концепции современного естествознания -
advertisement
Федеральное агентство по образованию ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» ИНСТИТУТ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Красноярск 2007 Концепции современного естествознания: Учеб. пособие/ под ред. Ю.Ю.Логинова - Красноярск, 2007. Учебное пособие подготовлено в рамках Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и предназначено для студентов гуманитарных специальностей вузов. Изложены основные концепции современного естествознания, позволяющие студентам сформировать научное представление о развитии природы, понять возможные перспективы развития цивилизации, повысить общий уровень культуры. Учебное пособие предназначено для студентов гуманитарных специальностей университетов. Коллектив авторов под ред. Ю.Ю.Логинова ISBN 2007 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................. 8 ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ........... 10 1.1 РОЛЬ И МЕСТО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ В СИСТЕМЕ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫХ ДИСЦИПЛИН ......................................................................................................... 10 1.2 НАУЧНЫЙ МЕТОД И ПРОЦЕСС ПОЗНАНИЯ ...................................................... 11 1.2.1 Эмпирический уровень познания ....................................................... 11 1.2.2 Теоретический уровень познания........................................................ 14 1.2.3 Научные методы, используемые на эмпирическом и теоретическом уровнях познания............................................................................................ 15 1.3 ОСНОВНЫЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ ................ 17 1.4 НЕКОТОРЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ ...... 20 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 1 .................................................... 24 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 1........................................ 24 ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОЙ КАРТИНЫ ПРИРОДЫ...................................................................................... 25 2.1 ВИДЫ МАТЕРИИ.............................................................................................. 25 2.2 КЛАССИЧЕСКИЙ ДЕТЕРМИНИЗМ..................................................................... 29 2.2.1 Корпускулярный и континуальный подходы в описании природы .. 29 2.2.2 Основные положения механики Ньютона......................................... 31 2.2.3 Практическая значимость механики Ньютона ............................... 32 2.3 ТРАНСФОРМАЦИЯ ВЗГЛЯДОВ НА ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ. ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ............................................................................................. 33 2.3.1 Классические представления о пространстве и времени................ 33 2.3.2 Принцип относительности Эйнштейна ........................................... 34 2.4 ДИНАМИЧЕСКИЙ И СТАТИСТИЧЕСКИЙ ПОДХОДЫ В МОЛЕКУЛЯРНОКИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ВЕЩЕСТВА .................................................................... 36 2.4.1 Молекулярно-кинетические представления о природе вещества... 36 2.4.2 Первое и второе начало термодинамики .......................................... 37 2.4.3 Статистические закономерности в молекулярно-кинетической теории вещества ........................................................................................... 39 3 2.4.4 Диссипативные системы. Направление времени в термодинамических системах..................................................................... 41 2.5 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ И ПРИНЦИПЫ СИММЕТРИИ В РАЗРАБОТКЕ ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА .................................................................................................... 43 2.5.1 Понятие симметрии ............................................................................ 43 2.5.2 Принципы симметрии в классической физике................................... 45 2.5.3 Принципы симметрии в теории элементарных частиц .................. 46 2.6 ФИЗИЧЕСКАЯ РЕАЛЬНОСТЬ И МИКРОМИР ...................................................... 49 2.6.1 Классические представления о строении атома.............................. 49 2.6.2 Квантово-механические представления о строении атома......... 50 2.6.3 Проблема физической реальности в квантовой физике ................ 51 2.7 ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ ............................................... 55 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 2 .................................................... 63 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 2........................................ 64 ГЛАВА 3. ОТ ФИЗИКИ К ХИМИИ И БИОЛОГИИ ................................... 65 3.1 МЕСТО ХИМИИ В СИСТЕМЕ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНЫХ ДИСЦИПЛИН .............. 65 3.2 ЛОГИКА РАЗВИТИЯ И ПОСТРОЕНИЯ ХИМИИ ................................................... 65 3.3 ЭЛЕМЕНТЫ И АТОМЫ. СОЕДИНЕНИЯ И МОЛЕКУЛЫ ....................................... 67 3.4 СВЯЗИ МЕЖДУ АТОМАМИ. ЭНЕРГИЯ СВЯЗЕЙ ................................................. 68 3.5 ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ................................................................................. 69 3.6 СВОЙСТВА ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ...................................................... 70 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 3 .................................................... 72 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 3........................................ 73 ГЛАВА 4. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ ................................................................................................................................. 74 4.1 БИОЛОГИЯ КАК НАУЧНАЯ ДИСЦИПЛИНА ....................................................... 74 4.2 ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ....................................................... 75 4.3 БИОЛОГИЧЕСКИЕ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ И ЭВОЛЮЦИЯ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ ............................................................................................................................. 77 4.3.1 Уровни организации жизни ................................................................. 77 4.3.2 Генетическая изменчивость и эволюция живых организмов.......... 78 4 4.3.3 Естественный отбор и эволюция живых организмов ..................... 79 4.3.4 Происхождение видов в процессе эволюции ...................................... 80 4.4 РАЗНООБРАЗИЕ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ............................................................ 81 4.4.1 Прокариоты и эукариоты ................................................................... 81 4.4.2 Классификация организмов по использованию главных источников углерода и энергии ......................................................................................... 85 4.6 ВИДЫ И СПОСОБЫ ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ ................. 88 4.7 ЭНЕРГИЯ И ЖИЗНЬ .......................................................................................... 90 4.7.1 Энергетика фотосинтеза ................................................................... 92 4.7.2 Энергетика процессов брожения и дыхания..................................... 93 4.8 КЛЕТКИ: СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ .......................................... 94 4.8.1 Структурный состав клеток ............................................................. 94 4.8.2 Химический состав клеток.................................................................. 95 4.8.3 Генетическая информация клеток и природа генов......................... 98 4.9 КЛЕТОЧНЫЕ ДЕЛЕНИЯ .................................................................................. 101 4.10 ОТ КЛЕТКИ - К ЦЕЛОМУ ОРГАНИЗМУ. ВНУТРЕННЯЯ СРЕДА ОРГАНИЗМА ... 102 4.10.1 Дифференцировка клеток как основа формирования организма 102 4.10.2 Внутренняя среда организма. Гомеостаз...................................... 103 4.11 ПОПУЛЯЦИЯ. ПОНЯТИЕ БИОЛОГИЧЕСКОГО ВРЕМЕНИ И БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА .................................................................................................. 104 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 4 .................................................. 107 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 4...................................... 108 ГЛАВА 5. ОТ БИОЛОГИИ К ЭКОЛОГИИ................................................. 109 5.1 БИОСФЕРА КАК ЕДИНАЯ СИСТЕМА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ .......................... 109 5.1.1 Структура и функции биосферы...................................................... 109 5.1.2 Биологическое разнообразие и устойчивость биосферы............... 111 5.1.3 Биосферные процессы и космические циклы ................................... 112 5.1.4 Эволюция биосферы как самоорганизующейся системы .............. 113 5.2 БИОСФЕРНЫЕ ЦИКЛЫ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ ......................................................... 116 5.3 ОСНОВНЫЕ ЗАГРЯЗНИТЕЛИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ...................................... 119 5.3.1 Антропогенный круговорот вещества (ресурсный цикл) .............. 119 5.3.2 Источники антропогенного загрязнения гидросферы ................... 120 5.3.3 Антропогенные воздействия на атмосферу ................................... 121 5 5.3.4 Антропогенные воздействия на литосферу.................................... 123 5.4 ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕАКЦИИ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ НА АНТРОПОГЕННЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ........................................................................ 124 5.4.1 Исторические этапы взаимодействия “человек-природа” .......... 124 5.4.2 Основные правила и закономерности взаимодействия системы “человек-природа”....................................................................................... 125 5.5 ОСНОВЫ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ .............................................................. 127 5.5.1 Некоторые мировые экологические проблемы как стимул выработки природоохранных мероприятий............................................. 127 5.5.2 Природные ресурсы и экологические кризисы в истории человечества ................................................................................................ 129 5.5.3 Критерии оценки состояния экосистем.......................................... 130 5.6 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧЕЛОВЕКА И БИОСФЕРЫ .............................................. 132 5.6.1 Понятие «ноосфера» ....................................................................... 132 5.6.2 Факторы, характеризующие взаимоотношения “человек-среда” ........................................................................................................................ 134 5.6.3 Человечество как система в рамках биосферы ........................... 135 5.6.4 Состояние окружающей среды и здоровье человека ................... 137 5.6.5 Возможности эволюции и адаптации человека к условиям внешней среды в связи с антропогенным воздействием на природу..... 140 5.7 МЕСТО ЧЕЛОВЕКА В ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ .............................................. 141 5.7.1 Происхождение разума...................................................................... 142 5.7.2 Функции разума................................................................................... 143 5.7.3 Подсознательное в поведении человека. Трансцендентальность 147 5.8 ЭКОЛОГИЗАЦИЯ СФЕР ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА ....................................... 149 5.8.1 Подходы в выборе стратегии дальнейшей деятельности человека ........................................................................................................................ 149 5.8.2 Концепция устойчивого развития как научно обоснованный путь выживания человеческой цивилизации ...................................................... 150 5.8.3 Пути перехода от биосферы к ноосфере ........................................ 152 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 5 .................................................. 158 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 5...................................... 160 ГЛАВА 6. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.................................................................................................. 161 6 6.1 ЗОННАЯ ТЕОРИЯ. МЕТАЛЛЫ, ПОЛУПРОВОДНИКИ, ДИЭЛЕКТРИКИ ............... 161 6.2 МОНОКРИСТАЛЛЫ, ПОЛИКРИСТАЛЛЫ, АМОРФНЫЕ ТЕЛА ............................ 162 6.3 ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛОВ. ВАКАНСИИ. МЕЖДОУЗЕЛЬНЫЕ АТОМЫ, ДИСЛОКАЦИИ ..................................................................................................... 163 6.4 СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ. ЛЕГИРОВАНИЕ, ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ, ДИФФУЗИЯ, ЭПИТАКСИЯ, ЛИТОГРАФИЯ ...................................................................................................... 165 6.5 НАНОСТРУКТУРЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ МЕТОДОМ НАНОТЕХНОЛОГИЙ. КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР ....................................................................................................... 173 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 6 .................................................. 178 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 6...................................... 178 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 179 ГЛОССАРИЙ ТЕРМИНОВ ........................................................................... 180 ИНФОРМАЦИОННО-СПРАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ........................... 183 7 ВВЕДЕНИЕ В последнее время многие вузы страны вводят в учебные программы курсы лекций по основам естествознания. Как правило, это делается для факультетов и специальностей, где для студента не предусмотрены курсы лекций по отдельным естественно-научным дисциплинам, в первую очередь, по физике, математике, химии, биологии. Сейчас совершенно очевидно, что подготовка специалиста высшей квалификации, которому предстоит жить и работать в третьем тысячелетии, немыслима без гармоничных знаний о происхождении, организации и процессах развития природы. Однако, на наш взгляд, не определен, выбор пути в реализации этой задачи. Сейчас наметились две основные тенденции в изложении основ естествознания в высшей школе. Одна из них заключается в попытке изложить в популярном виде основы естественно-научных дисциплин, не акцентируя, как правило, внимания на связях физических, химических и биологических процессов.. Такой курс лекций не имеет общей интегративной основы, и поэтому конечная цель, заключающаяся в том, чтобы студенты имели представление о Природе как единой целостности, - не достигается. Другая тенденция в построении курса лекций об основах естествознания характеризуется чрезмерным акцентированием на взаимозависимости и интегративности наук о Природе. При таком подходе лекторы часто не имеют возможности рассказать о многих важных процессах и явлениях, которые изучает конкретная наука. В результате, студенты хорошо усваивают общефилософские моменты естествознания, ломку и закономерности его развития, знают задачи, которые решают те или иные естественно-научные дисциплины, их основные достижения и проблемы и многие другие общенаучные вопросы. Однако такой подход в построении курса естествознания, на наш взгляд, недостаточно эффективен. Здесь необходимо помнить, что у студентов гуманитарных факультетов, слушающих лекции по естествознанию, - это единственная возможность получить знания по основным естественно-научным дисциплинам - физике, химии, биологии. Этот аспект часто выпадает из поля зрения лектора. Поэтому одна из задач лектора – правильно расставить акценты в изложении разнообразных проблем естествознания, чтобы это было действительно полезно и эффективно для слушателя. В связи со сказанным при чтении лекций по естествознанию необходимо учитывать не только будущую специальность студентов, но и уделять внимание тем вопросам, которые ставит научно-технический прогресс перед каждым членом цивилизованного общества. Новые технологии, информатизация и экологизация буквально захлестнули многие сферы деятельности человека, касающиеся как выполнения своих 8 профессиональных обязанностей, так и быт. Главная задача курса естествознания, на наш взгляд, заключается в том, чтобы научить студента понимать тенденции дальнейшего развития научно-технического прогресса, знать роль в нем основных естественно-научных дисциплин, уметь, по возможности, применять их в повседневной жизни Крайне недостаточное внимание уделяется в настоящее время в курсах естествознания экологическим проблемам. Излишне говорить о необходимости приобретения студентами хотя бы элементарного экологического образования. Нам представляется, что достаточно подробное изложение материала по экологическим проблемам в общем курсе естествознания придаст ему большую полноту и законченность. Такая попытка предпринята в настоящей работе. Вместе с тем авторы прекрасно понимают, что курс естествознания не может быть сведен- это к фрагментарному изложению отдельных естественно-научных дисциплин. Необходимы связующие главы, показывающие взаимопроникновение естественно-научных дисциплин, а также и общенаучные обобщения философского характера. Здесь главное правильно выбрать “дозировки” таких обобщений, чтобы они не оказались самоцелью и не вытеснили суть изложения естественно-научных дисциплин. В этой связи нельзя допустить, чтобы курс естествознания в какой-то степени дублировал определенные разделы философии, где затрагиваются вопросы истории и логики развития естествознания. Настоящее пособие подготовлено с учетом Государственного стандарта РФ по дисциплине "Концепции современного естествознания". Однако в отличие от уже изданных в последние годы учебников и учебных пособий авторы работы по-своему расставили акценты в изложении материала. Такие отличия связаны с различной степенью детализации разделов книги. Критериями выбранного подхода служили, с одной стороны, перечисленные аргументы, а с другой - попытки подробнее осветить вопросы, которые, на наш взгляд, в недостаточной степени рассмотрены в других подобных изданиях. В ряде разделов материал излагается достаточно сжато. Как правило, это касается тех вопросов, которые весьма детально излагаются в современных курсах естествознания. Более подробно затрагиваемые проблемы обсуждались на семинарах, и студенты могли дополнительно изучать их по рекомендуемой литературе. Наш курс апробирован при чтении лекций “Концепции современного естествознания” студентам Сибирского федерального университета на экономическом, филологическом, инженерно-педагогическом факультетах, факультете физического воспитания. Учебное пособие подготовлено коллективом авторов. 9 ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ 1.1 Роль и место естествознания в системе естественно-научных дисциплин Перед изложением материала по курсу естествознания необходимо определить роль и место естествознания в системе научных дисциплин. Для этого остановимся, прежде всего, на ряде определений и понятий. Очевидно, что начать нужно с определения такого термина, как “наука”. Существует множество определений науки. Одно из наиболее распространенных, на наш взгляд, определений науки следующее: “наука - это исторически сложившаяся и непрерывно развивающаяся на основе общественной практики система знаний о природе, обществе и мышлении, об объективных законах их развития”. Развитие науки невозможно без проведения научных исследований. Такие исследования подразделяются на фундаментальные и прикладные. Задачей фундаментальных исследований является получение знаний, выявление закономерностей и законов природы, раскрытие механизмов, лежащих в основе поведения природных объектов. Задача прикладных исследований - использование результатов фундаментальных работ для непосредственных практических целей человека. Таким образом, без фундаментальных исследований невозможно успешное развитие работ прикладного характера. С другой стороны, развитие одних фундаментальных исследований, без их практической реализации (непосредственно или в перспективе) бессмысленно. Таким образом, вопрос о том, какие исследования важнее - фундаментальные или прикладные - не имеет под собой оснований. Другое дело, каким должно быть соотношение между фундаментальными и прикладными исследованиями. Ответ здесь не может быть общим, а связан с конкретными обстоятельствами. Предметом науки являются различные формы движущейся материи, а также формы отражения их в сознании людей. В зависимости от того, что является предметом изучения, науки делятся на естественные и гуманитарные. Естественные науки имеют своим предметом изучение закономерностей природных процессов. Представители естественных наук: физика, химия, биология и др. Гуманитарные науки изучают явления общественной жизни. Пример гуманитарных дисциплин: история, философия, психология и др. Естественные науки - основа естествознания. В рамках естествознания они не рассматриваются изолированно друг от друга, а как бы интегрированы в единое целое. Естествознание - есть совокупность наук о природе (или естественных наук), взятая как целое в неразрывном единстве. 10 Предметом естествознания служат различные формы материи и способы ее проявления. Цель естествознания - это, с одной стороны, раскрытие сущности механизмов природных процессов и познание их законов, а с другой стороны, исследование возможностей использовать на практике познанные законы природы. Таким образом, естествознание включает в себя как фундаментальные, так и прикладные исследования. 1.2 Научный метод и процесс познания В научной деятельности предполагается получение и использование новых знаний о природе и обществе. Для реализации этой задачи исследователь должен обладать определенным набором правил, приемов, принципов, требований, которые в совокупности и определяют понятие научного метода. Иными словами, научный метод является ориентиром в получении достоверных знаний. Методы, используемые для получения знаний, могут быть самыми разнообразными, их эффективность может сильно зависеть от объекта исследования, поставленной научной задачи и т.д. Эти и другие проблемы, связанные с происхождением, сущностью и эффективностью методов исследования, изучает специальная наука - методология. В истории познания известны два всеобщих метода: диалектический и метафизический. Диалектический метод познания исходит из принципа постоянного саморазвития и движения материи, а метафизический метод, в отличие от диалектического, основывается на определенной незыблемости или постоянстве устройства мироздания, независимости явлений друг от друга. В настоящее время диалектический метод получил преимущественное распространение. Из-за своей глобальности в анализе окружающего мира эти методы не позволяют достаточно подробно исследовать конкретные формы материи и материальные процессы. Поэтому наряду со всеобщими методами исследования возникла и развивалась вторая группа методов, получившая название общенаучные методы. Эти методы используются как в отдельных науках, так и в междисциплинарных областях знаний. Их классификация и применение зависят от уровня познания. Существует два уровня научного познания: эмпирический и теоретический. 1.2.1 Эмпирический уровень познания Этот уровень познания характеризуется применением следующих основных методов: наблюдение, эксперимент, измерение. 11 Наблюдение. Наблюдение – это первоначальный этап эмпирического уровня познания. В процессе наблюдения исследователь чувственно воспринимает материальные объекты и явления. Когда речь идет о научном наблюдении, то оно должно иметь такие характерные черты, как планомерность, целенаправленность, творческая активность. Научное наблюдение важно зафиксировать на какой-либо информационный носитель (бумага, фотопленка, магнитная лента и т.д.). Чем более полно удалось произвести такую фиксацию, тем полнее и достовернее будет отображен материальный объект или событие. Когда-то наблюдение вполне удовлетворяло потребности наук и было основным методом исследования. В настоящее время этот метод исследования, является, как правило, далеко не основной, его все больше вытесняют экспериментальные исследования. Тем не менее, в современной науке наблюдения нередко оказываются весьма ценным, а иногда и единственным методом исследования. В этом случае речь, как правило, идет не о непосредственных, а о косвенных наблюдениях. Такие наблюдения играют важную роль при изучении тех процессов, которые визуально не воспринимаются. Примерами могут служить исследования в области ядерной физики. Ясно, что косвенные наблюдения, в отличие от непосредственных, всегда базируются на определенной теоретической основе, позволяющей интерпретировать полученные результаты в виде общепринятых терминов, понятий, таблиц, графиков, рисунков и т.д. Иногда наблюдения наталкивают исследователей на совершенно неожиданный результат, стимулирующий открытие или подтверждающий те или иные научные концепции. В этом случае говорят, что данные наблюдения носят эвристический характер. В последнее время, например, такого рода наблюдения нередко встречаются при рассмотрении состояния атмосферы и поверхности Земли с орбитальных космических станций. Таким образом, не всегда верным является мнение о том, что наблюдению обязательно должна предшествовать какая-либо идея. Эксперимент. Эксперимент, в отличие от наблюдения, - это метод, предполагающий определенное воздействие на объект исследования. Значит эксперимент обязательно требует определенного инструментального обеспечения, методики проведения и т.д. В большинстве случаев он представляется более сложным научным методом, чем наблюдение, которое может входить в эксперимент как составная часть. История развития естествознания показывает, что увеличение количества экспериментальных данных тесно связано с ускорением его развития. Поэтому вполне справедливо, что эксперимент как научный метод нашел наиболее широкое распространение в естествознании. Эксперимент характеризуется рядом следующих особенностей: 12 - во время эксперимента изучается “собственно” объект исследования, изолированный от побочного действия других факторов; - создается “провокационный фон”(низкие или высокие температуры, невесомость, вакуум и т.д.), позволяющий оценить различные свойства объекта; - экспериментатор для выявления свойств объекта исследования может менять факторы воздействия в ходе эксперимента; - для получения достоверных результатов возможна многократная воспроизводимость одного и того же эксперимента. Полноценный эксперимент возможен при комплексном выполнении следующих условий: необходимы научно обоснованные цели и задачи эксперимента; необходима научная гипотеза, предваряющая эксперимент; необходима схема проведения эксперимента; необходим определенный уровень материально-технического обеспечения; необходим определенный квалификационный уровень исследователей, проводящих эксперимент. Научные эксперименты иногда подразделяют на исследовательские и проверочные. При таком подразделении под исследовательскими экспериментами понимают такие, в ходе которых устанавливаются те или иные свойства объекта (например, внутренняя структура объекта, его функциональные характеристики). Проверочные эксперименты служат для экспериментального подтверждения (или опровержения) тех или иных теоретических воззрений, гипотез, предположений и т.д. В качестве одного из наиболее ярких примеров проверочного эксперимента можно привести практическую реализацию термоядерной реакции, лежащей в основе взрыва водородной бомбы. Такая реакция и условия ее осуществления были предсказаны физиками-теоретиками, работавшими в области ядерной физики. Еще одна классификация экспериментов делит их на качественные и количественные. Качественные эксперименты позволяют выявить лишь принципиальный характер воздействия того или иного фактора на объект исследования. Довольно широко качественные эксперименты используются при исследовании живых систем, где часто трудно выявить четкую количественную закономерность. Количественный эксперимент направлен на установление четких количественных закономерностей между параметрами объекта и величинами воздействующих на него факторов. Эти результаты могут быть представлены в виде таблиц, графиков, формул и т.д. Качественные и количественные эксперименты нередко связаны логической связью, поскольку первый может предварять целесообразность проведения второго. Например, если в ходе качественного эксперимента из нескольких 13 факторов воздействия на живой организм установлен стимулирующий фактор воздействия (что и было целью данного эксперимента), то в последующем количественном эксперименте можно определить оптимальную концентрацию вещества, которой соответствует максимальный стимулирующий эффект. Существует также деление экспериментальных методов исследования на фундаментальные и прикладные. Здесь различия связаны с тем, какие результаты будут получены в ходе эксперимента – фундаментальные или прикладные. Важной составной частью эксперимента являются измерения. Результат измерений представляют в виде определенных единиц измерения, либо автоматически регистрируют в виде графика и т.д. Исключительно важна унификация единиц измерения одного и того же процесса. В этой связи с 1960 года введена Международная система единиц измерения СИ. Такие международные организации как ООН, ЮНЕСКО и другие постоянно прилагают усилия для того, чтобы все государства приняли систему СИ для практического использования. 1.2.2 Теоретический уровень познания Теоретический уровень познания начинается с момента абстрагирования, когда отбрасываются второстепенные несущественные свойства и признаки объекта, и мышление концентрируется на формировании общих, наиболее существенных свойств или признаков данного объекта. Таким образом, научный работник проникает в сущность исследуемого явления или объекта. Однако на этом процесс научного познания не останавливается. Как правило, новые идеи и понятия, возникшие в результате абстракции, находятся в противоречии со старыми знаниями. Поэтому дальнейшее движение в познании связано с выдвижением гипотезы, в которой делается теоретическая попытка объяснить новые знания об объекте или явлении. Подтвердить научность той или иной гипотезы может только эксперимент. Например, теоретические предсказания о возможности расщепления тяжелых атомов с выделением большого количества энергии из гипотез превратились в законы спустя несколько лет, когда эти реакции были осуществлены на практике. Если гипотезу невозможно проверить путем постановки эксперимента, то в этом случае могут быть проверены ее следствия, которые должны объяснить ранее непонятные факты или процессы. Необходимо также иметь в виду, что даже самые общепризнанные законы не бывают истиной в последней инстанции. Достаточно вспомнить законы Ньютона, которые, как выяснилось в ХХ веке, являются частным случаем законов теории относительности Эйнштейна. Поэтому законы естествознания часто 14 называют практически достоверными гипотезами. Такое положение дел характеризует относительный характер научных концепций, законов и теорий, бесконечный процесс совершенствования познания природы. Широко распространены в теоретическом познании методы индукции и дедукции. Метод индукции основывается на получении общего вывода путем движения мысли от частных деталей к общему заключению. Известным примером применения метода индукции служит открытие русским ученым Д.И.Менделеевым периодического закона химических элементов, когда на основании частных свойств отдельных элементов великий химик вывел общий закон периодичности их свойств в зависимости от атомных весов. Метод дедукции основан на получении частных выводов из общих положений, то есть движения мысли от общего к частному. В науке метод дедукции используется при выводе каких-либо закономерностей, полученных как следствия общего закона. Например, закон сохранения энергии имеет множество частных следствий не только теоретического, но и практического характера. В качестве одного из таких важных следствий достаточно назвать невозможность создания вечного двигателя. Несмотря на множество хитроумных проектов, ни один из них не был реализован, так как это противоречит общему положению - закону сохранения энергии. 1.2.3 Научные методы, теоретическом уровнях познания используемые на эмпирическом и Помимо изложенных выше научных методов познания, которые применяют либо на эмпирическом, либо на теоретическом уровнях познания, существует ряд методов, используемых независимо от уровня познания. К таким методам можно отнести анализ и синтез. Под анализом понимается условное или реальное разделение объекта исследования на части с целью их изучения. Известен, в частности, такой прием исследования, как химический анализ, который лежит в основе аналитической химии. Одна из основных задач аналитической химии выяснение химического состава того или иного соединения, то есть определение составляющих его химических элементов. Это бывает необходимо для оценки дальнейшего использования исследуемого соединения в научных или практических целях. Метод синтеза заключается в исследовании свойств объекта, полученного путем соединения составных частей, образовавшихся при его анализе. При синтезе у объекта, как правило, возникает ряд свойств, отсутствующих у его составных частей. В качестве примера вновь обратимся к химии. Сложное химическое вещество по своим физическим и химическим свойствам может резко отличаться от свойств составляющих его химических элементов. Наиболее простой пример – вода, которая, являясь жидкостью, 15 состоит из водорода и кислорода. В то же время эти два элемента в свободном состоянии представляют из себя газообразные вещества. Из рассмотренных примеров видно, что как метод анализа, так и метод синтеза взаимно дополняют друг друга, позволяя всесторонне рассмотреть состав, строение и свойства объекта, определить роль каждого составляющего элемента в его общей структуре. К другим универсальным (с точки зрения уровней познания) относятся такие методы, как аналогия и моделирование. Метод аналогии заключается в поиске сходства исследуемого объекта с неким контрольным эталонным объектом. Процесс использования метода аналогии заключается в последовательном сопоставлении структурных и функциональных свойств, параметров или характеристик исследуемого объекта с соответствующими свойствами, параметрами или характеристиками контрольного объекта. Если фиксируется их полное совпадение, то делают заключение об идентичности контрольного и опытного объектов. Если хотя бы один из анализируемых параметров не совпадает, то заключения об идентичности объектов сделать нельзя. Метод аналогии достаточно широко применяют в науке. В качестве примера можно привести использование метода аналогии при проведении сравнительных экспериментов, когда один образец контрольный, а другой, точно такой же, подвергается определенным внешним воздействиям (действия повышенных температур, давления и т.