1.1 Генетически модифицированные продукты.
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА Документ СМК 3 УМКД УМКД 042-18уровня 34.1.75/032014 УМКД Учебно-методические Редакция № 1 материалы по от 11.09.2014 г. дисциплине «Актуальные проблемы современной химии» УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «Актуальные проблемы современной химии» для специальности 6М011200 – «Химия» УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Семей 2014 Содержание 1. 2. 3. 4. Глоссарий Лекции Практические занятия Самостоятельная работа студента 3 8 40 55 Глоссарий по дисциплине «Актуальные проблемы современной химии» АЛЛОТРОПИЯ - явление существования химического элемента в виде двух или нескольких простых веществ, различных по строению и свойствам. Эти простые вещества, различные по строению и свойствам, называются аллотропными формами или аллотропными модификациями. Например, графит и алмаз - две аллотропные формы (модификации) углерода, молекулярный кислород и озон - две аллотропные модификации кислорода. При определенных условиях аллотропные модификации могут переходить друг в друга. АМОРФНОЕ вещество - не кристаллическое вещество, т.е. вещество, не имеющее кристаллической решетки. Примеры: бумага, пластмассы, резина, стекло, а также все жидкости. АМФОТЕРНОСТЬ - способность некоторых химических соединений проявлять кислотные или основные свойства в зависимости от веществ, которые с ними реагируют. Амфотерные вещества (амфолиты) ведут себя как кислоты по отношению к основаниям и как основания - по отношению к кислотам. АМФОЛИТЫ - то же, что основания амфотерные. См. также амфотерность. АНИОНЫ - отрицательно заряженные ионы. АТОМ - мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его химические свойства. Атом построен из субатомных частиц - протонов, нейтронов, электронов; АТОМ - наименьшее количество элемента, которое только может содержаться в молекулах образуемых им соединений. АТОМНАЯ ЕДИНИЦА МАССЫ (а.е.м.) - см. ОТНОСИТЕЛЬНАЯ АТОМНАЯ МАССА. АТОМНЫЙ ВЕС - традиционное название относительной атомной массы в химической литературе. То же, что относительная атомная масса (см. ОТНОСИТЕЛЬНАЯ АТОМНАЯ МАССА). ВЕЩЕСТВО. В естествознании существует ряд понятий, которым трудно дать строгое определение. Вещество - одно из таких понятий. В общем смысле оно используется для обозначения того, что заполняет пространство и имеет массу. В более узком смысле - вещество это то, из чего состоят окружающие нас предметы. В химии чаще используется понятие конкретного вещества - хлорид натрия, сульфат кальция, сахар, бензин и т.д. См. также простое веществ, сложное вещество, смесь. ВОДОРОДНАЯ СВЯЗЬ - один из видов межмолекулярных связей. Обусловлена в основном электростатическими силами. Для возникновения водородной связи нужно, чтобы в молекуле был один или несколько атомов водорода, связанных с небольшими, но электроотрицательными атомами, например: O, N, F. Важно, чтобы у этих электроотрицательных атомов были неподеленные электронные пары. Водородные связи характерны для таких веществ, как вода H2O, аммиак NH3, фтороводород HF. Например, молекулы HF связаны между собой водородными связями, которые на рисунке показаны пунктирными линиями: ГАЗОВАЯ ПОСТОЯННАЯ – R = 0,0821 л.атм/моль.K. (см. КЛАПЕЙРОНАМЕНДЕЛЕЕВА УРАВНЕНИЕ). ГИБРИДИЗАЦИЯ. Теоретическое представление, с помощью которого удается связать между собой физическую картину строения атома и определяемую опытным путем геометрию молекул (см. РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ). Например, атом углерода имеет s- и p-орбитали, но в молекуле CH4 не удалось опытным путем обнаружить отдельных связей, образованных s-электронами и отдельных связей образованных p-электронами (все связи в CH4 одинаковы). Поэтому принято, что одна s- и три p-орбитали смешиваются (гибридизуются), образуя 4 новые, совершенно одинаковые орбитали (четыре sp3-гибридные орбитали). Эти 4 гибридные орбитали перекрываются с электронными оболочками 4-х атомов Н. Геометрическую формулу образовавшейся молекулы предсказывают исходя из правила, что гибридные орбитали в молекуле стремятся расположиться на максимальном расстоянии друг от друга. Например, для 4х гибридных орбиталей это тетраэдр. В тех случаях, когда одна или две pорбитали не участвуют в гибридизации, они остаются в негибридизованном виде и либо не несут электронов, либо участвуют в связывании другого типа (двойные и тройные связи). Это соответственно sp2- и sp-гибридизации. ГИДРАТАЦИЯ - связывание молекул (атомов, ионов вещества) с водой, не сопровождающееся разрушением молекул воды. ГИДРАТЫ - соединения вещества с водой, имеющие постоянный или переменный состав и образующиеся в результате гидратации. ГИДРОКСИ-ГРУППА - группа ОН. ГОРЕНИЕ - быстрый процесс окисления вещества, сопровождающийся выделением большого количества теплоты и, как правило, света. ДЕФЕКТ МАССЫ - уменьшение массы атома по сравнению с суммарной массой всех отдельно взятых составляющих его элементарных частиц, обусловленное энергией их связи в атоме. ДИСТИЛЛЯЦИЯ - то же, что ПЕРЕГОНКА. ДИФФУЗИЯ - перенос частиц вещества, приводящий к выравниванию его концентрации в первоначально неоднородной системе. Происходит в результате теплового движения молекул. ДЛИНА ВОЛНЫ - расстояние между соседними пиками волн электромагнитного (светового) излучения. ЗАРЯД ЯДРА - положительный заряд атомного ядра, равный числу протонов в ядре данного элемента. Порядковый номер химического элемента в Периодической системе Д.И.Менделеева равняется заряду ядра атома этого элемента. ИЗОТОПЫ - атомные разновидности одного и того же элемента. Изотопы состоят из атомов с одинаковым ЗАРЯДОМ ЯДРА (то есть с одинаковым числом протонов), но с разными относительными атомными массами (то есть с разным числом нейтронов в ядре). Очень многие элементы в природе находятся в виде смеси из несколько изотопов. ИНГИБИТОРЫ - вещества, замедляющие химические реакции. КАТАЛИЗАТОРЫ - вещества, способные ускорять химические реакции, сами оставаясь при этом неизменными. КАТИОНЫ - положительно заряженные ионы. СПИНОВОЕ (s) - показывает, какое из двух возможных (разрешенных) состояний занимает электрон на данной орбитали. КИСЛОТА - сложное вещество, в молекуле которого имеется один или несколько атомов водорода, которые могут быть замещены атомами (ионами) металлов. Оставшаяся часть молекулы кислоты называется кислотным остатком. Еще одно определение: кислоты – вещество, распадающееся в растворе с образованием ионов водорода Н+. **Кислотные свойства веществ не обязательно исчерпываются способностью давать в растворе ионы водорода. КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ - связывание атомов с помощью общих (поделенных между ними) электронных пар. Неполярная ковалентная связь образуется между атомами одного вида. Полярная ковалентная связь существует между двумя атомами в том случае, если их электроотрицательности не одинаковы. КОНЦЕНТРАЦИЯ - относительное количество какого-либо вещества в растворе. Например, ПРОЦЕНТНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ - то же, что и МАССОВАЯ ДОЛЯ РАСТВОРЕННОГО ВЕЩЕСТВА - отношение массы растворенного вещества к массе раствора, выраженное в процентах. МОЛЯРНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ - отношение числа молей растворенного вещества к общему объему раствора (единица - моль/л). КРИСТАЛЛ - твердое вещество, в котором атомы, ионы или молекулы расположены в пространстве регулярно, практически бесконечно повторяющимися группами. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ - способ очистки вещества путем осаждения его из насыщенного раствора. Обычно насыщенный раствор вещества готовится при повышенной температуре. При охлаждении раствор становится пересыщенным и чистые кристаллы выпадают в осадок. Примеси, по которым раствор остается ненасыщенным, остаются в растворителе и отфильтровываются от кристаллов. МОЛЕКУЛЯРНОСТЬ РЕАКЦИИ - число исходных частиц (например молекул, ионов), одновременно взаимодействующих друг с другом в одном элементарном акте реакции. Молекулярность реакции может составлять 1, 2 или 3. Соответственно различают МОНОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ, БИМОЛЕКУЛЯРНЫЕ и ТРИМОЛЕКУЛЯРНЫЕ реакции. Иногда (но не всегда) молекулярность реакции совпадает с ПОРЯДКОМ РЕАКЦИИ. МОНОКРИСТАЛЛ - кристалл вещества, во всем объеме которого ПОЛИКРИСТАЛЛ - множество сросшихся монокристаллов кристаллического вещества. Наиболее распространенная форма существования кристаллических веществ. Например, бытовая поваренная соль. РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ. Экспериментальный метод определения строения кристаллов и геометрии молекул. Рентгеновское излучение несет еще более высокую энергию, чем УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ, поэтому может проникать вглубь непрозрачных твердых тел. Если рентгеновским излучением облучить МОНОКРИСТАЛЛ какого-либо вещества, то внутри его рентгеновские лучи рассеиваются и отражаются от атомов, расположенном в строгом порядке, давая тоже упорядоченное изображение на фотопленке. Полученное фотоизображение можно расшифровать таким образом, что получаются координаты x, y, z для каждого атома кристалла в трехмерном пространстве. Соединяя найденные точки линиями, получают точные геометрические изображения молекул вещества. СТАНДАРТНАЯ ЭНТАЛЬПИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА тепловой эффект реакции образования данного вещества из элементов при определенных условиях. СТЕПЕНЬ ОКИСЛЕНИЯ. При образовании химических связей между атомами электроны частично передаются от менее электроноакцепторных атомов к более электроноакцепторным атомам. Количество отданных или принятых атомом электронов называется степенью окисления атома в молекуле. При связывании разных атомов степень окисления равна заряду, который приобрел бы атом в этом соединении, если бы оно могло состоять из одних ионов. Описывает состояние атома в молекуле. РАЗЛОЖЕНИЯ - когда одно сложное исходное вещество разлагается на два или несколько более простых; ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ(от греческого exo - вне, снаружи) химические реакции, протекающие с выделением тепла. . ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ - средняя избыточная энергия Е (по сравнению со средней энергией движения), которой должны обладать реагирующие частицы (атомы, молекулы), чтобы преодолеть энергетический барьер, разделяющий в химической реакции реагенты (исходное состояние) и продукты (конечное состояние). Энергию активации иногда называют также энергетическим барьером. Каждая химическая реакция имеет свою энергию активации. Значения Еа для реакций между нейтральными молекулами составляют, как правило, от 80 до 240 кДж/моль. На величину Еа не влияет температура, но может повлиять присутствие КАТАЛИЗАТОРА. - превращение одних веществ в другие, но не путем разрыва и образования химических связей, а путем изменения строения ядер элементов, участвующих в таких реакциях Краткий конспект лекций. Лекция №1-2. ПРОБЛЕМЫ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ 1.1 Генетически модифицированные продукты. Термин “генетически модифицированные продукты” появился совсем недавно. Его даже нет в некоторых новых словарях. Своим происхождением эти продукты обязаны науке генной инженерии. Надо сказать, что это продукты не самые полезные, если не сказать больше. Но об этой науке, о генетически модифицированных продуктах и об их вреде и пользе поговорим позже. А сейчас рассмотрим, как же все-таки правильно питаться, потребляя самую простую пищу. Пищевое взаимодействие живых организмов является одним из важнейших. Значительная часть людей, в отличие от других животных, уже давно осуществляет его не непосредственно в дикой природе, собирая плоды и охотясь, а делает это опосредованно, т.е. через сеть магазинов. Чтобы понять, как питаться безопасно для здоровья, обратимся к истории пищевого рациона человека. Как и другие приматы, люди в самом начале своего существования питались лишь растительной пищей. О генетической приспособленности человека к растительной пище свидетельствует строение жевательного аппарата, наличие червеобразного отростка, участвующего в усвоении растительной пищи, более низкая температура тела, чем у хищников. После того как в местах первоначального распространения человека влажные тропические леса заменились на саванны с переменным увлажнением, переход к питанию мясной пищей помог человеку разрешить важную экологическую проблему – проблему питания в засушливое время года. Позже развитие скотоводства, молочного хозяйства привело к появлению стабильного источника живой пищи. Но питание мясом никогда не носило преимущественного характера по той причине, что растительные продукты более “родные”, свойственные для человека, а также из-за относительной дороговизны мяса. Таким образом, исторически сложившийся смешанный рацион питания, в котором преобладают растительные компоненты. Мясо – важный продукт питания человека, поскольку содержит незаменимые аминокислоты, имеет высокую энергетическую ценность. Оно особенно необходимо в период активного роста. А достоинство растительной пищи заключается в том, что с ней мы получаем значительное количество биологически активных веществ, витаминов, осуществляющих регуляторные процессы в организме. Один из основных витаминов, необходимый нам в большом количестве по сравнению с другими (до 1 г в сутки), - это витамин С. В настоящее время множество заболеваний обмена веществ связано с 70% -ной нехваткой витамина С у населения, особенно в зимнее время. Испокон веков одним из основных продуктов питания был хлеб. При отсутствии достаточных средств механизации мельницы обеспечивали лишь грубый помол зерна, при котором в муке, а значит и в хлебе сохранялись волокна, необходимые для нормальной работы кишечника. Кроме того, раньше не умели отделять зерна от плевел, т.