактором восходящих движений воздуха является характер подстилающей поверхности.

Суша или вода, пустыня или степь, сухая или влажная почва, ровная или пересеченная поверхность, горы со склонами разной экспозиции и крутизны, теплые или холодные течения, плавучие льды или острова и т. д. являются той поверхностью, с которой встречаются солнечные лучи на Земле. В зависимости от этого солнечная энергия поглощается поверхностью или отражается и теряется в окружающем пространстве. Очень важно расположение территории и крупных горных систем, так как перенос воздуха в тропосфере с океанов на материк определяется размерами континента и наличием горных систем. Так, например, влажный атлантический ветер может достигать Уральских гор, где оставляет большую часть своих осадков, что обусловливает заметную разницу в погоде Предуралья и Зауралья.

Все более ощутимым становится воздействие человека на климат. Особенно это проявляется в больших городах, где резко изменены теплообмен, подстилающая поверхность и циркуляция атмосферы.

Стр. 100

Заключение

Научное познание движется от незнания к более полному знанию предмета, в данном случае – к раскрытию всеобщих связей явлений природы, их взаимопереходов, принципов организации и развития. Этот процесс имеет свое начало, но пока существует человечество, он не будет иметь завершения. В общем процессе познания каждая из наук формирует представление о той или иной стороне явлений природы, но только на основе достижений всех наук складывается объективный и системный взгляд на окружающую человека действительность.

Естествознание- продукт цивилизации и условие ее развития. С помощью науки человек развивает материальное производство, совершенствует общественные отношения, воспитывает и обучает новые поколения людей, лечит свое тело. Прогресс естествознания и техники значительно изменяет образ жизни и благосостояние человека, совершенствует условия быта людей. Благодаря знанию законов природы человек может изменить и приспособить природные элементы и процессы так, чтобы они удовлетворяли его потребностям. Большая часть современной материальной цивилизации была бы невозможна без участия в ее создании научных теорий, научно-конструкторских разработок, предсказанных наукой технологий и др.

Однако у современных людей наука вызывает не только восхищение и преклонение, но и опасение. Известно, что интенсивное внедрение человека в природу создало «неожиданную» ситуацию- начала разрушаться окружающая среда. Загрязнение атмосферы, катастрофы на атомных электростанциях, «озоновая дыра» над планетой, исчезновение многих видов растений и животных, угроза перенаселения – все эти и другие экологические проблемы люди склонны объяснять самим фактом существования наука Но дело не в науке, а в том, в чьих руках она находится, какие общественные и государственные структуры направляют ее развитие.

Наука – это социальный институт, и она теснейшим образом связана с развитием всего общества. Сложность, противоречивость современной ситуации заключается в том, что наука безусловно причастна к порождению глобальных, прежде всего экологических, проблем цивилизации (не сама по себе, а как зависимая от других структур часть общества); в то же время без дальнейшего развития науки решение данных проблем в принципе невозможно. Это значит, что роль науки в истории человечества возрастает, поэтому умаление роли науки, естествознания в настоящее время опасно: оно обезоруживает человечество перед нарастанием глобальных проблем современности.

Стр. 101

Мир сложен, многообразен, и в нем еще много непознанного. Многие явления природы и самого человека, его биологической, духовной составляющих пока не получили убедительного научного объяснения и потому носят загадочный, таинственный характер. Так, не исследованы в достаточной мере физические и оптические явления в атмосфере, законы макроэволюции, общественного развития, энергетика человеческого организма, возможности и пороги ощущений и восприятия, сфера эмоционального переживания личности, формы общения, коммуникации и многое другое. Но наука не может сразу решить все проблемы познания, немедленно объяснить все непонятное и загадочное. Научное познание – это историческая деятельность, которая развивается по мере совершенствования не только людей, но и средств познания.

Можно быть уверенным, что непознанное сегодня рано или поздно будет исследовано и объяснено. Основания этой уверенности – в истории естествознания, истории цивилизации, которые убедительно демонстрируют мощь и торжество человеческого мышления, научно-рационалистического отношения к миру.

Стр. 102