д.). Такие испытательные эксперименты часто проводят с материалами, предназначенными для использования в специальных условиях, например, в космической технике. Результаты этих исследований получаются при использовании метода аналогии, когда сверяют соответствующие характеристики контрольного и опытного образцов. Если все исследуемые параметры совпадают, то можно говорить об идентичности образцов. Метод моделирования ставит своей целью изучение объекта исследования путем построения его модели. Модель обычно строят для изучения определенных свойств оригинала. Сама модель может быть реальной (физической) или абстрактной ( например, мысленной или математической). Моделируют как отдельные явления или процессы, так и сложные системы. Поскольку модель содержит, как правило, лишь основные наиболее характерные черты оригинала, то ее легче понять и описать, чем сам оригинал. С другой стороны, чем полнее модель отражает по своим свойствам оригинал, тем достовернее результаты моделирования. Поэтому, если есть возможность, то в наиболее ответственных случаях строят физические модели (например, в самолетостроении, кораблестроении и т.д.). Однако такие возможности имеются далеко не всегда. В таких случаях часто прибегают к построению абстрактных математических моделей. Эти модели на языке математических уравнений выражают предположения или 16 гипотезы, выдвинутые в отношении реальной системы. Применение метода моделирования, в первую очередь, абстрактного, приносит успех далеко не всегда. Для решения многих проблем вполне достаточны логические рассуждения или прямые эксперименты. В этих случаях введение математических символов может лишь "затемнить" получение истины. В то же время при взвешенном подходе и адекватно выбранной проблеме математическое моделирование может дать несомненный успех. В таких случаях математическое моделирование позволяет углубить количественное понимание механизмов, лежащих в основе существования объекта или явления; найти слабые звенья, которые необходимо дополнительно исследовать; стимулировать новые идеи и подходы; сэкономить время для проведения экспериментов; обобщить данные в удобной форме; сделать прогноз на будущее. Последнее часто является наиболее важным в моделировании и в случае успеха оправдывает все затраченные усилия. Одним из наиболее ярких примеров такого прогноза, разработанного под руководством российского академика Н.Н.Моисеева, является модель “ядерной зимы”, в которой с помощью математического моделирования анализируется ход биосферных процессов после ядерного конфликта. Результат такого моделирования научно показал неизбежность резкого похолодания на планете ввиду образования глобальной плотной пылевой завесы, сильно снижающей доступ солнечного света и тепла к поверхности планеты. Таким образом, была научно обоснована бесперспективность ядерной войны. Значимость данного результата трудно переоценить. 1.3 Основные исторические этапы развития естествознания Оформление естествознания как научной дисциплины происходило постепенно. В древности не существовало разделения науки на дисциплины. Основные причины развития науки в древности были обусловлены потребностями земледелия и скотоводства, а также ремесленного дела. В период с 8 до 1,5 тысяч лет до нашей эры были созданы календарь, колесо, солнечные часы, земледелие, развивалось фельдшерство. Научные взгляды, исследования и концепции объединяла вокруг себя философия, включая как естественно-научные, так и гуманитарные разделы науки. В Европе вершины расцвета философская мысль достигла в период V - I веков до н.э., благодаря, в первую очередь, таким древнегреческим философам, как Платон, Аристотель, Евклид, Архимед. Бурный расцвет ремесел стимулировало дальнейшее совершенствование науки. Возникла потребность насыщения рынков конкурентоспособными товарами, с одной стороны, и расширением рынков сбыта - с другой стороны. Последнее сопровождалось развитием 17 мореплавания. Для этого активно использовались знания, накопленные к тому времени в рамках евклидовой геометрии, античной географии, астрономии. В период средневековья, когда религиозные догмы пронизывали все сферы деятельности человека, развитие науки в Европе было крайне затруднено. В этот период наблюдался подъем в арабской науке, в частности, в медицине и астрономии. Новый рывок научных знаний в Европе был связан с началом океанского мореплавания в XV веке. Потребовались более сложные корабли и навигационные приборы. Это в значительной степени послужило развитию механики, оптики, географии, математики, описательной ботаники и зоологии. Наступила эпоха Возрождения, сопровождающаяся подъемом в науке, а также культуре, искусстве и других сферах жизни. Буквально взрывной характер приобрело развитие научной мысли при переходе от ремесленного к промышленному способу производства товаров. Возникла объективная потребность в большом, качественно новом объеме научных знаний. Причинами этого, в частности, были потребности создания новых механизмов и технологий добычи и переработки сырьевых ресурсов. Возникла химия, термодинамика, на качественно новый уровень знаний вышли отдельные области физики, в первую очередь, такие ее разделы, как механика и оптика, где гениальные открытия были сделаны английским ученым Ньютоном. Им же и немецким ученым Лейбницем созданы основы интегрального и дифференциального исчисления. К середине XVIII века уровень научных знаний оказался достаточным для обеспечения перехода от ремесленного к промышленному производству в массовом масштабе - произошла промышленная революция в Англии. Государство стало напрямую заинтересовано в росте научно-технического прогресса, обеспечивающего развитие экономики страны. Престиж науки резко возрос. Занятие наукой стало не уделом некоторых монахов и чудаков, как это часто было в средневековье, а уважаемой профессией. Многие известные ученые Европы этого времени пользовались государственной поддержкой, имели почетные титулы и звания (Ньютон, Кельвин, Лейбниц, Эйлер и др.). Промышленный прогресс успешно распространялся на разные страны Европы. Вместе с ним бурно развивалась наука. XIX век исключительно богат на научные открытия: в области физики были открыты явления электромагнетизма, созданы волновая теория, атомная теория Дальтона, заложены основы радиотехники; в области химии Д.И.Менделеевым открыт периодический закон; в области биологии создана теория эволюции Дарвина, клеточная теория и другие открытия. ХХ век дал новый импульс развитию естествознания. Возникновение глобальных международных рынков и более чем 70-летнее противостояние 18 двух различных общественно-экономических систем явились основными причинами бурного развития науки. Главным стимулом такого развития служило военное противостояние. В этой связи форсированно и весьма успешно велись исследования в различных разделах физики, химии, биологии, математики и других наук, способных решить, в первую очередь, те или иные военные задачи. Крупные научные открытия способствовали созданию атомного, химического и бактериологического оружия, выходу в космос, созданию электронных информационных систем и многим другим выдающимся научно - техническим решениям, которые были сделаны по заказу и преимущественно на деньги военных ведомств. В дальнейшем такие достижения с успехом использовались в мирных целях. Тем не менее, ряд крупных научных открытий был изначально использован в сугубо гражданских сферах деятельности человека. Достаточно упомянуть “зеленую” революцию, позволившую резко поднять продуктивность сельскохозяйственных культур и решивших продовольственную проблему в развитых странах. В целом же успехи естествознания в ХХ веке оказались настолько важными и так сильно повлияли на уклад жизни людей, что часто сам характер развития науки диктовал отдельные стороны развития общества. Особенно сильно достижения современной науки проявляются в кульминации научно-технической революции (НТР). НТР проникла во все сферы деятельности человека, влияя на поведение людей, их сознание и самосознание. Поэтому в настоящее время совершенно очевидно, что пренебрежение к науке, недооценка ее роли в общественной жизни, может привести к самым разрушительным последствиям. Таким образом, краткий исторический анализ развития естествознания позволяет заключить, что этот процесс шел неравномерно, рывками и был связан с потребностями человеческого общества на различных исторических этапах. Вначале было накопление и систематизация фактов, а затем прорыв в знаниях. Этот прорыв, как правило, был связан с определенными личностями. Так, например, в географии были Колумб, Магеллан, в физике Ньютон, Эйнштейн, в химии - Менделеев, в биологии - Дарвин и т.д. В обобщенном виде историю развития естествознания часто принято представлять в виде следующих периодов: 1) подготовительный (натурфилософский) период. Основные черты: все естественно-научные знания входили в единую не идентифицированную науку (философию), так как отдельные науки только начали складываться; 2) второй подготовительный период. Основные черты: господство схоластики и теологии в Западной Европе, фрагментарные научные открытия у арабских народов. Процесс накопления фактов. Самостоятельного оформления наук еще не произошло; 19 3) период механического и метафизического естествознания (2-я половина ХV века - начало ХVIII века). Основные черты: систематизация естествознания как экспериментальной науки; 4) стихийно-диалектический период (2-я половина ХVIII века - XIX век). Основные черты: технический и промышленный переворот. Окончательное оформление физики и химии как самостоятельных наук. Становление и развитие биологических дисциплин; 5) период новейшей революции в естествознании (конец ХIX - XX век). Первый этап (конец XIX века - начало 20-х годов ХХ века). Основные черты: бурное развитие точных наук, прежде всего физики, химии, а также ряда биологических наук. Возникновение противоречий между системой знаний классической физики и новейшими открытиями - невозможность их объяснения с позиций классической (ньютоновской) физики. Второй этап (20-30-е годы ХХ века). Основные черты: создание квантовой механики и теории относительности. Изменение представлений о единой картине мира. Третий этап (конец 30-х годов по настоящее время). Основные черты: овладение ядерной энергией, развитие кибернетики, физико-химической биологии. 1.4 Некоторые тенденции развития современного естествознания К важным концепциям современного естествознания, вызывающим внимание и интерес научной общественности, можно отнести: - концепцию системности применительно к строению и структуре мира, - синергетическую парадигму развития. В этих современных концепциях можно обнаружить отражение старых, как мир, идей, осмысление которых люди считали важным уже 2,5 тысячи лет назад: - идею взаимозависимости и взаимосвязи всего со всем, - идею непостоянства - объекты в этом мире сначала появляются, затем существуют, а позже исчезают. С тех пор наука существенно продвинулась в изучении огромного количества деталей существования многих объектов: - какие объекты являются взаимосвязанными, и каким образом зависят друг от друга, - по каким причинам объекты появляются, по каким законам существуют и развиваются, когда и как исчезают или распадаются. В настоящее время точнейшие измерительные приборы позволяют получать все более подробные и детальные, необычайно интересные, а иногда удивительные и даже неожиданные знания о многих объектах нашего мира. Эти знания часто настолько специфичны и сложны, что для их 20 понимания необходима специальная подготовка. Объектов так много, что это просто лавина информации. Поэтому все важнее становятся вопросы классификации и обобщения знаний, поиска общих законов и закономерностей. Концепция системности позволяет рассматривать объекты мира как системы, состоящие из связанных между собой элементов. При этом сама система может являться элементом более крупной системы. А каждый элемент, в свою очередь, также может рассматриваться как система. Таким образом, картина мира может быть наглядно представлена как иерархическая структура, в которой определенное место занимают разнообразные объекты материального мира – от самых больших, таких как Вселенная, до мельчайших, таких как кварки. Синергетическая парадигма акцентирует внимание на изменениях, происходящих в мире, исследуя процессы, приводящие к рождению и развитию систем, анализируя причины и условия самоорганизации. Таким образом, концепция системности и синергетическая парадигма дополняют друг друга, при этом концепция системности формирует базовые понятия (такие как понятия системы, структуры, состояния), которые используются и исследуются в синергетике. Концепция системности позволяет рассматривать объекты как системы, а синергетический подход позволяет изучить, как и почему эти системы возникают и развиваются. Отличительной чертой современного естествознания служит принципиально новый подход в рассмотрении физической картины мира. Суть такого подхода заключается в том, что материя во всех ее проявлениях рассматривается как материя, находящаяся в процессе эволюционного преобразования. Такой подход получил название принципа глобального эволюционизма. Если еще в XIX веке признание эволюционного процесса как ведущего фактора было характерно только для немногих областей естествознания (например, в биологии – теория естественного отбора Ч.Дарвина), то в настоящее время во всех естественно-научных дисциплинах признается влияние эволюционного процесса. Важную роль в утверждении такого признания сыграла теория Большого взрыва, на основании которой представления о стационарной Вселенной сменились представлениями о нестационарной расширяющейся Вселенной. Отсюда вытекает представление об историчности Вселенной, об ее развитии или эволюции из некого начального состояния до современного облика. У теории Большого взрыва имеется много важных научных следствий, объясняющих непонятные до этого проблемы возникновения и существования различных материальных объектов. В частности, благодаря этой теории становится понятной историческая последовательность происхождения различных химических элементов. Механизм эволюционного отбора прослеживается и на стадии 21 формирования ключевых химических соединений – основы живых систем, где природа из более чем ста химических элементов отдала предпочтение всего шести (углероду, водороду, кислороду, азоту, фосфору, сере) как основному строительному материалу. С распространенностью на планете этих химических элементов здесь связи нет. Так, например, углерод, основной химический элемент в структуре живых организмов, находится на 16 месте по распространенности на Земле. Поэтому можно говорить о предбиологической эволюции химических элементов, которая развивалась не по критерию их распространенности на планете, а по иным принципам, главным из которых, по современным представлениям, является способность образовывать различные по прочности и лабильности химические связи. Эволюционный предбиологический отбор, согласно современным естественно-научным представлениям, шел не только на уровне отдельных элементов, но и на уровне целых структур. В результате этого резко повысилась активность определенных химических элементов в таких структурах. Примерами могут служить системы пирольных циклов, в которых центральные атомы магния (молекулы хлорофиллов) или железа (молекулы гемоглобина) повышают свою реакционную способность в окислительно-восстановительных реакциях на несколько порядков в сравнении с реакционной способностью в обычных соединениях. Принципиально новой чертой в развитии современного естествознания является признание научным сообществом тезиса о том, что материя имеет свойство самоорганизовываться и самоусложняться независимо от ее уровня организации (физического, химического, биологического и т.д.). Если в философии такое утверждение высказано довольно давно, то его справедливость для естественно-научных дисциплин утвердилась лишь во второй половине XX века. В связи с этим возникла теория самоорганизации – синергетика. Еще одной, на наш взгляд, важной особенностью современного естествознания является его гуманизация. Этот процесс характеризуется комплексным подходом естественно-научных и гуманитарных дисциплин в попытках описать биосоциальные явления в обществе с целью определения возможностей прогнозирования, контроля и управления его дальнейшим развитием. Такая задача, в частности, вытекает исходя из тревожной экологической обстановки на планете, когда антропогенная деятельность становится сильным постоянно действующим фактором, трансформирующим ход биосферных процессов и способным привести к экологической катастрофе. К обоснованию этой задачи мы вернемся в заключительной части работы при обобщении изложенного материала. Как отмечалось выше, важнейшим стимулом развития науки, а следовательно, и естествознания, является удовлетворение потребностей общества. Сейчас мировое сообщество все более тревожит экологическая 22 ситуация на нашей планете. Все острее ставится вопрос о выживании человечества на фоне ухудшающейся экологической обстановки. Несомненно, что естествознание в настоящее время и в ближайшей перспективе будет в значительной степени развиваться под влиянием этих проблем. Социальный заказ общества сейчас заметно смещается на их решения, и современное естествознание все более вовлекается в исследование проблем экологического характера. Поскольку экологические проблемы не под силу решить в рамках отдельно взятых естественнонаучных дисциплин (физики, химии, биологии и т.д.), еще большее значение приобретают такие комплексные дисциплины, как биофизика, биохимия, бионика, радиобиология и т.д. Среди комплексных научных дисциплин большое значение приобретает экология, которая уже вышла из рамок биологии и стала междисциплинарной наукой. Разумеется, что эти и многие другие научные дисциплины существовали и раньше, однако приоритеты лидерства в их кругу были иными, чем сейчас. Как известно, лидером в естествознании долгое время была физика. Ее позиции в современном естествознании сильны и сейчас. Тем не менее, следует констатировать, что в связи с проблемой выживания человечества в современном мире, а также рядом других проблем, на передний край естествознания выдвинулась биология. Целый ряд ученых считает, что в современном естествознании наступил период смены лидера и таким лидером становится биология. Не случайно, что среди множества комплексных научных дисциплин часто наиболее важное значение в современном естествознании занимают те, у которых составной частью является биология. Отмеченные черты развития современного естествознания не претендуют на полноту освещения этой проблемы, а лишь намечают направления в изложении основных концепций современного естествознания, которым посвящены последующие разделы книги. 23 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 1 В чем основные различия между естественными и гуманитарными науками? Почему фундаментальные и прикладные исследования в равной степени важны? Что является предметом изучения и целью естествознания? Какие научные методы, на ваш взгляд, наиболее широко используются в современном естествознании и почему? В чем сила и слабость теоретических методов исследований? Что явилось стимулом в развитии науки в древние времена? Почему в эпоху Возрождения наблюдался подъем науки? С чем связано бурное развитие науки в XIX веке? В XX веке? Почему исторический процесс развития естествознания шел рывками, а не равномерно? С чем связано интенсивное развитие биологии и смежных с ней дисциплин (биофизики, биохимии и др.) в настоящее время? РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 1 Кедров, Б. М. Предмет и взаимосвязь естественных наук/ Б. М. Кедров - М.: Наука, 1967. - 436с. Концепции современного естествознания: Сер."Учебники и учебные пособия". Ростов н/Д: Феникс, 1997. - 448 с. Развитие естествознания в России/ Под ред. С. Р. Микулинского, А. П. Юшкевича.- М.: Наука, 1977. - 535 с. Рузавин, Г. И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ Г. И. Рузавин - М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. - 287 с. 24 ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНОЙ КАРТИНЫ ПРИРОДЫ 2.1 Виды материи Ключевым понятием естествознания является понятие материи. Под материей понимают окружающий нас мир, все существующее вокруг нас. В современном естествознании различают следующие виды материи: - вещество, - физическое поле, - физический вакуум. Вещество – основной вид материи, обладающий массой покоя. Физическое поле - особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. Физический вакуум – низшее энергетическое состояние квантового поля. Рассмотрим каждый из видов материи подробнее. Вещество – основной вид материи, обладающий массой покоя. Вещество состоит из частиц. Так предметы, которые мы видим, состоят из молекул, молекулы состоят из атомов, атомы состоят из ядер и электронов, атомные ядра состоят из нуклонов, а нуклоны состоят из кварков. В настоящее время принято считать, что электроны и кварки не содержат более мелких частиц. Физическое поле - особый вид материи, обеспечивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. Физическое поле: - удерживает частицы вещества вместе, - передает воздействие одной частицы вещества на другую. Образно можно сказать, что физическое поле – это «клей», который «скрепляет» частицы вещества, объединяя их в единые системы. В классической физике вещество и физическое поле абсолютно противопоставлялись друг другу как два вида материи, у первого из которых – вещества – структура дискретна, а у второго - физического поля непрерывна. Квантовая физика обнаружила двойственную корпускулярноволновую природу любого микрообъекта. В настоящее время вещество и физическое поле не противопоставляются, а наоборот, дополняют друг друга. Открытие тесной взаимосвязи вещества и поля привело к углублению представлений о структуре материи. В современном естествознании считается, что все физические поля, все взаимодействия в природе являются проявлением четырех видов фундаментальных взаимодействий (табл. 2.1.): - сильное взаимодействие, 25 - электромагнитное взаимодействие, - слабое взаимодействие, - гравитационное взаимодействие. Ведутся поиски других типов взаимодействий, как в микромире, так и в космосе, однако пока существование какого-либо другого типа взаимодействия не обнаружено. Таблица 2.1. Типы фундаментальных взаимодействий (основные физические поля) фундаментальное взаимодействие гравитационное Кванты поля (калибровочные бозоны) гравитоны (не обнаружены экспериментально) Относительная интенсивность Радиус действия Область проявления 10-38 ∞ (простира ется на огромные расстояни я) 10-16 cм (меньше размеров атомного ядра) ∞ тела, обладающие массой слабое W+,W-, Z – бозоны 10-5 электромагнитное фотоны 10-3 сильное глюоны 1 10-13 cм (размер атомного ядра) радиоактивный бета-распад, термоядерные реакции в звездах все заряженные тела, электротехника, атомы взаимодействие кварков, ответственно за устойчивость атомных ядер Сильное взаимодействие соединяет кварки в адроны и удерживает нуклоны в составе атомного ядра (действует на расстояниях порядка 10-13 см). Теория сильного взаимодействия называется квантовой хромодинамикой. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии и называемые адронами, состоят из кварков. Примеры адронов: нуклоны (нейтрон, протон). Кварки взаимодействуют друг с другом с помощью сильного взаимодействия. С уменьшением расстояния между кварками их взаимодействие ослабевает. Для сильных взаимодействий рассматриваются две области: - область, где радиус взаимодействия больше размера нуклона - здесь сильное взаимодействие проявляется в виде взаимодействия нуклонов; - область, где радиус взаимодействия меньше размера нуклона - здесь сильное взаимодействие проявляется в виде взаимодействия кварков. Сильное взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер. Внутри атомного ядра находятся положительно заряженные протоны. Так 26 как одинаково заряженные частицы отталкиваются друг от друга в результате электромагнитного взаимодействия, то одинаково заряженные протоны внутри атомного ядра должны были бы разлететься в разные стороны, отталкиваясь в результате электромагнитного взаимодействия. Однако атомы существуют, значит, существует взаимодействие, которое удерживает протоны внутри ядра, не давая им разлетаться. Причем это взаимодействие сильнее электромагнитного и называется сильным взаимодействием. Электромагнитное взаимодействие действует между частицами, имеющими электрический заряд, и «ответственно» за явления электромагнетизма. В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряженные тела. Электромагнитное взаимодействие – самое важное на уровне макромира: оно обеспечивает силы, благодаря которым вещество на атомном и молекулярном уровне существует как целое. Электромагнитные взаимодействия: - удерживают атомы от распада, - отвечают за связи между молекулами, т. е. за химические и биологические явления. Таблица 9.2. Виды электромагнитных взаимодействий Вид поля электрическое поле магнитное поле электромагнитны е волны Характеристики вещества возникает при наличии заряженных частиц возникает при движении заряженных частиц излучаются при движении с ускорением заряженных частиц Примеры проявления молния, электрический ток магнит свет, радиоволны, связь по мобильному телефону Шкала электромагнитных волн: радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, гамма-лучи. Слабое взаимодействие обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействия нейтрино с веществом и др. (действует на расстоянии порядка 10-16 см). Слабо взаимодействующими частицами являются лептоны. Лептоны - это легкие элементарные частицы, 27 такие как электрон или нейтрино. Впервые слабые взаимодействия наблюдались при бета-распаде атомных ядер. Кроме того, слабое взаимодействие играет важную роль в термоядерных реакциях в звездах. Слабое взаимодействие: - гораздо интенсивнее гравитационного, - является короткодействующим, оно сосредоточено на расстояниях меньше размеров атомного ядра. Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Гравитация – это тяготение. Приведем некоторые характеристики гравитации. Гравитационное взаимодействие: - носит универсальный характер – в нем участвуют все объекты природы; - в микромире несущественно из-за малых масс микрообъектов; - между макроскопическими телами еле заметно, так как массы попрежнему невелики; - в мегамире очень важно из-за огромных масс объектов мегамира.. Рассмотрим примеры гравитационного взаимодействия. Гравитация: - проявляется как сила земного притяжения, - определяет движение планет вокруг звезды, - играет важную роль в процессах, протекающих в звездах, - управляет эволюцией Вселенной. Согласно квантовой теории поля, взаимодействия между частицами вещества переносят особые частицы-переносчики взаимодействий, называемые квантами поля. Частицами-переносчиками взаимодействий являются: 8 глюонов для сильного взаимодействия, 3 тяжелых калибровочных бозона (W+, W−, Z0) для слабого взаимодействия, один фотон для электромагнитного взаимодействия, гравитон (экспериментально не обнаружен) для гравитационного взаимодействия. Например, электромагнитное взаимодействие между двумя электронами происходит в результате переноса фотона между ними. Многие физики-теоретики полагают, что в действительности в природе имеется лишь одно взаимодействие, которое может проявляться в четырёх формах. Поэтому задача фундаментальной физики — разработка теории «великого объединения» взаимодействий. К настоящему времени разработана лишь теория электрослабого взаимодействия, объединившего слабое и электромагнитное взаимодействия. 28 Как предполагают, в момент Большого взрыва действовало единое взаимодействие, которое разделилось на четыре в первые мгновения существования нашего мира. Следующий вид материи – физический вакуум. Физический вакуум не является абсолютной пустотой. Физический вакуум – низшее энергетическое состояние квантового поля. В соответствии с квантовой теорией поля в вакууме непрерывно рождаются и исчезают виртуальные частицы, которые при определённых условиях могут превращаться в реальные. Например, в ряде физических опытов из вакуума рождаются пары частица-античастица (с превращением энергии в массу). Согласно некоторым теориям, вакуум может находиться в разных состояниях с разными уровнями энергии. Некоторые из предсказаний теорий с использованием понятия физического вакуума успешно подтверждены экспериментом. Современная наука пока не даёт удовлетворительного описания структуры и свойств вакуума. В современном естествознании принято условно выделять следующие структурные уровни организации материи: микромир, макромир, мегамир. Основой такой классификации является размер тел. К мегамиру относят тела космических масштабов: Вселенная, Метагалактика, галактики, звезды, планеты и т.п. К макромиру относят тела, соизмеримые с размером человека, от молекулы до планеты. Горы и песчинки, бактерии и люди, стулья и облака – то, что окружает нас на планете. К микромиру относят мельчайшие частицы вещества: молекулы, атомы, элементарные частицы, кварки. 2.2 Классический детерминизм 2.2.1 Корпускулярный и континуальный подходы в описании природы Исторически сложилось так, что классическая механика как наука оформилась раньше других естественно-научных дисциплин и предоставила методологическую основу всем наукам о природе. Идеи механистического объяснения природы можно увидеть уже у Декарта и Ньютона. Исаак Ньютон в предисловии к своему знаменитому сочинению “Математические начала натуральной философии” писал: “Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы...”. 29 Кроме общего механического подхода к явлениям природы у основателей механистического мировоззрения были и различия в детализации этой концепции. В своем сочинении “Начала философии” Рене Декарт ничего не говорил о частицах или атомах, а представлял материю как непрерывную сущность, континуум. По Декарту, все взаимодействия частей материи осуществляются непосредственным контактом этих частей. Декартово представление о мире, как вечно движущемся материальном континууме, было прогрессивным и до сих пор в измененной форме существует в современных научных теориях. Ньютон же полагал, что материя состоит из частичек, которые могут взаимодействовать друг с другом на расстоянии посредством дальнодействующих сил. Эти два подхода к механистическому объяснению природы получили в дальнейшем название картезианского (континуального) и ньютонианского (корпускулярного). Начиная с работ Галилео Галлилея, Ньютона, Готфрида Лейбница проблема количественного анализа бесконечно малых величин стала одной из важнейших проблем в естествознании. Потребность математического описания механического движения заставляла искать новые математические средства, развивать новые понятия. Таким образом, были открыты и обоснованы дифференциальное и интегральное исчисление. Так, например,уже Галилей в своих работах использовал представления о переменных величинах. Конкретные задачи механики, которыми занимался Галилей, привели его к правильному выводу закона движения тела, брошенного горизонтально. Используя понятие графического изображения скоростей, Галилей нашел закон пути равноускоренного движения: S = v0t+ at2/2, где S, v0, a, t – путь, начальная скорость, ускорение, время, соответственно. В опытах с маятником он доказал, что тело, упавшее с некоторой высоты, поднимается (если не учитывать трение) на ту же высоту, независимо от пути подъема. Здесь уже можно видеть применение закона сохранения энергии, хотя, конечно, самого этого закона Галилей еще не знал. Можно также считать Галилея открывателем закона инерции, хотя он и не дал его полной формулировки. Христиан Гюйгенс был продолжателем исследований Галилея в механике и последователем Декарта в своих физических воззрениях. Исследования Гюйгенса стали важной вехой на пути установления закона сохранения и превращения энергии 30 2.2.2 Основные положения механики Ньютона Ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени. В своей знаменитой работе "Математические начала натуральной философии" Ньютон сформулировал основные понятия механики: масса, количество движения, сила, пространство и время. Ньютон впервые рассматривал силу как математическую категорию, которая позволяет описать то взаимодействие тел, результатом которого являются их ускорения. В принципе уже Ньютон знал, что наблюдаемые в природе движения имеют относительный характер и описание их требует задания системы отсчета. Однако Ньютон полагал, что можно говорить об абсолютном движении тел, основываясь на понятиях абсолютного пространства и времени. Рассматривая абсолютное пространство и время в отрыве от реальных вещей и процессов, Ньютон придавал этим категориям метафизический характер. По Ньютону, абсолютное время характеризуется идеальной равномерностью течения во всех системах отсчета; абсолютное пространство совершенно неподвижно; пространство и время существуют сами по себе, независимо от материи. Так вошла в физику ньютонианская концепция абсолютного пространства и времени. Пространство предполагалось однородным – то есть все его точки считались равноценными и изотропным, что означало равнозначность всех направлений в таком пространстве. Законы механики Ньютона. Установив систему отсчета, покоящуюся в абсолютном пространстве, Ньютон сформулировал законы механики следующим образом: 1) всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние; 2) изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует; 3) действию всегда есть равное и противоположное воздействие, иначе - взаимодействия двух тел друг на друга равны и направлены в противоположные стороны. Основой ньютоновской динамики является второй закон, который математически можно записать так: F = d(mv)/dt, где F, (mv), t – сила, импульс, время Из третьего и второго законов Ньютона выводится закон сохранения количества движения для замкнутой системы, то есть системы, не подверженной действиям внешних сил, а только взаимодействиям тел, входящих в эту систему. Из принципа независимости действия сил и из того, что взаимодействия определяются только расстоянием между телами, 31 следует классический принцип относительности Галилея-Ньютона. Законы механики, сформулированные Ньютоном, относятся к телу, размерами которого можно пренебречь, то есть к материальной точке. Однако любое тело макроскопических размеров – это совокупность материальных точек, расстояние между которыми неизменно, что позволяет достаточно точно описать его движение. В современной физике под классической механикой обычно понимают механику материальной точки, системы материальных точек (частиц) и механику абсолютно твердого тела. В дальнейшем благодаря трудам Леонарда Эйлера, Жозефа Лагранжа, Пьера Лапласа и Уильяма Гамильтона были полностью выявлены все физические и математические следствия теории Ньютона. На основании такого анализа были найдены всевозможные формулировки основных принципов классической механики, и им была придана исключительно общая и изящная математическая форма. Ярким примером такого обобщения является принцип наименьшего действия. Согласно этому принципу из всех кинематически возможных перемещений системы из одного состояния в другое за время (t-t0) реализуется лишь то, для которого величина S, именуемая действием, принимает экстремальное (минимальное) значение. Принцип наименьшего действия обладает огромной общностью. Он справедлив для механики сплошных сред и может быть применен к немеханическим системам: электромагнитному полю, квантованным полям любой природы. 