е. мололи зерно вместе с плодовыми оболочками, в которых содержатся важнейшие витамины группы В. С развитием мукомольного производства хлеб стал иным, чем тот, к которым привыкли наши предки, - “достижения” пищевой индустрии почти полностью исключили из хлеба такие нужные человека человеку пищевые волокна и витамины, и сегодня их добавляют искусственно. Современный благополучный рацион городского жителя строится на излишнем употреблении колбас, ветчины, мясных консервов, сливочного масла, концентрированных соков. Такой рацион – это не соответствующее природе человека высококалорийное избыточное питание, содержащее вдвое больше животных жиров, значительно больше сахара и соли, но в три раза меньше, чем в прошлом, пищевых волокон и микроэлементов. Несвойственное человеку питание сопровождается заболеваниями сердца, сосудов, сахарным диабетом; из-за избыточного веса большинства землян нашу цивилизацию нередко называют “цивилизацией двойных подбородков”. В последнее время отмечен рост тяжелых заболеваний пищеварительного тракта, в том числе и раковых. Многие болезни пищеварительного тракта поначалу были болезнями богачей, поскольку только им были доступны самые лакомые продукты питания. Для улучшения вкусовых качеств эти продукты подвергались сложной и длительной обработке, в процессе которой они теряли свои полезные свойства и даже становились вредными. Так несварением желудка из-за использования в пищу дорогого хлеба из муки мелкого помола страдала лишь богатая знать. Сегодня от несварения желудка страдают многие, если не большинство. Рак прямой кишки сначала тоже был болезнью богатых, а теперь получает все более широкое распространение. При избыточном потреблении колбас, других мясных продуктов и нехватки в рационе клетчатки, которой богаты черный хлеб, свежие овощи и фрукты, рис и другие крупы, возникают хронические запоры. Хронические запоры препятствуют, в частности, своевременному выведению из организма консервантов и вредных пищевых добавок, что может привести к воспалению слизистой оболочки прямой кишки. На этой почве возможны различные ее заболевания, в том числе и рак. Запоры усугубляются недостатком движения. Из-за избыточного потребления животных жиров одним из самых распространенных заболеваний стал атеросклероз. Это болезнь артерий, приводящая постепенно к сужению их просвета за счет скоплений на стенках жироподобного вещества – холестерина. Атеросклероз приводит к нарушению кровотока, что вызывает кислородное голодание и нехватку питательных веществ в соответствующем органе. Особенно опасно, когда он поражает сосуды сердца или мозга. Факторами риска атеросклероза, кроме жирной пищи, являются недостаточная двигательная активность, курени и стрессы. В настоящее время существуют различные системы питания, каждая из которых имеет свои особенности и сторонников. Калорийно-белковый метод, или сбалансированное калорийное питание – самая простая и наглядная. Суть ее в том, что в основе суточного рациона пищи лежит баланс энергозатрат жизнедеятельности человека и энергопотребления продуктов питания. При тяжелом труде человеку необходимо около 5000 ккал в сутки, при напряженных тренировках спортсмены тратят до 7000 ккал в сутки. Людям умственного труда требуется в сутки около 2500 ккал. Таким образом, можно быстро, но достаточно приблизительно рассчитать и регулировать покрытие расхода организмом энергии соответствующим количеством определенных продуктов питания. Что же надо сделать, чтобы обеспечить собственную экологическую безопасность при питании? Прежде всего, сократить употребление мяса и животных жиров до 3050 г в день. Не стоит заменять мясо колбасой и сосисками: в них много вредных добавок и красителей, а пищевая ценность невелика. На столе как можно чаще должна появляться морковь, капуста, яблоки, любые другие овощи и фрукты. Они содержат и витамины, и микроэлементы, и клетчатку. Полезны различные растительные масла, сливочное же масло следует употреблять в минимальном количестве. Одним из главных блюд в рационе должна стать каша, лучше всего овсяная. Ее можно чередовать с гречневой, рисовой, пшенной. Надо помнить об умеренности в еде. Калорийность пищи должна соответствовать энергетическим затратам: “Как потопаешь, так и полопаешь”. Не стоит забывать о хорошей физической нагрузке, которая помогает сохранять тонус кишечника, повышает иммунитет организма. ПОНЯТИЕ ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ Вначале дадим определение генной, или генетической, инженерии согласно медицинской энциклопедии. Генная инженерия – совокупность экспериментальных приемов, позволяющих в лабораторных условиях создавать организмы с новыми наследственными признаками. Проблема целенаправленного изменения наследственности издавна занимала умы ученых. Однако долгое время единственным путем получения организмов с полезными для человека свойствами были скрещивание и селекция, применявшиеся для выведения пород домашних животных, сортов растений. В 20-х гг. нашего столетия была установлена способность ряда физических факторов и химических соединений вызывать изменения наследственных свойств организмов – мутации, что значительно расширило возможности исследователей. Однако нужные мутации возникали случайно и крайне редко, что требует большой и скрупулезной работы по выявлению организмов с полезными изменениями. Достижения современной молекулярной биологии и молекулярной генетики, давшие возможность вводить новые гены в природный набор генов организма или, наоборот, удалять ненужные гены, создали реальные предпосылки конструирования в лабораторных условиях носителей наследственной информации – молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) с желаемым составом генов, т.е. создавать организмы с запрограммированными свойствами, вплоть до таких, которых не существует в природе. Генная инженерия как самостоятельное направление исследований и практических разработок еще очень молода. Ее развитие началось в 60-х гг. 20 в., когда был сделан ряд открытий, предоставивших в распоряжение новые чрезвычайно точные “инструменты”, позволившие вносить различные изменения в молекулу ДНК. К этому времени ученые уже знали, как устроен, работает и воспроизводится ген, освоили приемы синтеза ДНК вне клетки. Это был основа генной инженерии. Но еще предстояло разработать способы выделения новых генов, соединения их в единую функционально активную и стабильно наследуемую структуру. В 1969 г. И. Беквит, Дж. Шапиро, Л. Ирвин выделили из живой клетки ген, контролирующий синтез ферментов, необходимых кишечной палочке для усвоения молочного сахара – лактозы. В 1970 г. Д. Балтимор и одновременно Г. Темин и С. Мидзутани обнаружили и выделили в чистом виде фермент, который обеспечивает процесс построения молекулы ДНК на матрице РНК. Открытие этого фермента существенно упростило работу по получению копий отдельных генов. Поэтому довольно быстро сразу в нескольких лабораториях были синтезированы гены, контролирующие синтез молекулы глобина (белка, входящего в состав гемоглобина), интерферона и других белков. Для введения генов в клетку используют генетические элементы бактерий – плазмиды, находящиеся не в хромосомах (т.е. ядре клетки), а в ее цитоплазме и представляющие собой небольшие молекулы ДНК. Некоторые из них способны внедряться в хромосому чужой бактериальной клетки, а затем самопроизвольно или под каким-либо воздействием покидать ее, захватывая с собой прилегающие хромосомные гены клетки-хозяина. Эти гены самовоспроизводятся в составе плазмид и образуют множество копий. Успехи в объединении фрагментов ДНК различного происхождения в единую функционально активную структуру связаны с выделением ферментов рестриктаз, которые разрезают нитевую молекулу ДНК в строго определенных местах с образованием на концах фрагментов однонитевых участков – “липких концов”. За счет “липких концов” фрагменты ДНК легко объединяются в одну структуру. Используя такой подход, П. Бергу с сотрудниками удалось объединить в одной молекуле весь набор генов онкогенного вируса SV 40, часть генов бактериофага и один из генов кишечной палочки, т.е. получить молекулу ДНК, которая не существует в природе. Методами генетической инженерии воздействуют не только на молекулу ДНК. Существуют, например, способы переноса целых хромосом в клетки животных другого вида. Т.о. в эксперименте получен гибрид клеток человека и мыши, человека и комара и др. Для переноса генетического материала из одной клетки в другую генетическая инженерия широко использует тончайшие манипуляции на клеточном уровне – т. н. микрургию. Разработаны, например, методы введения отдельных генов в оплодотворенную яйцеклетку. Множество копий гена с помощью микропипетки вводят в ядро сперматозоида, только что проникшего в яйцеклетку. Затем эту яйцеклетку культивируют некоторое время в искусственной среде и затем имплантируют ее в матку животного, где завершается развитие зародыша. Такой опыт был проведен на крысах. Им был введен гормон роста, так что их потомство стало значительно крупнее их. Это привело к развитию гигантизма у подопытных мышей. Работа в области генной инженерии регламентируется правилами, обеспечивающими жесткий контроль, обеспечивающими жесткий контроль, особые условия проведения эксперимента и гарантирующими безопасность экспериментаторов и окружающих. Эти правила были разработаны и утверждены многими странами, в т. ч. и Россией, после того, как было высказано опасение, что при манипулировании с генами микроорганизмов, в ходе перетасовок генов может возникнуть молекула ДНК с опасными для человека свойствами. Значение достижений генной инженерии выходит далеко за рамки непосредственного изучения генетических механизмов. Методы генной инженерии могут быть применены для решения ряда проблем в области медицины, народного хозяйства, охраны окружающей среды. Так, например, существует ряд заболеваний, обусловленных наследственной неспособностью организма усваивать некоторые вещества из-за отсутствия необходимых ферментов. В лабораторных условиях показана возможность методами генной инженерии вносить в клетки человека заимствованные от бактерий гены, компенсирующие наследственный дефект. Генная инженерия обеспечила возможность сравнительно дешево производить в больших количествах практически любые белки. Десятки миллионов людей на Земном шаре страдают сахарным диабетом – болезнью, в основе которой лежит недостаток в организме инсулина. Для лечения диабета используют инсулин крупного рогатого скота или свиней. Но поскольку эти препараты несколько отличаются по своей структуре от инсулина человека, эффективность лечения диабета не всегда высокая. Инсулин человека можно получить также путем химического синтеза, но это очень дорого. Генная инженерия предоставила для лечения человека инсулин, продуцируемый микроорганизмами. Из клеток человека выделили ген, контролирующий синтез инсулина, встроили его в геном кишечной палочки и сейчас этот уникальный гормон вырабатывают в ферментерах на предприятиях микробиологической промышленности. С помощью методов генной инженерии решен вопрос получения интерферона – универсального противовирусного препарата. Единственным источником получения интерферона в силу его высокой видовой специфичности (для человека эффективен только человеческий интерферон) до последнего времени оставалась кровь доноров, переболевших вирусным заболеванием. Но для лечения вирусных заболеваний требуется такое количество интерферона, которое невозможно получить, даже если бы донорами стали все люди земного шара. Из клеток крови человека, перенесшего вирусное заболевание, выделили рибонуклеиновую кислоту, обеспечивающую синтез интерферона, на ее основе синтезировали ген интерферона и встроили его в геном бактериальных клеток, которые стали вырабатывать этот необходимый человеку белок. Располагая большим количеством интерферона, ученые смогли расшифровать всю последовательность его аминокислот и разработать более простые способы получения этого белка. Полученный таким образом интерферон оказался весьма эффективным при вирусных заболеваниях. Сходным путем решена проблема получения в достаточных количествах гормона роста. Гормон роста необходим для лечения карликовости, которая развивается у детей с генетически обусловленным недостаточным уровнем этого гормона в организме. Генная инженерия позволяет получать вакцины принципиально нового типа. Бактерий научили вырабатывать белки оболочки вируса, которые и используют при вакцинации. Такие вакцины хотя и менее эффективны по сравнению со старыми, изготовленными из убитых вирусных частиц, но не содержат генетического материала вируса и поэтому безвредны. Ведутся работы по получению вакцин против гриппа, вирусного гепатита и др. Генная инженерия имеет перспективы не только в медицине. Достижения генной инженерии открывают новую эру в развитии промышленного производства – эру биотехнологии, т.е. применения в промышленности биологических агентов и процессов. Биотехнология позволяет по-новому подойти к решению проблемы продовольствия в масштабах земного шара за счет резкого повышения эффективности сельскохозяйственного производства. Прогресс биотехнологии дает новые, значительно более эффективные методы защиты окружающей среды от промышленных загрязнений. Теперь можно перейти к непосредственному рассмотрению понятия генетически модифицированных продуктов. Для начала немного истории. К 60-м гг. 20 в. медицинская наука достигла больших успехов в борьбе с болезнями и смертностью. Были побеждены чума, холера и другие опасные вирусные заболевания, которые в предыдущие столетия истребляли до трети населения Европы. Эти успехи повлекли за собой скачкообразный рост населения на земном шаре. В то же время это привело к катастрофической нехватке воды и пищи в развивающихся странах. Но могло затронуть и развитые в экономическом отношении страны. Возникла новая угроза человечеству – голод. Однако к тому времени генная инженерия получила достаточное развитие, чтобы направить свой научный потенциал на решение возникшей проблемы. Учеными многих стран было решено заняться развитием вышеупомянутой биотехнологии, чтобы с ее помощью создавать и производить в больших количествах продукты с измененной генной структурой, которые бы обладали важными для человека свойствами. Например, для сельскохозяйственной продукции это – повышение урожайности по сравнению с аналогичным не модифицированным на генном уровне злаком, овощем или фруктом. В сфере торговли – это увеличение срока хранения и реализации продукта за счет частичного изменения его генотипа. Эти идеи в свое время были приняты научной общественностью с воодушевлением и ликованием. На них возлагались большие надежды на избавление человечества от угрозы голода. Ученые считали достижения биотехнологии едва ли не панацеей от надвигающейся проблемы. Но тогда никто не знал последствий применения генно-модифицированнных продуктов. И действительно, все ли так хорошо при использовании данных продуктов питания человеком в процессе его жизнедеятельности. По этому поводу свое убеждение высказал известный российский ученый, президент Центра экологической политики России Андрей Яблоков, давший в одном из номеров газеты “Аргументы и факты” свое интервью. Несколько лет назад российская общественность забила тревогу – из нас делают мутантов и подопытных кроликов. Паника была вызвана появлением на рынках и в магазинах генетически модифицированных продуктов. А сегодня только в Москве около 40% продуктов содержат вещества, которые могут вызвать в лучшем случае аллергию, а в худшем рак желудка. Что нужно покупать и кушать, а что не нужно, где протестировать на безопасность колбасу и картофельные чипсы? На все эти вопросы свои комментарии дал Андрей Яблоков. Тема трансгенных продуктов, поднятая “Гринпис”, стала действительно актуальной. “С одной стороны, точные анализы показывают, что до 40% наших продуктов питания, которые продаются в магазинах, содержат генетически модифицированные вещества. Эти вещества нелегально поставляются из Америки – в основном соя, кукуруза, и так далее. Проблема в том, что в России нет ни одной сертифицированной лаборатории, которая могла бы проверить соответствие официальным требованиям, которые предъявляются у нас к импортным продуктам питания. Уже больше года, что ни в одном продукте питания в России не должно быть больше 5% генетически модифицированных веществ. Когда неофициально делали такие проверки, оказывалось, что в Санкт-Петербурге, например, примерно в 40% продуктов содержание генетически модифицированных организмов превышает норму. Такое ощущение, что Россию используют крупные западные компании как нелегальный полигон для проверки вот таких опасных продуктов питания”. Процесс создания генетически модифицированных организмов идет непрерывно, постоянно появляются какие-то новые сорта, которые нужно проверять. Какую-то проверку делают в Америке. Европа держится очень твердо – в любом пищевом продукте не должно содержаться больше, чем 0,9% генетически модифицированных веществ. Более того, принято решение Европейской комиссией, что в продуктах детского питания не должно содержаться никаких генетически модифицированных продуктов – ноль. Для того чтобы товар получил одобрение и в Америке, и других странах, которые разрешают генетически модифицированные продукты, нужно провести очень широкие эксперименты. Такие эксперименты выгоднее провести в какой-то бедной стране. Это дешевле и так далее. В прошлом западные компании у нас нелегально сбывали пестициды. То же самое сейчас происходит с генетически модифицированными продуктами. Первые проверки особо опасных веществ, видимо, делаются у нас в России, на Кавказе, в Армении, в Азербайджане, в Грузии и так далее. “Генетически измененные продукты вызывают не только различного рода раковые заболевания. Нарушается иммунитет. Нарушенный иммунитет это значит, можно заболеть чем угодно, хоть гриппом, а если б Вы не ели эти продукты, вы бы гриппом не заболели. Трансгенные продукты способствуют появлению аллергии, и это в экспериментах доказано. Сейчас происходит увеличение числа заболевших аллергией в России. Если раньше 10-12 лет назад, в спектре заболеваний аллергии там было около 10-12% всего населения, 15% максимум, то теперь до 25-30%. То же самое произошло и происходит в Америке, и в еще больших масштабах, чем у нас. Там как раз генетически модифицированные продукты очень широко распространены. Но и в Америке, в отличие от нас, очень много денег тратится на медицину. Мы-то заболеваем, а они травят себя и очень здорово лечат, а мы травим себя, но не лечим”. Недавно был проведен эксперимент, когда несколько месяцев кормили крыс генетически модифицированным картофелем. У них произошло изменение в кишечнике, у них произошли необратимые изменения в желудке, у них стал меньше мозг, и много чего другого. “Генетически измененные компоненты используются сейчас практически во всех колбасах, колбасных изделиях в широком смысле слова, где очень много сои, - говорит А. Яблоков. - Кукурузные каши, кукуруза и так далее. Потому что генетически изменённые продукты сейчас это чаще всего соя и кукуруза. Одно время у нас все рынки были завалены картошкой, которую не ел колорадский жук. Колорадский жук её совершенно правильно не ел, и нам этот генетически изменённый картофель тоже не надо было есть”. По закону на упаковке должно быть написано, что в данном продукте используется генетически измененный компонент. На самом деле этого не пишут. Чтобы уберечься от покупки генетически модифицированных продуктов, надо избегать покупать соевые продукты, продукты с кукурузой, картофельные хлопья, чипсы – это практический совет. На вопрос может ли человек сам купив подозрительный продукт отнести его в лабораторию на проверку, Яблоков отвечает следующее: “Пока это невозможно. Пока это можно сделать только, если вы пойдете в какойнибудь крупный научный институт. То, что я вам говорил про СанктПетербург, это Институт цитологии, который был инициатором проверки продуктов, проведенной неофициально. Я думаю, что это ничего не будет стоить, но главное – найти такой институт. Наверное, крупные биохимические лаборатории в университетах могли бы этим заняться, может быть, даже на коммерческой основе”. Вот еще один пример глобального проникновения небезопасных трансгенных продуктов на мировой рынок питания. Новый посол США в Ватикане предложил Папе Римскому накормить голодающих генетически модифицированными продуктами. На церемонии вручения верительных грамот, новый посол США в Ватикане Френсис Руни призвал Бенедикта XVI заступиться за генетически модифицированные продукты, заявив, что они могут быть использованы для того, чтобы бороться с голодом во всем мире. "Для сложной проблемы мирового голода нет единого решения, но нельзя позволить иррациональным страхам помешать нам исследовать технологии, могущие стать частью этого решения", - заявил Руни. Он пояснил, что новейшие научные достижения могут помочь людям даже в самых сложных природных условиях производить достаточно пищи для того, чтобы прокормиться. "Мы надеемся, что Святейший престол поможет миру осознать моральную необходимость изучения этих технологий", - заявил Руни. Журналисты отмечают, что США уже в течение нескольких лет пытаются предложить свои генетически модифицированные продукты для борьбы с нехваткой пищи в беднейших регионах мира, однако до сих пор они встречали настороженный прием. Противники новой технологии отмечают, что для борьбы с мировым голодом вполне хватит имеющихся запасов пищи, необходимо лишь достаточная политическая воля. Что же касается генетически модифицированных продуктов, то возможная опасность их употребления перевешивает возможную пользу от них. Между тем в Ватикане достаточно благосклонно относятся к инициативе США. Так, в сентябре 2005 года кардинал Ренато Мартино, глава Папского совета справедливости и мира, заявил, что Ватикан благосклонно относится к экспериментам в области биотехнологии, при условии, что они проводятся в чрезвычайной осторожностью. Таким образом, можно заметить, что поставщики таких продуктов питания, главным образом, США ради извлечения экономической выгоды лоббируют свои интересы, насильно поставляя данные продукты странам третьего мира, совершенно не заботясь о здоровье их потребителей. 1.2 Проблема питания и экотоксиканты. Резкое ухудшение экологической ситуации практически во всех регионах мира, связанное с антропогенной деятельностью человека, повлияло на качественный состав потребляемой пищи. С продуктами питания в организм человека поступает значительная часть «химических и биологических веществ. Они попадают, и накапливается в пищевых продуктах по ходу как биологической цепи, обеспечивающей обмен веществ между живыми организмами, с одной стороны, и воздухом, водой и почвой с другой, так и пищевой цепи, включающей все этапы сельскохозяйственного и промышленного производства продовольственного сырья и пищевых продуктов, а также их хранение, упаковку и маркировку. В связи с этим обеспечение безопасности и качества продовольственного сырья и пищевых продуктов является одной из основных задач современного человеческого общества, определяющих здоровье населения и сохранение его генофонда. Безопасными для здоровья потребителя принято считать продукты, которые или не содержат совсем токсических веществ, представляющих опасность для здоровья людей нынешнего и будущего полпенни, или содержат их в количествах, допустимых санитарными нормами и гигиеническими нормативами. Безопасность продовольственного сырья и пищевых продуктов оценивают по количественному или качественному содержанию в Их антипитательных веществ микробиологической, химической и биологической природы. Известно, что многие пищевые продукты имеют способность аккумулировать из окружающей среды экологически вредные вещества - контаминанты и концентрировать их в опасных количествах. С пищей растительного и животного происхождения в организм человека попадает из окружающей среды до 70% токсинов различной природы. Продолжает расти по сравнению с 60-ми годами уровень радионуклидов в продуктах питания. Загрязнение продуктов питания нитратами и продуктами их распада также возросло за последние 5 лет почти в 5 раз. До 10% проб исследованных пищевых продуктов содержали тяжелые металлы и половина из них - в дозах, превышающих предельно допустимые концентрации (ПДК). По отдельным видам продукции этот показатель еще выше. Лекции №3-4. Проблема новых источников сырья Лекции №3-4. Проблема новых источников сырья Лекция №3-4. Проблема новых источников сырья. 1. Поступление экотоксикантов в пищевые продукты Рисунок 1 – Накопление контаминантов в пищевых продуктах по ходу биологических и пищевых цепей Так, в 52% исследованных образцов сливочного масла содержались токсические вещества - медь, цинк, железо, свинец в дозах, превышающих ПДК. По данным Госсанэпиднадзора России, в течение последних лет регистрировано более 110 вспышек кишечных инфекций с числом пострадавших свыше 8 тыс. человек, в том числе 37 вспышек сальмонеллеза, 48 - дизентерии, 7 - вирусного гепатита А, и 4 - брюшного тифа, связанных с употреблением недоброкачественных пищевых продуктов и питьевой воды. Проблема недоброкачественного питания имеет общемировое значение. Так, по оценкам американских исследователей, в США негодно заболевают от употребления недоброкачественных продуктов до 33 млн. человек, при этом в 9 тыс. случаях болезнь заканчивается смертью. Анализ динамики питания различных групп населения России показывает, что в последние годы его структура претерпела существенные изменения. По обобщенным данным обследования населения дефицит полноценных белков составляет до 25%, пищевых волокон - до 40%, витамина С - до 50%, витаминов группы В -до 20...30% и витамина А - до 30%. Впервые за многие годы среднедушевой набор продуктов питания не обеспечивал потребности организма человека в энергии - ее дефицит составил около 20%. Нарушение пищевого статуса населения в нашей стране и загрязнение окружающей среды и продуктов питания являются одними из основных причин резкого сокращения средней продолжительности жизни у мужчин до 59, у женщин до 70 лет. Среди причин смертности основное место по-прежнему занимают сердечнососудистые, онкологические, гастроэнтерологические, инфекционные заболевания. Особую тревогу вызывает стойкая тенденция к росту заболеваемости детей. Уровень заболеваемости дифтерией увеличился в 2,2 раза, туберкулезом - на 24%. По данным НИИ гигиены и профилактики заболеваемости детей, подростков и молодежи, лишь 14% детей практически здоровы, 50% имеют отклонения в здоровье, 36% хронически больны. Доля здоровых детей к концу обучения в школе не превышает 20...25%. Заметно увеличилось количество «заболеваний пожилого возраста», предпосылки к которым накапливаются в течение всей жизни человека. К ним относятся сердечнососудистые заболевания, рак, диабет, инсульт, катаракта и глаукома, остеопороз, связанные с питанием ниже физиологических норм в условиях неблагоприятной экологической ситуации, определяющей качество пищевых продуктов и нормальную жизнедеятельность человека. В реально сложившихся условиях обеспечение качества и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов становится самой важной проблемой человечества. Чужеродные вещества из внешней среды Земля не принадлежит человеку: человек принадлежит земле, все вещи взаимосвязаны подобно крови, объединяющей одну семью. Человек не сплетает ткань жизни, он всего лишь прядь в ней. Все, что он причиняет этой ткани он причиняет самому себе.(Индейский вождь, 1855) Распределение химических соединений между воздухом, водой и почвой происходит в соответствии с их физико-химическими свойствами. При этом факторы окружающей среды играют решающая роль. На рисунке 2 представлена схема переноса веществ в экосфере. Перенос химических соединений на границе раздела почва – вода играет важную роль в процессе загрязнения природных вод. Из почвы загрязнители поступают в результате внесения химически средств защиты растений или их поступления с дождем. Загрязнение может также происходить как водой, стекающей по поверхности почвы, так и почвенными водами. Для всех переходов химических продуктов через границу почва-вода основную роль играют процессы адсорбции. Переход веществ в природных условиях из водной среды в атмосферу называют летучестью; этот процесс осуществляется в результате диффузии. Обратный перенос называют сухим осаждением. Транспортные процессы между почвой и атмосферой являются наиболее сложными. Переход вещества из почвы в атмосферу с помощью диффузии, в природных условиях называют летучестью из почвы, а обратный процесс - сухим осаждением в почву. Рисунок 2 - Схема процессов переноса веществ в экосфере Как экотоксиканты аккумулируются живыми организмами Любое химическое вещество поглощается и усваивается живыми организмами. Равновесное состояние или состояние насыщения в процессе усвоения достигается в том случае, если его поступление и выделение из организма происходят с одинаковой скоростью. Установившаяся при этом в организме концентрация называется концентрацией насыщения. Если она выше наблюдающейся в окружающей среде или продуктах питания, происходит обогащение или аккумуляция (накопление) химических соединений в живом организме. Это нежелательный процесс, так как внешние загрязнители оказывают отрицательное воздействие на человека и другие живые организмы. Процессы аккумуляции химических веществ водными и наземными живыми организмами характеризуются следующими показателями: биоконцентрирование - обогащение организма химическим соединением в результате прямого восприятия из окружающей среды, без учета загрязнения ими продуктов питания; биоумножение - обогащение организма химическим соединением непосредственно в результате питания. В природной водной среде этот процесс идет одновременно с биоконцентрированием; биоаккумуляция - обогащение организма химическим веществом путем его поступления из окружающей среды и пищевой продукции. По данным зарубежных исследователей, из общего количества чужеродных химических веществ, проникающих из окружающей среды в организм человека, в зависимости от условий проживания 30...80% поступает с пищей. Однако проблема загрязнения воздуха, воды и почвы также весьма актуальна. Это обусловлено тем, что: количество вредных веществ, поступающих в атмосферу, воду и почву в результате антропогенной деятельности человека, неуклонно возрастает; чужеродные загрязнители распространяются в атмосфере, воде и почве весьма неравномерно, и в некоторых районах их концентрация уже достигла размеров, угрожающих здоровью человека; многие вещества, попадая через пищевые цепи и системы в продукты питания, могут оказывать вредное действие на человека и животных даже в очень малых концентрациях - на уровне тысячных и десятитысячных долей миллиграмма на 1 м2 почвы, или на 1 м3 воздуха и воды. Экологический мониторинг основной целью которого является установление, предупреждение, устранение или уменьшение факторов вредного влияния среды обитания на здоровье человека. Порядок и периодичность контроля за содержанием тяжелых металлов в продуктах питания и продовольственном сырье учреждениями санэпидслужбы отражены в методических указаниях с соответствующим названием (утвержденное МЗ РФ от 13.06.90 г. № 5175-90) и правилах сертификации отдельных пищевых продуктов (по 14 группам пищевых продуктов). По содержанию тяжелых металлов пищевую продукцию классифицируют следующим образом: «чистая» пищевая продукция - содержание тяжелых металлов ниже ПДК; условно-годная пищевая продукция - содержание тяжелых металлов выше ПДК, но не более 2 ПДК; негодная для пищевых целей продукция - содержание тяжелых металлов больше 2 ПДК. Условно-годная пищевая продукция может быть разрешена орга-нами Госсанэпиднадзора для реализации с учетом конкретных условий: размера партии, вида продукции, размера ее потребления и количества ее в суточном пищевом рационе. Главными критериями разрешения реализации и потребления такой продукции являются рекомендации ВОЗ временного переносимого недельного поступления основных тяжелых металлов с пищевым рационом. Они составляют для кадмия 0,0067...0,0083 мг/кг массы тела, для ртути - 0,005 мг/кг, для метилртути - 0,0033 мг/кг, для свинца -0,05 мг/кг. Условно-годная продукция категорически запрещена для питания в лечебно-профилактических и детских учреждениях, а также для промышленного производства продуктов детского и лечебного питания. Следует, однако, учесть, что условно-годное продовольственное сырье может быть переработано с целью снижения содержания тяжелых металлов в нем. Одним из эффективных методов снижения концентрации тяжелых металлов