2.2.3 Практическая значимость механики Ньютона В классической механике состояние любой системы однозначно определяется координатами частиц системы и их скоростями. Динамические свойства частиц характеризует одна-единственная величина - инертная масса, которая считается неизменной. Вместо скоростей тел в качестве переменных, определяющих состояние системы, можно выбрать импульсы произведения массы на скорость. По координатам и скоростям частиц замкнутой системы в данный момент времени, зная действующие между частицами силы, можно однозначно определить координаты и скорости частиц в любой последующий или предшествующий момент времени. Таким образом, в механике Ньютона устанавливается однозначная связь состояний системы, причем само состояние считается точно определенным координатами и скоростями частиц (или тел) системы. Основной задачей, стоящей перед наукой во все времена, было максимально полное и точное описание процессов, происходящих в природе. Классическая механика полностью, как казалось, следовала этой цели, и в динамической, однозначной форме ее законов можно было видеть и соответствующее 32 отображение фундаментальных связей природы. Успешное применение законов ньютоновской механики для описания явлений природы укрепило уверенность в их незыблемости. Так, с их помощью в астрономии удалось вычислить движения планет солнечной системы и комет, объяснить приливы и отливы в океанах и даже по небольшой аномалии в движении Урана предсказать существование новой планеты - Нептуна. Казалось, что им подчинялось движение всех тел в природе: от гигантских планет до мельчайших частиц вещества, а соответствующие ньютоновские представления об абсолютном пространстве и времени представлялись до начала XX века естественными и непротиворечивыми. 2.3 Трансформация взглядов на пространство и время. Принцип относительности 2.3.1 Классические представления о пространстве и времени Инерциальные системы отсчета Итак, Ньютон допускал объективное существование однородного и изотропного абсолютного пространства, не связанного с материей и существующего независимо и безотносительно к материальным телам. Движение тела относительно такого пространства абсолютное, поскольку ньютоновское абсолютное пространство неподвижно. Это пространство евклидово, и свободная материальная точка движется в нем равномерно и прямолинейно. Система отсчета, связанная с центром тяжести солнечной системы и с осями, направленными к неподвижным звездам, называется галилеевой, так как по отношению к ней с достаточной точностью выполняется закон инерции: свободная точка движется равномерно и прямолинейно. В этой связи Галилеева система называется также инерциальной. В соответствии с принципом относительности Галилея-Гюйгенса-Ньютона существует бесчисленное множество равноправных инерциальных систем, находящихся в состоянии равномерного прямолинейного движения друг относительно друга, так что никаким механическим опытом нельзя определить, находится ли инерциальная система в состоянии покоя или движется равномерно и прямолинейно. При этом предполагается, что время является абсолютным, то есть текущим одинаково во всех системах отсчета. Абсолютное пространство Ньютона приобрело материальную форму с 33 развитием волновой оптики, оно было отождествлено с мировым эфиром, гипотетической всепроникающей средой, в которой, как полагали, распространяется свет. Производя оптические эксперименты с движущимися телами, изучая влияние движения системы на распространение света, можно было бы доказать экспериментально существование абсолютного пространства, абсолютного движения. Проведение таких экспериментов показало, что в действительности никакого мирового эфира не существует. 2.3.2 Принцип относительности Эйнштейна Проблема мирового эфира и связанной с этим абсолютности пространства и времени была разрешена Альбертом Эйнштейном в статье “К электродинамике движущихся тел”. Основная идея этой работы заключалась в том, что надо раз и навсегда отказаться от попыток определения абсолютного движения и отбросить ньютоновские понятия абсолютного пространства и времени, также и понятие эфира, как не имеющие реального физического смысла. Физические понятия о времени и пространстве образуются из реальных процессов и отношений материальных тел. Эйнштейн показал, что ньютоновское пространство и время, оторванные от материи, это пустые абстракции. Эйнштейн указал физические способы определения пространства и времени, опираясь на следующие два постулата: 1) скорость света во всех инерциальных системах отсчета одинакова; 2) все инерциальные системы отсчета одинаково подходят для описания любых физических процессов (принцип относительности). Эти постулаты Эйнштейна представляют обобщение и развитие принципа относительности Галилея-Гюйгенса-Ньютона. Однако сама механика Галилея-Гюйгенса-Ньютона претерпевает при этом существенные изменения. Во-первых, понятие одновременности теряет свой абсолютный смысл: события, одновременные в одной системе отсчета, оказываются разновременными в другой; во-вторых, теряют абсолютный смысл масштабы пространства и времени, пространственный масштаб имеет наибольшую длину в той системе, в которой он покоится, и укорачивается во всех других системах; интервал времени имеет наименьшее значение при его отсчете по часам, покоящимся в данной системе, и растягивается для всех других систем. Таким образом, постулаты Эйнштейна легли в основу новой физической теории, которая получила название специальной теории относительности. Важными следствиями специальной теории относительности являются закон зависимости массы частицы от скорости ее движения и тесно связанный с ним закон эквивалентности массы и энергии Эйнштейна: 34 E = mc2, где E, m, – энергия и масса покоящейся частицы, c – скорость света в вакууме. При дальнейшем обобщении своей теории Эйнштейн перешел к неевклидовой геометрии, в то время как до этого евклидова геометрия считалась единственно возможной для формулировки пространственных соотношений в физике. В частности, с еквлидовостью пространства теснейшим образом связан закон инерции. Среди постулатов Евклида был один так называемый пятый постулат о параллельных, не обладавший такой очевидностью, как остальные, и геометры потратили немало труда на его доказательство. Однако эти доказательства или основывались на ошибках, или взамен пятого постулата выдвигали другую гипотезу. Так, Лаплас писал, что попытки геометров доказать постулат Евклида о параллельных линиях оставались безуспешными. Но в то же время никто не подвергал сомнению ни этот постулат, ни теоремы, выводимые из него Евклидом. Таким образом, восприятие пространства заключает в себе особенное свойство, которое само по себе очевидно и без которого нельзя строго обосновать свойств параллельных линий. Тем не менее, внутренняя неудовлетворенность математиков аксиоматикой Евклида оставалась. Она и привела к созданию неевклидовой геометрии. Первые печатные изложения неевклидовой геометрии принадлежат профессору Казанского университета Николаю Ивановичу Лобачевскому. В своих работах Лобачевский сформулировал принципы геометрии более общего класса, чем евклидова. Лобачевский утверждал, что геометрия по своей сущности является опытной наукой, в которой, в частности, постулат Евклида о параллельности прямых может и не выполняться. Таким образом, евклидова геометрия не является единственной логически мыслимой геометрией. Независимо от Лобачевского в это же время Карл Гаусс разработал аналитический аппарат теории поверхностей. Такие изменения взглядов на пространство и созданные математиками новые формализованные представления о нем получили развитие в общей теории относительности Эйнштейна. Эйнштейн, опираясь на известный со времен Галилея факт пропорциональности веса и массы, построил физику поля, справедливую для любых систем отсчета. Принципиально новым моментом его теории является положение о движении тел в искривленном пространстве-времени по экстремальным линиям – геодезическим, а степень кривизны определяется гравитационным потенциалом. Законы движения одинаковым образом формулируются в инерциальных и неинерциальных системах отсчета, если считать тождественными силы тяжести и инерции. В качестве следствий из общей теории относительности получается, 35 например, искривление светового луча в сильном гравитационном поле. Последующие наблюдения при полных солнечных затмениях полностью подтвердили искривления светового луча в гравитационном поле в пределах точности эксперимента. Эйнштейн сформулировал свой закон тяготения в предпологая, что движение в поле тяжести равносильно свободному движению по инерции. Иначе говоря, никакой силы тяжести в ньютоновском понимании у Эйнштейна нет; камень падает на Землю и планеты движутся вокруг Солнца, повинуясь только инерции. Для того чтобы объяснить, почему в одних областях пространства вблизи от больших масс кривизна траектории некоторого пробного тела больше, чем вдали от них, было принято, что самые свойства пространства и времени меняются от точки к точке и от момента к моменту. Таким образом, в общей теории относительности пространство и время выступают как физические объекты, свойства которых неотделимы от присутствующей в них движущейся материи. 2.4 Динамический и статистический кинетической теории вещества подходы в молекулярно- 2.4.1 Молекулярно-кинетические представления о природе вещества и теплоты Открытие механического эквивалента теплоты привело к выводу о том, что теплота является видом механического движения. Этот вывод сделал сам автор опытов по определению механического эквивалента теплоты Джеймс Джоуль, доложивший 30 октября 1848 года Манчестерскому философскому обществу “Некоторые замечания о теплоте и о строении упругих жидкостей”. Здесь он, отправляясь от своих опытов, обсуждал также идею о том, что упругость газа представляет собою эффект движения частиц, из которых состоит всякий газ. Однако еще за сто лет до Джоуля эту гипотезу и ее применение к явлениям теплоты и упругости газов выдвинул Михаил Васильевич Ломоносов. Представления о статистическом характере законов о газах, состоянии газа, о том, что температура и давление газа определяются средними значениями кинетической энергии молекул были развиты в работах Рудольфа Клаузиуса. Предположив, что для идеальных газов объем, занимаемый молекулами, пренебрежимо мал, время столкновения исчезающе мало по сравнению с промежутком времени между двумя столкновениями и что влиянием молекулярных сил можно пренебречь, Клаузиус вычислил давление газа и вывел известное соотношение: 36 p = (1/3) nmv2, где n - число молекул в единице объема, m - масса одной молекулы, v2средний квадрат скорости движения молекул. Клаузиус предложил также известную кинетическую модель трех агрегатных состояний вещества и сформулировал основы молекулярной теории теплоемкости газов. Дальнейшее развитие кинетической теории газов было сделано Джеймсом Максвеллом. Рассматривая модель газа в виде системы огромного количества упругих "шариков", Максвелл установил, что в результате взаимных столкновений между этими "шариками" в конечном счете получается некоторое стационарное распределение скоростей, которое при данной температуре группируется вокруг некоторой наивероятнейшей скорости. По Максвеллу, скорости распределяются между частицами по тому же закону, по которому распределяются ошибки между наблюдениями в теории наименьших квадратов. Это был чисто статистический закон, свидетельствовавший о том, что методы теории вероятностей проникли в физику. Максвелл рассмотрел также так называемые “явления переноса”, возникающие тогда, когда в дополнение к скоростям теплового движения, равномерно распределенным по всем направлениям, возникает и общее движение переноса всей системы частиц. К таким процессам относится внутреннее трение (или вязкости), диффузия, теплопроводность. Последующие эксперименты блестяще подтвердили выводы теории. В 1873 году Ван-дер-Ваальс сделал попытку учесть силы сцепления между молекулами и их собственный объем, а затем, применяя молекулярно-кинетические соображения, пришел к уравнению состояния реальных газов. Экспериментальная проверка кинетической теории газов имела очень важное значение для развития представлений о веществе. Любопытно, что против молекулярно-кинетической теории вещества выступали некоторые известные ученые, например, Эрнст Мах, Вильгельм Оствальд и другие, считавшие, что наука не должна иметь дела с “ненаблюдаемыми” величинами. 2.4.2 Первое и второе начало термодинамики Основателями равновесной термодинамики были немецкий физик Клаузиус и английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин). Исходя из опытов Джоуля, Томсон и Клаузиус сформулировали первое начало термодинамики, которое Клаузиус называл принципом эквивалентности между теплотой и работой. Клаузиус сформулировал первое 37 начало термодинамики таким образом: невозможно превратить полностью работу в теплоту и, наоборот, теплоту в работу (причем обе эти величины всегда пропорциональны друг другу). Почти совпадает с формулировкой Клаузиуса и формулировка Томсона, который прямо указывал, что первое начало обязано своим происхождением Джоулю. С помощью воображаемого кругового процесса, при котором тело или система возвращается к исходному состоянию, Томсон доказал, что сумма произведенной или полученной телом работы равна полученной или отданной теплоте. Клаузиус это последнее положение выводил из математической формулировки первого начала, которая в современных терминах имеет следующий вид: Q = dU + A = dU + pdV, где Q - бесконечно малое количество теплоты, сообщенное телу, dU внутренняя энергия, являющаяся полным дифференциалом, и A бесконечно малая работа, совершенная телом. Клаузиус сформулировал в 1851 году второе начало термодинамики так: “Теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому’’. Для характеристики рассеяния энергии Клаузиус предложил особую функцию и назвал ее “мерой эквивалентности”, а в 1865 году он заменил это название на “энтропию” (от греческого слова - превращение). Вначале он показал, что в обратимом круговом процессе сумма всех превращений равна нулю. Поэтому существует функция состояния S (энтропия), дифференциал которой dS равен бесконечно малому эквивалентному количеству тепла, сообщаемому телу при обратимом процессе: dS = Q /T . где Q - бесконечно малое количество теплоты, сообщенное телу, T абсолютная температура. Определив таким образом энтропию, Клаузиус показал, что в изолированной системе в результате необратимых процессов она возрастает. Распространяя этот вывод на всю Вселенную, он, так же как и Томсон, пришел к выводу о “тепловой смерти Вселенной”, наступающей при полном рассеянии энергии, когда энтропия принимает максимальное значение согласно следующему выражению: S → Smax . Суть второго начала термодинамики состоит именно в необратимости 38 термодинамических процессов, в констатации определенной направленности природных процессов, в принципе одностороннего изменения энтропии. Заслуга физического истолкования второго начала и энтропии и вместе с тем введения статистического метода в физику принадлежит австрийскому ученому Людвигу Больцману. 2.4.3 Статистические закономерности в молекулярно-кинетической теории вещества Молекулярно-кинетическая теория газов привела к физическому истолкованию температуры, которая оказалась мерой энергии движения молекул. Дальше перед механической теорией теплоты стояла задача свести к механическим законам и второе начало термодинамики. Решением этой задачи занимались многие физики, в том числе Больцман, Клаузиус и Гельмгольц. Исходя из того, что для обратимых процессов можно определить функцию состояния посредством равенства dS = dQ/T, они искали такое механическое обоснование данного соотношения, которое давало бы автоматически интегрирующий делитель для количества теплоты. Метод рассмотрения явлений природы Больцмана, который он сам называл механическим (точнее будет сказать - статистическим), противопоставляя его термодинамическому (или феноменологическому), заключался в анализе большого количества частиц, движущихся и взаимодействующих между собой по законам механики, но в силу полной нерегулярности начальных условий находящихся в состоянии “молекулярного хаоса”. С этой точки зрения можно поставить вопрос о распределении молекул по состояниям, причем состояние характеризуется в механическом смысле координатами и импульсами частицы. Больцман показал, что в определенных внешних условиях (в данном силовом поле, при данной температуре и в данном объеме газа) в результате взаимных столкновений устанавливается определенное стационарное распределение молекул по энергиям, характеризующееся функцией вида: n = noeE/(kT) , где E - полная энергия молекулы, k - постоянная Больцмана (была впервые введена и определена Планком), Т - абсолютная температура. Больцман также определил, что в установившемся состоянии количество молекул, кинетическая энергия их движения распределяется равномерно по степеням свободы так, что на каждую степень свободы молекулы приходится одна и та же кинетическая энергия, пропорциональная абсолютной температуре (1/2 kT). Больцман предложил и статистическую 39 интерпретацию второго закона термодинамики и энтропии. Рассматривая данную физическую систему, находящуюся в определенном состоянии, характеризующемся распределением молекул по фазовому объему, Больцман нашел наивероятнейшее состояние системы. Для газа это наивероятнейшее распределение опять-таки оказалось максвеллбольцмановским распределением. Связь между энтропией S и вероятностью состояния W (в форме, позже приданной ей Планком, k - постоянная Больцмана) S = k lnW, является одним из важнейших результатов теоретической физики. Этот результат неоднократно оспаривался рядом ученых, но последующее развитие физики полностью подтвердило правоту Больцмана. Мариан Смолуховский и Эйнштейн разработали теорию такого классического статистического явления, как броуновское движение. Хаотичные движения пыльцы растений в воде, которые наблюдал английский ботаник Браун, как, впрочем, и любых других микроскопических частиц вещества, удалось объяснить бесчисленными соударениями частиц с молекулами воды. И в наше время броуновское движение может быть наиболее ярким доказательством молекулярной природы вещества. Эти и другие наблюдения послужили основой для экспериментальных работ французского физика Жана Перрена, в которых впервые прямым методом была определена важная молекулярная постоянная - число Авогадро (число молекул в моле вещества) - и предложен метод непосредственного определения размеров молекул. Итак, уже к началу XX века накопленный экспериментальный опыт свидетельствовал о безусловной правильности атомно-молекулярного учения. Больцман в 1884 году применил методы термодинамики к излучению и обосновал с помощью термодинамики так называемый закон Стефана - Больцмана. Макс Планк, применил понятие термодинамического потенциала к теории растворов и, исследуя термодинамику излучения, пришел к гипотезе квантов (см. следующий раздел). Таким образом, термодинамика из механической теории теплоты превратилась в раздел теоретической физики, исследующий своими методами широкий круг физических, химических и биологических проблем. Обобщенность ее методов позволяет обходиться без специальных предположений об особенностях структуры тела и о деталях процессов, происходящих в системе, однако, в этом одновременно и слабость термодинамического подхода. 40 2.4.4 Диссипативные термодинамических системах системы. Направление времени в Начиная с работ Жана Фурье и Клаузиуса, в XIX в.еке появился интерес к диссипативным термодинамическим системам, в которых происходят необратимые процессы. Однако диссипацию рассматривали тогда лишь в связи с исчерпанием доступной энергии. Простейшим примером такого рода могут служить системы, связанные с трением. Важная роль трения, представляющего собой особую форму диссипативного процесса, была осознана задолго до создания классической механики. Еще Аристотель высказал предположение, что все подлунные динамические системы в общем случае стремятся к равновесию, из-за того, что нечто вроде “трения” должно замедлять движение. С этой точки зрения, известные законы классической механики, рассматривающие основную роль ускорения, а не скорости, являются некоторой идеализацией из-за пренебрежения трением. Возможно, благодаря своему технологическому значению, механика сплошных сред исторически оказалась первой областью, в которой была полностью осознана решающая роль диссипативных процессов. Однако по мере того как постепенно утверждалась молекулярная концепция строения вещества, ее идеи получили развитие в химической кинетике, теории броуновского движения и различных типах транспортных явлений. Сегодня уже общепризнанно, что диссипативные системы представляют собой весьма широкий и важный класс природных систем. Различия между консервативными и диссипативными системами явно проявляются при попытке макроскопического описания последних, когда для определения мгновенного состояния системы используются такие переменные, как температура, концентрация, давление и т.д. При рассмотрении уравнений, управляющих поведением этих переменных, выясняется следующая их важная особенность: они не инвариантны относительно операции обращения времени. Другими словами, чередование соответствующих событий будет необратимым. Для сравнения, законы механики Ньютона инвариантны относительно операции обращения времени, то есть обратимы. В качестве примеров диссипативных процессов можно рассмотреть теплопроводность и диффузию. Как показывает эксперимент, если в однородной жидкости возникает небольшая неоднородность по концентрации вещества, то такое возмущение со временем постепенно исчезает. Подобный этому однонаправленный процесс выравнивания наблюдается и в случае небольшого изменения температуры. 41 Таким образом, в случае диссипативных систем поиск критериев эволюции приводит к некоторым глубоким и неожиданным результатам. В самом деле, из неинвариантности уравнений для переменных относительно обращения времени следует, что для таких систем характерно необратимое приближение к конечному состоянию, которое, как обычно считается, должно соответствовать независящему от времени режиму. В случае изолированных систем, в которых нет обмена ни веществом, ни энергией с внешней средой, такая необратимость выражается вторым законом термодинамики. Согласно этому, существует энтропия S, изменяющаяся монотонно в процессе приближения к единственному конечному состоянию термодинамического равновесия. Обычно данный закон интерпретируется как тенденция к возрастанию разупорядоченности, поскольку в микроскопической теории энтропия ассоциируется с числом допустимых состояний при определенных условиях, наложенных на систему. Отсюда вытекает, что чем меньше допустимых состояний имеет система, тем более она упорядочена. Например, энтропия твердого тела вблизи абсолютного нуля температуры мала, а энтропия газа при комнатной температуре и атмосферном давлении, когда частицы сталкиваются и движутся во всех возможных направлениях, велика. Каким бы ни было детальное микроскопическое определение энтропии для таких систем, можно ожидать, что в отсутствие внешних ограничений термодинамически равновесное состояние системы будет целиком определяться межмолекулярными взаимодействиями. Отсюда вытекает, что в изолированной физической системе, в которой гравитационные силы не играют заметной роли в динамике, после переходного процесса необратимо в системе установится конечное состояние равновесия. Перейдем теперь к неизолированным системам, обменивающимся с внешней средой энергией или веществом. Как было показано в 1945 году бельгийским физиком Ильей Пригожиным, одним из создателей современной неравновесной термодинамики, изменение энтропии будет в этом случае представлено в виде суммы двух членов. Один из них обусловлен происходящим обменом с окружающей средой dSe (поток энтропии), другой - приростом энтропии за счет необратимых процессов внутри системы dSi (производство энтропии): dS = dSi + dSe. Для изолированной системы dSe= 0, так что это уравнение сводится к dS>0, то есть к обычной формулировке второго начала термодинамики. Однако даже в случае неизолированной системы слагаемое dSi будет описывать те необратимые процессы, которые будут по-прежнему иметь место даже в отсутствие потокового члена dSe. 42 До тех пор пока dSi строго положительно, в системе будут протекать необратимые процессы, причем непрерывно. Таким образом, неравенство dSi>0 эквивалентно условию диссипативноcти. С другой стороны, если dSi обращается в нуль, то процесс будет обратимым и будет всего лишь захватывать соседние состояния равновесия путем медленного изменения потока dSe. Как правило, наиболее распространенные необратимые процессы, дающие вклад в dSi, составляют химические реакции, теплопередача, диффузия, вязкость и др. Значит, в зависимости от рассматриваемой системы величина dSe может быть как положительной, так и отрицательной. Тогда понятно, что если dSe отрицательно и превышает по абсолютной величине dSi, то определенные стадии эволюции могут происходить при общем понижении энтропии (теорема Пригожина): dS 0 . dt Однако связь между энтропией и упорядоченностью довольно прозрачна только в идеальных системах, а также в отсутствие взаимодействия между частицами. Упорядоченность, которая обусловлена возникновением диссипативных структур в неравновесных условиях, не обязательно должна быть напрямую связана с убылью энтропии. 2.5 Законы сохранения и принципы симметрии в разработке физической картины мира 2.5.1 Понятие симметрии Современная физика основывается на нескольких фундаментальных законах, причем, принципиально, что их немного. Важнейшими из них являются законы сохранения. Сформулированы они как обобщение опыта. Вопрос о том, почему эти закономерности свойственны природе, возникал в истории многократно. Основные законы сохранения - законы сохранения энергии, импульса, сохранения момента импульса и некоторые другие тесно связаны со свойствами пространства, его симметрией. Если тело движется в пространстве по инерции, не испытывая действия внешних сил, его полная энергия не изменяется. Эта простейшая форма закона сохранения энергии вытекает из свойства однородности пространства. Не меняются свойства тела и при повороте в пространстве, ибо пространство изотропно, то есть, как отмечалось ранее, его свойства не зависят от направлений движения в пространстве, они все равноценны. Значит, поворот тела в пустом пространстве, вдали от других масс, не меняет его энергии. 43 Сам термин "симметрия" происходит от греческого слова "соразмерность" - совпадение различных размеров какого-либо предмета или тела. Многие цветы и листья симметричны. Симметричны тела животных. Конечно, это лишь приближенная симметрия. Правая и левая рука, отдельные лепестки сирени очень близки по форме и размерам, но не совпадают в малых подробностях. Архитектура и графика, живопись и прикладное искусство восприняли у природы симметрию как некий идеал, доставляющий нам эстетическое наслаждение. В геометрии и других разделах математики принципы симметрии заложена во множестве теорем. Принципы симметрии, или инвариантности, играют важную роль во всей физике. Значение их по мере развития физики увеличивается, и в настоящее время они, занимают приоритетное место. Тесная связь наблюдается между принципами инвариантности и законами сохранения, в установлении которой большую сыграли работы Эмми Нетер. Фактически во многих случаях законы сохранения просто вытекают из принципов инвариантности. Существующие принципы инвариантности и описывающие их группы симметрии делятся на пространственно-временные (называемые также геометрическими или внешними) и внутренние симметрии, описывающие специфические свойства элементарных частиц. Среди пространственно-временных симметрий отметим следующие: а) евклидовы преобразования: сдвиг и поворот системы отсчета пространственных координат; c этими преобразованиями связаны законы сохранения импульса и момента импульса; б) сдвиг времени, то есть изменение начала отсчета времени; из инвариантности относительно этого преобразования вытекает закон сохранения энергии; в) переход от одной инерциальной системы отсчета к другой; г) обращение времени. Фундаментальные законы природы не изменяются при замене знака времени t на -t. Все фундаментальные процессы природы обратимы во времени. Необратимость, наблюдаемая в макромире, имеет статистическое происхождение и связана с неравновесным состоянием Вселенной. Среди внутренних симметрий в качестве примеров выделим такие: а) зеркальная симметрия. В квантовой механике этой симметрии соответствует сохранение особого квантового числа - четности, которое можно приписать каждой частице; б) зарядовое сопряжение (операция С). Замена всех частиц на античастицы не изменяет характера процессов в природе; в) закон сохранения заряда:суммарный электрический заряд элементарных частиц до и после взаимодействия не изменяется. Следует заметить, что зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение 44 сохраняются только при электромагнитных и сильных взаимодействиях. При слабых взаимодействиях зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение нарушаются. Законы природы инвариантны только при одновременном выполнении зеркальной симметрии и зарядовом сопряжении. 2.5.2 Принципы симметрии в классической физике По-видимому, первым принципом симметрии, сознательно сформулированным в виде физического закона, был принцип относительности Галилея. Наблюдатель, стоящий на берегу, описывает все явления природы так же, как это делает наблюдатель на борту корабля, движущегося прямолинейно и равномерно. Уравнения Максвелла в электродинамике получены также на основании симметрии между электрическими и магнитными явлениями. Максвелл исходил из убеждения в том, что взаимодействие электрического и магнитного полей должно быть симметричным, он ввел в свои уравнения дополнительное выражение, учитывающее это обстоятельство. Он описывал таким выражением никогда ранее не наблюдавшееся возникновение магнитного поля в результате изменения электрического состояния пустого пространства. По аналогии с током смещения зарядов в диэлектрике Максвелл назвал указанное гипотетическое изменение током смещения в вакууме. Много позже существование этого тока было подтверждено опытом. Так, уверенность в симметрии законов природы, привела Максвелла к неизбежному выводу о существовании электромагнитных волн. Идея Эйнштейна, приведшая его к созданию теории относительности, опиралась, по существу, на уверенность в более глубокой симметрии природы, которая должна одновременно охватывать электромагнитные, механические и все другие явления. Главной заслугой Эйнштейна в данной области было то, что он показал причину, мешавшую выявлению этой симметрии. Препятствие заключалось в распространенном убеждении в абсолютном характере понятий времени и одновременности. Эйнштейн критически проанализировал процесс измерения пространственных расстояний и интервалов времени и показал, как необходимо уточнить математические преобразования, соответствующие принципу Галилея, заменив их другими. Потом оказалось, что предложенные преобразования были в свое время получены Лоренцом. Так сформировалась специальная теория относительности, отражающая глубокую симметрию в уравнениях движения и уравнений электродинамики. При этом обнаружилась и особая симметрия материального мира, проявляющаяся в том, что масса тел связана с содержащейся в них энергией. 45 2.5.3 Принципы симметрии в теории элементарных частиц Детальные исследования свойств электрона показали, что он имеет вращательный момент, то есть вращается вокруг своей оси. Это свойство получило название “спин’’ – от английского слова ‘’вращаться.’’ Позднее выяснилось, что все элементарные частицы имеют спин, который может принимать простые численные значения: 0, 1/2,. 