является механическое удаление так называемых критических или тройных органов, животных тканей, частей растений. Так, для кадмия трупными органами являются почки и печень; для ртути - почки, печень, мозг; для свинца - костная ткань, почки и печень. С учетом этого при забое скота необходимо удаление этих тройных органов с последующей их технической утилизацией. При этом туши животных должны быть хорошо обескровлены, а кровь нерастворимые соли алюминия отличаются слабым токсическим действием. При почечной недостаточности из-за накопления в организме алюминия возможны процессы нарушения метаболизма Са, Мg и Р. При значительном увеличении содержания Аl в пищевых продуктах наблюдается нарушение речи и ориентации. Обогащение пищи алюминием происходит в процессе ее приготовления или хранения в алюминиевой посуде. Растворимость алюминия возрастает в щелочной или кислой среде. К веществам, усиливающим растворение алюминия, относят антоциановые пигменты овощей и фруктов, анионы органических гидроокисей, поваренную соль. В процессе приготовления такой пищи в алюминиевой посуде содержание алюминия может увеличиться в 2 раза. Концентрация алюминия 1,3.. .6,2 г/сут является смертельной для человека. В России и странах СНГ временные нормативные содержания алюминия в пищевых продуктах следующие (мг/кг): в молочных продуктах 1, в мясе, соках, напитках - 10, в хлебопродуктах, фруктах - 20, в овощах - 30. Технология переработки пищевого сырья с повышенным содержанием тяжелых металлов Анализ отрицательных последствий для организма человека тяжелых металлов показал, что они из-за высокой биологической кумуляции обладают мутагенным, канцерогенным, тератогенным, эмбрио- и гонадотоксическим действием. Некоторые, промышленные регионы с особо интенсивным загрязнением токсическими металлами становятся зонами экологического бедствия. На территории России и стран СНГ известны случаи массовых заболеваний с синдромом» тотального облысения. Анализ результатов лабораторных исследований пищевой продукции на содержание тяжелых металлов за последние годы показывает, что в среднем по России гигиеническим нормативам не отвечает около 3% проб. По ряду регионов количество неудовлетворительных результатов доходит до 6% и более. Снизить содержание тяжелых металлов в пищевой продукции без ухудшения ее пищевой ценности практически невозможно. Это связано с тем, что, например, в пищевом сырье, богатом белками, большая часть тяжелых металлов соединена с металлотионеином, образуя прочные белковые комплексы. Должны использоваться для изготовления кровяных зельцев, колбас и других пищевых продуктов. Тропными органами рыб являются внутренние органы, жабры, чешуя, кости. Условно-годная рыба должна разделываться на спинку, тешу или филе с удалением и технической утилизацией внутренних органов и головы. Для растениеводческой продукции характерно накопление тяжелых металлов в стеблях, листьях, оболочке и зародыше злаков. По этой причине условно-годное зерно может использоваться только для производства муки высшего сорта, где предусматривается максимальное удаление оболочек. Наиболее эффективное снижение содержания тяжелых металлов достигается при производстве рафинированной продукции из условногодного пищевого сырья - крахмала, спирта, сахара, безбелковых жировых продуктов. Не рекомендуется использовать условно-годное сырье для получения пищевого пектина и желатина. Условно-годное пищевое сырье должно направляться на промышленную переработку на те предприятия, которые определены органами Госсанэпиднадзора. Весь технологический цикл переработки условно-годного сырья должен находиться под контролем ведомственной лаборатории и лаборатории Госсанэпиднадзора. Готовая продукция, полученная из этого сырья, после обязательного контроля на соответствие гигиеническим нормативам может быть направлена на реализацию. Существенного снижения содержания радионуклидов в молочных продуктах можно достичь путем получения из молока жиро-л белковых концентратов. При переработке молока в сливках содержится не более 9% цезия и 5% стронция, в твороге - 21% цезия около 27% стронция, в сырах - 10% цезия и до 45% стронция, сливочном масле всего около 2% цезия от его содержания в цельном молоке. Для выведения уже попавших в организм радионуклидов необходима высокобелковая диета. Употребление белка должно быть назначено не менее чем на 10% от суточной нормы, для восполнения носителей 8Н-групп, окисляемых активными радикалами. Технологические способы снижения радионуклидов в пищевой продукции Уменьшение поступления радионуклидов в организм с пищей можно достичь путем снижения их содержания в продуктах при помощи различных технологических или агрозоотехнических приемов, а также моделирования питания, т.е. использования рационов, содержащих их минимальное количество. За счет обработки пищевого сырья - тщательного мытья, чистки продуктов, отделения малоценных частей можно удалить от 20 до 60% радионуклидов. Так, перед мытьем некоторых овощей целесообразно удалять верхние наиболее завядшие листья (капуста, лук репчатый и др.). Картофель и корнеплоды обязательно моют дважды: перед очисткой от кожуры и после. Наиболее предпочтительным способом кулинарной обработки пищевого сырья в условиях повышенного загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами является варка. При отваривании значительная часть радионуклидов переходит в отвар. Использовать отвары в пищу нецелесообразно. Для получения отвара нужно варить продукт в воде 10 мин, а затем слить воду и продолжать варку в новой порции воды. Такой отвар уже можно использовать в пищу, например, он приемлем при приготовлении первых блюд. Мясо перед приготовлением в течение двух часов следует замочить в холодной воде, порезав его небольшими кусками, затем снова залить холодной водой и варить при слабом кипении в течение 10 мин, слить воду и в новой порции воды варить до готовности. При жарении мяса и рыбы происходит их обезвоживание и на поверхности образуется корочка, препятствующая выведению радионуклидов и других вредных веществ. Поэтому при вероятности загрязнения пищевых продуктов радиоизотопами следует отдавать предпочтение отварным мясным и рыбным блюдам, а также блюдам, приготовленным на пару. На выведение радионуклидов из продукта в бульон влияют солевой состав и реакция воды. Так, выход в бульон из кости составляет (в процентах от активности сырого продукта): при варке в дистиллированной воде - 0,02; в водопроводной - 0,06; в водопроводной с лактатом кальция - 0,18. Питьевая вода из централизованного водопровода обычно не требует какой-либо дополнительной обработки. Необходимость дополнительной обработки питьевой воды из шахтных колодцев состоит в ее кипячении в течение 15...20 мин. Затем следует ее охладить, отстоять и осторожно, не взмучивая осадка, перелить прозрачный слой в другую посуду. Технологические способы снижения остаточных количеств пестицидов в пищевой продукции На эффективность снижения остаточных количеств (ОК) пестицидов влияет характер распределения их в разных частях растений. Известно, что основное количество ФОП и ХОП концентрируется в кожуре плодов и овощей или на ее поверхности, практически не проникая внутрь плода. Следовательно, начальным этапом промышленной и кулинарной переработки фруктов, овощей и ягод является их мойка. Она может осуществляться водой, растворами щелочей, поверхностно-активными веществами. Однако мойка малоэффективна, когда пищевое сырье содержит препараты или вещества, обладающие липофильными свойствами и прочно связывающихся с восками кутикулы. Производные карбаминовой и тиокарбаминовой кислот, оловоорганические соединения в противоположность этому достаточно хорошо смываются водой. Эффективность мойки значительно повышается при использовании салфеток, а также различных моющих средств, удаляющих жиры и воски (детергенты, каустическая сода, спирты). Соотношение между объемами продукта и моющей жидкости должно быть не менее 1:5. Более эффективным способом снижения ОК пестицидов в пищевых продуктах является очистка от наружных частей растений Например, при удалении кожуры у цитрусовых, яблок, груш, бананов, персиков и т.д. достигается их максимальное освобождение от ОК пестицидов - 90... 100%, удаление таких пестицидов, как ливинфос, монокротофос, ортен, дравин, темик, кропетон, меньше - не более 50...70%. Достаточно высоких степеней снижения ОК можно достичь при очистке картофеля, огурцов и томатов, при удалении наружных листьев у капусты и листовых овощей. Освобождение продуктов питания от ОК пестицидов происходит при использовании традиционных технологий их переработки и кулинарной обработки, таких как варка, жарение, печение, консервирование, изготовление варенья, джема, мармелада и т.д. Традиционные процессы изготовления квашеных, маринованных капусты, огурцов, томатов, яблок не приводят к снижению загрязнения ОК ФОП, устойчивых в кислой среде (метафос, хлорофос и др.). В процессе сушки в зависимости от ее характера, вида сырья и свойств препаратов может происходить или концентрирование остатков пестицидов, или их удаление и разрушение. Заметно концентрируются, например, ОК перметрина при высушивании яблок (2500...3000%), омайта в цитрусовых (800%), бобовых (630%), винограда (250%). При переработке зерновых культур ОК пестицидов неравномерно распределяются в различных фракциях помола. Наибольшие количества загрязнителей обнаруживаются обычно в отрубях, наименьшие - в муке тонкого помола. Скорость деструкции ОК пестицидов в хранящихся продуктах зависит от условий. Температурные параметры, влажность среды, продолжительность хранения могут в значительной мере варьировать в зависимости от вида продукта, его назначения и других условий. При низких температурах (минус 18...минус 23 "С) снижение ОК обычно бывает незначительным даже в тех случаях, когда длительность хранения превышает 2 года. С повышением температуры степень деструкции увеличивается При 2... 10 °С ОК фенсульфотиона снижались в корнеплодах на 52...92%. С увеличением длительности хранения деструкция пестицидов повышается. Так, ОК паратиона в кетчупе были стабильны на протяжении 4 мес, а через 6 мес снижались на 93%. В бытовых условиях мойка перед закладкой на хранение может способствовать более быстрому снижению уровня остаточных количеств: при хранении в течение 3...6 дней немытых томатов разрушалось 30% ботрана, а в мытых - 93%. Однако иногда за счет потери влаги хранящихся продуктов уровень ОК может повышаться. Остаточное содержание пестицидов в мясных и молочных продуктах можно снизить путем их термической обработки. Наиболее эффективным в этом отношении является отваривание мяса в воде. При этом необходимо помнить о возможности перехода ОК пестицидов в бульон, а также иметь в виду, что некоторые пестициды могут в процессе варки трансформироваться с образованием более токсичных соединений. Таким образом, защита человека от вредного воздействия пестицидов эффективно обеспечивается барьером гигиенических нормативов и регламентов, но в результате их несоблюдения могут возникать острые и хронические отравления и другие нарушения здоровья. Лекции №5-7. Проблемы новых источников энергии: ядерной, солнечной, ветра приливов, воды, запасы которых практически неисчерпаемы. Рождение энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т.д. На протяжении многих лет огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем была обнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф. Прекрасный миф о Прометее, даровавшем людям огонь, появился в древней Греции значительно позже того, как во многих частях света были освоены методы довольно изощренного обращения с огнем, его получением и тушением, сохранением огня и рациональным использованием топлива. Сейчас известно, что древесина - это аккумулированная с помощью фотосинтеза солнечная энергия. При сгорании каждого килограмма сухой древесины выделяется около 20 000 кДж тепла (эта величина в теплотехнике именуется теплотой сгорания). Напомним также, что теплота сгорания бурого угла равна примерно 13000 кДж/кг, антрацита 25000 кДж/кг, нефти и нефтепродуктов 42000 кДж/кг, а природного газа 45000 кДж/кг. Самой высокой теплотой сгорания обладает водород -120000 кДж/кг. Пришло время объяснить, что же такое энергия, т.е. величина, измеряемая килоджоулями. Известна и другая физическая величина - работа, имеющая ту же размерность, что и энергия, Зачем нужны два разных понятия? Оказывается, вопрос имеет принципиальное значение. Энергия - слово греческое, означающее в переводе деятельность.. Термином "энергия" обозначают единую скалярную меру различных форм движения материи. Энергию можно получить при сгорании 1 кг угля или 1 кг нефти, которые называются энергоносителями. Законы физики утверждают: та работа, которую можно получить в реальных машинах и использовать на наши нужды, будет всегда меньше энергии, заключенной в энергоносителе. Энергия - это, по сути дела, энергетический потенциал (или просто потенциал), а работа - это та часть потенциала, которая дает полезный эффект. Разницу между энергией и работой называют диссипированной (или рассеявшейся) энергией. До сих пор по традиции еще применяют понятия потенциальной и кинетической энергии, хотя в действительности из-за огромного разнообразия видов энергии было бы целесообразно пользоваться единственным термином - энергия. Таким образом, работа совершается в процессе преобразования одних видов энергии в другие и характеризует полезную ее часть, полученную в процессе такого преобразования. Рассеянная в процессе совершения работы энергия неизменно превращается в тепло, которое сообщается окружающему пространству. Поскольку процессы преобразования одних видов энергии в другие бесконечны, любая работа в конце концов переходит в тепло, т.е. обесценивается. Это означает, что чем больше человечество добывает угля, нефти и других энергоресурсов, тем больше оно в конечном итоге нагревает окружающую среду. Прогноз роста потребности в энергии чаще всего связывают с ростом численности населения Земли. При этом предполагают, что на каждого жителя уровень полученной энергии будет также увеличиваться. 15 июля 1987 года численность населения Земли перешла 5-миллиардный рубеж (прогнозы 1975 года утверждали, что это произойдет только после 1990 года!). Ожидается, что к 2000 году население составит не меньше 6 млрд. человек, а на каждого жителя будет приходиться в год в среднем около 29 МВт·ч получаемой энергии, в то время как общая годовая потребность в ней составит 20-200 млрд. МВт·ч. Таким образом, можно сказать, что на одного человека в 2000 году будет приходиться 29МВт·ч всех видов вырабатываемой энергии. Каждый житель Земли в том же 2000 году будет потреблять мощность 3 кВт. Надо заметить, что в развитых странах это значение уже достигнуто, а в США, СССР и ряде других стран на одного человека приходится до 10 кВт энергии всех видов. Развивающиеся страны потребляют значительно меньше, так что среднее мировое значение в настоящее время не превышает 2 кВт на человека. Предполагается, что к 2000 году общая потребляемая электрическая мощность должна удвоиться по отношению к нынешнему уровню и составить (1,8-2,0) 1010кВт (или 20 млрд. кВт). Были предприняты и более глобальные оценки энергопотребления землян в следующем тысячелетии. Большинство экспертов предполагают, что численность населения Земли и потребление энергии должны стабилизироваться на каком-то одном уровне и что произойдет это в середине или конце XXI века. Диапазон оценок такого "стабильного" потребления электрической мощности довольно широк: от 31010 до 1011 кВт, что всего в 3-10 раз больше нынешнего уровня. Соответствующие зависимости приведены на рис. 1, откуда видно, что стабилизация на уровне 3·1011 кВт еще может быть понятна, в то время как другая оценка (1011 кВт) весьма сомнительна даже для ориентировочного прогноза. Очевидно, при этом учитывались результаты существующих прогнозов по истощению к середине - концу следующего столетия запасов нефти, природного газа и других традиционных энергоресурсов, а также сокращение потребления угля (которого, по расчетам, должно хватить на 300 лет) из-за вредных выбросов в атмосферу, а также употребления ядерного топлива, которого при условии интенсивного развития реакторов-размножителей хватит не менее чем на 1000 лет (из-за трудностей с удалением радиоактивных отходов и захоронением отработавших агрегатов АЭС). В таблице 1 приведена приближенная оценка процентной доли отдельных источников энергии в различные периоды развития человечества. Доля отдельных источников энергии (%) Период 500 000 лет до н. э. 2000 г. до н. э. Около 1500 г. н. э. 1910 г. Таблица 1. Мускульна Органиче Древеси Уго Нефт Прир Водн Атом я энергия ские на ль ь одны ая ная человека вещества й газ энерг энерг ия ия 100 70 10 - 25 20 16 5 70 16 6 3 - - - 5 5 3 4 2 3 1 3 5 - 3 8 3 6 1 5 1 2 4 6 1 5 1935 г. - 13 7 5 1972 г. - - 10 2 1990 г. - - 1 0 Итак, ресурсы практически неисчерпаемы! А потребности? Повидимому, они должны соответствовать не только земным нуждам, но и нуждам космического строительства, космических сообщений по трассе Земля - орбита, межорбитальных сообщений, освоения Луны, планет и астероидов. В дальнейшем, по-видимому, потребуются огромные энергетические затраты на обнаружение и установление связи с другими цивилизациями Вселенной. Мир наполнен энергией, которая может быть использована для совершения работы разного характера. Энергия может находиться и находится в людях и животных, в камнях и растениях, в ископаемом топливе, деревьях и воздухе, в реках и озерах, а мы, в свою очередь, рассмотрим способы извлечения этой энергии и ее преобразования. Альтернативные источники энергии Ветровая энергия Мы живем на дне воздушного океана, в мире ветров. Люди давно это поняли, они постоянно ощущали на себе воздействие ветра, хотя долгое время не могли объяснить многие явления. Наблюдением за ветрами занимались еще в Древней Греции. Уже в III в. до н. э. было известно, что ветер приносит ту или иную погоду. Правда, греки определяли только направление ветра. В Афинах около 100 г. до н. э. построили так называемую Башню ветров с укрепленной на ней “розой ветров” (башня существует по сей день, нет только “розы”). В Японии и Китае также были известны розы ветров: изготовленные в виде драконов, они указывали направление ветра. Но главное назначение их было иное: отпугивать злых духов - чужие ветры. Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры - от легкого ветерка, несущего желанную прохладу в летний зной, до могучих ураганов, приносящих неисчислимый урон и разрушения. Всегда неспокоен воздушный океан, на дне которого мы живем. Ветры, дующие на просторах нашей страны, могли бы легко удовлетворить все ее потребности в электроэнергии! Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории - от наших западных границ до берегов Енисея. Богаты энергией ветра северные районы страны вдоль побережья Северного Ледовитого океана, где она особенно необходима мужественным людям, обживающим эти богатейшие края. Почему же столь обильный, доступный да и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии. По оценкам различных авторов, общий ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ТВт, однако возможности использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20-30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования. Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2. Энергия, содержащаяся в потоке движущегося воздуха, пропорциональна кубу скорости ветра. Однако не вся энергия воздушного потока может быть использована даже с помощью идеального устройства. Теоретически коэффициент полезного использования (КПИ) энергии воздушного потока может быть равен 59,3 %. На практике, согласно опубликованным данным, максимальный КПИ энергии ветра в реальном ветроагрегате равен приблизительно 50 %, однако и этот показатель достигается не при всех скоростях, а только при оптимальной скорости, предусмотренной проектом. Кроме того, часть энергии воздушного потока теряется при преобразовании механической энергии в электрическую, которое осуществляется с КПД обычно 75-95 %. Учитывая все эти факторы, удельная электрическая мощность, выдаваемая реальным ветроэнергетическим агрегатом, видимо, составляет 30-40 % мощности воздушного потока при условии, что этот агрегат работает устойчиво в диапазоне скоростей, предусмотренных проектом. Однако иногда ветер имеет скорость, выходящую за пределы расчетных скоростей. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветроагрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветроагрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Учитывая эти факторы, удельная выработка электрической энергии в течение года, видимо, составляет 15-30% энергии ветра, или даже меньше, в зависимости от местоположения и параметров ветроагрегата. Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов. Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы. Аккумуляторная батарея автоматически подключается к генератору в тот момент, когда напряжение на его выходных клеммах становится больше, чем на клеммах батареи, и также автоматически отключается при противоположном соотношении. В небольших масштабах ветроэлектрические станции нашли применение несколько десятилетий назад. Самая крупная из них мощностью 1250 кВт давала ток в сеть электроснабжения американского штата Вермонт непрерывно с 1941 по 1945 г. Однако после поломки ротора опыт прервался ротор не стали ремонтировать, поскольку энергия от соседней тепловой электростанции обходилась дешевле. По экономическим причинам прекратилась эксплуатация ветроэлектрических станций и в европейских странах. Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования. Американец Генри Клюз в штате Мэн построил две мачты и укрепил на них ветродвигатели с генераторами. 20 аккумулятором по 6 В и 60 по 2 В служат ему в безветренную погоду, а в качестве резерва он имеет бензиновый движок. За месяц Клюз получает от своих ветроэлектрических агрегатов 250 кВт·ч энергии; этого ему хватает для освещения всего хозяйства, питания бытовой аппаратуры (телевизора, проигрывателя, пылесоса, электрической пишущей машинки), а также для водяного насоса и хорошо оборудованной мастерской. Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятся слишком дорого. Сейчас созданы самые разнообразные прототипы ветроэлектрических генераторов (точнее, ветродвигателей с электрогенераторами). Одни из них похожи на обычную детскую вертушку, другие - на велосипедное колесо с алюминиевыми лопастями вместо спиц. Существуют агрегаты в виде карусели или же в виде мачты с системой подвешенных друг над другом круговых ветроуловителей, с горизонтальной или вертикальной осью вращения, с двумя или пятьюдесятью лопастями. На рис. 2. схематически показана ветроэлектрическая установка, построенная Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) в штате Огайо. На башне высотой 30,5 м укреплен генератор в поворотном обтекаемом корпусе; на валу генератора сидит пропеллер с двумя алюминиевыми лопастями длиной 19 м и весом 900 кг. Агрегат начинает работать при скорости ветра 13 км/ч, а наибольшей производительности (100 кВт) достигает при 29 км/ч. Максимальная скорость вращения пропеллера составляет 40 об/мин. В проектировании установки самая трудная проблема состояла в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь при подключении к сети генератор должен давать не просто rкакую-то электрическую энергию, а только переменный ток с заданным числом циклов в секунду, т. е. со стандартной частотой 60 Гц. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет попорота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра. Хранение ветряной энергии. При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток ее в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности. Американский ученый Уильям Херонимус считает, что производить водород за счет энергии ветра лучше всего па море. С этой целью он предлагает установить у берега высокие мачты с ветродвигателями диаметром 60 м и генераторами. 13 тысяч таких установок могли бы разместиться вдоль побережья Новой Англии (северо-восток США) и “ловить” преобладающие восточные ветры. Некоторые агрегаты будут закреплены на дне мелкого моря, другие будут плавать на его поверхности. Постоянный ток от ветроэлектрических генераторов будет питать расположенные на дне электролизные установки, откуда водород будет по подводному трубопроводу подаваться на сушу. Энергия рек. Многие тысячелетия верно служит человеку энергия, заключенная в текущей воде. Запасы ее на Земле колоссальны. Недаром некоторые ученые считают, что нашу планету правильнее было бы называть не Земля, а Вода ведь около трех четвертей поверхности планеты покрыты водой. Огромным аккумулятором энергии служит Мировой океан, поглощающий большую ее часть, поступающую от Солнца. Здесь плещут волны, происходят приливы и отливы, возникают могучие океанские течения. Рождаются могучие реки, несущие огромные массы воды в моря и океаны. Понятно, что человечество в поисках энергии не могло пройти мимо столь гигантских ее запасов. Раньше всего люди научились использовать энергию рек. Вода была первым источником энергии, и, вероятно, первой машиной, в которой человек использовал энергию воды, была примитивная водяная турбина. Свыше 2000 лет назад горцы на Ближнем Востоке уже пользовались водяным колесом в виде вала с лопатками (рис. 3). Суть устройства сводилась к следующему. Поток воды, отведенный из ручья или речки, давит на лопатки, передавая им свою кинетическую энергию. Лопатки приходят в движение, а поскольку они жестко скреплены с палом, вал вращается. С ним в свою очередь скреплен мельничный жернов, который вместе с валом вращается по отношению к неподвижному нижнему жернову. Именно так работали первые “механизированные” мельницы для зерна. Но их сооружали только в горных районах, где есть речки и ручьи с большим перепадом и сильным напором. На медленно текущих потоках водяные колеса с горизонтально размещенными лопатками малоэффективны. Шагом вперед было водяное колесо Витрувия (1 в. н. э.), схема которого показана на рис. 4. Это вертикальное колесо с большими лопатками и горизонтальным валом. Вал колеса связан деревянными зубчатыми колесами с вертикальным валом, на котором сидит мельничный жернов. Подобные мельницы и сегодня можно встретить на Малом Дунае; они перемалывают в час до 200 кг зерна. Почти полторы тысячи лет после распада Римской империи водяные колеса служили основным источником энергии для всевозможных производственных процессов в Европе, заменяя физический труд человека. Устройства, в которых энергия воды используется для совершения работы, принято называть водяными (или гидравлическими.) двигателями. Простейшие и самые древние из них - описанные выше водяные колеса. Различают колеса с верхним, средним и нижним подводом воды. В современной гидроэлектростанции масса воды с большой скоростью устремляется на лопатки турбин. Вода из-за плотины течет - через защитную сетку и регулируемый затвор - по стальному трубопроводу к турбине, над которой установлен генератор. Механическая энергия воды посредством турбины передается генераторам и в них преобразуется в электрическую. После совершения работы вода стекает в реку через постепенно расширяющийся туннель, теряя при этом свою скорость. Гидроэлектростанции классифицируются по мощности на мелкие (с установленной электрической мощностью до 0,2 МВт), малые (до 2 МВт), средние (до 20 МВт) и крупные (свыше 20 МВт). Второй критерий, по которому разделяются гидроэлектростанции, напор. Различают низконапорные ГЭС (напор до 10 м), среднего напора (до 100 м) и высоконапорные (свыше 100 м). В редких случаях плотины высоконапорных ГЭС достигают высоты 240 м. Такие плотины сосредоточивают перед турбинами водную энергию, накапливая воду и поднимая ее уровень. Затраты на строительство ГЭС велики, но они компенсируются тем, что не приходится платить (во всяком случае, в явной форме) за источник энергии - воду. Мощность современных ГЭС, спроектированных на высоком инженерном уровне, превышает 100 МВт, а К.П.Д. составляет 95% (водяные колеса имеют К.П.Д. 50-85%). Такая мощность достигается при довольно малых скоростях вращения ротора (порядка 100 об/мин), поэтому современные гидротурбины поражают своими размерами. Например, рабочее колесо турбины Волжской ГЭС им. В. И. Ленина имеет высоту около 10 м и весит 420 т. Турбина - энергетически очень выгодная машина, потому что вода легко и просто меняет поступательное движение на вращательное. Тот же принцип часто используют и в машинах, которые внешне совсем не похожи на водяное колесо (если на лопатки воздействует пар, то речь идет о паровой турбине). Преимущества гидроэлектростанций очевидны постоянно возобновляемый самой природой запас энергии, простота эксплуатации, отсутствие загрязнения окружающей среды. Да и опыт постройки и эксплуатации водяных колес мог бы оказать немалую помощь гидроэнергетикам. Однако постройка плотины крупной гидроэлектростанции оказалась задачей куда более сложной, чем постройка небольшой запруды для вращения мельничного колеса. Чтобы привести во вращение мощные гидротурбины, нужно накопить за плотиной огромный запас воды. Для постройки плотины требуется уложить такое количество материалов, что объем гигантских египетских пирамид по сравнению с ним покажется ничтожным. Поэтому в начале XX века было построено всего несколько гидроэлектростанций. Вблизи Пятигорска, на Северном Кавказе на горной реке Подкумок успешно действовала довольно крупная электростанция с многозначительным названием "Белый уголь". Это было лишь началом. Уже в историческом плане ГОЭЛРО предусматривалось строительство крупных гидроэлектростанций. В 1926 году в строй вошла Волховская ГЭС, в следующем - началось строительство знаменитой Днепровской. Дальновидная энергетическая политика, проводящаяся в нашей стране, привела к тому, что у нас, как ни в одной стране мира, развита система мощных гидроэлектрических станций. Ни одно государство не может похвастаться такими энергетическими гигантами, как Волжские, Красноярская и Братская, Саяно-Шушенская ГЭС. Эти станции, дающие буквально океаны энергии, стали центрами, вокруг которых развились мощные промышленные комплексы. Но пока людям служит лишь небольшая часть гидроэнергетического потенциала земли. Ежегодно огромные потоки воды, образовавшиеся от дождей и таяния снегов, стекают в моря неиспользованными. Если бы удалось задержать их с помощью плотин, человечество получило бы дополнительно колоссальное количество энергии. Лекции №8-9. Проблемы биохимии Земля, эта маленькая зеленая планета -наш общий дом, из которого мы пока не можем, да и не хотим, уходить. По сравнению с мириадами других планет Земля действительно невелика: большая ее часть покрыта уютной и живительной зеленью. Но эта прекрасная и спокойная планета порой приходит в ярость, и тогда с ней шутки плохи - она способна уничтожить все, что милостиво дарила нам с незапамятных времен. Грозные смерчи и тайфуны уносят тысячи жизней, неукротимые воды рек и морей разрушают все на своем пути, лесные пожары за считанные часы опустошают огромные территории вместе с постройками и посевами. Но все это мелочи по сравнению с извержением проснувшегося вулкана. Едва ли сыщешь на Земле другие примеры стихийного высвобождения природной энергии, которые по силе могли бы соперничать с некоторыми вулканами. Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится нет пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов. Энергетика земли - геотермальная энергетика базируется на использовании природной теплоты Земли. Верхняя часть земной коры имеет термический градиент, равный 20-30 °С в расчете на 1 км глубины, и, по данным Уайта (1965 г.), количество теплоты, содержащейся в земной коре до глубины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6-10^26 Дж. Эти ресурсы эквивалентны теплосодержанию 4,6·1016 т угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6-109 Дж/т), что более чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресурсов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной коры (до глубины 10 км) слишком рассеяна, чтобы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты. С геологической точки зрения геотермальные энергоресурсы можно разделить на гидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканического происхождения и системы с высоким тепловым потоком. Лекции № 10-11. Проблемы охраны окружающей среды и воспроизводства природных ресурсов. Человек с давних времен оказывает влияние на окружающую среду. В результате этого разносторонняя многовековая деятельность человека наложила глубокие следы на современный почвенный и растительный покров, воздушную и питьевую (водную) среду, животный мир. Человек истощает невозобновимые природные ресурсы и ставит под угрозу продукцию тех элементов, которые можно было бы возобновить. Он меняет среду природы, от которой зависит его физическое и умственное существование, как биологического и социального феномена. Загрязнение окружающей среды приобретает все более острый, тревожный характер. Варварское, хищническое отношение центральных ведомств к природным ресурсам РК привело в 70-90 гг. к экологическому кризису в республике, принявшему в некоторых регионах катастрофический характер. Одной из сложнейших экологических проблем является радиационное загрязнение территории РК. Ядерные испытания, проводившиеся с 1949 года на Семипалатинском полигоне привели в заражению огромной территории в Центральном и Восточном Казахстане. В республике еще имелось 5 полигонов, где проводились ядерные испытания, в непосредственной близости от ее границ находится китайский полигон Лоб-Нор. Радиационный фон в РК повышается так же в результате образования озоновых дыр при запуске космических кораблей с космодрома Байконур. Огромную проблему для РК представляют радиоактивные отходы. Так, Ульбинский комбинат накопил около 100 тысяч тонн отходов , загрязненных ураном, торием, причем хранилища отходов находятся в городской черте Усть-Каменогорска. В РК имеются всего 3 могильника для ядерных отходов и все они располагаются в водоносном слое. Именно серьезность проблемы радиационного загрязнения привела к тому, что один из первых законов суверенного Казахстана стал Указ от 30.08.1991 г. о запрещении испытаний на Семипалатинском полигоне. Одной из наиболее серьезных экологических проблем РК стало истощение водных ресурсов. Расширение масштабов потребления пресной воды, в первую очередь для поливного земледелия, привело к засолению и истощению природных водных источников. Особенно катастрофическим стало обмеление Аральского моря вследствие нерационального использования вод Амударьи и Сырдарьи. Уровень моря упал на 13 метров, обнажившееся морское дно превратилось в соляную пустыню. Ежегодные пыльные бури разносят соль на огромные территории Евразии. Уменьшение зеркала моря привело за собой изменение направления ветров и климатических характеристик региона. Подобная же ситуация сложилась на озере Балхаш, уровень которого за 10-15 лет снизился на 2,8 -3 метра. В то же время продолжается подъем Каспийского моря, вызванный непродуманным решением осушения залива Кара- Богазгол. Уже затоплены огромные участки прибрежных районов, пастбищные районы и перспективные нефтеносные участки. Зыряновский свинцовый и Лениногорский полиметаллический комбинаты стали причиной загрязнения Иртыша. Тревожная экологическая обстановка сложилась в долине рек Или и Урал. В критическом состоянии находятся земельные ресурсы РК, истощаются плодородные пахотные земли, опустыниваются пастбища. Серьезной остается проблема загрязнения воздуха, особенно в крупных промышленных центрах. Государственный приоритет в "Стратегии 2030" РК отнесены: экологическая безопасность, рациональное использование природных ресурсов, экологическое благополучие граждан и некоторые проблемы социальной экологии. Реакция на первые экологические кризисы и катастрофы была выражена в "законе об окружающей среде" 1997 г. Задачи экологии и охраны природы - это рациональное и плановое использование природных ресурсов, защита окружающей среды от загрязнений, это плановая система государственного контроля, международных и общественных мероприятий, направленных на рациональное использование, охрану и восстановление природных ресурсов, удовлетворение материальных и культурных потребностей грядущих поколений. Национальные экологические проблемы Зонами экологического бедствия в РК по прежнему являются Аральский и Семипалатинский регионы, где произошли разрушения естественных экологических систем, деградация флоры и фауны и вследствие неблагоприятной экологической обстановки нанесен существенный вред здоровью населения. В настоящее время в регионах, прилегающих к бывшему Семипалатинскому полигону (85 населенных пунктов с численностью населения почти 72 тыс. человек), отмечается высокий уровень онкологической заболеваемости и смертности населения, болезней системы кровообращения, пороков развития среди новорожденных и эффектов преждевременного старения. В зоне экологического бедствия Приаралья (178 населенных пунктов с населением 186 тыс. человек) наблюдается высокий уровень желудочно- кишечных заболеваний и анемии, особенно среди женщин и детей, детской смертности и врожденной патологии. Истощение и загрязнение водных ресурсов, а т.ж. проблемы, связанные с интенсивным освоением ресурсов шельфа Каспийского моря. Казахстан относится к категории стран с большим дефицитом водных ресурсов. В настоящее время водные объекты интенсивно загрязняются предприятиями горнодобывающей, металлургической и химической промышленности, коммунальными службами городов и представляют реальную экологическую угрозу. Из рек Южного Казахстана наиболее загрязнены Бадам и Талас. В Бадам сбрасываются сточные воды Шымкентского масложирокомбината, в Талас - сточные воды сахарного и спиртового заводов. В районе г. Тараз сточными водами фабрики первичной обработки шерсти, кожевеннообувного комбината и др. предприятий загрязняется Талас - Ассинское месторождение подземных вод, которое является единственным источником водоснабжения г. Тараз. Продолжается загрязнение канала Талас- Асса и прилегающие к нему территории сточными водами таразского фосфорного завода. Сточными водами Карагандинского завода синтетического каучука, содержащими ртуть, загрязнены река Нура и Нуринское водохранилище. Ртутью загрязнен и поток реки Нуры, используемый для водоснабжения населения и водопоя скота. Загрязнение водоемов достигло таких размеров, что в бассейнах нескольких рек нарушены естественные биологические и гидрохимические режимы. Сильному загрязнению подвергаются Сырдарья, озеро Балхаш и др. Основными загрязнителями водных источников являются черной и цветной металлургии, нефтяной и химической промышленности, стоки которых значительно увеличивают содержание в воде вредных веществ. Трансграничные экологические проблемы представляют реальную внешнюю угрозу экологической безопасности страны, решение которых обеспечивается современными действиями сопредельных государств в рамках международных договоров. В начале 2003 года РК присоединился к Базильской конвенции о контроле за трансграничной перевозкой опасных отходов и их удаление, что позволило установить новые таможенные правила по декларированию опасных отходов и предотвратить в последующем их поступление на территорию РК под видом вторичного сырья и продукции. Воздействие полигонов военно-космического и испытательного комплексов В настоящее время на территории РК функционирует 4 военноиспытаельных полигона и комплекс Байконур. Реальную экологическую угрозу представляют упавшие и падающие на землю фрагменты ракет, разливы высокотоксичного топлива и другие факторы, оказывающие негативное воздействие на окружающую среду и проживающее в непосредственной близости население. Поскольку в решении ряда задач космическим средствам нет альтернативы, то снижение воздействия ракетнокосмической деятельности на окружающую среду и здоровье населения, обеспечение экологической безопасности ракетно-космических комплексов приобретает все большую актуальность. Радиоактивное загрязнение Серьезную реальную угрозу экологической безопасности РК представляет радиоактивное загрязнение, источники которого подразделяются на 4 основные группы: * Отходы неработающих предприятий уранодобывающей и перерабатывающей промышленности (урановых рудников, самоизливающиеся скважины, хвостохранилища); * Демонтированное оборудование технологических линий; * Территории, загрязненные в результате испытаний ядерного оружия; * Отходы нефтедобывающей промышленности и нефтяного оборудования; отходы, образовавшиеся в результате работы ядерных реакторов, и радиоизотопная продукция (отработанные источники ионизирующего итзлучения). В РК имеются 6 крупных ураноносных провинций, множество мелких месторождений и рудопроявлений урана, которые обуславливают повышенный уровень естественной радиоактивности, отходы, накопленные на уранодобывающих предприятиях, и в местах проведения ядерных взрывов. На 30% территории РК существует потенциальная возможность повышенного выделения природного радиоактивного газа - радона, который представляет реальную угрозу для здоровья человека. Опасным является использование для питьевых и хозяйственных нужд воды, зараженной радионуклидами. Комплексное решение проблемы должно включать создание специализированной организации по переработке и захоронению радиоактивных отходов. Борьба с радиоактивным загрязнением среды может носить лишь предупредительных характер, поскольку не существует никаких способов биологического разложения и других механизмов, позволяющих нейтрализовать этот вид заражения природной среды. Наибольшую опасность представляют радиоактивные вещества с периодом полураспада от нескольких недель до нескольких лет: этого времени достаточно для проникновения в организм растений и животных таких веществ. Излучение радиоактивных веществ оказывают следующее воздействие на организм: * Ослабляют облученный организм, * Замедляют рост, * Снижают сопротивляемость к инфекциям и иммунитет организма; * Уменьшают продолжительность жизни; * Сокращают показатели естественного прироста из-за временной или полной стерилизации; * Различными способами поражают гены, последствия которого проявляются во втором или третьем поколении; * Оказывают кумулятивное (накапливающееся)воздействие, вызывая необратимые эффекты. Тяжесть последствий облучения зависит от количества поглощенной организмом энергии (радиации), излученной радиоактивным веществом. Нефть и экология Шли годы и десятилетия. Постепенно нефть из экономической субстанции превратилась в политическую. Общемировые влияния со всех сторон континента неумолимо сшибались здесь, в центре Евразии. Политика превратилась в непредсказуемую вершительницу народных судеб. Яркий тому пример - последние события вокруг правового статуса Каспийского моря. Известно, что нефть нельзя черпать беспредельно, но со временем пластовое давление падает, а нефть как и др. ископаемые залегает пластами. Макат - старейший нефтепромысел Эмбы, в котором нефть добывают более 50 лет, однако уровень добычи не снижается. Нефть Маката дает высокосортные виды топлива и смазочные масла. На месторождении Кульсары добывается 40% нефти всего бассейна. Это крупнейшее месторождение, где действуют фонтанирующие скважины. Фонтанирующая добыча нефти считается самой дешевой и высокопроизводительной. Вместе с нефтью в воздух фонтанируют и газы. На десятки километров видны иногда горящие факелы. Часть такого газа используется для бытовых целей, но в большинстве случаев пропадает. Чтобы не пропадали колоссальные запасы газа,в настоящее время используется метод обратной откачки газа в истощенный пласт. Этот прогрессивный метод дает возможность сохранить газ на будущее и одновременно очистить окружающую среду от вредных примесей. Современный человек, живущий на берегах Каспия, с непонятным упорством воюет против выработанных природой законов, вместо того, чтобы разумно приспосабливать их к своим нуждам. Проблемы Казахстанского Прикаспия являются частью общих ключевых проблем всего каспийского сектора. Для их решения необходимы современные мероприятия по сбалансированному использованию биоресурсов и углеводородного сырья. Какзахстан является одной из 5 частиц международной каспийской экологической проблемы. Целью этой долгосрочной программы является оздоровление и сохранение чувствительной экологической системы Каспия. Активная позиция РК нашла отражение в возложении ответственности на Казахстан за деятельность руководящего комитета. Благодаря широкому применению нефти ее добыча увеличилась с 10 млн. баррелей в день в 1950 годах до 65 млн. баррелей в 1990 г. И за эти 40 лет нефть стала основным источником сырья в мире. Нефть стала играть ключевую роль в мекждународных отношениях. В 1960 г. была создана ОПЕК (организация стран экспортеров нефти) в которую вошли Иран, Ирак, Кувейт, Саудовская Аравия, Венесуэла. На Каспии не было еще крупных экологических катастроф подобных катастрофе 1989 г. в Заливе принца Вильяма на Аляске, когда нефтяной танкер Эксон Вальдес напоролся на подводный риф. Тогда в море вылилось около 240 тысяч баррелей нефти, что привело к загрязнению 1600 км береговой линии, включая побережье 3 национальных парков и 5 заповедников. Несмотря на меры по ликвидации последствий аварии, природе был нанесен непоправимый ущерб. Проблемы добычи нефти на Каспии не могут не волновать. Выбросы нефти в море происходят при мойке танкеров, при авариях на морских нефтедобывающих платформах, при ее транспортировке. По поверхности воды тонкой пленкой разливается нефтяное пятно. Что привело к уменьшению количества рыб осетровых пород на Каспии и приводит к массовой гибели Каспийских тюленей и птиц. Загрязнение воздушного бассейна Основное загрязнение атмосферы связано с выбросами от предприятий цветной металлургии, теплоэнергетики, черной металлургии, нефтегазового комплекса и транспорта. Реальность угроз от загрязнения атмосферного воздуха сказывается на ухудшении здоровья населения и деградации окружающей среды. Проблема загрязнения атмосферного воздуха присуща в основном крупным городам и промышленным агломерациям, где проживает около половины населения страны. К наиболее загрязненным отнесены 10 городов, 8 из которых - с высоким уровнем загрязнения воздуха. Причинами высокого уровня загрязнения воздуха в городах являются устаревшие технологии производства, неэффективные очистительные сооружения, низкое качество применяемого топлива, слабое использование возобновляемых источников и нетрадиционных источников энергии. Резкое увеличение числа автомобилей вызывает рост концентрации оксида углерода и диоксида азота к крупных городах (Алматы, Усть-Каменогорск, Шымкент) , где среднегодовые концентрации этих веществ превышают предельно -допустимые. Загрязнение воздушного бассейна так же связано с разработкой старых и освоением новых месторождений углеводородного сырья, что приводит к увеличению загрязнения атмосферы сероводородом и меркаптанами. Сжигание на факелах попутного газа сопровождается выбросом в атмосферу большого количества парниковых газов, оксидов серы и азота, вокруг месторождения формируется повышенный тепловой фон. Аэрозольное загрязнение атмосферы Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 11-5 мкМ. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 11 куб. км. пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей. Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнении воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Лекции №12-13. Происхождение солнечной системы и вселенной, а также множества элементарных частиц. Солнечная система состоит из центрального небесного тела — звезды Солнца, 9 больших планет, обращающихся вокруг него, их спутников, множества малых планет — астероидов, многочисленных комет и межпланетной среды. Большие планеты располагаются в порядке удаления от Солнца следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Три последние планеты можно наблюдать с Земли только в телескопы. Остальные видны как более или менее яркие кружки и известны людям со времен глубокой древности. Один из важных вопросов, связанных с изучением нашей планетной системы — проблема ее происхождения. Решение данной проблемы имеет естественно-научное, мировоззренческое и философское значение. На протяжении веков и даже тысячелетий ученые пытались выяснить прошлое, настоящее и будущее Вселенной, в том числе и Солнечной системы. Однако возможности планетной космологии и по сей день остаются весьма ограниченными — для эксперимента в лабораторных условиях доступны пока лишь метеориты и образцы лунных пород. Ограничены и возможности сравнительного метода исследований: строение и закономерности других планетных систем пока еще недостаточно изучены. 1. Гипотезы о происхождении солнечной системы К настоящему времени известны многие гипотезы о происхождении Солнечной системы, в том числе предложенные независимо немецким философом И.Кантом (1724—1804) и французским математиком и физиком П.Лапласом (1749—1827). Точка зрения И. Канта заключалась в эволюционном развитии холодной пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное массивное тело — Солнце, а потом родились и планеты. П. Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность вследствие закона сохранения момента импульса вращалась все быстрее и быстрее. Под действием больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца, превращаясь в результате охлаждения и конденсации в планеты. Таким образом, согласно теории П. Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Несмотря на такое различие между двумя рассматриваемыми гипотезами, обе они исходят от одной идеи — Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. И поэтому такую идею иногда называют гипотезой Канта—Лапласа. Однако от этой идеи пришлось отказаться из-за множества математических противоречий, и на смену ей пришло несколько «приливных теорий». Наиболее знаменитая теория была выдвинута сэром Джеймсом Джинсом, известным популяризатором астрономии в годы между Первой и Второй мировыми войнами. (Он также был ведущим астрофизиком, и лишь в конце своей карьеры обратился к созданию книг для начинающих.) Согласно Джинсу, планетное вещество было «вырвано» из Солнца под воздействием близко проходившей звезды, а затем распалось на отдельные части, образуя планеты. При этом наиболее крупные планеты (Сатурн и Юпитер) находятся в центре планетной системы, где некогда находилась утолщенная часть сигарообразной туманности. Если бы дела действительно обстояли таким образом, то планетные системы были бы чрезвычайно редким явлением, так как звезды отделены друг от друга колоссальными расстояниями, и вполне возможно, что наша планетная система могла бы претендовать на роль единственной в Галактике. Но математики снова бросились в атаку, и в конце концов приливная теория присоединилась к газообразным кольцам Лапласа в мусорной корзине науки. 2. Современная теория происхождения солнечной системы Согласно современным представлениям, планеты солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Такая точка зрения наиболее последовательно отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю. Шмидта (1891— 1956), который показал, что проблемы космологии можно решить согласованными усилиями астрономии и наук о Земле, прежде всего географии, геологии, геохимии. В основе гипотезы О.Ю. Шмидта лежит мысль об образовании планет путем объединения твердых тел и пылевых частиц. Возникшее около Солнца газопылевое облако сначала состояло на 98% из водорода и гелия. Остальные элементы конденсировались в пылевые частицы. Беспорядочное движение газа в облаке быстро прекратилось: оно сменилось спокойным движением облака вокруг Солнца. Пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя достигла некоторого критического значения, его собственное тяготение стало «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них приобретали почти круговые орбиты и в своем росте начали обгонять другие тела, став потенциальными зародышами будущих планет. Как более массивные тела, новообразования присоединяли к себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на протяжение миллиардов лет. С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной группы — Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Их вещество отличается относительно высокой плотностью: в среднем около 5,5 г/см3, что в 5,5 раза превосходит плотность воды. Другую группу составляют планеты -гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными массами. Так, масса Урана равна 15 земным массам, а Юпитера— 318. Состоят планетыгиганты главным образом из водорода и гелия, а средняя плотность их вещества близка к плотности воды. Судя по всему, у этих планет нет твердой поверхности, подобной поверхности планет земной группы. Особое место занимает девятая планета — Плутон, открытая в марте 1930 г. По своим размерам она ближе к планетам земной группы. Не так давно обнаружено, что Плутон — двойная планета: она состоит из центрального тела и очень большого спутника. Оба небесных тела обращаются вокруг общего центра масс. В процессе образования планет их деление на две группы обусловливается тем, что в далеких от Солнца частях облака температура была низкой и все вещества, кроме водорода и гелия, образовали твердые частицы. Среди них преобладал метан, аммиак и вода, определившие состав Урана и Нептуна. В составе самых массивных планет — Юпитера и Сатурна, кроме того, оказалось значительное количество газов. В области планет земной группы температура была значительно выше, и все летучие вещества (в том числе метан и аммиак) остались в газообразном состоянии, и, следовательно, в состав планет не вошли. Планеты этой группы сформировались в основном из силикатов и металлов. 3. Солнце – центральное тело нашей планетной системы Солнце — ближайшая к Земле звезда, представляющая собой раскаленный плазменный шар. Это гигантский источник энергии: мощность излучения его очень велика — около 3,86Ч1023 кВт. Ежесекундно Солнце излучает такое количество тепла, которого вполне хватило бы, чтобы растопить слой льда, окружающий земной шар, толщиной в тысячу км. Солнце играет исключительную роль в возникновении и развитии жизни на Земле. На Землю попадает ничтожная часть солнечной энергии, благодаря которой поддерживается газообразное состояние земной атмосферы, постоянно нагреваются поверхности суши и водоемов, обеспечивается жизнедеятельность животных и растений. Часть солнечной энергии запасена в недрах Земли в виде каменного угля, нефти, природного газа. В настоящее время принято считать, что в недрах Солнца при огромнейших температурах —около 15 млн. градусов — и чудовищных давлениях протекают термоядерные реакции, которые сопровождаются выделением огромного количества энергии. Одной из таких реакций может быть синтез ядер водорода, при котором образуются ядра атома гелия. Подсчитано, что в каждую секунду в недрах Солнца 564 млн т водорода преобразуются в 560 млн т гелия, а остальные 4 млн т водорода превращаются в излучение. Термоядерная реакция будет происходить до тех пор, пока не иссякнут запасы водорода. В настоящее время они составляют около 60 % массы Солнца. Такого резерва должно хватить по меньшей мере на несколько миллиардов лет. Почти вся энергия Солнца генерируется в его центральной области, откуда переносится излучением, а затем во внешнем слое — передается конвекцией. Эффективная температура поверхности Солнца — фотосферы — около 6000 К. Наше Солнце — источник не только света и тепла: его поверхность излучает потоки невидимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а также элементарных частиц. Хотя количество тепла и света, посылаемого на Землю Солнцем, на протяжение многих сотен миллиардов лет остается постоянным, интенсивность его невидимых излучений значительно меняется: она зависит от уровня солнечной активности. Наблюдаются циклы, в течение которых солнечная активность достигает максимального значения. Их периодичность составляет 11 лет. В годы наибольшей активности увеличивается число пятен и вспышек на солнечной поверхности, на Земле возникают магнитные бури, усиливается ионизация верхних слоев атмосферы и т. д. Солнце оказывает заметное влияние не только на такие природные процессы, как погода, земной магнетизм, но и на биосферу — животный и растительный мир Земли, в том числе и на человека. Предполагается, что возраст Солнца не менее 5 млрд лет. Такое предположение основано на том, что в соответствии с геологическими данными наша планета существует не менее 5 млрд лет, а Солнце образовалось еще раньше. 4. Планеты земной группы Объединенные в одну группу планеты: Меркурий, Венера, Земля, Марс, — хотя и близки по некоторым характеристикам, но все же каждая из них имеет свои неповторимые особенности. Меркурий — самая малая планета в земной группе. Эта планета не смогла сохранить атмосферу в том составе, который характерен для Земли, Венеры, Марса. Ее атмосфера крайне разрежена и содержит Ar, Ne, Не. Из табл. 5.2 видно, что атмосфера Земли отличается относительно 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, воды и высокая дневная температура (620 К) препятствуют развитию живых систем. Остается открытым вопрос о существовании каких-то форм жизни на Марсе в отдаленном прошлом. Планеты Меркурий и Венера спутников не имеют. Природные спутники Марса — Фобос и Деймос. 5. Планеты-гиганты 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 5,2 а.е. 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 в Солнечной системе. Сатурн окружен кольцами, которые хорошо видны в телескоп. Их 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 Солнечной системы. Вокруг Урана вращается 15 спутников: 5 из них открыты с Земли, а 10 — наблюдались с помощью космического аппарата «Вояджер-2». Уран имеет и систему колец. Нептун — одна из самых удаленных от Солнца планет — находится на расстоянии от него около 30 а.е. Период обращения ее на орбите — 164,8 года. Нептун имеет шесть спутников. Удаленность от Земли ограничивает возможности его исследования. Планета Плутон не относится ни к земной группе, ни к планетам-гигантам. Это сравнительно небольшая планета: ее диаметр около 3000 км. Плутон принято считать двойной планетой. Его спутник, примерно в 3 раза меньший по диаметру движется на расстоянии всего около 20000 км от центра планеты, совершая один оборот за 4,6 суток. Особое место в Солнечной системе занимает Земля — единственная живая планета. Таким образом, современная теория гораздо более правдоподобна, которая, как ни странно, ближе к идеям Лапласа, чем к теории Джинса. Считается, что планеты сконденсировались из облака космического материала, связанного с молодым Солнцем, поэтому все они близки по возрасту. Это объясняет, почему Солнечная система четко разделена на две части. Ближе к Солнцу температура была очень высокой, поэтому такие легкие газы, как водород и гелий, вытеснялись на периферию, а на внутренних планетах происходило накопление более тяжелых элементов. В дальнейшем температура понизилась и появилась возможность удерживать легкие элементы: поэтому планеты-гиганты, в отличие от внутренних членов системы, не являются плотными и каменистыми. Действительно, у планеты-гиганта может быть твердое ядро, но большей частью они состоят из жидкости, с очень мощной атмосферой, богатой водородом и гелием. Процесс образования Солнечной системы нельзя считать досконально изученным, а предложенные гипотезы — совершенными. Например, в современной гипотезе не учитывалось влияние электромагнитного взаимодействия при формировании планет. Выяснение этого и других вопросов — дело будущего. Лекция №14-15. Роль химического образования в современном обществе. Образование – это обучение, просвещение; совокупность знаний, полученных специальным обучением. На представлении учения специализируется школьные, дошкольные и высшие, базовые и специальные учебные заведения, а также различные субъекты, влияющие на процесс развития и обучения личности. «Школа» — это греческое слово, означающее «времяпрепровождение», «досуг». И это не просто так: в системе образования молодой человек находится до четверти века под контролем педагогов, воспитателей в учебное и во внеучебное время. Посему ставится задача именно образованию формировать законопослушных граждан, относящихся с уважением к нормам, традициям, властным институтам. Правда, на этот счет есть и другие точки зрения. В 1971 г. в США вышла книга Ивана Иллиха «Общество, отказавшееся от образования». Автор предложил отменить обязательное обучение, запретить спрашивать документы об образовании при приеме на работу. По его мнению, школа не развивает ребенка, а готовит детали для общественной машины, подавляет личность. Этим был поставлен вопрос о реформации образования и его ограничении: что правильного в системе образования и чему эта система должна содействовать для индустриального развивающегося общества. Другими словами следовало определить и чётко разграничить функции системы образования. Этому вопросу уделяли значительное внимание такие учёные, как Эмиль Дюркгейм, Макс Вебер, Герберт Спенсер. По мнению Эмиля Дюркгейма основной функцией образования является передача ценностей господствующей культуры. По мнению Макса Вебера социальные функции образования связаны с экономическими, политическими процессами, которые происходят в обществе на данном этапе. Для примера можно взять образование в оккупации. Именно после оккупационных режимов нацистской Германии, после второй мировой войны проблемы образования выходят на новый виток своего развития; социология образования образовалась как самостоятельная область знаний. На данном этапе функциями образования занимаются Я. Щепанский, В.А. Конева, Н.