1, 3/2,... Открытие спина электрона и его роли, как характеристики квантового состояния электрона в микросистемах, имело далеко идущие последствия. Выяснилось, что наличие спина вносит существенные особенности в поведение объектов микромира. Целый ряд трудностей классической статистики при попытках применить ее для описания свойств микромира связан с тем, что она попросту неприменима к этому кругу явлений. Но трудности исчезли после того, как Ферми и Дирак разработали особую статистику. Она учитывала принцип запрета, заставляющий из набора возможных состояний системы принимать во внимание только те, где каждое квантовое состояние занято лишь одной частицей. Однако, оказалось, что и новая квантовая статистика не способна объяснить часть закономерностей микромира. Выход из тупика обнаружил индийский физик Бозе. Идея Бозе опиралась на то, что частицы, обладающие целочисленным значением спина, а фотоны принадлежат к их числу, не подчиняются правилу запрета. Значит, они не должны подчиняться статистике Ферми-Дирака. Поэтому в каждом квантовом состоянии может находиться любое число подобных частиц. Так частицы микромира оказались сгруппированными в два существенно различных класса. Частицы, принадлежащие к одному из них, получили название бозонов. Они характеризуются целочисленным значением спина (0, ± 1, ± 2, ± 3...). Частицы второго класса характеризуются полуцелыми значениями спина (± 1/2, ± 3/2, ± 5/2...). и их называют фермионами. Причина и значение такого разделения оставались в течение долгого времени таинственным и непонятным фактом. Лишь совсем недавно появились надежды на то, что и эта загадка будет разрешена. В основе данного различия, вероятно, лежит еще один тип симметрии, присущий микромиру, то есть миру элементарных частиц. Частицы, имеющие одинаковое барионное число, могут иметь различные значения спина. Спин, как мы знаем, определяет принадлежность частицы к той или иной классификации. Полуцелый спин относит частицу к подсемейству фермионов и заставляет ее подчиняться статистике ФермиДирака. Целочисленный спин означает, что частица относится к подсемейству бозонов и подчиняется статистике Бозе-Эйнштейна. Внутри этих подсемейств обнаруживаются дальнейшие различия, ибо, как уже 46 упоминалось, фермионы могут иметь различные «полуцелые» значения спинов (± 1/2, ± 3/2, ± 5/2...), а бозоны - различные целые значения (0, ± 1, ± 2, ± 3...). Это приводит к реальным физическим различиям внутри двух основных подсемейств бозонов и фермионов. Однако в микромире имеются и другие различия между частицами. Например, протон и нейтрон почти не различаются по массе, они входят в одну общую «весовую категорию». Не различаются они и спином. Нейтрон невозможно отличить от протона, не будь в нашем распоряжении электромагнитных полей. Электромагнитное поле или даже электрическое и магнитное поля, взятые по отдельности, позволяют легко отличить протон от нейтрона. Первый обладает положительным электрическим зарядом, второй электрически нейтрален. Обратим внимание на проявляющуюся с полной очевидностью иерархию принципов симметрии. Одни из них выполняются при любых взаимодействиях, другие же, как отмечалось выше, только при сильных и электромагнитных. Эта иерархия имеет большое значение и видна еще отчетливее во внутренних симметриях и соответствующих им законах сохранения, к которым мы сейчас перейдем. Среди них прежде всего важны законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов, выполняющиеся при любых взаимодействиях. Смысл закона сохранения электрического заряда мы рассмотрели выше. Что касается барионного заряда, то в основе его сохранения лежит закономерность рождения барионов (тяжелых частиц) только парами: частица - античастица. Распадаться на более легкие частицы барионы не могут. Это можно истолковать следующим образом: каждому бариону нужно приписать особое квантовое число - барионный заряд, равный +1, а каждому антибариону - заряд -1. Тогда определенный таким образом барионный заряд сохраняется, причем его сохранению соответствует определенное преобразование волновой функции. Аналогичным образом обстоит дело и с лептонами, к которым относят легкие частицы. Разность числа лептонов (электронов, нейтрино и мезонов) и антилептонов не изменяется ни при каких реакциях. Поэтому каждому лептону можно приписать сохраняющееся квантовое число лептонный заряд, равный +1, а каждому антилептону - заряд -1. Однако после открытия двух сортов нейтрино стало очевидным, что необходимо ввести два сохраняющихся независимо друг от друга лептонных заряда электронный лептонный заряд у электронов и электронного нейтрино и мюонный лептонный заряд -мезонов и мюонных нейтрино. Теперь перейдем к внутренним симметриям аналогичного характера, но выполняющимся только при взаимодействиях определенного типа. Одна из давно известных симметрий - изотопическая инвариантность. Опытным путем была установлена с большой точностью зарядовая независимость 47 сильных взаимодействий. Ядерные взаимодействия протона с протоном и нейтрона с нейтроном совершенно одинаковы. Поэтому еще в 30-годах Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как два различных квантовых состояния одной частицы - нуклона. Различаются протон и нейтрон только электрическим зарядом. Небольшое несоответствие их масс обусловлено электромагнитными взаимодействиями. При сильных взаимодействиях они выступают как одна частица. Для описания данной ситуации вводится понятие изотопического спина. Можно характеризовать нуклон единой величиной - изотопическим спином I, проекция которого на некое выбранное направление z в изотопическом пространстве принимает два возможных значения. Протону приписывается значение проекции спина Iz = +1/2, нейтрону - значение - 1/2. Слово “изотопический” отражает примерное равенство масс нуклонов, а сама величина называется спином потому, что формальные аппараты описания зарядовой независимости и обычного механического спина тождественны. Устойчивость ядер и устойчивость нейтронов внутри большинства ядер обеспечивается сильными ядерными взаимодействиями. Распад нейтрона вызывается слабыми взаимодействиями. Они проявляются в полной мере лишь внутри ядерных частиц, вне - чрезвычайно слабы. Даже внутри нейтрона они в 1000 раз слабее электромагнитных взаимодействий. Однако недавно удалось обнаружить, что эти силы действуют и в масштабах атома. Все сказанное позволяет рассматривать протоны и нейтроны как два варианта одной и той же ядерной частицы- нуклона. Это могло бы показаться чистой мистикой, не будь столь парадоксальное утверждение основано на реальном фундаменте многочисленных экспериментов. Нуклон, эта двуединая частица, выступает как единое целое только внутри ядер атомов более тяжелых, чем водород. Внутри ядер электрический заряд не принадлежит отдельным протонам. Он полностью коллективизирован. Можно представить себе, что ядро есть капля нуклонной жидкости, удерживаемая вместе действием ядерных сил, проявляющихся в том, что отдельные нуклоны постоянно обмениваются между собой пи-мезонами. При этом электрические заряды покидают отдельные протоны и оттесняются к поверхности капли. Таким образом, симметрия природы, названная изотопической симметрией, объединяет между собой протон и нейтрон, позволяя рассматривать их как единую частицу - нуклон. Нуклон обладает изотопической симметрией, электромагнитное поле нарушает изотопическую симметрию, так как обнаруживает, является ли данный нуклон протоном или нейтроном. Если электромагнитного поля нет, то разница между ними исчезает. Можно сказать лишь, что это нуклон. В физике элементарных частиц существует теория суперсимметрии. Эта теория объединяет бозоны (фотоны, гравитоны и другие частицы и 48 античастицы, имеющие целочисленный спин) с фермионами (электронами, протонами, нейтронами и другими, а также их античастицами, имеющими полуцелый спин). Суперсимметрия объединяет, например, бозон со спином 1 в одну суперчастицу вместе с фермионами, имеющими спин 1/2 и 3/2. Подобные рассуждения приводят к мысли о необходимости и неизбежности существования партнера гравитона, однако, как и гравитон, его еще не удалось наблюдать. С помощью отыскания принципов симметрии удается сгруппировать микрочастицы в семейства наподобие того, как Менделеев сделал это с химическими элементами. Удалось предсказать свойства ряда неизвестных частиц - кварков и глюонов – квантов поля, объединяющего кварки в тяжелые частицы – нуклоны, мезоны. На звание элементарных частиц, кроме гипотетического гравитона и гравитино, - частиц, которых пока никто не наблюдал, но в существовании которых не следует сомневаться, претендуют электрон, мюон, несколько типов нейтрино, недавно открытые родственники электрона и мюона - тяжелые лептоны, - и кварки, из которых состоят протон, нейтрон и другие тяжелые частицы. Известны и другие варианты теории суперсимметрии. Пока теория суперсимметрии и ее обобщения еще не завершены. Изложенный материал является лишь малой частью, отражающей сложность проблемы симметрии в микромире. Мы попытались здесь показать лишь часть вершины этого ‘’айсберга’’. Однако даже предложенный материал характеризует плодотворность использования принципов симметрии для понимания сложных явлений микромира. 2.6 Физическая реальность и микромир 2.6.1 Классические представления о строении атома Кроме пространства и времени физические представления подверглись в ХХ веке коренному изменению и в отношении к атому. Факты радиоактивности более чем какие-либо другие факты физики свидетельствовали о сложной структуре ядра. К 1905 году идея о планетарном строении атома уже высказывалась многими физиками, однако эта модель находилась в противоречии с электродинамикой. Д.Д.Томсон разработал статическую модель, предложенную В. Томсоном в 1902 году, согласно ей атом представляет собой положительно заряженную сферу, внутри которой плавают электроны. В действительности, как показали эксперименты Эрнеста Резерфорда по рассеянию α-частиц, испускаемых радием, при прохождении через вещество, всё оказалось как раз наоборот: в центре атома расположено очень 49 маленькое положительное ядро, окруженное отрицательным облаком электронов. Используя идеи Планка о кванте действия, и модель Резерфорда, Нильс Бор разработал планетарную теорию атома. К этой модели и к мысли о применении к ней идеи квантования Бор был подведен всем развитием атомной физики. Прежде всего, в оптике квантовые условия Планка поколебали, казалось бы, прочно установившиеся волновые представления. Макс Планк с помощью методов термодинамики, статистической физики и электродинамики нашел формулу излучения абсолютно черного тела и пришел к принципиальному выводу, что энергия излучения испускается и поглощается квантами: E = hν, где ν – частота излучения, h – постоянная Планка. Фраунгофер, Кирхгоф и Бунзен обнаружили, что каждый атом испускает строго определенный набор спектральных линий и каждой спектральной линии соответствует число - длина волны. Для объяснения опытных данных Бор сформулировал известные постулаты и, таким образом, утвердилось представление об атоме Бора, то есть планетной системе из ядра и окружающих его электронов. 2.6.2 Квантово-механические представления о строении атома Принципиальное значение в дальнейшем развитии представлений о строении атома сыграло утверждение о том, что электрон не точка, он не занимает определенного положения в атоме, не может двигаться там по какой-либо орбите, а “расплывается” в виде облака. Это следовало из уравнения Шредингера. Уравнение Шрёдингера, как и всякий фундаментальный закон природы, нельзя вывести строго из тривиальных предположений. Шрёдингер полагал, что электрон в атоме не существует как частица, а расплывается там в некое облако, форма и плотность которого определяются волновой функцией Ψ (х), причем плотность р(х) электронного облака равна квадрату этой функции: 2 ( x ) ( x ) . Для атома функцию р(х) можно было бы вычислить из уравнения Шрёдингера и затем с её помощью нарисовать распределение электронного 50 облака в атоме. Именно подобного рода картины могли бы дать тот зрительный образ атома, к которому многие бессознательно стремились. Реально же ни простыми, ни сложными приборами невозможно прямо измерить распределение электронной плотности внутри атома, потому что это неизбежно разрушит его. И все же есть много оснований, чтобы верить найденной картине: с ее помощью мы можем последовательно объяснить экспериментальные наблюдения. Так, был объяснен механизм появления спектральных линий: атом скачком изменяет форму распределения электронного облака, излучая при этом квант энергии. Макс Борн был одним из первых, кто придал квантовым идеям строгую математическую форму и предложил правильную интерпретацию квантовой механике. Борн пришел к следующему выводу: “волны материи” - это “волны вероятности”. Они характеризуют движение отдельного электрона, и в частности вероятность его попадания в определенную точку фотопластинки. В таких условиях бессмысленно искать траекторию каждого электрона. Вместо этого следует вычислять вероятность (х) попадания электронов в определенное место х. 2.6.3 Проблема физической реальности в квантовой физике Многие физики, начиная с Гейзенберга, предлагали обходиться в квантовой механике вообще без наглядных образов. Можно было бы определить атом, как физический объект, волновые и корпускулярные свойства которого одинаково существенны для полной его характеристики. Однако и такой подход заведомо не исчерпывает всех свойств квантового объекта, хотя и фиксирует изначально присущий ему дуализм . “Физическая реальность” - понятие, к которому неизбежно приходят при любой серьезной попытке объяснить что-либо в физике. Как известно, объективная реальность - это все то, что есть и было - независимо от нашего сознания. Физическая реальность - это та часть объективной реальности, которую мы познаем с помощью опыта и нашего сознания, то есть все те факты и числа, которые мы получаем с помощью приборов. Можно наблюдать внешние проявления свойств атомов: спектры, цвет тел, их теплоемкость, кристаллическую структуру, но нельзя посмотреть, как атом устроен “на самом деле”. Предположим, что мы ушли далеко вперед со времен Галилея и верим в истинность показаний приборов. Вопрос в том, насколько однозначно толкование опытов относительно явлений, не доступных непосредственному чувственному восприятию? При углублении и уточнении системы научных знаний мы вынуждены все дальше и дальше отходить от непосредственных чувственных восприятий и от понятий, которые возникли на их основе. Без дальнейшей абстракции научных 51 понятий невозможно познать непривычную квантовую реальность микромира. Корпускулярно-волновой дуализм. Из опытов Фарадея следовала неделимость электрического заряда, а дальнейшие опыты Дж. Дж. Томсона определенно это доказали. Таким свойством может обладать только частица. Опыты Роберта Милликена и фотографии следов электрона в камере Вильсона устранили последние сомнения. Но представления об электронечастице резко противоречили факту удивительной стабильности атома, поскольку планетарный атом неустойчив. Постулаты Бора были специально предложены им для того, чтобы объяснить устойчивость атома при условии, что электрон - это частица. Луи Де Бройль и Шрёдингер показали, что наиболее естественно устойчивость атома можно объяснить, допустив, что электрон - это волна, а не частица. Между приверженцами обеих теорий шли ожесточенные споры: каждая сторона отстаивала свою точку зрения. Шрёдингер в 1927 году показал, что обе точки зрения математически эквивалентны. Это означало, что они эквивалентны также и физически, и также то, что верны исходные предпосылки обеих сторон: об электроне-частице и об электроне-волне. В принципе и Земля - точно так же, как и каждый ее электрон,обладает свойствами волны. Однако, если попытаться описать ее движение с помощью уравнения Шрёдингера, то при массе Земли 5.1027 г и скорости, с которой она движется вокруг Солнца 3.106 см/с, придется приписать данной “частице” волну де Бройля, длиной в 4.1061 см - число настолько малое, что даже неизвестно, как его понимать. Но мы не можем только на таком основании утверждать, что Земля не обладает волновыми свойствами. Все тела в природе обладают одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами, и свойства эти - лишь различные проявления единого корпускулярно-волнового дуализма. Непривычное, но несомненное, единство свойств “волна - частица” отражено в формулах Планка (Е = h) и де Бройля λ=h/mv. Энергия Е и масса (m)-характеристики частицы; частота и длина волны - признаки волнового процесса. Единственная причина, по которой мы не замечаем этого дуализма в повседневной жизни, - малость постоянной Планка. Но атомы тоже очень малы, и для них этот необычный мир реально существует, что нам необходимо принять . Проблема измерений в квантовой физике. Понятия “волна” и “частица” при одновременном их использовании в атомной физике имеют ограниченный смысл. Гейзенберг нашел численную меру такого ограничения. Он показал, что если мы знаем положение х и импульс р квантового объекта (например, электрона в атоме) с погрешностями х и р, то мы не можем уточнять эти значения беспредельно, а лишь до тех пор, пока выполняется неравенство - соотношение неопределенностей 52 х р 1/2 h, где h – постоянная Планка. Соотношение неопределенностей - закон природы, который никак не связан с несовершенством наших приборов. Он утверждает: принципиально нельзя определить одновременно и координату, и импульс частицы точнее, чем это допускает неравенство х р 1/2 h, так же, как нельзя превысить скорость света или достичь абсолютного нуля температур. Главная особенность квантовых явлений - их дискретность. Бессмысленно как угодно слабо воздействовать на квантовую систему - до определенного момента она этого воздействия вообще не почувствует. Но, если система готова его воспринять, она скачком переходит в новое (тоже квантовое) состояние. Нельзя беспредельно уточнять наши сведения о квантовой системе: ее разрушит, как правило, уже первое измерение. Гейзенберг впервые этот факт записал математически. Соотношение неопределенностей - одна из самых важных формул квантовой механики, в ней сконцентрированы ее самые существенные особенности. После открытия соотношения неопределенностей пришлось пересмотреть не только основы физики, но и теорию познания. Как показал Нильс Бор, соотношение неопределенностей и корпускулярно-волновой дуализм - лишь частные проявления более общего принципа - принципа дополнительности. Принцип дополнительности. Принцип, который Бор назвал дополнительностью, - одна из самых глубоких философских и естественнонаучных идей нашего времени. Бор обратил внимание на очень простой и понятный факт: координату и импульс атомной частицы нельзя измерить не только одновременно, но и с помощью одного и того же прибора. В самом деле, чтобы измерить импульс р атомной частицы и при этом не очень сильно его изменить, необходим очень легкий подвижный “прибор”. Но именно эта подвижность приводит к тому, что его положение весьма неопределенно. Для полного описания квантового объекта оба они равно необходимы, и поэтому не противоречат, а дополняют друг друга. И хотя дополнительные явления невозможно изучить одновременно, в одном опыте, тем не менее они характеризуют единый квантовый объект и равно необходимы для полной его характеристики. Принцип дополнительности Бора - удачная попытка примирить ограниченность устоявшейся системы понятий с прогрессом наших знаний о мире. Данный принцип расширил возможности нашего мышления, объяснив, что в квантовой физике меняются не только понятия, но и сама постановка вопросов о сущности физических явлений (Паули одно время даже предлагал назвать квантовую механику “теорией дополнительности” - по аналогии с теорией относительности). Но значение принципа дополнительности выходит далеко за пределы квантовой механики, где он возник 53 первоначально. Лишь позже - при попытках распространить его на другие области науки - выяснилось его истинное значение для всей системы человеческих знаний. Квантовый объект - это не частица, и не волна, и даже ни то, ни другое одновременно. Квантовый объект - это нечто третье, не равное простой сумме свойств волны и частицы. Это квантовое “нечто” не дано нам в ощущении, и тем не менее оно, безусловно, реально. Два дополнительных свойства квантовой реальности нельзя разделить, не разрушив при этом полноту и единство явления природы. Понятие "состояния" и "наблюдения" в микромире. Когда Гейзенберг отбросил идеализацию классической физики - понятие “состояние физической системы, зависимое от наблюдения”, он тем самым предвосхитил одно из следствий принципа дополнительности, поскольку “состояние” и “наблюдение” - дополнительные понятия. Взятые по отдельности, они неполны, и поэтому могут быть определены только совместно, друг через друга. Строго говоря, они вообще не существуют порознь: мы всегда наблюдаем не вообще нечто, а непременно какое-то состояние. И наоборот: всякое состояние - это вещь в себе до тех пор, пока мы не найдем способ его наблюдения. Сами по себе понятия “волна” и “частица”, “состояние” и “наблюдение системы” суть некие идеализации, не имеющие отношения к квантовому миру, но необходимые для его понимания. Простые, классические картины восприятия действительности дополнительны в том смысле, что в случае их использования с целью полного описания сущности квантовых явлений необходимо их гармоническое слияние. Однако в рамках привычной логики они могут сосуществовать без противоречий лишь в том случае, если области их применимости взаимно ограничены. Причинность в квантовой физике. Вероятностная интерпретация квантовой механики в свое время вызвала многочисленные попытки возврата к прежней, классической схеме описания. Как понимать причинность атомных явлений, если каждое из них - случайно, и насколько достоверны ее предсказания, если все они основаны на понятии вероятности? Обычное понятие причинности - “всякое явление имеет свою причину” - не нуждается в объяснениях. Причинность в науке должна быть представлена в виде закона, с помощью которого можно установить последовательность событий во времени. На языке формул этот закон принимает вид дифференциального уравнения, которое называют уравнением движения. В классической механике уравнения движения Ньютона - позволяют предсказать траекторию движения частицы в любой момент времени, если точно задать ее начальную скорость и координату. Именно такая схема объяснения и предсказания явлений природы всегда составляла идеал причинного описания в классической физике, и, чтобы 54 подчеркнуть это ее качество, в дальнейшем причинность классической физики назвали детерминизмом. Такой причинности в квантовой физике нет. Но там есть своя, квантово-механическая причинность. Квантово-механическая причинность есть нечто большее, чем простая сумма понятий “закономерность” и “случайность”. Точно так же, как “квантовый объект” - всегда нечто более сложное, чем сумма свойств “волны” и “частицы”. Понятия “закономерность” и “случайность”, “достоверность” и “вероятность” возникли задолго до квантовой механики. Проблема вероятности - есть проблема наблюдения: что произойдет, если мы проделаем нечто. К классической физике два одинаковых испытания при одинаковых начальных условиях всегда должны приводить к одному и тому же конечному результату. В этом суть классической причинности, или детерминизма. Своеобразие квантово-механической причинности состоит в том, что даже при неизменных условиях она может указать лишь вероятность исхода отдельного испытания, но зато совершенно достоверно предсказывает распределение исходов при большом числе тех же самых испытаний. С точки зрения квантовой теории традиционная формулировка закона причинности “зная точно настоящее, можно уверенно предсказать будущее” - содержит неверную предпосылку: в силу соотношения неопределенностей в принципе невозможно знать настоящее во всех деталях. Заключение же остается верным, если понимать его теперь по-новому. Понятие о вероятности завершило логическую схему квантовой механики. Только с его помощью удалось логически непротиворечиво осуществить необходимый синтез дополнительных пар понятий: волна частица, непрерывность - дискретность, причинность - случайность, явление - наблюдение. Лишь после этого оказывается возможным установить, что все названные понятия взаимосвязаны и образуют цельную систему. Квантовая механика изучает только такие явления и объекты. Для них она дает достоверные и однозначные предсказания, которые до сих пор ни разу не были опровергнуты опытом. 2.7 Происхождение и эволюция Вселенной Современный взгляд на происхождение и эволюцию Вселенной сформировался благодаря работам Зельдовича, Хойла, Тайлера, Вайнберга и многих других физиков. Первый решающий шаг в 1943 году сделали Гамов, Альфер и Херман в США. Они набросали исходный вариант сценария развития Вселенной, в начале которого все вещество, вся энергия были сосредоточены в очень малом объеме. Согласно этому сценарию, все началось с Большого взрыва, в ходе которого сверхплотная и сверхгорячая материя начала расширяться, увлекая с собой пространство. Они же 55 предсказали существование реликтового излучения, которое, сохранившись от Большого взрыва, в настоящее время должно равномерно пронизывать космос. Тогда никто не обратил внимания на их предсказание. Только в 1965 году радиоастрономические наблюдения позволили Пензиасу и Вилсону открыть удивительное излучение, приходящее к Земле со всех сторон с одинаковой интенсивностью и соответствующее излучению черного тела, нагретого до трех градусов выше абсолютного нуля. Гипотеза Большого взрыва является следствием нестационарного решения уравнений общей теории относительности, полученного Фридманом. В соответствии с решением этих уравнений Вселенная непрерывно расширяется, причем скорость увеличения взаимных расстояний космических объектов тем больше, чем дальше объекты находятся один от другого. Начальная стадия процесса соответствует огромной концентрации материи и излучения в малом объеме. Такое состояние неустойчиво, и Вселенная вышла из него взрывоподобно. Полная теория эволюции Вселенной теперь разработана достаточно детально для периода времени от 0,01 секунды после Большого взрыва до наших дней и на многие миллиарды лет вперед. Теория хорошо обоснована многочисленными астрономическими и радиоастрономическими наблюдениями, подтвердившими огромные скорости разбегания галактик. Современный взгляд на развитие Вселенной состоит в том, что первоначальная температура исходного образования была столь высокой, что это образование являло собой высшую возможную в природе степень симметрии. Упрощая картину, можно сказать, что первоначальная температура была столь велика, что вся материя и эквивалентная ей энергия представляли однородное образование, а все известные силы природы сравнялись между собой по величине своего действия и слились в единую силу. Причиной этого является огромная плотность первичной материи и энергии, много большая, чем плотность нейтронных звезд. Более того, в связи с основными положениями общей теории относительности - теории гравитации, можно, упрощая, сказать, что все пространство в то время было сосредоточено в области, заполненной сверхплотной сверхгорячей материей. Вне этой области не было ничего - ни материи, ни пространства. В том изначальном состоянии, с которого начался Большой взрыв, вся Вселенная была сжатой до таких малых размеров, а ее температура достигала столь высоких значений, что даже протоны и нейтроны не могли сохраняться как целое. Составляющие их сверхэлементарные частицы – кварки – теряли последнюю симметрию своего взаимодействия, что позволяло им еще более сблизиться, чем тогда, когда они образуют тяжелые частицы. Именно так объясняется колоссальное увеличение плотности материи и энергии в изначальные мгновения. Все объединилось в исходный период материя, энергия, пространство. Данное понятие "пространство" включает в 56 себя и время, ибо это четырехмерное "пространство-время" теории относительности. По неизвестной причине, такое исходное и сверх-симметричное состояние неустойчиво - начинается спонтанное расширение. Причем увеличение размеров пространства тесно связано с расширением содержащейся в нем материи и энергии. Плотность и температура быстро уменьшаются. Говоря "быстро", нужно помнить, что, в соответствии с общей теорией относительности, время внутри и вблизи такой огромной массы вещества, составляющей всю массу Вселенной течет очень медленно по сравнению с естественными масштабами времени. Оценки показывают, что измеренная по современной шкале температура исходной сверхплотной материи превышала огромную величину, содержащую по крайней мере 1022 К. В этом адском котле постоянно рождались и немедленно аннигилировали все известные и еще неизвестные частицы. На таких малых расстояниях (порядка 10-33 см) наиболее слабое из известных полей - гравитационное поле - оказывается столь же сильным, как остальные известные поля - электромагнитное, слабое и сильное. В настоящее время не существует теории, способной описать это начальное состояние с его огромной температурой и плотностью. Однако, можно с уверенностью сказать, что уже тогда соблюдался ряд известных законов. Например, закон сохранения электрического заряда. Электрический заряд первоначального сгустка был равен нулю точно так же, как равен нулю полный электрический заряд современной Вселенной. Поэтому заряженные частицы, как и сейчас, рождались и исчезали (аннигилировали) только парами. Так электрон может родиться только в паре со своей античастицей, положительно заряженным антиэлектроном - позитроном. Этот закон связан со свойствами фотонов, участвующих в рождении и аннигиляции электронно-позитронных пар. Фотоны не имеют ни заряда, ни массы покоя значит, они могут родиться только в ходе процесса, где участвуют частицы, суммарный заряд которых равен нулю. Первичное, предельно симметричное состояние Вселенной характеризовалось, по-видимому, и тем, что количество частиц любого типа точно равнялось количеству соответствующих античастиц. Но такое равновесие длилось очень недолго в нашем масштабе времени. За время порядка 10-35 - 10-40 с Вселенная расширилась и остыла настолько, что в ней произошло первое нарушение симметрии. Причина тоже точно неизвестна. Возможно, это было просто случайное отклонение от первоначального симметричного состояния. Суть же его состоит в том, что при температуре порядка 1018 К во Вселенной оказалось чуть больше частиц, чем античастиц. Для указанной области температур уже существует достаточно надежная теория, позволяющая производить расчеты и делать предсказания, 57 то есть удовлетворяющая всем требованиям к научной теории. Она называется теорией Большого объединения, ибо позволяет рассматривать совместно все известные сейчас силовые поля (кроме гравитационного) и рассматривать все частицы как члены единого семейства. Такое объединение становится возможным на расстояниях 10-29 см при температуре 1018 К, при которой происходит первое спонтанное нарушение всеобщей симметрии первичного состояния Вселенной - разделение частиц и античастиц. Температура 1018 К - это та граница, ниже которой разность между числом частиц и числом античастиц, установившаяся при более высокой температуре, уже никогда более практически не нарушается. Значит, случайное преобладание частиц на этом температурном рубеже сохранится на всем протяжении дальнейшей эволюции Вселенной. Так современная теория эволюции Вселенной решает загадку антимира. Загадку о том, почему мы живем в мире частиц, а не античастиц. После того как Дирак предсказал существование позитрона, а затем в 1932 году были предсказаны и обнаружены другие античастицы, и многие ученые пытались выяснить, почему наш мир состоит из частиц, а античастицы рождаются очень редко и только при некоторых взаимодействиях с участием частиц, обладающих очень большой энергией. Такие частицы приходят к нам из космоса в составе космических лучей или получаются при помощи наиболее мощных ускорителей заряженных частиц. Вместе с тем в потоке космических частиц, несмотря на тщательные поиски, до последнего времени не удавалось обнаружить свободных античастиц. Только недавно единственная такая античастица была обнаружена, однако совершенно не доказано - не возникла ли она в результате взаимодействия первичных космических частиц, происшедшего так далеко, что эта античастица сильно удалилась от своего близнеца - частицы - и поэтому была зарегистрирована как одиночка. Если бы при температуре 1018 К количество частиц случайно оказалось точно равным количеству античастиц, то при последующей эволюции Вселенной все вещество должно было аннигилировать и без остатка превратиться в фотоны а, может быть, и вдругие частицы, не имеющие массы покоя. Следовательно, само существование Вселенной в том состоянии, которое мы наблюдаем, в принципе, может считаться подтверждением теории Большого объединения. При температуре 1018 К произошло еще одно важное событие. Плотность вещества Вселенной настолько уменьшилась по сравнению с исходной, что при расстояниях порядка 10-29 см уже выявились индивидуальные свойства отдельных частиц. Теперь гравитационное поле окончательно перестает играть роль во взаимодействиях отдельных частиц и проявляет себя только в структуре пространства, расширяющегося вместе с расширением самой Вселенной. Позже, когда образуются галактики и 58 звезды, гравитационное поле будет определять и отклонение симметрии пространства в их окрестности от общей симметрии Вселенной. Итак, для расстояний порядка 10-29 см существует достаточно надежная теория. На таких расстояниях проявления электромагнитного поля и двух других полей, слабого и сильного, действующих между частицами, оказываются одинаковыми, а гравитационное поле перестало играть роль в микромире, заняв свое место во взаимодействии макроскопических тел. При этом все частицы оказываются объединенными в общее семейство. И исчезает запрет, препятствующий, например, протону превращаться после ряда промежуточных этапов в несколько фотонов. В качестве одного из следствий данной теории является предсказание, которое казалось невероятным еще 10 лет назад; предсказание того, что такие распады протона возможны и в наши дни. Теория предсказывает, что в современном мире при современных температурах эти спонтанные превращения протонов в фотоны очень редки. Для единичного протона вероятность такого распада - один раз за 1031 лет. Но известно, что возраст нашей Вселенной составляет всего от 1010 до 2х1010 лет! Не значит ли сказанное, что протон следует считать истинно устойчивой частицей? Нет, ведь их очень много. Так много, что и при этой крайне малой вероятности распада во Вселенной действительно должны происходить такие процессы. Значит, если бы удалось обнаружить распад протона, был бы сильнейший аргумент в пользу теории Великого объединения главных сил, действующих в природе, и объединения всех частиц в единое семейство, обладающее чрезвычайно симметричным строением, причем отклонения от этой симметрии объясняют все известные различия между частицами. Итак, при достижении температуры 1018 К сложилась основа той Вселенной, которую мы наблюдаем теперь. Затем, на протяжении огромного периода времени, который по нашим часам длился примерно 0,01 с, температура расширяющейся Вселенной упала до 1011 К. В течение этого времени, после завершения аннигиляции тяжелых частиц, вещество Вселенной не испытало существенных изменений. Оно состояло главным образом из фотонов, электронов, позитронов и нейтрино с их антинейтрино. Доля тяжелых частиц - протонов и нейтронов, уцелевших в процессе аннигиляции, была малой. Когда температура в результате расширения Вселенной упала до 100 миллиардов градусов, плотность равновесной массы вещества и излучения была примерно в 3,8 миллиарда раз больше, чем плотность воды на поверхности Земли в наше время. В этот период времени окружность Вселенной была невелика, так что свет мог обежать ее за несколько лет. Впрочем, размер ее пока точно не известен, а дальнейшая эволюция Вселенной не зависит от ее начальных размеров. Через 0,11 с температура упала до 30 миллиардов градусов, но ничего 59 существенного за это время не произошло. По-прежнему Вселенная наполнена фотонами, электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино. Но плотность равновесной смеси значительно уменьшилась, падая как четвертая степень уменьшения температуры. Изменилось и соотношение между протонами и нейтронами, количество которых в начале предыдущего этапа было одинаково. Изменение произошло потому, что протоны и нейтроны при температуре 30 миллиардов градусов еще не способны объединяться в ядра атомов, а свободные нейтроны, как известно, неустойчивы. Каждый из них в среднем через 15 мин превращается в протон, выделяя также электрон и нейтрино. В результате таких распадов к концу этого этапа развития из каждых ста ядерных частиц лишь 38 были нейтронами, а 62 протонами. Прошло всего около одной секунды, но за это время, в результате быстрого расширения, температура упала до 10 миллиардов градусов, а плотность вещества уменьшилась настолько, что нейтрино и антинейтрино практически перестали взаимодействовать с остальными частицами и излучением. Дальнейшая судьба реликтовых нейтрино не известна вследствие необычайной трудности их исследования. Эволюция нейтрино протекает практически независимо от эволюции остального вещества, а главная роль этих элементарных частиц состоит в том, что на них приходится некоторая часть общей массы Вселенной, определяющей темп ее расширения. К этому моменту общая плотность материи «лишь» в 380 000 раз превышала плотность воды, а распад нейтронов, все еще не объединившихся с протонами в ядра атомов, привел к тому, что осталось только 24 нейтрона на каждые 76 протонов. Когда прошло всего 13,82 с от начала и температура понизилась до 3 миллиардов градусов, энергия фотонов уже стала недостаточной для рождения электрон-позитронных пар. Электроны и позитроны продолжали аннигилировать при встречах, но уже не рождались вновь. Симметрия вещества и антивещества окончательно нарушилась. К дисбаллансу протонов и нейтронов присоединился избыток электронов, в точности равный числу протонов, ибо общий электрический заряд Вселенной остался равным нулю. В это же время начался новый этап эволюции. Протоны и нейтроны сливались в ядра гелия до тех пор, пока не исчерпались все свободные нейтроны. Температура была уже недостаточной для того, чтобы разрушать образующиеся ядра. Но процесс образования ядер гелия шел медленно, так как они могли рождаться только путем случайных и достаточно редких встреч двух протонов и двух нейтронов. Прошло 3 минуты и две секунды от начала нашего отсчета времени. К этому моменту температура упала до 1 миллиарда градусов, что всего в 70 раз больше, чем температура в недрах Солнца. После этого во Вселенной 60 остались главным образом лишь фотоны и нейтрино со своими антинейтрино. Энергия, выделившаяся при аннигиляции электронов и позитронов, перешла в фотоны, так что температура фотонов стала на 35% выше температуры нейтрино, продолжавших участвовать в расширении Вселенной, практически без взаимодействия с остальными частицами. В конце этого этапа истории мира малое, по сравнению с числом фотонов и нейтрино, количество не аннигилировавших электронов оказалось равным количеству положительно заряженных ядер. Но температура слишком велика для объединения ядер и электронов в атомы. Состояние электрической нейтральности существует до наших дней и будет существовать вечно. Ведь закон сохранения электрического заряда принадлежит к тем фундаментальным законам сохранения, случаев нарушения которых ни разу не зафиксировано. Последний заслуживающий упоминания момент ранней истории Вселенной отстоит от нашего начала отсчета времени на 34 мин и 40 с. К этому времени температура упала до 300 миллионов градусов, причем температура излучения за счет энергии, освобождавшейся при аннигиляции электронов и позитронов, теперь на 40,1% превышает энергию нейтрино. Общая средняя плотность Вселенной всего на 9,9% превышает плотность воды, причем 31% ее относится к плотности нейтрино и антинейтрино, а 69% составляет плотность фотонов. Плотность остальных частиц составляет ничтожную часть общей плотности Вселенной. Эти частицы присутствуют в форме свободных протонов и ядер гелия, причем последние составляют от 22 до 28% от общего количества тяжелых частиц. Количество электронов точно равно количеству протонов (свободных и связанных в ядрах гелия), но ведь масса каждого электрона примерно в 2000 раз меньше массы протона. Однако температура все еще слишком высока, чтобы электроны могли объединиться с протонами и ядрами гелия в атомы водорода и гелия. Это состояние сохранялось в течение 700 000 лет. Вселенная продолжала расширяться и остывать, причем этом не происходило никаких существенных изменений ее состава. Так продолжалось, пока ее размеры не достигли примерно тысячной части современных размеров, а температура не упала до 3000 К. При такой температуре электроны присоединились к ядрам, образовав нейтральные атомы гелия и водорода. Энергия большинства фотонов была уже недостаточна для того, чтобы оторвать электроны от ядер. Вселенная стала практически прозрачной, электромагнитное излучение, заполнявшее Вселенную, теперь «отключилось» от вещества. Тепловое равновесие между ними нарушилось. Вещество и фотоны продолжали расширяться почти независимо. Именно с этого момента, продолжая остывать, сохранилось реликтовое излучение, обнаруженное Пензиасом и Вилсоном. После "отключения" электромагнитного излучения от вещества, когда 61 температура, уменьшаясь, перешла предел, при котором фотоны уже не могли эффективно взаимодействовать с частицами, и пространство стало практически прозрачным для электромагнитных волн, достигли значительных размеров случайные отклонения плотности вещества в пространстве от ее среднего значения. Раньше плотность первичной смеси была повсюду практически одинакова, однородно уменьшаясь от первоначальных огромных плотностей. Теперь начали возникать местные сгущения. Это нарушило первоначальную устойчивую и однородную картину. Силы притяжения приводили ко все большей концентрации вещества в областях случайных сгущений. Так началось возникновение галактик, а затем и остальных небесных тел. Общая теория эволюции Вселенной еще далека от завершения. Не ясны первые мгновения. Была ли тогда температура еще выше или она была низкой, а вещество находилось в еще неизвестном нам состоянии. Пока именно эксперименты не дают возможности предсказать будущее Вселенной. Необходимо точнее оценить среднюю плотность вещества во Вселенной. Если эта плотность меньше определенной величины, Вселенная будет расширяться вечно. Если плотность больше, сила тяготения остановит расширение и вещество снова начнет сжиматься. Начав сжиматься, Вселенная придет к исходному состоянию, которое вновь приведет к Большому взрыву и к новому циклу расширения. Время, необходимое для этого, зависит от средней плотности вещества. Одна из гипотез состоит в том, что это состояние является неустойчивым. Тогда малейшее случайное отклонение от симметрии становится причиной начала нового расширения, началом Большого взрыва. Многие ученые интуитивно склоняются к подобному взгляду на будущее Вселенной и считают, что она развивается периодически. Возможно, мы живем в один из таких циклов и наблюдаем его в эпоху, отстоящую примерно на 10 - 20 миллиардов лет от рождения мира. Однако эту теорию трудно примирить со вторым началом термодинамики, которое заставляет предполагать, что при циклическом повторении расширения и сжатия интенсивность Больших взрывов будет раз за разом уменьшаться, и пока не ясно, что может предотвратить такое развитие событий. Временные масштабы циклов столь велики, что этот вопрос имеет лишь принципиальное значение. 62 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 2 Какими были основные представления о механическом движении у создателей классической механики? Какие понятия вкладывались в категории абсолютного пространства и времени Ньютоном? Что является основной задачей механики по Ньютону? Как формулируются три закона динамики Ньютона? В чем заключается разница между инерциальными и неинерциальными системами отсчета? Что понимается под однородностью и изотропностью пространства? Как изменяются представления об абсолютности пространства и времени при переходе от механики Галилея-Ньютона к релятивистской механике? Как формулируются постулаты Эйнштейна? Какие представления и факты легли в основу общей теории относительности Эйнштейна? чем состоит основное положение квантовой теории излучения? В чем заключается тот качественный скачок, который произошел в сознании ученых, когда они перешли от наблюдения явлений, непосредственно воздействующих на их органы чувств, к изучению квантовых объектов? В чем заключается основное противоречие, называемое корпускулярноволновым дуализмом? Как формулируется принцип дополнительности Бора? Как формулируются первое и второе начало термодинамики? С чем связана необратимость времени с позиций современной неравновесной термодинамики? В чем заключается представление о физической реальности в современной физике? 63 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 2 Бриллюэн, Л. Новый взгляд на теорию относительности/ Л. Бриллюэн М.: Мир, 1982. - 142 с. Григорьев, В. И. Силы в природе/ В. И. Григорьев, Г. Я. Мякишев - М.: Наука, 1977. Кедров, Б. М. Предмет и взаимосвязь естественных наук/ Б. М. Кедров - М.: Наука, 1967.- 436 с. Космодемьянский, А. А. Очерки по истории механики/ А. А. Космодемьянский - М.: Наука, 1964. Новиков, И. Д. Эволюция Вселенной/ И. Д. Новиков - М.: Наука, 1990. - 192 с. Пригожин, И. Порядок из хаоса/ И. Пригожин, И. Стенгерс - М.: Прогресс, 1986. - 432 с. Пригожин, И. Познание сложного/ И. Пригожин, Г. Николис - М.: Мир, 1991. Тейлор, Э. Ф. Физика пространства-времени/ Э. Ф. Тейлор, Дж. Уиллер - М.: Мир, 1971. Фейнман, Р. Фейнмановские лекции по физике. В 9 т/ Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс - М.: Мир, 1977. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1995. - 928 с. Хунд, Ф. История квантовой теории/ Ф. Хунд - Киев: Наук. думка, 1980. 64 ГЛАВА 3. ОТ ФИЗИКИ К ХИМИИ И БИОЛОГИИ 3.1 Место химии в системе естественно-научных дисциплин Объекты изучения химии - атомы, их естественная классификация (Периодическая система Д.И.Менделеева), закономерности построения «блоков» живого организма. Таким образом, химия впитывает в себя, с одной стороны, физические идеи, а с другой - биологические знания, то есть: физика химия биология. Разумеется, что между этими дисциплинами может быть и обратная связь. Еще М.В.Ломоносов обосновал привлечение физики для объяснения химических явлений, создав ‘’физическую химию’’. В ХХ веке развитие химии привело к созданию науки ‘’химическая физика’’, которую теперь называют химией экстремальных состояний. Для понимания течения химических процессов в ряде экстремальных состояний вещества необходимо привлечение физических знаний. Связь между химией и биологией наглядно показывает такая дициплина, как биохимия. Эта наука изучает механизмы возникновения и протекания химических реакций в живых системах. 3.2 Логика развития и построения химии Существует несколько определений химии как науки: 1) наука о химических элементах и их соединениях; 2) наука о веществах и их превращениях; 3) наука о процессах качественного превращения веществ и др. Однако это не полные определения, а лишь частные. Полное определение только тогда верное, когда оно не меняется при изменении теорий и методов. Главная задача химии в плане практического применения получать вещества с заданными свойствами. Поэтому, чтобы решить эту задачу химия как наука должна решить теоретическую задачу - задачу распознавания механизма происхождения свойств вещества. Обе задачи (практическая и теоретическая) есть системообразующее начало химии как науки. Считается, что существует четыре основных способа решения данных задач; все они сводятся к тому, чтобы знать от каких факторов зависят свойства вещества. Это следующие факторы: 1) от элементного и молекулярного состава вещества; 2) от структуры молекул вещества; 65 3) от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции; 4) от уровня химической организации вещества. В историческом плане первый крупный шаг в решении проблемы происхождения свойств вещества сделал английский ученый Бойль в ХVII веке. Он установил, что проблема происхождения свойств вещества связана с его составом, то есть количеством и качеством составляющих молекул и атомов: Состав Свойства. Таким образом, возникло учение о составе веществ. Это первый уровень научных химических знаний. Затем было обращено внимание на тот факт, что существуют сотни тысяч разнообразных веществ, а состав их крайне однообразен (пример комбинации углерода и водорода). Стало ясно, что свойства веществ зависят не только от состава, но и от структуры расположения молекул. С учетом этого были введены понятия «функция» и «реакционная способность», что связано с «представлением о химической активности отдельных фрагментов молекулы - атомов и даже отдельных химических связей». Такой подход явился основой второго уровня развития химических знаний - «структурной химии». Второй уровень химических знаний стал основой развития технологий органических веществ. В ХX веке под влиянием новых потребностей производства возник третий уровень химических знаний - учение о процессах и механизмах изменения вещества. Ученые стали изучать динамику скорости химических процессов. Результат этого виден на следующем примере: если в 1935 году кожу, меха, лаки, спирт, уксусную кислоту производили из животного сырья, то в 1960 году больше половины этой продукции - из газового и нефтяного сырья. В 60-70 годы ХХ века возник четвертый уровень химических знаний широкое применение каталитических процессов, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, то есть самоорганизации химических систем. Здесь химия близко подходит к биологии. Этот четвертый уровень исследуют в так называемой эволюционной химии. Единая целостность всех указанных уровней химических знаний образует систему химии, где каждый последующий уровень включает предыдущие. 66 3.3 Элементы и атомы. Соединения и молекулы Большинство веществ можно разложить на более простые составляющие - атомы. Вода, например, разлагается на два газообразных компонента - водород и кислород. Существуют, однако, и такие вещества их называют химическими элементами -, которые разложению не поддаются, например, водород, кислород, углерод, железо, азот, золото, серебро или гелий. В ХХ веке. ученые научились расщеплять атомы на еще более мелкие частицы, чтобы изучить их строение. В состав атомов входят три вида основных частиц: 1) протоны (электрический заряд = + 1); 2) нейтроны (электрический заряд = 0); 3) электроны (электрический заряд = - 1). Каждый атом имеет определенные размеры. В центре атома, занимая в нем пространство не более того, которое заняла бы виноградина на футбольном поле, находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Остальное пространство занимают электроны, каждый из которых вращается вокруг ядра по строго определенной орбите. Под действием электрических сил электрические заряды разных знаков притягиваются, положительно заряженные протоны ядра удерживают отрицательно заряженные электроны, и, благодаря этому, атом является устойчивым. В атоме число электронов равно числу протонов, поэтому их электрические заряды взаимно компенсируются, и атом в целом электрически нейтрален. Атомы с одинаковым числом протонов принадлежат одному и тому же элементу, а атомы отличающиеся только по количеству нейтронов в ядре называются изотопами. Атом водорода содержит один протон, атом гелия - два, атом углерода - шесть и атом кислорода - восемь протонов. При взаимодействии с другими атомами атомы каждого элемента могут присоединять к себе, терять или обобществлять некоторое определенное число электронов, находящихся только на внешней орбите. Поэтому типы связей, образуемые данным атомом с другими атомами, предсказуемы и число их ограничено. Соединением называют вещество, в котором с помощью химических связей атомы двух или нескольких различных элементов объединены в заданном соотношении. Соединение характеризуется определенным составом и определенным набором свойств, отличающихся от свойств составляющих его элементов. Молекула - это мельчайшая частица какогонибудь соединения, сохраняющая все свойства данного соединения подобно тому, как атом - есть мельчайшая частица элемента, сохраняющая все его свойства. 67 3.4 Связи между атомами. Энергия связей Немногие атомы существуют в природе поодиночке, поскольку у большинства элементов атомы химически активны и вступают во взаимодействие с другими атомами. Как уже было сказано, электроны в атоме могут находиться только на строго определенных орбитах. Все возможные орбиты можно разделить на несколько групп, образующих вокруг ядра концентрические электронные оболочки. На первой оболочке, самой близкой к ядру, может находиться не более двух электронов, на следующих не более 8, 18 и 32. Для того, чтобы атом был химически нейтрален, его внешняя оболочка должна быть «заполнена» определенным числом электронов; у водорода и гелия их число равно двум, а у других элементов, о которых мы здесь будем говорить,- восьми. У атома гелия имеются два электрона; поэтому он стабилен и «инертен», существует в свободном виде и не вовлекается в реакции. Атомы с незаполненными внешними электронными оболочками способны вступать в химические реакции, образуя связи с другими атомами. Реакции сопровождаются перегруппировкой электронов внешних оболочек, в результате чего внешняя электронная оболочка у каждого атома оказывается заполненной и атом становится энергетически более стабильным (атомные ядра не изменяются, так что после завершения реакции участвовавшие в ней атомы остаются атомами того же самого элемента, который вступил в реакцию). Поскольку для разрыва связи требуется некоторая энергия, то и при образовании таких связей всегда выделяется энергия. В живых организмах важную роль играют три типа связей: 1) ионная связь образуется, когда атом отдает другому атому один или несколько электронов, в результате чего каждый из атомов оказывается обладателем стабильного набора электронов. У атома натрия, например, на внешней оболочке имеется один электрон, но натрий более стабилен без этого внешнего электрона. Атому хлора, напротив, для большей стабильности внешней оболочки требуется еще один электрон; он может принять электрон от натрия. После того как электрон перейдет от атома натрия к атому хлора, число протонов у натрия будет на единицу больше, чем число электронов, так что его суммарный заряд станет равным +1. Теперь будет уже не атом, а ион натрия (заряженная частица). У хлора, получившего добавочный электрон, суммарный заряд будет равен 1; такую частицу называют ионом хлора или хлорид-ионом. Ионы натрия и хлора, несущие противоположные заряды, притягиваются друг к другу и образуют кристаллы хлористого натрия - всем нам хорошо знакомую поваренную соль, которая, в частности, входит в состав клеток многих живых организмов. 2) ковалентная связь образуется, когда у двух атомов возникает обобществленная пара электронов - по одному электрону от каждого атома. 68 Так, два водородных атома, имеющие по одному электрону, могут обобществлять их, и тогда каждый из них будет иметь заполненную внешнюю оболочку с двумя электронами. Между двумя атомами могут быть поделены и две пары электронов; в таком случае образуется двойная ковалентная связь. При возникновении между двумя атомами одного и того же элемента ковалентной связи эти атомы с равной силой притягивают обобществленную пару электронов, так что большую часть времени электроны находятся посередине между ними. Если же два атома принадлежат разным элементам, то один из них обычно притягивает электроны сильнее, чем другой, и обобществленные электроны по большей части находятся возле него. В силу таких причин распределение электрического заряда в образовавшейся ковалентной связи смещено в сторону одного из атомов, и связь называют полярной. В зависимости от степени полярности связи между атомами можно расположить в непрерывный ряд, на одном конце которого находятся неполярные (электрически симметричные) ковалентные связи, а на другом конце - ионная связь, резко асимметричная, поскольку всеми участвующими в ее образовании электронами завладевает один атом. Между этими двумя крайними точками находятся полярные ковалентные связи, в которых обобществленные электроны притягиваются обоими атомами, но с разной силой. 3) водородная связь - этот тип связи между атомами имеет важную роль в живых организмах. За счет таких связей в значительной степени формируется структура крупных биологических молекул. В образовании водородной связи участвует атом водорода, соединенный полярной ковалентной связью с каким-нибудь другим атомом (обычно - кислородом или азотом) таким образом, что водород несет частичный положительный заряд. Он (частичный положительный заряд) притягивается третьим атомом (как правило, кислородом или азотом), несущим частичный отрицательный заряд; возникающую электрическую силу между этими атомами называют водородной связью. В сравнении с ионной или ковалентной связью одиночная водородная связь - слабая связь, и поэтому она легко рвется, но множество таких связей способно породить силу, на которой в прямом смысле слова «держится» все живое. 3.5 Химические реакции Молекулы находятся в непрерывном движении и, двигаясь, сталкиваются друг с другом. Обычно при этом они просто отскакивают в разные стороны, так как их электронные оболочки отталкиваются, но сильное соударение может вызвать перегруппировку электронов в двух 69 столкнувшихся молекулах и возникновение нового набора связей, то есть. вызвать образование новых соединений. Такое явление и называют химической реакцией. Реакции часто записывают в виде уравнений. Ниже приведено в качестве примера уравнение, описывающее горение болотного газа (метана): CH2 + 2O2 CO + H2O. На образование химических связей метана, то есть связей между атомом углерода и атомами водорода, потребовалось некоторое количество энергии, и часть этой энергии запасена в образовавшихся связях. При разрыве связей энергия высвобождается, и часть ее используется на образование новых связей в молекулах двуокиси углерода и воды. Однако суммарная энергия связей в двуокиси углерода и воде ниже, чем в исходных веществах (метане и кислороде); остальная энергия выделяется при реакции в виде тепла. 3.6 Свойства воды и водных растворов Вода - одно из самых распространенных веществ на Земле; она покрывает большую часть земной поверхности, и все живые существа состоят, в основном, из нее. Уникальные свойства воды определяются структурой ее молекул. В молекуле воды один атом кислорода ковалентно связан с двумя водородными атомами. Молекула изогнута под углом: в вершине угла находится атом кислорода, а по краям - два атома водорода. Поскольку кислород притягивает электроны сильнее, чем водород, молекула воды полярна: ее кислородный атом несет частичный отрицательный заряд, а каждый из двух атомов водорода - частичный положительный заряд. Отрицательный атом кислорода одной молекулы воды притягивается положительными атомами водорода других молекул - возникают водородные связи. В жидкой воде эти слабые связи быстро образуются и столь же быстро разрушаются при беспорядочных соударениях молекул. Благодаря особой структуре молекул воды и их способности связываться друг с другом при помощи водородных связей вода обладает рядом свойств, имеющих важное значение для жизни: 1) вода способна "слипаться" сама с собой (когезия) и с другими веществами (адгезия). Поверхностное натяжение воды обуславливается когезией, то есть тем, что ее молекулы сцеплены между собой посредством водородных связей. Полярные молекулы воды сильно притягиваются также любой поверхностью, несущей электрический заряд. Адгезией объясняются капиллярные свойства воды. Молекулы воды прилипают к поверхности стекла или волокна и благодаря сцеплению с нижележащими молекулами втягивают их в микроскопическую стеклянную трубку или в пору; 70 2) вода является лучшим растворителем. В ней растворяется больше веществ, чем в любой другой жидкости. Вещество переходит в раствор, если его молекулы или ионы отделяются друг от друга и смешиваются с молекулами растворителя (в данном случае - с молекулами воды). Благодаря своей полярной природе вода обладает способностью растворять ионные вещества и другие полярные соединения. Неполярные соединения в воде не растворяются. Такие соединения образуют с водой поверхности раздела. Подобные поверхности раздела в живых организмах играют очень важную роль, так как именно здесь протекают многие химические реакции. Многие вещества при растворении в воде распадаются на ионы, то есть диссоциируют. Кислотой называют вещество, диссоциирующее в воде с образованием ионов водорода (Н+). Основанием (в случае щелочных металлов - щелочью) называют вещество, выделяющее в воде гидроксилионы (ОН -) или обладающее способностью присоединять в растворе ионы водорода. Кислотность или щелочность раствора характеризуется показателем, известным как рН. Шкала рН охватывает значения от 0 до 14. Нейтральной реакции (не кислой и не щелочной) соответствует рН 7; ниже рН 7 лежат кислые значения рН, выше - щелочные. Чистая вода нейтральна, потому что при ее диссоциации ионы Н и ОН образуются в равном количестве. 71 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 3 Какова логика развития и построения химии как науки? Какие уровни химических знаний вы знаете? Как вы представляете место химии среди естественных наук? Почему атомы с одинаковым числом протонов принадлежат одному и тому же элементу? В чем различия между понятиями «атом», «элемент», "молекула", "соединение"? Почему химические связи между атомами ослабевают при последовательном переходе от ионной к ковалентной и водородной связи? Что лежит в основе химической реакции с точки зрения атомномолекулярного строения вещества? Какие свойства воды, на ваш взгляд, являются жизненно важными? Что означает процесс диссоциации? Что такое кислотная и щелочная среда? Как их количественно оценить? 72 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 3 Грин, Н. Биология/ Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор - М.: Мир. 1990. - Т 1; 2; 3. Дубнищева, Т. Я. Концепции современного естествознания/ Т. Я. Дубнищева - Новосибирск: ООО Издательство ЮКЭА, 1997.- 832 с. Карпенков, С. Х. Основные концепции естествознания: Учеб. пособие для вузов/ С. Х. Карпенков - М.: Культура и спорт; ЮНИТИ, 1998. - 208 с. Кемп, П. Введение в биологию/ П. Кемп, К. Армс - М.: Мир, 1988. Концепции современного естествознания: Сер. "Учебники и учебные пособия''. Ростов н/Д: Феникс, 1997. - 448 с. Кузнецов, В. И. Естествознание/ В. И. Кузнецов, Г. М. Идлис, В. Н. Гутина - М.: Агар, 1996. - 384 с. Клотц, И. Энергетика биохимических реакций/ И. Клотц - М., Мир 1970. 73 ГЛАВА БИОЛОГИИ 4. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ 4.1 Биология как научная дисциплина Биология (от греч. biоs - жизнь, 1оgоs- понятие, учение) - наука, изучающая живые организмы. Развитие этой науки шло по пути последовательного упрощения предмета исследования. Так возникли многочисленные биологические дисциплины, специализирующиеся на изучении структурно-функциональных особенностей определенных организмов (рис. 4.1). Биология Вирусология (вирусы) Анатомия (микроскопическое строение) Бактериология (бактерии) Гистология (строение тканей) Микология (грибы) Физиология (функции организма) Ботаника (растения) Цитология (функции клеток) Зоология (животные) Биохимия и молекулярная биология Генетика Рис. 4.1 Основные разделы биологии Путь познания - от сложного к простому часто называют «редукционистским». Редукционизм, доведенный до своего логического завершения, сводит познание к изучению элементарнейших форм существования материи. Это относится и к живой, и к неживой природе. При таком подходе ученые пытаются познать законы природы, изучая вместо единого целого отдельные его части. Другой подход основан на 74 «виталистических» принципах. В этом случае «жизнь» рассматривают как совершенно особенное и уникальное явление в природе, которое нельзя объяснить только законами физики и химии. Основная задача биологии как науки состоит в том, чтобы объяснить явления живой природы, исходя из научных законов, не забывая при этом, что целому организму присущи свойства, в корне отличающиеся от свойств частей, его составляющих. Нейрофизиолог может описать работу отдельного нейрона на языке физики и химии, но сам феномен сознания так описать нельзя. Сознание возникает в результате коллективной работы и одновременного изменения электрохимического состояния миллионов нервных клеток, однако до сих пор нет ясного представления о том, как возникают мысли, память и каковы их химические основы. Точно так же мы до конца не понимаем, как возникли и как эволюционировали живые существа. Нельзя дать строгого определения, что же такое жизнь, и нельзя сказать, как и когда она возникла. Все, что мы можем, - это перечислить и описать те признаки живой материи, которые отличают ее от неживой. 4.2 Основные признаки живой материи Размножение. Продолжительность жизни каждого индивидуального организма ограничена, однако все живое «бессмертно». Выживание вида обеспечивается способностью сохранять (наследовать) главные признаки родителей у потомства, возникшего путем бесполого или полового размножения. Вся наследственная информация у всех живых организмов хранится в молекулах нуклеиновых кислот ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Наследственная информация в виде копий этих молекул передается от одного поколения к другому. Питание. Пища нужна всем живым существам. Они используют ее как источник энергии и веществ, необходимых для роста и других процессов жизнедеятельности. Живые организмы различаются главным образом по тому, как они добывают пищу. Почти все растения способны к фотосинтезу, то есть они сами создают питательные вещества, используя энергию света. Фотосинтез - одна из форм автотрофного (самостоятельного) питания. Животные и грибы питаются иначе: они используют органическое вещество других организмов, расщепляя с помощью ферментов это органическое вещество и усваивая продукты расщепления. Такое питание называют гетеротрофным. Гетеротрофами являются многие бактерии. Дыхание. Для всех процессов жизнедеятельности нужна энергия. Поэтому основная масса питательных веществ, получаемых в результате автотрофного или гетеротрофного питания, используется в качестве источника энергии. Энергия высвобождается в процессе расщепления 75 некоторых высокоэнергетических соединений. Высвобождаемая энергия как бы «запасается» в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ), который является универсальным соединением во всем живом мире. Раздражимость. Все живые существа способны реагировать на изменение внешней и внутренней среды, что обеспечивает им выживаемость. Например, кровеносные сосуды кожи на млекопитающих при повышении температуры тела расширяются, рассеивая избыточное тепло и тем самым снова восстанавливая оптимальную температуру тела. А зеленое растение тянется к свету, потому что для фотосинтеза нужна определенная освещенность. Подвижность. Животные отличаются от растений способностью перемещаться из одного места в другое, то есть способностью к движению. Животным необходимо двигаться, чтобы находить более благоприятные условия для жизни. Для растений подвижность менее выражена: растения способны сами создавать питательные вещества из простейших соединений, доступных почти повсюду. Но и у растений можно наблюдать движения внутри клеток и даже движения целых органов, хотя и с меньшей, чем у животных, скоростью. Могут двигаться и некоторые бактерии, и одноклеточные водоросли. Выделение. Выделение, или экскреция, - это выведение из организма конечных продуктов обмена веществ. «Ядовитые шлаки» возникают, например, в процессе дыхания, и их надо обязательно удалять. Животные потребляют очень много белков, и, поскольку белки не запасаются, их необходимо расщепить, а затем вывести из организма. Поэтому у животных выделение сводится в основном к экскреции азотистых веществ. Еще одной из форм экскреции можно считать выведение из организма свинца, радиоактивной пыли, алкоголя и массы других, вредных для здоровья веществ. Рост. Объекты неживой природы (например, кристалл ) растут, присоединяя новое вещество к наружной поверхности. Живые существа растут изнутри за счет питательных веществ, которые организм получает в процессе автотрофного или гетеротрофного питания. В результате ассимиляции этих веществ образуется новая живая протоплазма. Изменчивость. Живые организмы способны адаптироваться к изменяющимся условиям обитания. Передаваемая из поколения к поколению наследственная информация может также несколько изменятся, что вносит разнообразие и возможность выбора наиболее жизнеспособных форм. Эти главные признаки живого более или менее выражены у любого организма и служат показателем того, жив он или мертв. Не следует, однако, забывать, что все названные признаки - лишь наблюдаемые проявления свойств живой материи (протоплазмы), то есть ее способности извлекать, превращать и использование энергию извне. К тому же протоплазма 76 способна не только поддерживать, но и увеличивать свои энергетические запасы. Живые существа обладают встроенной системой саморегуляции, которая поддерживает процессы жизнедеятельности и препятствует неуправляемому распаду структур и веществ и бесцельному выделению энергии. Это состояние организма называют гомеостазом, и такая регуляция направлена на его поддержание на всех уровнях организации живых систем от молекул до целых сообществ. 