Д. Сорокина и др. Вхождение в европейский простор, подписание Болонского договора, внедрение кредитно-модульной системы, развитие учебных заведений инновационного типа требуют нового подхода к феномену образования, а прежде чем найти новые организационные формы обучения и воспитания, обновить содержание учебно-воспитательного процесса следует выделить функции образования и их роль в современном обществе. Это и является целью моего реферата. Итак, целью моей работы я поставил изучение основных функций института образования и их роль в современном обществе. Образование как социальный институт Объективной детерминантой, обуславливающей необходимость возникновения социальных институтов, выступает общественное разделение труда, которое порождает потребность в том либо ином социальном институте и которая реализуется в процессе осознанной целеустремлённой деятельности. Социальные институты появляются в обществе как крупные не планируемые продукты социальной жизни. Как же это происходит? Люди в социальных группах пытаются реализовать свои потребности сообща и ищут для этого различные способы. В ходе общественной практики они находят некоторые приемлемые образцы, шаблоны поведения, которые постепенно через повторение и оценку превращают в стандартизированные обычаи и привычки. Спустя некоторое время эти шаблоны и образцы поведения поддерживаются общественным мнением, принимаются и узакониваются. На этой основе разрабатывается система санкций. Время от времени члены общества или социальной группы могут собирать, систематизировать и давать легальное подтверждение этим практическим навыкам и образцам, в результате чего институты изменяются и развиваются. Исходя из этого, институционализация представляет собой процесс определения и закрепления социальных норм, правил, статусов и ролей, приведение их в систему, которая способна действовать в направлении удовлетворения некоторой общественной потребности. Институционализация - это замена спонтанного и экспериментального поведения на предсказуемое поведение, которое ожидается, моделируется, регулируется. На ранних этапах развития человечества образование существовало как вид деятельности и осуществлялось непосредственно в процессе выполнения трудовых и социальных обязательств. Тем не менее, язык способствовал и скоплению всё большего количества знаний, количество которых увеличивалось в геометрической прогрессии, и передачи их на разных социальных уровнях даже представителями, непосредственно не занятыми в данной области деятельности. Знания увеличивались и их нужно было систематизировать для полноценной передачи их от поколения к поколению и между слоями общества. Этим стал заниматься соответствующий социальный институт; наука, обучение и воспитание превратились в ещё один из видов деятельности. Социальный институт - это организованная система связей и социальных норм, которая объединяет значимые общественные ценности и процедуры, удовлетворяющие основным потребностям общества. Понятие ввёл Герберт Спенсер. По его мнению социальный институт в обществе выполняет функцию регулирования социальных процессов и явлений по случаю сохранения стабильности между ними. В дальнейшем Т. Веблен, Ж. Ренар, Р. Хейлброннер рассматривают социальные институты как группы людей, объединённых совместной идеей, чувством солидарности и т.п. для выполнения какой-либо функции. Потом понятие это переходит в рамки системы норм, регулирующих поведение людей либо системы социальных ролей: поведения и социальных отношений. Для примера приведу высказывание американских учёных П. Хортона и Ч. Канта: «ассоциация — это организованная группа людей, в то время как институт — организованная система поведения либо, другими словами, организованная система социальных отношений, включающая общие ценности и процедуры, находящиеся в соответствии с общими потребностями общества.»[24, с. 206]. Становление социальных институтов неразрывно связанно с процессом разделения труда и дифференциацией чувственно-предметной деятельности (усовершенствование языка, например). Именно координация совместных усилий порождает институт общества. Посему институтуализация имеет самозадачей не только выработку правил, социальных норм, обеспечивающих процесс деятельности, но и наличие определённых организаций, в рамках которых осуществляется деятельность. Следуя из этого, Я. Щепанский, В.А. Конева объясняют социальный институт как систему учреждений. Итак, институт - это своеобразная форма человеческой деятельности, основанной на четко разработанной идеологии, системе правил и норм, а также развитом социальном контроле над их исполнением. Институциональная деятельность осуществляется людьми, организованными в группы или ассоциации, где проведено разделение на статусы и роли в соответствии с потребностями данной социальной группы или общества в целом. Институты, таким образом, поддерживают социальные структуры и порядок в обществе. Образование представляет собой социальную подсистему, имеющую собственную структуру. В качестве ее основных элементов можно выделить учебно-воспитательные учреждения как социальные организации, социальные общности (педагоги и учащиеся), учебный процесс как вид социокультурной деятельности, а также: наличие объективного статуса людей в определённой сфере деятельности, совокупность ролей, исполняющихся людьми, ассоциированных в рамках данного социального института (если статус определяется объективными потребностями, то социальная роль выступает, как процесс его реализации), наличие социальной нормы, которая выражает меру, с помощью которой определяется стандарт поведения людей, оценивается их деятельность и определяются санкции. Но и социальные нормы являются условиями выбора ролевого поведения и способ её измерения (поощрение и порицание); они организовывают и регулируют деятельность людей и их взаимоотношения в рамках единого социального института. Образование как институт определяется двумя аспектами — социальным и культурным, - первый отражает структурную сторону социального института, второй — функциональную сторону, определённый способ его деятельности. Их взаимодействие обуславливает развитие и самосохранение института. Вот на втором мы остановимся более подробно. 2 Функции института образования Функция (от лат.- исполнение, осуществление) – назначение или роль, которую выполняет определенный социальный институт или процесс по отношению к целому [25]. Функция социального института – это та польза, которую он приносит обществу, т.е. это совокупность решаемых задач, достигаемых целей, оказываемых услуг. Если институт помимо пользы приносит обществу вред, то такое действие называют дисфункцией. Об институте говорят, что он обладает дисфункцией, когда некоторые из последствий его деятельности препятствуют осуществлению другой социальной деятельности или другого института. Или, как определяет дисфункцию мой социологический словарь, это «любая социальная деятельность, вносящая негативный вклад в поддержание эффективной деятельности социальной системы». К примеру, экономические институты по мере своего развития предъявляют повышенные требования к тем социальным функциям, которые должен выполнять институт образования. Именно потребности экономики приводят в индустриальных обществах к развитию массовой грамотности, а затем - к необходимости подготовки все большего количества квалифицированных специалистов. Но если институт образования не справляется со своей задачей, если образование поставлено из рук вон плохо, или готовит не тех специалистов, которых требует экономика, то ни развитых индивидов, ни первоклассных профессионалов общество не получит. Школы и вузы выпустят в жизнь рутинеров, дилетантов, полузнаек, а значит, институты экономики окажутся не в состоянии удовлетворить потребности общества. Поэтому деятельность социального института рассматривается как функция, если она способствует сохранению стабильности и интеграции общества. Функции и дисфункции социальных институтов бывают явными, если они отчетливо выражены, всеми сознаются и вполне очевидны, либо латентными, если они скрыты и остаются неосознанными для участников социальной системы. Явные функции институтов являются ожидаемыми и необходимыми. Они формируются и декларируются в кодексах и закреплены в системе статусов и ролей. Латентные функции выступают непреднамеренным результатом деятельности институтов или лиц, представляющих их. Явные функции свидетельствуют о том, чего хотели добиться люди в рамках того или иного института, а латентное – о том, что из этого получилось. К явным функциям школы как института образования относятся: приобретение грамотности и аттестата зрелости, подготовка к вузу, обучение профессиональным ролям, усвоение базисных ценностей общества. Но у института, школы есть также и скрытые функции: приобретение определенного социального статуса, который позволит взобраться выпускнику на ступеньку выше неграмотного сверстника, завязывание прочных дружеских школьных связей, поддержка выпускников в момент их вступления на рынок труда. Не говоря уже о целом ряде таких латентных функций, как формирование взаимодействия классной комнаты, скрытого учебного плана и ученических субкультур. Явными, т.е. достаточно очевидными, функциями института высшего образования можно считать подготовку молодежи к освоению различных специальных ролей и усвоение господствующих в обществе ценностных стандартов, морали и идеологии, а неявными – закрепление социального неравенства между имеющими высшее образование и не имеющими такового. Функции бывают присущими различным институтам общества. Итак, первой и важнейшей миссией любого социального института является удовлетворение важнейших жизненных потребностей общества, т.е. того, без чего общество не может существовать как токовое. Действительно, если мы хотим понять, в чем суть функции того или иного института, мы должны прямо связать ее с удовлетворение потребностей. Одним из первых указал на эту связь Э.Дюркгейм: «Спрашивать, какова функция разделения труда, это значит исследовать, какой потребности она соответствует». Список универсальных, т.е. присущих всем институтам функций можно продолжить, включив в него функцию закрепления и воспроизводства общественных отношений, регулятивную, интегративную, транслирующею и коммуникативную функции. Но это функции, присущие всем институтам. В имеющейся научной литературе имеют место различные точки зрения относительно содержания функций образования и их систематизации. Некоторые исследователи берут за основу результат влияния системы образования на личность и поэтому поводу называют такие их виды как социализация личности, снабжение её соответствующими знаниями и навыками и многие другие. Так, например, Л.М. Коган выделяет трансляцию знаний и социального опыта от поколения к поколению (трансляционная), ценностно ориентировочную, гуманистическую (человекообразующая), адаптационную. Другие же исследователи своим взглядом охватывают роль образования в структуре общества и потому выделяют функции, направленные на реализацию социальных программ в рамках общностей и общества. П.О. Кенкманн выделяет такие функции: социальную (воспроизвеление социальной структуры общества), профессиональную (подготовка членов общества к выполнению определённой профессиональной деятельности), гуманистическую (передача знаний и культуры новыи поколениям), идеологическую (формирование у подростающего поколения идейной направленности, жизненной позиции). В.Т. Лисовский помимо оговорённых только что выделяет ещё и моральную, направленную на освоение норм морали, и политическую, что состоит в воспитании политической культуры, умения анализировать. Третья когорта исследователей называет функции, влияющие на экономику, социальную структуру, духовную культуру и т.д. общества в целом. В основном они выделяют экономическую, которая ещё именуется профессиональноэкономической либо профессионально-образовательной, и социальную. Множество исследователей выделяют множество функций, и как правило, к уже имеющимся приписывают по своему видению новые, а на самом деле старые, но объединённые либо по-другому названные. Например, А.В. Кооп помимо экономической и социальной выделяет ещё культурногуманистическую, а Ф.Р. Филлипов — гуманистическую, политиковоспитательную и культурно-воспитательную функции. В этом примере интегрирующей является гуманистическая (человекообразующая) функция. Но не только в этом примере, но во многих других, так как все остальные функции образования вытекают из неё либо выступают её модификациями. В целом основные функции образования можно условно поделить на социально-культурные, направленные на развитие духовной жизни общества, где высшей школе принадлежит решающая роль, ибо она не только непосредственно влияет на формирование личности, но и закладывает чувство социальной ответственности, позволяет сохранить, развить, транслировать духовное наследие. социально-экономические, связанные с формированием и развитием интеллектуального, научно-технического и кадрового потенциала общества, с социальной стратификацией; социально-политические, реализация которых позволяет обеспечить безопасность общества в самом широком ее понимании, социальный контроль, социальную мобильность, устойчивое развитие общества, его интернационализацию и включенность в общецивилизационные процессы; При этом необходимо отметить, что взаимодействие и переплетение вышеназванных функций достаточно высоко. 2.1 Социально-культурные функции института образования 2.1.1 Гуманистическая (человекообразующая) функция проявляется в единстве противоположных, но органически связанных процессов: социализации и индивидуализации личности. В процессе социализации человек усваивает общественные отношения, превращает их во внутреннюю сущность собственной личности, на собственные социальные качества. Тем не менее, это происходит индивидуально для каждого человека. Поэтому образование — это особенный социальный институт, который обеспечивает социализацию и в то же время приобретение личностью индивидуальных качеств. Связь образования со всеми сферами общественной жизни реализуется непосредственно через личность, включенную в экономические, политические, духовные, иные социальные связи. Образование является единственной специализированной подсистемой общества, целевая функция которой совпадает с целью общества. Если различные сферы и отрасли хозяйства производят определенную материальную и духовную продукцию, а также услуги для человека, то система образования «производит» самого человека, воздействуя на его интеллектуальное, нравственное, эстетическое и физическое развитие. Гуманизация - объективная потребность общественного развития, основной вектор которого - направленность на человека. Глобальный технократизм как метод мышления и принцип деятельности индустриального общества дегуманизирует социальные отношения, в таком обществе человек превращается в рабочую машинку, а в старости уже не нужен. К сожалению, в настоящее время ситуация в этом плане не улучшилась, приходится говорить о нарастании дегуманизации общества как реальном процессе, где утратилась уже и ценность труда. Рассматривая гуманистическую функцию, следует сказать о том, что с наибольшей полнотой гуманистическая функция призвана реализовываться в системе дошкольного воспитания и в общеобразовательной школе, причем в наибольшей степени - в младших классах. Именно здесь закладываются основы интеллектуального, нравственного, физического потенциала личности. Как показывают последние исследования психологов и генетиков, интеллект человека на 90% сформирован уже к 9-летнему возрасту. Увы, как раз эти звенья в самой системе образования рассматриваются как не основные, а на первый план (по значимости, финансированию и т. д.) выходят профессиональное, среднее и высшее образование.