4.3 Биологические уровни организации и эволюция живых организмов 4.3.1 Уровни организации жизни Наиболее распространенная точка зрения об организации жизни - это системная организация жизни. Основные уровни организации жизни: 1) молекулярный (молекула); 2) клеточный (клетка); 3) организменный (организм); 4) популяционно-ценотический (популяции, биоценозы). Наиболее важное положение: каждый верхний уровень включает черты организации нижерасположенных уровней (организмы состоят из клеток, биоценозы из организмов), но в то же время не сводим к их сумме, обладает специфическими особенностями структуры, взаимодействия частей и развития. В этой связи важное значение имеет биоценотический уровень (надорганизменный). Его главная особенность в том, что он, в отличие от всех прочих, определяет специфические черты исторического развития сообществ и их роль в эволюционных процессах. Прослеживается уменьшение степени интегрированности (системности) от молекулярного до биоценотического (низший уровень системности). Наиболее важный показатель системности - это эффективность использования энергии, которая сильно падает в ряду клеткаорганизм-сообщество. Эффективность использования энергии на клеточном уровне - 70-80%, на уровне организма - 15-50%, на биоценотическом уровне 0,01-2%. Другим показателем уровня интегрированности (системности) считают эффективность и жесткость регуляторных процессов. В этом смысле биоценотические механизмы намного слабее, чем, например, организменные. Таким образом, движущими силами, регулирующими эволюцию целых биоценозов, согласно Шмальгаузену, являются внутренние 77 взаимоотношения между элементами биоценоза. Силы, определяющие такие взаимоотношения, менее жестки и, значит, в большей мере подвержены изменчивости. В основе преобразований лежит эволюция наиболее интегрируемых систем - организмов как индивидуальных представителей видов. Что первично - организм или сообщество? Чтобы возник естественный отбор как основа эволюции, должно существовать биотическое окружение, то есть биотические системы, в которых могут совершаться популяционные, ценотические и микроэволюционные процессы. Любой организм не может возникнуть вне сообщества. Жизнь - это свойство, присущее экосистеме в целом, а не свойство изолированного скопления макромолекул. Согласно академику В.И.Вернадскому, организменная форма существования не могла появиться и существовать сама по себе. Первое появление жизни должно было произойти не в виде появления одного организма, а в виде их совокупности. Даже для возникновения самых простых жизненных форм необходим круговорот веществ, который возможен лишь в сообществах и который следует считать простейшим механизмом поддержания стабильности любых биосистем. Таким образом, биоценоз первичен по отношению к организму. 4.3.2 Генетическая изменчивость и эволюция живых организмов Рассмотрим самую важную концепцию в биологии - концепцию эволюции. Эта концепция имеет огромное значение, потому что с ее помощью можно объяснить очень многое. На первый взгляд трудно найти объяснение причудливому и многообразному миру живой природы. Но если рассматривать ее в эволюционном контексте, то оказывается, что удивительное богатство и разнообразие жизни подчинено определенным моделям и закономерностям. Большая часть различий между древними и современными животными и растениями определяется различиями в их генетическом материале. Генетический материал данного организма представляет собой его информационный запас: он содержит «рабочие чертежи», определяющие развитие организма, его строение, химические, физиологические, поведенческие функции и размножение. При размножении копии этого генетического материала передаются следующему поколению. Единицами генетического материала являются гены. Гены определяют признаки данного организма. У каждого организма имеется от нескольких сотен до нескольких тысяч разных генов. Разные виды организмов содержат разный генетический материал, но даже представители одного и того же вида содержат различные гены. Как возникают эти различия? Во-первых, большинство организмов содержит по две копии каждого гена, и копии 78 могут несколько отличаться друг от друга. Во-вторых, некоторые индивидуумы несут мутации - наследуемые изменения генетического материала. Мутации чрезвычайно разнообразны: от незначительных малозаметных изменений одного гена до удвоения всего генетического материала. Они случайны и достаточно редки; лишь у нескольких особей на 100000 может встретиться новая мутация какого-либо гена. Мутационный процесс имеет чрезвычайно важное значение для эволюции, потому что он служит первичным источником новой генетической изменчивости. Изменчивость возникает также в результате смешивания генов при половом размножении. Общая сумма всех генов, имеющихся у всех членов данной популяции, составляет ее генофонд. С генетической точки зрения, эволюция - это изменение частоты одного или нескольких генов в данной популяции от одного поколения к другому. Эволюционирующая единица - единица, изменяющаяся во времени, - это популяция, а не отдельные ее члены. Индивидуум не может эволюционировать. Гены данного индивидуума определены с самого его вступления в жизнь; его вклад в эволюцию состоит в том, чтобы передать гены следующему поколению. 4.3.3 Естественный отбор и эволюция живых организмов Согласно теории эволюции, виды не остаются неизменными, они происходят от предсуществующих видов, наследуя их признаки и модифицируя их. Естественный отбор может иметь место под действием любого фактора, который изменяет вероятность размножения особей, несущих определенные гены или генные комбинации, по сравнению с особями, несущими другие гены или другие генные комбинации; естественный отбор приводит к эволюции - изменению генных частот в данной популяции от одного поколения к другому. Выражение "выживание наиболее приспособленных" подразумевает, что естественный отбор - это отбор на выживание. На самом деле это не совсем так. Происходит отбор особей, которые передадут свои гены последующим поколениям. Выживание важно потому, что только живые организмы могут воспроизводить себя, но даже воспроизведение не гарантирует эволюционного успеха. Хотя Дарвин и Уоллес выдвинули теорию естественного отбора в 1858 году, убедительные доказательства эволюции природных популяций путем естественного отбора были получены только в ХХ веке. Ученые продолжают накапливать фактические данные, подтверждающие идею эволюции с помощью естественного отбора. Давления отбора могут оказывать различное действие; некоторые из них повышают генетическую изменчивость популяции, тогда как другие понижают ее. Генетические признаки, выдерживающие процесс отбора, называют адаптациями; адаптации дают возможность организму 79 размножаться в той среде, к которой он приспособлен. Адаптации многочисленны и разнообразны. Единственный реальный эффект естественного отбора состоит в повышении частоты тех генов, которые обеспечивают успех размножения данной особи в следующем поколении. Условия среды, в которой обитают организмы, постоянно изменяются, и какими бы ни были эти условия, отбор благоприятствует лишь очень немногим генам. Ген, сохраняемый отбором в данное время или в данной среде, подвергается отрицательному отбору в другой среде, и таким образом популяция сохраняет генетическую изменчивость. Кроме того, нередко данной особи селективно выгодно производить разнообразных в генетическом отношении потомков - это повышает вероятность того, что некоторые из них выживут, какими бы ни оказались условия среды. В целом, естественный отбор, несомненно, представляет собой самый существенный, но не единственный фактор эволюции. Мутации вносят новые гены в генофонд данной популяции, однако они столь редки, что их собственный вклад в эволюцию невелик. Тем не менее, они поставляют сырье, на которое действует естественный отбор. В небольших популяциях генетический дрейф может всего за одно или несколько поколений вызвать резкие изменения генных частот. 4.3.4 Происхождение видов в процессе эволюции Вид - это группа скрещивающихся между собой организмов, которые не скрещиваются с представителями других таких групп. Новые виды могут формироваться после того, как две популяции, принадлежащие к одному виду, становятся настолько изолированными друг от друга, что обмен генами между ними оказывается невозможным. Затем каждая из этих популяций эволюционирует под действием локальных давлений отбора, и в конечном счете они становятся настолько различными, что их рассматривают как самостоятельные виды. Новые виды могут возникнуть также в пределах одной популяции: иногда мутации (например, мутации, вызывающие полиплоидию) сразу создают репродуктивную изоляцию между мутантом и другими членами данной популяции; в других случаях мутации создают частичную репродуктивную изоляцию, а естественный отбор завершает возведение преграды размножению. 80 4.4 Разнообразие живых организмов 4.4.1 Прокариоты и эукариоты Все известные одноклеточные и многоклеточные организмы вполне естественно делятся на две большие группы - прокариоты и эукариоты (рис.4.2; 4.3) ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ вирусы прокариоты бактерии эукариоты сине-зеленые водоросли Рис.4.2 Классификация живых организмов. ЭУКАРИОТЫ слизевеки грибы растения животные Рис.4.3 Эукариоты К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли, к эукариотам - зеленые растения (в том числе и все остальные водоросли), грибы, слизевики и животные. Первые эукариоты появились около 3 млрд лет назад - в самом конце докембрия. Они, по-видимому, произошли от прокариот. Клетки прокариот (от греч. рго - до, karion - ядро) не имеют оформленного ядра. Иными словами, генетический материал (ДНК) прокариот находится прямо в цитоплазме и не окружен ядерной мембраной. 81 У эукариот (от греч. еu - настоящий, истинный, karion - ядро) имеется настоящее ядро, то есть у них генетический материал окружен двойной мембраной (ядерной оболочкой) и образует вполне определенную клеточную структуру, которую очень легко узнать. Прокариоты и эукариоты отличаются друг от друга и по целому ряду других признаков. Самые существенные различия указаны в табл.4.1. 82 Таблица 4.1 Основные различия между прокариотами и эукариотами Характеристика Прокариоты Размеры клеток Диаметр в среднем составляет 0,5 - 5 мкм Форма Одноклеточные или нитчатые Генетический материал Кольцевая ДНК находится в цитоплазме и ничем не защищена. Нет истинного ядра или хромосом. Нет ядрышка Рибосомы мельче. Эндоплазматического ретикулума нет Синтез белка Органеллы Органелл мало. Ни одна из них не имеет оболочки (двойной мембраны). Внутренние мембраны встречаются редко; если они есть, то на них обычно протекают процессы дыхания или фотосинтеза Клеточные стенки Жесткие, содержат полисахариды и аминокислоты. Основной упрочняющий компонент - муреин Эукариоты Диаметр обычно до 40 мкм; объем клетки, как правило, в 1000 - 10000 раз больше, чем у прокариот Одноклеточные, нитчатые или истинно многоклеточные Линейные молекулы ДНК связаны с белками и РНК и образуют хромосомы внутри ядра. Внутри ядра находится ядрышко Рибосомы (крупнее). Рибосомы могут быть прикреплены к эндоплазматическому ретикулуму Органелл много. Некоторые органеллы окружены двойной мембраной, например ядро, митохондрии, хлоропласты. Большое число органелл ограничено одинарной мембраной, например аппарат Гольджи, лизосомы, вакуоли, микротельца, эндоплазматический ретикулум и т. д. У зеленых растений и грибов клеточные стенки жесткие и содержат полисахариды. Основной упрочняющий компонент клеточной 83 стенки растений - целлюлоза, у грибов - хитин Дыхание У бактерий происходит в мезосомах; у сине- Аэробное дыхание происходит в зеленых водорослей - в цитоплазматических митохондриях мембранах Фотосинтез Хлоропластов нет. Происходит в мембранах, не В хлоропластах, содержащих специальные имеющих специфической упаковки мембраны, которые обычно уложены в ламеллы или граны Фиксация азота Некоторые обладают этой способностью Ни один организм не способен к фиксации азота 84 4.4.2 Классификация организмов источников углерода и энергии по использованию главных Процесс приобретения энергии и вещества называется питанием. Энергия не создается и не уничтожается (закон сохранения энергии). Она существует в разнообразных формах - может быть световой, химической, тепловой, электрической, механической, звуковой и т. д., и эти формы энергии могут переходить друг в друга, то есть они взаимопревращаемы. Энергию можно определить, как способность совершать работу. Все живые организмы можно рассматривать, как «работающие машины», которые не могут выполнять работу и просто оставаться живыми без постоянного притока энергии. Энергия необходима для того, чтобы осуществлялось множество жизненно важных процессов. При этом совершается различного рода работа, например: -химический синтез веществ, необходимых для роста и восстановления тканей; -активный транспорт веществ в клетку и из клетки; -электрическая передача нервных импульсов; -механическое сокращение мышц (движение); -поддержание постоянной температуры тела (у птиц и млекопитающих); -биолюминесценция, то есть излучение света (у светляков, некоторых -глубоководных морских животных и др.); -электрические разряды (у электрического угря). Живые организмы можно классифицировать в соответствии с тем, какой источник энергии или углерода они используют. Углерод - это главный элемент, который нужен всем живым организмам Источники углерода. Организмы, живущие за счет неорганического источника углерода (двуокиси углерода), называют автотрофными (автотрофами) (греч. аutos - сам), а организмы, использующие органический источник углерода,- гетеротрофными (гетеротрофами) (греч. hеtегоs другой). В отличие от гетеротрофов автотрофы удовлетворяют все свои потребности в органических веществах, синтезируя их из простых неорганических соединений. В табл.4.2 представлены обе эти классификации - по источнику энергии и по источнику углерода. Хорошо видны их взаимоотношения. Кроме того, выявляется еще один очень важный принцип, а именно то, что хемотрофные организмы целиком зависят от фототрофных, которые поставляют им энергию, а гетеротрофные организмы полностью зависят от автотрофов, снабжающих их соединениями углерода. Самые важные группы - фотоавтотрофы (к которым относятся все зеленые растения) и хемогетеротрофы (все животные и грибы). Если на время пренебречь некоторыми бактериями, положение еще более упростится, и можно будет сказать, что гетеротрофные организмы, в конечном счете, зависят от зеленых растений, поставляющих им энергию и углерод. Иногда фотоавтотрофные организмы называют голофитными (греч. hо1оs - целый, полный, рhу1оs растение). Жизнедеятельность хемосинтезирующих организмов тоже имеет очень важное значение. Некоторые организмы нельзя всецело отнести к какой-то одной из четырех групп. Взаимоотношения между двумя основными категориями еще лучше представлены в главе 5, где показано каким образом потоки энергии и углерода включаются в общий круговорот между живыми организмами и средой. Эти вопросы имеют важное значение для экологии. Углерод высвобождается в процессе дыхания в виде СО2, которая затем снова превращается в процессе фотосинтеза в органические соединения. Как видно из табл. 4.2., существуют два типа фотосинтезирующих организмов - фотоавтотрофы и фотогетеротрофы. Большую часть таких организмов составляют фотоавтотрофы. Хотя энергия существует во многих формах, для живых существ пригодны только две из них, а именно: световая и химическая энергия. Те организмы, которые синтезируют все необходимые им органические вещества за счет энергии света, называются фототрофными (фототрофами) (греч. Рhotоs - свет, tгорhе - пища, питание), а те, которым для этого нужна химическая энергия,- хемотрофными (хемотрофами). Для фототрофов характерно наличие пигментов (и в том числе какой-либо из форм хлорофилла), которые поглощают энергию света и превращают ее в химическую энергию. Другое название процесса фототрофного питания фотосинтез. 86 Таблица 4.2 Классификация живых организмов в соответствии с потреблением основных источников углерода и энергии ИСТОЧНИКИ УГЛЕРОДА Автотрофные: используют СО2 (неорганическое соединение) Фотоавтотрофные: Фототрофные все зеленые (фотосинтезирующие): используют энергию растения, сине-зеленые водоросли, зеленые и света пурпурные серобактерии Хемоавтотрофные Хемотрофные: используют (хемосинтезирующие): немногие бактерии, химическую энергию например Nitrosomonas и некоторые другие бактерии, участвующие в круговороте азота Гетеротрофные: используют органические источники углерода Фотогетеротрофные: немногие организмы, например, некоторые пурпурные несерные бактерии Хемогетеротрофные: все животные и грибы, большинство бактерий, некоторые паразитические цветковые растения, например, повилика. 4.5 Эволюционное родство организмов Эволюция крупных многоклеточных организмов связана со способностью эукариотических клеток по-разному экспрессировать наследственную информацию, а также с умением этих клеток функционировать сообща. Одним из наиболее ранних этапов на пути к многоклеточности было появление эпителия, в котором клетки соединены в слои, отделяющие внутреннюю среду организма от внешнего окружения. Первыми примитивными типами дифференцированных клеток видимо были наряду с эпителиальными клетками нервные клетки, мышечные клетки и клетки соединительной ткани. Все эти типы клеток можно найти даже у очень примитивных современных животных. Эволюция высших животных (используя ту же основную стратегию развития) шла в направлении создания все возрастающего числа специализированных клеточных типов и все более утонченных методов координации их активности. Две системы клеток высших животных представляют каждая в своем роде вершину сложности многоклеточной 87 организации. Одна - иммунная система позвоночных, клетки которой способны производить миллионы различных антител. Другая - нервная система. У низших животных большая часть нейронных связей жестко генетически детерминирована, и программа поведения эволюционирует лишь благодаря мутациям генетического материала. У высших животных работа и структура нервной системы становились все более подверженными модификациям (обучению) благодаря способности нервных клеток изменять свои связи в ответ на вызванную внешними стимулами электрическую активность. 4.6 Виды и способы приспособляемости живых организмов к условиям среды Выше мы рассматривали адаптацию и приспособляемость организмов к условиям внешней среды с генетической точки зрения. В данном разделе рассмотрим эти вопросы с точки зрения существования целых организмов. Согласно имеющимся представлениям, "приспособляемостью" называют способность организмов полезным для них образом реагировать на изменение условий существования. Индивидуальная или физиологическая приспособляемость. Этот тип приспособляемости связан с перестройкой физиологических процессов в организме (примеры: увеличение сердца у млекопитающих при усилении его мышечной деятельности; увеличение почек у некоторых пресноводных при усилении выделения). В истории науки по вопросу происхождения индивидуальной или физиологической приспособляемости существует два основных взгляда: 1. Приспособляемость является основным, первичным свойством живой материи, и ее надо принять как нечто само собой разумеющееся. Это теория «прямого приспособления» («ламаркизм»). Ее происхождение связано с именем Ламарка - французского ученого конца ХVIII - начала ХIХ веков, который ввел также термин "биология". 2. Приспособляемость - не первичное свойство живой материи, а результат естественного отбора. Кроме полезных реакций организма на условия среды существовали и вредные, но обладавшие ими организмы вымерли и не донесли их до наших дней. Подтверждением этой теории может, в частности, служить следующий пример: рыбы, обитаемые в теплых источниках (35,5 - 37,00С), при переносе в более холодную воду (210С) на несколько дней и возврату в теплую не страдают, а те, которые живут в холодной воде, при переносе в теплую воду быстро погибают. С позиций теории Дарвина последнее связано с тем, что их сородичи раньше жили в холодной воде и сохранили физиологические механизмы, позволяющие 88 хорошо себя чувствовать в этих условиях. Отсюда может быть сделан вывод: физиологическая приспособляемость не является свойством всякой живой системы, а определяется ныне существующими и предшествующими условиями ее существования. Приспособляемость и структура живых организмов. Не всякое реагирование организма на изменение внешней среды является приспособительным. Оно зависит от специфической структуры живых систем, сложившейся в процессе естественного отбора. Рассмотрим это на следующем примере: поступление веществ в клетку связано с их концентрацией снаружи и внутри. Разность концентраций веществ обозначим соответственно как (Х - Х1). Пусть вещество Х расходуется на процессы в клетке. Если такие процессы в клетке повышаются или понижаются, то и поступление веществ в клетку пропорционально изменяется. Если скорость поступления веществ в клетку не зависит от (Х Х1), то это свойство будет менее выгодно с точки зрения индивидуальной приспособляемости. В частности, мембраны организмов, регулирующие процессы диффузии, имеют различную структуру, за счет чего идет регулирование. Если бы не было зависимости скорости поступления веществ в клетку от (Х - Х1), тогда бы все мембраны были бы одинаковы, и разнообразие теряло бы биологический смысл. Физиологические способы приспособляемости организмов к изменению среды. Широко известны четыре принципа физиологической приспособляемости: 1. Неизменность функции. Ряд некоторых важных физиологических функций организма при изменении условий внешней среды остается неизменным. Принцип неизменности функции характерен, как правило, для небольших градиентов параметров среды. Пример: потребление кислорода рыбами при слабом изменении температуры воды постоянно. 2. Способ выключения функции. В этом случае отключается излишний физиологический аппарат. Пример: работа специального плесневого грибка. Его цепь питания : крахмал (фермент диатаза) сахар продукт. При искусственном добавлении в среду сахара первая часть механизма переработки выключается, так как становится излишней. 3. Способ усиления функции. Является наиболее распространенным типом физиологической приспособляемости живых существ к изменению условий существования (например, увеличение мышцы при усилении ее деятельности). Усиление функции часто связано с образованием адаптивных энзимов (ферментов). Энзимы образуются не за счет естественного отбора, а за счет индивидуальной реакции приспособляемости к условиям существования. Пример: микроорганизмы почти не выделяют фермент для образования галактозы. Однако при соприкосновении с галактозой этот фермент интенсивно образуется. 89 4. Способ сочетания усиленных функций. Пример: аклиматизация млекопитающего к горному климату основана на сочетании трех приспособительных изменений: повышенной активности легочного эпителия в абсорбции кислорода, усилении дыхания и увеличении процента гемоглобина. Таким образом, всякая физиологическая адаптация организма к изменениям среды является интеграцией, то есть суммированием отдельных приспособительных изменений. 4.7 Энергия и жизнь В первую очередь необходимо подчеркнуть, что все энергетические процессы, протекающие в живых системах, полностью соответствуют законам физики. Организмы используют энергию для многих целей: для активной транспортировки веществ, для синтеза белков и других биомолекул, для мышечного сокращения и клеточного деления. Живым организмам необходим постоянный приток энергии, как для осуществления всех этих процессов, так и для восполнения неизбежных потерь, связанных с возрастанием энтропии. Организмы получают энергию, необходимую им для жизнедеятельности, главным образом из пищи. Некоторые организмы (растения) улавливают энергию солнечного света и запасают ее в виде химической энергии в молекулах питательных веществ, и все организмы расщепляют питательные вещества, чтобы высвободить энергию, в которой они нуждаются. Источником энергии почти для всех этих видов активности служат питательные вещества - органические молекулы, в которых содержится химическая энергия, запасенная в связях между их атомами. При разрыве связей эта энергия может высвободиться. Основную роль в этом процессе играет АТФ, которая, отдав энергию, превращается в АДФ. Высвободившаяся после распада АТФ энергия используется затем для выполнения различной работы в клетке. За счет поступающих в организм питательных веществ АДФ восстанавливается до АТФ и процесс повторяется Роль, которую играет АТФ в обмене энергии в клетке, можно сравнить с ролью денег. Клетка нуждается в АТФ точно так же, как человек нуждается в наличных деньгах, чтобы расплатиться за все, что необходимо. Многие ферменты используют энергию АТФ для осуществления тех или иных химических реакций. С помощью АТФ клетка движется, вырабатывает тепло, избавляется от отходов, осуществляет активный транспорт веществ в организме, синтезирует новые белковые молекулы и делает многое другое. Располагая достаточным количеством АТФ, клетка может даже синтезировать питательные вещества, представляющие собой одну из форм запасенной энергии, своего рода сбережения, которые можно при 90 необходимости вновь пустить в ход, превратив их в "разменную монету" , то есть в АТФ. И в самом деле, превращение энергии солнечного света в химическую энергию, запасенную в форме АТФ, является важным промежуточным этапом в процессе образования питательных веществ при фотосинтезе. АТФ, таким образом, занимает центральное положение в энергетике живого, что можно представить в следующем виде (рис. 4.4.) фотосинтез синтез Солнечная энергия АТФ дыхание Органические вещества Рост, размножение, движение и т. д. Рис. 4.4 Энергетика живого При фотосинтезе происходит улавливание и запасание солнечной энергии в молекулах органических (питательных) веществ, а при дыхании расщепление молекул питательных веществ с высвобождением заключенной в них энергии. В конечном счете значение этих двух процессов определяется тем, что они поставляют энергию для синтеза АТФ. В молекуле АТФ имеются две высокоэнергетические фосфатные связи. Во время их разрыва высвобождается гораздо больше энергии, чем при разрыве любых других ковалентных связей. Обычно клетка извлекает энергию из АТФ, отщепляя от его молекулы только одну концевую фосфатную группу. При этом образуется АДФ и свободный неорганический фосфат - Фн. Для образования АТФ, АДФ и Фн должны вновь соединиться. Это, конечно, требует большего количества энергии, нежели выделилось при отщеплении фосфатной группы. Давно известно, что один из способов образования АТФ в клетке заключается в переносе высокоэнергетической фосфатной группы от какой-нибудь другой молекулы на АДФ. Однако большая часть клеточного АТФ образуется в результате процесса, открытого в шестидесятых годах и получившего название химио-осмоса. Химио-осмос протекает в хлоропластах во время фотосинтеза и в митохондриях во время клеточного дыхания. В нем можно выделить два этапа: 1) накопление энергии; 2) использование накопленной энергии для синтеза АТФ. 91 Энергия, используемая при химио-осмосе, есть электрохимическая энергия, зависящая от присутствия ионов -частиц, которые несут электрические заряды. Противоположно заряженные частицы притягивают друг друга и потому движутся навстречу друг другу. Электрохимическая энергия будет накапливаться, если частицы разделены барьером, который не дает им сойтись. Полученную электрохимическую энергию можно заставить производить работу, дав возможность частицам проходить сквозь барьер. Так в общих чертах осуществляется химио-осмос. Барьером в хлоропластах и митохондриях служит мембрана, находящаяся внутри органеллы. Роль заряженных частиц выполняют атомы водорода, разделившиеся на два вида заряженных частиц: ионы водорода (Н+) и электроны (е- ). Ряд находящихся в мембране белковых молекул, составляющих так называемую цепь переноса электронов, или электронтранспортную цепь, переносит электроны через мембрану, не давая им вновь соединиться с ионами Н+ . Реальный запас энергии определяется запасом кислого (Н+) или «Н+ резервуаром». Мембрана непроницаема для ионов Н+, но в ней имеются каналы, по которым эти ионы могут проходить. С каналами связаны аденозинтрифосфатазы (АТФазы) - ферменты, катализирующие синтез АТФ. АТФазам для синтеза АТФ требуется энергия, и они получают эту необходимую им энергию именно вследствие утечки ионов Н+ из Н+резервуара через упомянутые каналы. 4.7.1 Энергетика фотосинтеза Почти все ныне живущие организмы в смысле удовлетворения своих энергетических потребностей прямо или косвенно зависят от Солнца. Ранние эксперименты дали возможность вывести общее уравнение фотосинтеза: Свет СО2 + Н2О Хлорофилл Углевод + О2. Позже, уже в ХХ веке, было установлено, что фотосинтез состоит из двух стадий или серий реакций: 1. Солнечный свет поставляет энергию для реакций, связанных с фотосинтетическими мембранами хлоропласта. Свет переводит электроны хлорофилла на более высокий энергетический уровень и индуцирует поток электронов в электронтранспортной цепи мембран. Переносчик водорода НАДФ+ присоединяет электроны (а также ионы Н+ из стромы) и превращается в НАДФН. Поток электронов обусловливает также разложение воды (благодаря которому электроны возвращаются к хлорофиллу), 92 поступление ионов Н+ в Н+ -резервуар, обеспечивающий АТФазы энергией для синтеза АТФ, и выделение кислорода в качестве побочного продукта фотосинтеза. 2. В реакциях фиксации углерода энергия АТФ и водород от НАДФН используются для включения СО2 в молекулы углеводов. Для этого в фотосинтезирующих клетках имеется специальный фермент, на долю которого, например, в листьях, приходится более половины от всех остальных белков. В целом можно сказать, что фотосинтезирующее растение улавливает обильно изливающуюся на него световую энергию и запасает ее в химических связях, которые могут сохраняться сколь угодно долго. Нефть и уголь содержат по сути «ископаемый солнечный свет» - энергию, запасенную фотосинтезирующими организмами сотни миллионов лет назад. 4.7.2 Энергетика процессов брожения и дыхания У большинства организмов питательные вещества расщепляются и высвобождают содержащуюся в них энергию во время клеточного дыхания, в котором используется молекулярный кислород (О2). Исходными веществами для дыхания служат богатые энергией органические молекулы и кислород, а побочными его продуктами - двуокись углерода и вода, то есть соединения, бедные энергией. Суммарное уравнение процесса дыхания имеет следующий вид: Органические молекулы + О2 СО2 + Н2О + Энергия. Точно таким же суммарным уравнением описывается и процесс горения: при горении для разрушения органических веществ (например, древесины или нефти) тоже используется О2 , и продуктами его также являются двуокись углерода и вода. Кроме того, при горении выделяется большое количество энергии в виде тепла и света. Однако в то время как при горении энергия выделяется сразу, при дыхании она выделяется постепенно, маленькими порциями, в процессе, слагающемся из ряда регулируемых этапов. Это позволяет клетке удержать часть выделившейся энергии и сохранить ее в форме АТФ, что было бы, разумеется, невозможно, если бы выделение энергии происходило бурно, как при горении или при взрыве. Некоторые клетки находятся в условиях, где кислорода нет совсем или где его иногда не хватает. Такие клетки синтезируют АТФ посредством одного из многих видов брожения, то есть такого расщепления питательных веществ, при котором конечными продуктами оказываются органические соединения. 93 4.8 Клетки: строение и основные компоненты Знаменитый датский физик Нильс Бор любил приводить образный пример, сравнивая понятие " атом" в физике с понятием "клетка" в биологии. Он считал, что если атом – последняя частица вещества, еще сохраняющая его свойства, то клетка -– самая малая часть любого организма, которая все еще представляет жизнь в ее сложности и неповторимости. "C точки зрения науки изучить жизнь клетки – значит узнать все элементарные процессы, в ней происходящие, и при этом понять, как их взаимодействие приводит к совершенно особому состоянию материи – к жизни". Каждая клетка должна осуществлять все процессы, от которых зависит ее жизнь, то есть поглощать пищу, извлекать из нее энергию, избавляться от отходов жизнедеятельности и, наконец, воспроизводить самое себя. В многоклеточном организме каждая клетка выполняет сверх того еще и некоторые специализированные функции, составляющие ее вклад в общую экономику организма как целого. 4.8.1 Структурный состав клеток В эукариотических клетках есть следующие важные структуры: 1) клеточная мембрана, регулирующая поступление веществ в клетку и выход их из клетки; эта регуляция удерживает химический состав клеток в неких узких пределах, в которых только и возможна жизнь. Липидный слой мембраны пропускает сквозь себя молекулы, растворимые в липидах; часть мембранных белков помогает перемещаться в обоих направлениях многим полярным молекулам и ионам. Крупные частицы клетка поглощает путем эндоцитоза (фагоцитоза): мембрана окружает их, а затем вместе с захваченной частицей отшнуровывается, так что частица попадает в клетку, находясь в мембранном пузырьке. Многие клетки для выведения веществ наружу используют обратный процесс – экзоцитоз; 2) ядро, содержащее генетический материал в форме молекул ДНК, которые заключены в хромосомы. Участок ядра, где происходит образование субчастиц рибосом, называется ядрышком. Ядро окружено ядерной мембраной, в которой имеются довольно крупные поры, через которые осуществляется транспортиковка крупных макромолекул; 3) рибосомы, которые необходимы для синтеза белка; 4) митохондрии - крупные сложные органеллы окруженные двойной мембраной и являющиеся энергетической фабрикой клетки - создающие большую часть клеточного запаса энергии в процессе дыхания в форме молекул АТР; 94 5) лизосомы - мембранные мешочки с ферментами, переваривающими питательные вещества, и различные клеточные структуры, отслужившие свой срок; 6) эндоплазматический ретикулум, то есть система мембран, делящая клетку на отдельные отсеки- компартменты; на поверхностях и во внутренних полостях этих мембранных стрктур протекают многие химические реакции; 7) комплекс Гольджи, представляющий собой стопку мембранных мешочков; в такие мешочки упакованы белки и прочие материалы для транспортировки внутри клетки и для выведения из клетки; 8) клеточная стенка, состоящая главным образом из целлюлозных волокон. Эта пористая структура,' примыкающая снаружи к клеточной мембране растительной клетки, несет защитные и опорные функции; 9) пластиды, присутствующие в растительных клетках. Среди них важнейшая роль принадлежит хлоропластам, осуществляющим фотосинтез; 10) вакуоли, особенно крупные в растительных клетках; 11) микротрубочки и микрофиламенты - белковые структуры, формирующие своего роды цитоскелет клетки. Эти структуры выполняют множество разнообразных функций: поддерживают форму клетки, обусловливают движение клетки и клеточных органелл внутри клетки, являются своего рода коммуникационными путями в клетки для транспортировки веществ и другие; 12) реснички и жгутики - тонкие выросты, содержащие микротрубочки. С их помощью клетки перемещаются в жидкой среде или создают ток жидкости у своей поверхности. У прокариотических бактериальных клеток также имеются клеточные стенки, клеточные мембраны, цитоплазма, рибосомы и ДНК. Внутренних мембранных систем у них обычно нет. В эукариотических клетках клеточному делению предшествует митоз, то есть деление ядра, при котором два идентичных набора хромосом распределяются по двум дочерним ядрам. 4.8.2 Химический состав клеток Организмы состоят из воды, из различных неорганических ионов и из многих органических соединений (табл.4.3). Как отмечалось ранее, химия живого насчитывает всего лишь около 20 элементов, тогда как в природе их известно более 100. Живые организмы образуют всевозможные малые органические молекулы, называемые мономерами. Организм строит свои макромолекулы, соединяя друг с другом мономеры. Процесс этот обратим: полимеры могут быть разрушены до мономеров, из которых они состоят. 95 Именно это, в частности, и происходит в желудочно-кишечном тракте животных: макромолекулы пищи разрушаются здесь до малых молекул, которые затем всасываются в кровь и используются организмом. Такое же разрушение, только в гораздо меньшем масштабе, происходит во всех живых клетках: в них также старые молекулы подвергаются расщеплению, а из обломков строятся новые, то есть идет процесс реутилизации. Все живые организмы содержат четыре главных класса органических соединений: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Соединения каждого класса построены из своих особых мономеров, объединяющихся в полимеры. Таблица 4.3 Химический состав обычных бактерий Тип молекул Малые молекулы Полисахариды и липиды ДНК 20 % от общей Примечания сухой массы 10 Неорганические ионы, мономеры, коферменты 16 Входят в состав защитной клеточной стенки и мембраны; внутри клетки запасается некоторое количество гликогена 4 Одна молекула на бактериальную клетку; длина каждой такой молекулы равна примерно 1 мм, но она очень сильно свернута; длина самой клетки равна всего 0,002 мм, Около 3000 различных видов 50 Около 2500 различных видов; приблизительно 1/3 составляют структурные белки и 2/3 ферменты Углеводы. В углеводах роль мономеров играют простые сахара, называемые моносахаридами; примерами моносахаридов могут служить глюкоза и фруктоза. В состав простых сахаров входят атомы углерода, водорода и кислорода в соотношении 1:2:1. В молекуле моносахарида может присутствовать от трех до девяти атомов углерода, но наиболее широко распространены моносахариды, содержащие пять или шесть атомов 96 углерода. Одна из важных функций моносахаридов заключается в обеспечении организма энергией. В живых клетках простые сахара расщепляются до двуокиси углерода и воды, что сопровождается высвобождением энергии, запасенной в молекулах сахара. Некоторые пятиуглеродные сахара играют также важную роль в качестве одного из компонентов нуклеиновых кислот. Простые сахара могут соединяться друг с другом, образуя более крупные молекулы. Два моносахарида, соединяясь, образуют дисахарид. Широко известны такие дисахариды, как сахароза. Из многих моносахаридных звеньев образуются полимеры, называемые полисахаридами. Обычный полисахарид животного организма - гликоген представляет собой полимер глюкозы, которая в таком виде запасается главным образом в печени и мышцах. В растениях глюкоза хранится в виде крахмала. Кроме него растения синтезируют и другой полисахарид целлюлозу. Целлюлоза образует волокна, которые сообщают телу растения жесткость. Липиды. В отличие от углеводов с их довольно определенным химическим составом и такой же молекулярной структурой липиды разнообразны и по структуре, и по соотношению входящих в них элементов. Всем липидам присуще, однако, одно общее свойство: все они неполярны, поэтому и растворяются в таких неполярных жидкостях, как хлороформ и эфир, но практически нерастворимы в воде. Именно нерастворимость в воде делает липиды важнейшими компонентами мембран, разделяющих в живых организмах отсеки, или компартменты, заполненные водным содержимым. Кроме того, липиды - это главная форма хранения энергии в животном организме, поскольку липиды, в отличие от углеводов, могут храниться в концентрированном виде. Белки. Белки представлены в живых клетках гораздо полнее, чем любые другие органические соединения, что хорошо согласуется с разнообразием выполняемых ими функций. Белки - это ферменты, ускоряющие химические реакции, а также структурные белки, из которых состоят, например, волосы, ногти или шелк. В состав белка входят углерод, кислород, водород и азот; некоторые белки содержат еще и серу. Роль мономеров в белках играют аминокислоты. В белках встречаются 20 обычных видов аминокислот, отличающихся друг от друга своими боковыми группами. Широкий спектр белковых веществ образуется в результате соединения аминокислот в различной последовательности. Огромное разнообразие живых существ в значительной степени определяется индивидуальными особенностями строения имеющихся у них белков. Длинную цепь из аминокислот называют полипептидом. По большей части полипептиды содержат от 100 до 300 аминокислот. Молекулы некоторых белков состоят из одной полипептидной цепи; в других белках их две или более, причем они специфическим образом упакованы. Для того, чтобы 97 полипептид функционировал нормально, его цепь должна быть надлежащим образом скручена и свернута, иными словами, он должен иметь совершенно определенную трехмерную конфигурацию. Это свертывание обеспечивается различного рода взаимодействиями между аминокислотами. Нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты - это самые крупные из молекул, образуемых живыми организмами. Есть два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно ДНК), содержащая генетическую информацию, куда входит и информация о последовательности аминокислот в полипептидах (ДНК поэтому определяет структуру белков), и рибонуклеиновая кислота (РНК), участвующая в синтезе белков. Мономеры, из которых строятся нуклеиновые кислоты, называются нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из фосфатной группы, пятиуглеродного сахара (пентозы) и азотсодержащего основания, в молекуле которого имеется одно или два кольца. Значение нуклеотидов не исчерпывается тем, что они служат мономерами для построения нуклеиновых кислот; некоторые нуклеотиды выполняют и другие функции. Так, нуклеотид АТФ (аденозинтрифосфат) поставляет энергию для большинства химических реакций, протекающих в живом организме. Когда нуклеотиды полимеризуются, объединяясь в молекулы нуклеиновых кислот, фосфатная группа одного нуклеотида связывается с сахаром другого, так что возникает длинная цепь из чередующихся остатков сахара и фосфатных групп, или сахаро-фосфатный остов молекулы, по одну сторону которого выступают наружу основания. 4.8.3 Генетическая информация клеток и природа генов Генетическая информация клеток. Данные о том, что ДНК служит генетическим материалом у всех организмов - от бактерий до огромных секвой, от инфузории и до человека, - были получены из разных источников. Основными из них являются следующие: 1) при трансформации (введение в бактериальную клетку молекул ДНК) у бактерий наследственные признаки передаются от одной бактериальной клетки другой через ДНК; 2) бактериофаг (то есть вирус, поражающий бактерии) вводит в бактериальную клетку только свою ДНК и таким образом подчиняет себе весь аппарат этой клетки; 3) все соматические клетки особей одного и того же вида содержат одинаковое количество ДНК (за незначительными исключениями); репродуктивные клетки содержат вдвое меньше ДНК. Представители разных видов отличаются друг от друга и по содержанию ДНК; 98 4) у всех представителей одного и того же вида соотношение азотистых оснований в ДНК одинаково. В настоящее время известна структура ДНК, правила хранения в ней генетической информации, разработаны способы ее извлечения и даже коррекции. Молекула ДНК имеет форму двойной спирали. Она напоминает закрученную в спираль веревочную лестницу, у которой роль "веревок" играют сахарофосфатные остовы двух ее цепей, а роль "перекладин" - пары оснований. Аденин образует пару с тимином, а гуанин - с цитозином; каждое основание присоединяется к определенному другому основанию, находящемуся на противоположной цепи, с помощью водородной связи. В прокариотической клетке генетический материал представлен кольцевой двуспиральной молекулой ДНК; в ядрах эукаритических клеток находятся линейные хромосомы, состоящие из ДНК и белков. ДНК реплицируется (удваивается) полуконсервативным способом: двойная спираль ДНК раскручивается и слабые водородные связи между основаниями разрываются. Ферменты строят новые цепи, связывая между собой нуклеотиды, комплементарные нуклеотидам каждой из двух исходных цепей спирали. Важную роль в генетической изменчивости организмов могут играть мутации. Мутациями называют наследуемые изменения в ДНК. Их вызывают такие мутагены, как рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение и различные химические соединения. Мутагены могут вызвать утрату или удвоение отдельных участков ДНК или какие-нибудь изменения в нуклеотидных последовательностях. Все эти изменения передаются потомству при дальнейших актах репликации ДНК. В опытах с рекомбинантной (гибридные молекулы) ДНК искусственно созданные гены или гены каких-нибудь высших организмов вводят в бактериальные клетки, которые после этого начинают вырабатывать белок, кодируемый данным геном. Методами генной инженерии удалось также осуществить перенос генов у высших организмов как в пределах вида, так и между особями разных видов. С появлением этих методов перед обществом встали новые проблемы морального плана. Такими проблемами занимается специальная наука – биоэтика, задачи которой будут рассмотрены в заключительном разделе книги. Природа генов. Опыты Менделя, проведенные им еще в прошлом столетии, послужили основой для развития современной генетики - науки, которая изучает, как наследуются гены, определяющие наследственные признаки. Менделю удалось выявить закономерности наследования благодаря тому, что он чрезвычайно удачно выбрал свой экспериментальный объект (горох), провел множество скрещиваний с участием сотен растений и, наконец, не просто зафиксировал полученные результаты, но и подверг их 99 математической обработке. Пользуясь современной терминологией, выводы Менделя можно сформулировать следующим образом: 1) наследственные признаки определяются дискретными единицами генами,- которые передаются от родителей потомкам в процессе размножения; 2) каждый наследственный признак любого растения определяется парой генов; 3) гены, определяющие тот или иной признак, могут находиться в двух разных формах; это, в частности, может проявляться в том, что у гетерозиготного индивидуума одна из них (доминантна) может маскировать присутствие другой (рецессивной) - закон доминирования; 4) во время мейоза два члена каждой пары генов отделяются друг от друга и расходятся по разным клеткам - закон расщепления; 5) при оплодотворении каждый потомок получает пару генов для каждого признака - по одному гену (через гамету) от каждой из родительских особей; 6) гены каждой из родительских особей сохраняются у потомков обособленно и могут вновь проявиться в более поздних поколениях, даже если в промежуточных поколениях они были у некоторых индивидуумов замаскированы вследствие явления доминирования; 7) во время мейоза гены одной пары передаются потомкам независимо от генов других пар, если только они расположены в разных хромосомах закон независимого распределения. Проявление наследственных признаков в экспериментах по скрещиванию согласуется с поведением хромосом во время мейоза. Эта согласованность служит доказательством того, что гены находятся в хромосомах. Гены, располагающиеся в одной и той же хромосоме, сцеплены и наследуются как единое целое. Типы наследования и экспрессия генов. Носители генетической информации - гены - это участки хромосомной ДНК, в которых закодирована аминокислотная последовательность белков. Как отмечалось выше, гены экспрессируются благодаря тому, что они кодируют синтез определенных полипептидов или белков. Вред, причиняемый мутацией, зависит от того, в какой мере она затрагивает белок, кодируемый данным геном. Некоторые мутации оказываются летальными, то есть мутировавшие гены вызывают смерть организма, если он не содержит одновременно и нормальную копию того же гена. Большинство известных летальных генов рецессивны и вызывают смерть лишь в гомозиготном состоянии. В тех случаях, когда затронутый мутацией белок не принадлежит к числу жизненно необходимых, мутация может привести к какому-нибудь метаболическому нарушению, например альбинизму или фенилкетонурии. 100 В результате мутаций, происходящих в разных участках гена, возникает несколько различных форм одного и того же гена. С такими множественными формами генов связано существование групп крови у человека. Многие признаки организма определяются одновременно несколькими парами генов; для таких полигенных признаков характерен широкий диапазон изменчивости. У большинства организмов пол определяется половыми хромосомами. У человека и почти у всех других млекопитающих женскому полу свойственна комбинация хромосом ХХ, а мужскому - ХУ. Гены, локализованные в половых хромосомах, называются сцепленными с полом. Генами, зависимыми от пола, называют гены, которые (как правило) локализованы в аутосомах (неполовых хромосомах), но экспрессия которых зависит от половых гормонов. Фенотип индивидуума определяется набором имеющихся у него генов (генотипом). 4.9 Клеточные деления Деление клеток является фундаментальным свойством живых систем. Благодаря делениям происходит размножение организмов и их рост. При делении клетки всегда обе дочерние клетки наследуют генетическую информацию родительской клетки. Существует два основных типа деления клеток: митоз и мейоз. Митоз - это такое деление клеточного ядра, при котором образуются два дочерних ядра с наборами хромосом, идентичными наборам родительской клетки. Вслед за ядерным делением обычно сразу же происходит деление цитоплазмы на две равные части, восстановление клеточной мембраны и клеточной стенки (у растений) или одной только клеточной мембраны (у животных) и разделение возникших таким образом двух дочерних клеток. Весь этот процесс и называют клеточным делением. Митотическое деление клеток приводит к увеличению их числа, обеспечивая процессы роста, регенерации и замещения клеток у всех высших животных и растений. У одноклеточных организмов митоз служит механизмом бесполого размножения, ведущего к увеличению их численности. Мейоз - это процесс деления клеточного ядра с образованием четырех дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое меньше хромосом, чем исходное ядро. Его называют также редукционным делением: число хромосом в клетке уменьшается с диплоидного до гаплоидного. Значение мейоза состоит в том, что он обеспечивает сохранение в ряду поколений постоянного числа хромосом у видов с половым размножением. Мейоз происходит только при образовании гамет у животных и при образовании спор у тех растений, которым свойственно чередование поколений. В 101 результате мейоза получаются гаплоидные ядра, слияние которых при оплодотворении ведет к восстановлению диплоидного числа хромосом. При всех формах клеточного деления ДНК каждой хромосомы реплицируется, так что образуются две идентичные двойные полинуклеотидные цепи ДНК. Эти цепи окружаются белковой оболочкой и в начале клеточного деления имеют вид двух идентичных нитей. Каждая нить носит название хроматиды и соединена со второй нитью неокрашивающимся участком - центромерой. 4.10 От клетки - к целому организму. Внутренняя среда организма 4.10.1 Дифференцировка клеток как основа формирования организма Вопрос о том, как происходит «включение» и «выключение» генов, особенно интересен в связи с изучением развития зародыша. Жизнь каждого индивидуума начинается с оплодотворенного яйца, то есть с однойединственной клетки, которая многократно делится. Вскоре в образовавшейся клеточной массе начинается дифференцировка - между многими ранее однородными клетками возникают различия. Дифференцированные клетки отличаются тем, что в них содержатся работают разные гены и, следовательно, клетки имеют в своем составе разные белки. Именно от присутствующих в клетке белков зависит, какие биохимические реакции могут протекать в этой клетке, какие вещества будут легко проходить через ее мембрану, будет ли клетка подвижной или нет и все ее прочие свойства. Проблема регуляции дифференцировки имеет очень большое значение. Нарушение этого процесса приводит к весьма печальным последствиям для организма. В частности, возникновение раковых заболеваний непосредственно связано с нарушением естественного процесса дифференцировки. Современные данные позволяют считать, что дифференцировка клеток обусловлена тем, что вследствие различий в цитоплазме их гены «включаются» или «выключаются» в разных комбинациях. Дифференцировку можно рассматривать как своего рода каскад реакций. Оплодотворение вызывает в цитоплазме активацию каких-то посредников, они инициируют клеточное деление, а также включают определенные гены. Некоторые белки, синтезируемые под контролем таких генов (или продукты этих белков), проникают в соседние клетки, активируют здесь другие гены и т.д. Возникает, таким образом, сложная 102 последовательность реакций, каждая из которых зависит от предшествующих. Включение и выключение генов в процессе дифференцировки изучалось на насекомых. В своем развитии насекомое проходит через ряд линек, при каждой из которых оно сбрасывает старый наружный скелет и образует новый. Процессом линьки управляет особый гормон. Если ввести этот гормон линьки личинке насекомого в то время, когда срок линьки еще не наступил, то на его хромосомах начнут появляться и исчезать гуфы в той же, очередности, как и при нормальной линьке. Иными словами, действие гормона состоит в том, что он вызывает активацию определенных генов в определенной, последовательности, что и можно было ожидать, исходя из модели дифференцировки. 4.10.2 Внутренняя среда организма. Гомеостаз Одна их характерных особенностей живых организмов - это способность сохранять стационарное состояние в условиях непрерывно меняющейся среды. Для сохранения постоянства внутренней среды у всех организмов - от самых простых до наиболее сложных многоклеточных организмов - выработались разнообразные анатомические, физиологические и поведенческие приспособления. Еще Клод Бернар в середине XIX века высказал утверждение, ставшее классическим, что постоянство внутренней среды является обязательным условием свободной жизни. Так, например, млекопитающие способны поддерживать температуру тела несмотря на колебания параметров окружающей среды. Адаптивное значение этого заключается в том, что организм как целое функционирует более эффективно, так как клетки, из которых он состоит, находятся в оптимальных условиях. Системы саморегуляции действуют не только на уровне организма, но и на уровне клеток. Оптимальное функционирование организма как целого зависит от оптимального функционирования его частей - клеток. Термин гомеостаз введен в 1932 году американским физиологом У.Кенноном. Функция гомеостатических механизмов состоит в поддержании стабильности клеточного окружения, чем обеспечивается определенная автономия организма от внешней среды. Для поддержания гомеостаза необходима регуляция на всех уровнях - от молекулярного до популяционного. Это требует использования различных биохимических, физиологических и поведенческих механизмов, наиболее соответствующих уровню сложности и образу жизни данного вида, и во всех этих отношениях млекопитающие лучше вооружены, чем простейшие. 103 Клетки могут жить лишь в очень ограниченном диапазоне условий. Содержание в организме питательных веществ, кислорода и двуокиси углерода, воды и солей не должно выходить за определенные, очень узкие границы; у некоторых животных в столь же узких пределах должна поддерживаться температура тела. Поскольку живая клетка непрерывно потребляет питательные вещества и кислород и выделяет различные продукты жизнедеятельности, она непрерывно оказывает воздействие на среду своего обитания - внеклеточную жидкость. Постоянный обмен такими веществами, происходящий между внеклеточной жидкостью и кровью в капиллярных руслах кровеносной системы, поддерживает внеклеточную жидкость в таком состоянии, при котором она может служить подходящей средой обитания для клеток. Кровь в свою очередь обновляется, проходя через капилляры легких, почек и кожи. В капиллярах дыхательных поверхностей легких кровь отдает двуокись углерода и обогащается кислородом; в почках она отдает воду и малые молекулы, а, кроме того, здесь происходит обмен различных веществ до тех пор, пока не восстановится нормальное соотношение воды, солей и конечных продуктов обмена; в капиллярах кожи кровь отдает избыточное тепло либо путем теплоизлучения, либо выделяя воду и соли в виде пота. Поскольку в капиллярах кровь находится под давлением, создаваемым работой сердца, часть жидкости покидает кровяное русло. Большая ее часть возвращается в капилляры неподалеку от их венозного конца, а остальная жидкость собирается в лимфатические сосуды и возвращается по ним в крупные вены вблизи сердца. Сильно разветвленные кровеносная и лимфатическая системы образуют идеальную транспортную сеть, по которой клетки и антитела иммунной системы быстро переносятся в любую часть организма, куда проникли чужеродные клетки или химические вещества. Изменения состояния организма вызывают соответствующие изменения в функционировании его физиологических механизмов. При тяжелой физической работе, перегреве или переохлаждении относительное количество крови, доставляемой в разные части организма, изменяется. При обезвоживании организма, при кровопотерях и изменениях солевого баланса соответствующим образом изменяются состав и количество мочи. В ответ на проникновение в организм чужеродных антигенов начинается размножение и активация соответствующих клеток иммунной системы. Все эти механизмы дают организму возможность поддерживать постоянство клеточной среды и перераспределять имеющиеся ресурсы так, чтобы компенсировать изменения внешних условий. 4.11 Популяция. Понятие биологического пространства 104 биологического времени и Напомним, что есть понятие физического времени, которым оперирует физика. В биологии существует понятие биологического времени, по ряду обстоятельств, связанное с ходом физико-химических процессов, «организменное» время следует причислить к физическому времени. Однако естественный отбор ведется не на уровне отдельного организма, а на уровне популяции, то есть совокупности организмов одного вида, занимающих длительное время определенное пространство и воспроизводящее себя в течение большого числа поколений. Понятие истинно биологического времени связано с взаимодействиями популяций. Существование популяции во времени связано с изменением ее структуры, в частности численности. Характер структуры популяции определяется степенью приспособленности ее как целого к внешней среде. Говорят, что приспособленностью к существованию обладает популяция в целом (совокупный вещественно-энергетический субстрат - носитель приспособленности). Такой способ существования популяции называют длением. Одной из важных особенностей популяции является стабильность ("нейтральность") на фоне взаимодействий ее отдельных организмов с организмами другой популяции. Однако это возможно лишь некоторое время. Когда возникает недостаток питания, выживают лишь те организмы популяций, которые смогли добывать себе пищу. Таким образом, структура популяции меняется. Эти изменения постепенно меняют и биологические особенности вида, образующего популяцию. Идет как бы два "вида" времени: первое - обычное в его физическом понимании (физико-химические процессы); второе - изменяет биологические особенности вида (например, более длинная шерсть, изменение окраски и т.д.). Большой интерес вызывают высказывания академика В.И.Вернадского относительно биологического времени. Он подчеркивал содержательность биологического времени, поскольку его течение связано со сменой поколений. В отличие от биологического физическое время в этом отношении аморфно, безлико и может исчисляться в любой точке пространства с помощью произвольным способом выбранными мерными единицами. Поскольку проявления биологического времени связано с эволюционной изменчивостью живых организмов, то выбор мерных единиц строго детерминирован. Известно, что эволюционная изменчивость сравнительно быстро проявляется в популяциях делящихся бактерий. Поэтому В.И.Вернадский считал, что минимальными мерными единицами биологического времени целесообразно брать временные промежутки, связанные с делением бактерий. Под биологическим пространством следует понимать способ использования живыми организмами обычного пространства. Структурной единицей биологического пространства является биота. Биота - это 105 совокупность видов растений, животных и микроорганизмов, объединенных общей областью распространения ( в отличие от биоценоза, биота может характеризоваться отсутствием экологических связей между видами). Биоту часто называют экологической нишей. Биота или экологическая ниша и представляет собой понятие биологического пространства. «Оси» измерения такого пространства - это температура, влажность, освещенность и другие параметры среды обитания живых организмов. Именно эти параметры определяют особенности биологического пространства. Очевидно, что между биологическим временем и биологическим пространством существует тесная взаимосвязь. Здесь вновь уместно упомянуть акад. В.И.Вернадского, взгляды которого на взаимосвязь этих понятий представляются оригинальными. Он рассматривал два данных понятия в неразрывном единстве (пространство-время) с точки зрения формирования биологической организации материи. При этом В.И.Вернадский опирался на известные науке факты о том, что живые организмы синтезируют ряд асимметричных соединений - только "левые" аминокислоты и "правые" сахара. В то же время при искусственном синтезе эти вещества содержат поровну как "левых", так и "правых" молекул. Указанная асимметрия получила название хиральность. Из свойства хиральности следует, что биологическое пространство принципиально отличается от пространства неживого вещества, а хиральность –это неотъемлемое свойство биологического пространства, которое по неизвестным пока механизмам воздействует на живые организмы 106 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 4 Как бы Дарвин объяснил эволюцию длинной шеи у жирафа. В чем преимущества полового размножения? Что такое мутации? Что такое естественный отбор? За счет чего клетки получают энергию? Что такое наследственность? Где и как в клетке хранится генетическая информация? Что такое ген? Чем отличается многоклеточный организм от одноклеточного? Что такое дифференцировка клеток? Назовите основные химические компоненты клетки. Каковы источники энергии клетки? Чем отличаются прокариоты от эукариотов? Какие уровни организации жизни вы знаете? Охарактеризуйте степень важности каждого из них. Какие силы являются движущими силами эволюции с точки зрения организации живой материи и почему? Что такое приспособляемость с точки зрения теории эволюции? Какие виды приспособляемости живых организмов к условиям среды Вы знаете? Какова взаимосвязь между биологическим временем и биологическим пространством? 107 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 4 Альбертс, Б. и др. Молекулярная биология клетки/ Б. Альбертс – М.:Мир, 1994 Т 1; 2; 3. Грин, Н. Биология/ Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор - М.: Мир, 1990. Т 1; 2; 3. Заренков, Н. А.Теоретическая биология/ Н. А. Заренков - М.: МГУ, 1988. - 212 с. Кемп, П. Введение в биологию/ П. Кемп, К. Армс – М.:Мир, 1988. Лукашев, К. И. Человек и природа; геохимические и экологические аспекты рационального природопользования/ К. И. Лукашев, В. К. Лукашев, И. К. Водковская - М.: Наука и техника, 1984. - 295 с. Льюин, Б. Гены/ Б. Льюин - М.: Мир, 1987. Уотсон, Дж. Молекулярная биология гена/ Дж. Уотсон – М.:Мир, 1978. 108 ГЛАВА 5. ОТ БИОЛОГИИ К ЭКОЛОГИИ 5.1 Биосфера как единая система. Основные понятия 5.1.1 Структура и функции биосферы Учение о биосфере возникло после опубликования академиком В.И.Вернадским книги “Биосфера” в 1926 году. Биосфера показана им как единая динамическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом планеты. Под живым веществом В.И.Вернадский понимал все организмы, животные и растительные, включая человечество, всю часть окружающей их среды (жидкой, твердой, газообразной), которая необходима для сохранения жизни, все выделения организмов. Таким образом, биосфера - это единственная область земной коры, занятая жизнью. Границы биосферы определяются двумя основными критериями (по В.И.Вернадскому): 1) полем устойчивости жизни - условиями, которые выдерживает жизнь, то есть когда живая система хотя и страдает, но выживает; 2) полем существования жизни - условиями, при которых организм может давать потомство. Второй критерий имеет для биосферы первоочередное значение, так как дает воспроизводство биомассы. Вещественный состав биосферы (по В.И.Вернадскому): живое вещество; биогенное вещество (получено в процессе жизнедеятельности живых организмов); костное (изначально мертвое вещество - твердое, жидкое, газообразное); биокостное вещество (вода, почва, ил и т.д.), то есть вещество, образующееся при взаимодействии костного и живого вещества; радиоактивные вещества; рассеянные атомы земного вещества и космических излучений; вещество космического происхождения (метеориты, космическая пыль). Таким образом, биосфера представляет собой сложнейший механизм геологического и биологического развития и взаимодействия костного и биогенного вещества. Существует пять постулатов В.И. Вернадского относительно биосферы, которые имеют следующий смысл: первобытная биосфера изначально была представлена богатым разнообразием жизненных форм; первое проявление жизни должно было произойти не в виде появления одного вида организмов, а их совокупности, то есть должны были сразу появиться биоценозы; 109 первичная биосфера была представлена биоценозами, их морфологические изменения не влияли на их химических функциях; все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами; живые организмы своим существованием порождают миграцию химических элементов в биосфере. Внутриландшафтное взаимодействие в биосфере представлено на рис. 5.1.1. Солнечная радиация Автотрофные организмы Литосфера Атмосфера Почвы Гидросфера Гетеротрофные организмы Рис. 5.1.1. Структура биосферы Современная наука приписывает функциям биосферы пять основных категорий: энергетическую, концентрационную, деструктивную, средообразующую, транспортную. Главный принцип концепции возникновения биосферы по В.И.Вернадскому: изначальное существование жизни. В.И.Вернадский считал, что жизнь вечна, как вечна Вселенная. Жизнь привнесена на Землю из Космоса и получила развитие тогда, когда на Земле возникли для этого благоприятные условия. Интересно, что В.И.Вернадский считал источником 110 такого возникновения жизни не биологические молекулы, а постоянно действующее биологическое поле. Такое поле, по его мнению, способствует возникновению живых молекул тогда, когда для этого создаются условия. Если учитывать точку зрения В.И.Вернадского, то к таким “вечным» характеристикам Космоса, как вещество, энергия и поле надо добавить и жизнь. Концепция В.И.Вернадского в значительной мере не совпадает с широко известной концепцией А.И.Опарина о постепенном усложнении материи - возникновении живой материи из неживой. По ряду современных представлений главным фактором становления и функционирования биосферы являются... связи, установившиеся 3,5 млрд. лет назад и определяющие характер и масштабы круговорота элементов в оболочках Земли. 5.1.2 Биологическое разнообразие и устойчивость биосферы В биосфере представлено более 1,5 млрд. видов животного мира. Это определяется разнообразием географических, геологических и других факторов. Великое множество разнообразных форм живых организмов, их различного образа жизни указывает на многообразие органического мира. На первый взгляд он предстает как нечто хаотическое и разрозненное. Однако внимательный анализ обнаруживает черты единства, связывающие между собой различные формы живой материи. Среди таких единых черт можно назвать определенную общность биохимического состава, связанную с наличием белков, ферментов, гормонов, нуклеиновых кислот и т.д. Основные характеристики устройства генетического кода едины как для животных, так и для растений. Уровни организации биологических структур от клетки до популяции справедливы как для животного, так и для растительного мира. Наконец, единство органического мира проявляется в наличии ряда общих законов его жизни и развития: закон естественного отбора, закон взаимосвязи онтогенетического (индивидуального) и филогенетического (исторического) развития организмов и т.д. Эти общие черты органического мира реализуются в процессе жизнедеятельности его многообразных форм, различающихся степенью зависимости и самостоятельности по отношению друг к другу. Такое сочетание черт единства и разнообразия флоры и фауны обеспечивает полноту обмена веществом и энергией между живыми организмами и окружающей средой. Окружающая живые организмы среда включает не только органический мир, но и неживую природу. Поэтому понятно, что существование жизни невозможно без тесного взаимодействия органического мира с неживой природой. Характер такого взаимодействия, с одной стороны, проявляется в определенной организации различных форм 111 животных, растений и микроорганизмов, необходимой для приспособления к физическим параметрам внешней среды, а с другой стороны, неорганическая природа испытывает воздействия со стороны живых организмов (например, меняется состав атмосферы, концентрация и состав солей в морской воде, структура и состав почв и т.д.). Следовательно, существует тесная взаимосвязь абиотических (физических) и биотических (живых) сред в природе. Роль живых организмов в такой взаимосвязи трудно переоценить. Фактически все компоненты биосферы в той или иной степени вовлечены во взаимодействие биотического и абиотического характера. Согласно академику В.И.Вернадскому, именно живое вещество выступает определяющим компонентом биосферы. Он считал, что живые организмы “являются огромной геологической силой”, определяющей функционирование всей биосферы. Установившиеся связи (в частности, пищевые) между огромным разнообразием живых организмов и неживой природой обеспечивают устойчивое существование биосферы. Когда человек в целях сиюминутной выгоды разрушает природные взаимосвязи, загрязняя окружающую среду, исчезают многие виды животных и растений, разрушаются целые экосистемы, что, в целом, снижает устойчивость биосферы. Поэтому не случайно одним из важнейших приоритетов в обеспечении устойчивого развития человечества является сохранение на планете имеющегося биологического разнообразия. 5.1.3 Биосферные процессы и космические циклы Развитие биосферы может быть представлено как чередование этапов геологических и эволюционно-органических процессов. Изменения геологического характера на планете вызывают долговременные изменения параметров окружающей среды (температуры, давления, состава атмосферы и т.д.) и поэтому, влияя на климат планеты, оказывают сильное воздействие на существование живых организмов. Следовательно, между геологическими и эволюционно-органическими процессами существует зависимость. Каковы же основные причины, вызывающие такие процессы? Общее мнение исследователей, изучающих названную проблему, сводится к тому, что “движущие пружины” этих явлений находятся вне планеты и имеют космическое происхождение. Доказано, что упомянутые выше процессы на нашей планете имеют ритмический характер. Значит, есть все основания говорить о космических циклах, определяющих эти климатические процессы. Космические воздействия на нашу планету с определенной условностью можно разделить на два типа по характеру их происхождения. 112 Первый тип связан с периодическим изменением орбиты Земли по отношению к Солнцу под воздействием других планет, а также галактик. Второй тип космических воздействий связывают с колебаниями приходящих на Землю потоков космических частиц, меняющих состояние стратосферы. Совокупное влияние этих типов космических воздействий на климат Земли в значительной мере проявляется через изменение магнитного поля планеты. Механизм данного явления пока не выяснен, но установлено, что возникающие на Земле климатические ритмы имеют периодичность примерно 400 тыс.; 1,2; 2,5; 3,7 млн. лет, причем первый из них считают основным в формировании периодичности эволюции органического мира. Этот ритм, являясь крупнопериодическим, содержит в своих рамках ряд более коротких ритмов, определяющих особенности существования живых организмов. Среди причин космического характера, вызывающих более короткие ритмы, особое значение придается солнечной активности, имеющей период 11 лет. Существует специальная научная дисциплина гелиобиология, которая занимается изучением влияния солнечной активности на живые организмы. Основатель гелиобиологии, русский ученый А.П.Чижевский считал, что между солнечной активностью и событиями истории существует тесная связь. Многие мысли А.П.Чижевского о влиянии периодической активности Солнца на биосферные процессы получили практическое подтверждение. Так, доказано, что в период солнечной активности резко обостряются нервно-психические и сердечнососудистые заболевания у людей, возрастает число социальных конфликтов. С другой стороны, отмечены корреляции между всплесками солнечной активности и крупными научными открытиями, совершенными отдельными выдающимися учеными. Однако следует иметь в виду, что далеко не всегда корреляция между солнечной активностью и общественной и иной человеческой деятельностью имеет место. Поэтому справедливо заключить, что такая зависимость статистическая, то есть, она не имеет характера универсального закона и, следовательно, соблюдается не всегда. Это позволяет считать, что любое достаточно крупное социальное, равно как и иное биосферное, явление возникает под действием множества факторов, в том числе и космического происхождения. Бесспорна лишь тесная связь значимых биосферных процессов с космическими явлениями, что подтверждает единство Земли и Космоса. 5.1.4 Эволюция биосферы как самоорганизующейся системы Биосфера представляет собой сложнейшую систему скоординированного взаимодействия живой и неживой материи. Для 113 изучения этих взаимодействий биосферу можно рассматривать как совокупность подсистем, в каждой из которых изучается обширный круг явлений, соответствующий той или иной области знаний. Исследуются также особенности взаимодействия этих подсистем между собой. Широта исследуемых явлений может простираться от элементарных физических взаимодействий до социальных процессов в обществе. В связи с этим актуальную значимость приобрели исследования на системном уровне. Исследования сложных систем предполагают изучение закономерностей их эволюции. Эволюция сложных систем тесно связана с особенностями их самоорганизации. В данном случае под самоорганизацией понимается свойство сложной системы, связанное с повышением упорядоченности ее структуры и закреплением этого процесса путем спонтанного перехода в новое устойчивое состояние. Поскольку как отдельные подсистемы биосферы, так и биосфера в целом являются сложными системами, то проблема самоорганизации сейчас весьма актуальна и интенсивно изучается. Предпосылки к пониманию того, что изучение самоорганизации может иметь ключевое значение в понимании механизмов развития природных и социальных систем возникли еще в XVIII веке, когда шотландский экономист Адам Смит предпринял попытку проанализировать явление самоорганизации в рыночных отношениях того времени. В XIX веке проблему самоорганизации изучали в отдельных науках. Основные усилия в ее изучении были сосредоточены в физике и биологии. Физики того времени проблему самоорганизации изучали на изолированных в термодинамическом отношении системах, то есть системах, которые не обмениваются с внешней средой ни веществом, ни энергией. Было показано, что такие системы, согласно второму закону термодинамики, эволюционируют в сторону беспорядка и деградации. Иными словами, здесь шел процесс самоорганизации с отрицательным знаком. В этот же период времени была создана теория Дарвина, из которой следовало, что в биологических системах процесс эволюции шел по пути совершенствования и усложнения, то есть четко демонстрировался процесс самоорганизации. Таким образом, получилась парадоксальная ситуация, заключающаяся в явном противоречии законов развития живой и неживой природы. Это противоречие удалось разрешить, когда физики перешли от абстрактных изолированных систем к открытым системам, обменивающимся с окружающей средой веществом и энергией. Именно такими системами являются биологические системы. В отношении физических систем понимание того, что процессы самоорганизации неживой материи также закономерны, как и для живой материи, получило признание лишь в XX веке. Одним из основных импульсов, способствовавших этому признанию, была смена представлений о Вселенной со стационарной модели на развивающуюся. Для нового 114 представления о Вселенной характерно усложнение организации материальных объектов – от элементарных частиц в первые мгновения ее образования, до множества галактических систем в настоящее время. Поэтому саму Вселенную и находящиеся в ней физические системы можно рассматривать как термодинамически открытые, а следовательно, способные к самоорганизации. Таким образом, материя независимо от того живая она или неживая способна самоорганизовываться и усложняться. Этот вывод имеет исключительно важное как фундаментальное, так и прикладное значение с точки зрения его использования для физических и биологических систем различной степени сложности. В этой связи остановимся на проблеме изучения процессов самоорганизации биосферы. Знание этих процессов позволит понять пути эволюции биосферы в прошлом, настоящем и будущем. Особый интерес представляет изучение возможных путей дальнейшей эволюции биосферы. Исследование названной проблемы не может происходить только в рамках одной научной дисциплины, так как здесь затрагиваются процессы не только физической, химической, биологической, экономической, социальной или какой-либо иной природы, но и требуется изучение их взаимовлияния и взаимодействия друг с другом в рамках такой самоорганизующейся системы, как биосфера. Поэтому возникла потребность в создании нового междисциплинарного научного направления, изучающего общие принципы самоорганизации систем различной природы (физических, биологических, социальных и т.д.). Такое научное направление, оформившееся в 70-х годах XX века, называется синергетикой. Фактически синергетика изучает механизмы, лежащие в основе самоорганизации и живой, и неживой природы. Важной особенностью действия таких механизмов является спонтанный переход открытой неравновесной системы с менее сложной и упорядоченной формой организации материи к более сложной и упорядоченной. Такой спонтанный переход и будет важнейшим интригующим моментом процесса самоорганизации, от которого, по сути, зависит дальнейший ход эволюции системы. Практически все реально существующие в природе системы можно отнести к системам, подчиняющимся данной закономерности. Отсюда понятна актуальность синергетики для их исследования. Важнейшим результатом таких исследований явилось заключение о том, что эти системы в процессе своей эволюции должны иметь две следующие фазы: 1) близкий к линейному и потому достаточно хорошо прогнозируемый пути развития, в результате которого система подводится к некоторому неустойчивому состоянию (точке бифуркации); 2) скачкообразный выход из критического состояния в новое устойчивое состояние, характеризующееся более сложной структурой и упорядоченностью. 115 Из этих двух фаз особое внимание, как уже отмечалось выше, привлекает вторая фаза. Ее принципиальной особенностью является, с одной стороны, необратимость произошедшего, а с другой стороны – неоднозначность выбора нового устойчивого состояния из нескольких возможных устойчивых состояний. Иными словами, процесс выбора нового устойчивого состояния весьма случаен, система как бы “сваливается” в такое состояние после некоторой балансировки в рамках критического неустойчивого состояния. Значит, развитие этих систем носит, в целом, непредсказуемый характер. К сожалению, биосфера, как одна из таких систем, также должна подчиняться этим закономерностям эволюции. Изучение особенностей ее самоорганизации дает надежду на учет вариантов возможных путей эволюции при будущем переходе в новое устойчивое состояние. Задача человечества “не подталкивать” эволюцию биосферы к такому критическому состоянию, выход из которого грозит вымиранию человека как вида. Учет современных представлений о самоорганизации меняет и стратегию научного поиска, делает его более прицельным в решении проблем гармоничного взаимодействия человека и природы. 5.2 Биосферные циклы и их значение Академик Р.В.Вильямс писал, что единственный способ придать чемуто конечному свойство бесконечного - заставить конечное вращаться по замкнутой кривой. На этом принципе основано существование биосферы. Выделяют два основных биосферных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический). Большой круговорот происходит в течение сотен тысяч и миллионов лет, а малый является частью большого и заключается в усвоении питательных веществ почвы, воды, СО2 и др. живыми организмами, их распадом, усвоением их почвенной микрофлорой и разложением до минеральных компонентов, которые вновь усваиваются живыми организмами и вовлекаются в круговорот. Таким образом, важнейший планетарный процесс – миграция химических элементов в биосфере, находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами. Большой и малый круговороты веществ получили общее название биогеохимического цикла. Рассмотрим кратко круговороты некоторых важных элементов в биосфере. Круговорот углерода. Круговорот углерода (С) совершается по большому и малому циклам. Большой (геологический) круговорот С можно представить по схеме, приведенной на рис. 5.2.1. Основное содержание углерода (1,3х1011 т) находится в виде карбонатов на морском дне и в виде кристаллических пород (1,0х1016 т), в каменном угле и нефти (3,4х1015 т). В 116 малом круговороте углерод участвует в небольшом количестве: в растительности (5х1011 т) и в животных (5х109 т). Человек вмешивается в малый цикл круговорота углерода, замыкая на себя его часть. Показателем этого является, например, ряд следующих фактов: площади культивируемых растений, приближаются к площадям естественных биоценозов; количество домашних животных уже превышает количество диких; много углерода попадает в атмосферу при сжигании топлива. В результате антропогенного воздействия концентрация углекислоты в атмосфере непрерывно растет (примерно на 10 % за последние 100 лет). Предполагается, что время переноса углерода в биотическом круговороте - около 8 лет. Круговорот азота. В воздухе около 78% азота (N). С точки зрения обеспечения жизни на Земле важная роль азота заключается в том, что он входит в состав жизненно важных структур организма - аминокислот, белков, нуклеиновых кислот. В живых организмах содержится около 3% азота. Время его круговорота - примерно 100 лет. На круговорот азота сильное воздействие оказывает человек. В первую очередь это связано с избыточным применением азотных удобрений. Вследствие чего возникает избыток нитратов в растениях, употребление которых в пищу опасно для здоровья человека. Кроме того, создается избыток азота в почве, который подавляет часть полезной микрофлоры. Еще более глобальным процессом трансформации круговорота азота антропогенного характера является Углерод атмосферы, литосферы, биосферы Химическое выветривание Выделение СО2 углерод вулканических пород, карбонатов Вынос в океан отложение С в океанах и морях (карбонаты) Метаморфоз метаморфические породы Рис. 5.2.1. Схема геологического круговорота углерода поступление окислов азота в атмосферу при сжигании топлива. Азот, фиксированный в промышленных выбросах, токсичен для человека, в 117 отличие от азота биологической фиксации. Такие выбросы раздражают органы дыхания, при воздействии ультрафиолетовых лучей солнечного спектра из них возникают канцерогенные соединения. Круговорот фосфора. Фосфор очень важен для живых организмов, он входит в состав нуклеиновых кислот, мембран, костных тканей и т.д. Фосфор усваивается растениями из почвы в виде растворенных фосфат-ионов. По пищевой цепи он опять возвращается в почву, расщепляется бактериями до фосфат-ионов и опять усваивается растениями. Вмешательство человека в кругооборот фосфора, в первую очередь, связано с производством фосфатных удобрений, смыванием их избытка из почв в водоемы, а затем в океан. Из-за этого происходит процесс массового размножения одноклеточных микроводорослей в воде, которое иногда называют “цветением” водоемов. При этом доступ кислорода в такие водоемы затрудняется, возникает эвтрофикация - процесс анаэробного характера, приводящий к гибели живых организмов в водоемах. Особенностью круговорота фосфора, в отличие от других жизненно важных элементов, является его отсутствие в атмосфере в виде газообразных соединений. Р в биомассе живых организмов выделение фосфора в продуктах обмена живых организмов возврат на сушу производство удобрений минерализация растворение выщелачивание растворимые фосфаты птицы (чайки) смыв из почвы в реки и океан в биомассе рыб, фитопланктона глубоководное осаждение Рис.5.2.2. Общий круговорот фосфора Сбалансированным круговорот фосфора считается тогда, когда его вынос с суши компенсируется его поступлением из океана. Общий круговорот фосфора много сложнее (рис. 5.2.2). 118 Круговорот серы. Круговорот серы (S) охватывает воду, почву и атмосферу. В воздухе содержание серы невелико. Основные процессы, обеспечивающие поступление соединений серы в круговорот, связаны с аэробным окислением сульфидов до сульфатов и их обратным восстановлением. Такие процессы идут за счет специальных бактерий в анаэробной и аэробной зонах почвы и глубоководных отложениях. Выделяющийся в атмосферу сероводород окисляется кислородом атмосферы до сульфата. Последний, растворяясь в атмосферной влаге, может выпадать на поверхность почвы и воды в виде кислотных дождей. Круговорот серы сильно зависит от человека и пополняется при сжигании ископаемого топлива. При этом в атмосферу выделяется токсический сернистый газ. Много серы используется в составе ядохимикатов, что загрязняет почвы и грунтовые воды. Круговорот кислорода. Основная доля кислорода (О) содержится в воде в виде оксидов. Доля кислорода, вовлеченного в фотосинтез и содержащаяся в атмосфере, - 21%, это около 1015 т. Круговорот такого кислорода дальше осуществляется через растения. Примерное время возвращения кислорода обратно в атмосферу около 2,5 т. лет. Общая схема круговорота кислорода представлена на рис. 5.2.3. О2 Н О Н СН2О О2 О С О Н О Н Рис. 5.2.3. Общая схема круговорота кислорода Согласно этой схеме, углекислый газ СО2 (на схеме показана его структурная формула) в процессе фотосинтеза превращается в органическое вещество (на схеме - СН2О) с выделением молекулы кислорода. В фотосинтезе участвует вода, содержащаяся в живом организме. Образующаяся при фотосинтезе молекула кислорода один атом получает от воды, а другой - от углекислого газа. 5.3 Основные загрязнители окружающей среды 5.3.1 Антропогенный круговорот вещества (ресурсный цикл) 119 Человек вмешивается в циклы веществ и может их трансформировать. Это влияние человек оказывает на экосистемном (локальном), биосферном, а также глобальном (планетарном) уровне в процессе добычи, переработки и транспортировке природных ресурсов. С точки зрения экологии принципиальных различий в утилизации природных ресурсов между человеком и другими организмами нет различия лишь в масштабах. Здесь выуц32следует отметить важный момент: независимо от масштабности процессы антропогенной трансформации вещества осуществляются в рамках глобальных биогеохимических циклов. Радикально изменить свое вмешательство в эти циклы человек сейчас не может (и вряд ли сможет). Главное, что человек может сделать в такой ситуации - изменить баланс вещества на определенных этапах глобальных циклов и на определенных территориях. Если делать непродуманно, то человек может со временем исчезнуть как биологический вид (цикл вещества, хотя, правда, в измененном виде, будет продолжаться). Человек в процессе жизнедеятельности использует для своих нужд природные ресурсы, вовлекая их в цикл (от извлечения из мест образования до возвращения обратно в биосферу). Такой цикл называется ресурсным циклом. В отличие от естественных биосферных циклов (например, циклов отдельных элементов) ресурсный цикл практически не замкнут - то есть, как правило, добываемые ресурсы не возвращаются в место изъятия. Таким образом, получается, что природные ресурсы, добытые человеком, а также продукты их переработки, загрязняют окружающую среду. В этой связи существует афоризм: загрязнение среды – есть природные ресурсы, оказавшиеся не на месте. Можно привести простой пример: при добыче угля пустую породу, в которой содержится некоторое количество угля, выбрасывают в так называемые терриконики, занимающие огромные площади плодородных земель, вокруг шахт и угольных разрезов. Горящие терриконики (что не редкость) загрязняют атмосферу. Другой аспект проблемы загрязнения окружающей среды антропогенный круговорот вещества при использовании ресурсов экосистемы. Примером может служить непродуманная вырубка лесов. Это влечет за собой эрозию почв, смену фауны и другие отрицательные последствия, что, в конце концов, приводит к нарушению естественного биологического круговорота. 5.3.2 Источники антропогенного загрязнения гидросферы Гидросфера - это водная оболочка Земли. Основные запасы воды - 96% - находятся в мировом океане. Остальные водные запасы, - как правило, 120 пресная вода, которая содержится, в основном, в ледниках - 68,7%, подземных водах - 30% и озерах - 6,3%. В живых организмах содержится так называемая биологическая вода. Наиболее активно человеком используется речная вода. Сейчас безвозвратное потребление воды достигло 1% в год. Больше всего воды потребляет сельское хозяйство. Далее следует промышленность. Считается, что загрязнение воды представляет для человека большую опасность, чем загрязнение других частей биосферы. Это связано с такими причинами: 1) регенерация (самоочищение) идет в воде медленнее, чем в воздухе; 2) источники загрязнения водоемов более разнообразны, чем воздуха и почвы; 3) угнетаемые естественные процессы в воде более чувствительны к загрязнению, чем в атмосфере и имеют большее значение для жизни на Земле. Моющие средства, попадающие в водоемы с бытовыми и промышленными стоками, пенятся и затрудняют доступ кислорода в воду, вследствие чего гибнет флора и фауна. Сельское хозяйство загрязняет водоемы ядохимикатами. К основным источникам загрязнения водоемов можно отнести следующие: атмосферные воды, загрязненные атмосферными загрязнителями; городские сточные воды (бытовые стоки); промышленные сточные воды. Из-за сточных вод загрязняются не только пресные водоемы и реки, но и моря. Наиболее высокие уровни загрязнения морской воды зарегистрированы во внутренних морях. Так, Средиземное море, например, считается самым грязным в мире, несколько лучше ситуация для Балтийского моря. Сильное загрязнение морей и океанов происходит также за счет разливов нефти, которая очень токсична для живых организмов. Особую опасность представляет бензпирен, который обладает мутагенными и канцерогенными свойствами. Мигрируя по морским пищевым цепям, бензпирен, как и другие вредные компоненты нефти, попадает в пищу человека. 5.3.3 Антропогенные воздействия на атмосферу Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной поверхности (тропосфера), составляет 10-12 км (3/4 массы всей атмосферы). Температура воздуха уменьшается с поднятием от земли из расчета 0,6оС на каждые 100 м (в среднем это составляет от +40оС до -50оС). 121 Атмосферу загрязняют два основных источника - естественный и антропогенный. Согласно Дж. Бокрису, они представлены на рис. 5.3.1. Из этого рисунка, в частности, видно, что существенным естественным загрязнителем атмосферы является пыль. Известно, что космическая пыль образуется из остатков сгоревших метеоритов (на поверхность земли ежегодно выпадает около 2,5 млн т. такой пыли). Выветривание Внеземное (космическая пыль) Естественное Неорганическое Континентальное Земное Дым Морское Загрязнение воздуха Урановая руда Вулканы Органическое Растения Животные Добыча Транспортировка Переработка Эксплуатация реактора ......................................................................................................................................................................................... ................................................................................ РАДИОАКТИВНОЕ АТОМНЫЕ НЕРАСЩЕПЛЕННЫЙ Искусственное взрывы материал Аварии Расщепленный АЭС материал Жилища Пыль Транспорт Копоть Прочие Выхлопные газы Промышленность Бытовое Сжигание Промышленное Природное Рис. 5.3.1. Естественные и искусственные источники загрязнения атмосферы Природная пыль органического и неорганического происхождения образуется при разрушении горных пород и почв, вулканических извержений, пожаров, испарений с поверхности морей. Над океаном пыль образуется из высохших паров морской воды в виде солей натрия, магния, кальция, калия и др. Эта пыль играет важную роль - она способствует конденсации влаги и осадкам, поглощает часть прямой солнечной радиации и защищает организмы от солнечного излучения. Из искусственных 122 загрязнителей воздуха большое загрязнение дают автомобильные выхлопы (бензиновые намного “грязнее,” чем дизельные). Так как атмосфера в разных широтах нагревается неодинаково (тропики и север), то это является причиной интенсивной циркуляции атмосферы, и воздушные течения перемешивают загрязнения, поступающие с земли. Из-за перемешивания первичные загрязняющие вещества реагируют друг с другом и образуют вторичные загрязнители. В таких процессах активно участвует солнечное излучение. В настоящее время большую тревогу вызывает состояние озонового слоя атмосферы, который задерживает губительное для всего живого коротковолновое ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца. В последние десятилетия из-за интенсивного использования фреонов количество озона стало снижаться. Фреоны очень стойки и, попав в атмосферу, разносятся на большие расстояния. На высоте 20-25 км фреоны под действием УФ излучения разлагаются с выделением атомов хлора Cl. Хлор реагирует с озоном и переводит его в кислород по следующей схеме: O3 + Cl ClO + O2, 2ClO + O2 2Cl +2O2. Полученный на втором этапе хлор вновь реагирует с озоном, переводя его в кислород, то есть один атом хлора способен “перевести” многие молекулы озона в кислород. Уменьшение озонового слоя грозит резким увеличением интенсивности жесткого ультрафиолета. Жесткий ультрафиолет может вызывать рак кожи, ожоги кожи и роговицы глаз и другие отрицательные эффекты. Это излучение плохо поглощается водой, а значит, при длительном воздействии способно в верхних водных слоях убивать живые организмы. Здесь особенную тревогу вызывает состояние морского планктона, который находится в основе пищевых цепей экосистем. Гибель планктона может сделать безжизненной поверхностные слои воды морей и океанов и дать другие непредсказуемые последствия. Очень остра проблема загрязнения атмосферы серосодержащими веществами. Особенно распространен выброс в атмосферу сернистого газа SO2. Здесь он окисляется до SO3, реагирует с водой атмосферы и образует серную кислоту H2SO4, которая, в свою очередь, может реагировать с другими химическими веществами и образовывать различные соли. В результате этих процессов выпадают “кислые” дожди, содержащие в расчете на год миллионы тонн кислот. 5.3.4 Антропогенные воздействия на литосферу 123 Литосфера включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Ее общая толщина составляет 50-100 км, в том числе 50-75 км на суше и 5-10 км на дне океана. Человек практически воздействует только на верхние горизонты литосферы (полезные ископаемые, подземные ядерные взрывы, захоронение твердых и жидких промышленных отходов). При неправильной эксплуатации почвы безвозвратно уничтожаются ее плодородные верхние слои (эрозия, засоление, загрязнение отходами и т.д.). За последние 100 лет утрачено 2 млрд га (27%) плодородных земель. Урбанизированная (занятая человеком под различные строения) поверхность, где дождевая вода не проникает в почву и нет полноценного контакта почвы с естественной атмосферой, составляет около 50 млн га, что равно площади такого государства, как Франция. Это сильно трансформирует естественный круговорот веществ. Антропогенная нагрузка на почву в ряде случаев приводит к ее эррозии. При пыльных бурях с поверхности таких почв, а также пашен сносятся и перемещаются на большие расстояния многие минеральные элементы: азот, калий, фосфор и др. Главные источники загрязнения почвы: 1) жилые дома и бытовые предприятия. Они загрязняют почву мусором, пищевыми отходами, отходами отопительных и канализационных систем, пришедшими в негодность предметами домашнего обихода; 2) промышленные предприятия загрязняют почву твердыми и жидкими промышленными отходами, содержащими токсические вещества; 3) теплоэнергетика загрязняет почву шлаками при сжигании каменного угля, а также сажей, оксидами серы и другими веществами, которые вначале попав в атмосферу, затем попадают в почву; 4) сельское хозяйство загрязняет почвы, чрезмерно внося удобрения, ядохимикаты; 5)транспорт при работе двигателей активно выделяет оксиды азота, свинец, углеводороды и другие вещества, которые из атмосферы попадают в почву. Самоочищение почв идет очень медленно. Токсичные вещества из почвы могут попасть в организм животных и людей (например, через растения - животным, а потом - людям). 5.4 Основные закономерности реакции природной среды на антропогенные воздействия 5.4.1 Исторические этапы взаимодействия “человек-природа” 124 Современная экологическая ситуация возникла не сразу. Человечество прошло на этом пути следующие этапы: 1) на заре человечества, когда человек привел к истощению в ареале своего обитания растительные и животные ресурсы, возник первый экологический кризис, обусловленный энергетической недостаточностью, что вынудило человека кочевать по большим территориям в поисках пищи; 2) переход к пастбищно-кочевому скотоводству, земледелию привел к сокращению кочевания по территориям, удвоению энергозатрат, возникновению предпосылок для создания цивилизации. Происходила постепенная замена естественных экосистем на искусственные с другими экологическими характеристиками; 3) новый этап - снижение потребности в земле на одного человека при дальнейшем удвоении энергозатрат. Агросистемы начинают терять свойство стабильности и устойчивости; 4) современный этап - переход от естественного к искусственному плодородию почвы, повлекший за собой рост энергозатрат примерно в 20 раз. В настоящее время, чтобы не разрушить природные экосистемы, необходимо все в большей степени переходить к технологиям с использованием закрытых систем земледелия. 5.4.2 Основные правила и закономерности взаимодействия системы “человек-природа” Рассмотренные выше антропогенные воздействия на элементы биосферы делают человека неразумным потребителем. Перемены в хозяйственной деятельности человека вызвали цепные реакции в природе. Такая обратная связь получила название бумеранга или закона обратной связи в системе человек-биосфера. Суть этого закона - незаменимость биосферы для полноценной жизни человека. По мнению российского ученого В.Г.Горшкова, сокращение естественной биоты в объеме, превышающем пороговое значение, лишает устойчивости окружающую среду, которая не может быть восстановлена за счет очистных сооружений и безотходного производства. Закон обратимости биосферы - биосфера стремится к восстановлению экологического равновесия тем сильнее, чем больше на нее давление (но до определенного предела). Названный закон мог работать примерно до конца XIX века, пока не начались массовые выходы деятельности человека за эти пределы. 125 Закон необратимости взаимодействия человек-биосфера: возобновимые природные ресурсы становятся невозобновимыми при глубоком изменении среды, превышающем возможности ее восстановления. Этот закон все больше проявляется в наши дни. Из сказанного следует очень важный вывод в отношении преобразования природных систем: нельзя переходить пределы, за рамками которых природные системы теряют свойства самоподдержания. Из этих общих законов вытекает ряд частных законов и правил: 1) закон убывающей отдачи Тюрго-Мальгуса: повышение удельного вложения энергии в агросистему не дает адекватного пропорционального увеличения ее продуктивности (урожая). Это можно проиллюстрировать на примере США. Если в 1910 году отношение полученного урожая и вложенной энергии принять как 1:1; то в 70-е годы - 1:10. То есть, чтобы во столько же раз увеличить урожай, как в 1910 году, нужно затратить в 10 раз больше энергии; 2) закон демографического насыщения: количество народонаселения всегда соответствует максимальной возможности поддержания его жизнедеятельности, включая все аспекты сложившихся потребностей человека. Здесь главная проблема - не биологическое, а техногенное давление на среду. Сейчас в мире этот закон часто не выполняется и наблюдается демографическое перенаселение со всеми отрицательными последствиями; 3) правило ускорения исторического развития: в ответ на ухудшающиеся показатели среды жизни, возникают механизмы, помогающие ее улучшить (совершенствование техники, ресурсосберегающие технологии, демографическое регулирование). Важно, чтобы это правило успевало компенсировать отрицательные последствия антропогенного воздействия на природу. Пока что такой компенсации нет; 4) правило социально-экономического развития: общество развивается до тех пор и постольку, поскольку сохраняет равновесие между своим давлением на среду и восстановлением этой среды. Эпоха “независимого” от природы экстенсивно-экспансивного развития человечества окончилась; 5) закон ноосферы В.И.Вернадского: биосфера неизбежно превратится в ноосферу, где разум человека будет играть доминирующую роль. Решать придется массу частных проблем, прежде чем удастся оптимизировать основные взаимоотношения человека и природы. Гармоничное развитие человеческого общества и Природы требует не только знаний и учета вышеприведенных законов и правил, но и решения ряда крупных проблем, которые из них вытекают. Например, исключительно остро стоит перед человечеством энергетическая проблема. С одной стороны, это связано с резкими диспропорциями производства и потребления энергии различными странами. Достаточно отметить, что США, население которых 126 составляет около 5% населения планеты, потребляет до 40% вырабатываемой в мире энергии. С другой стороны, в настоящее время для обеспечения нужд человечества в энергии сжигают огромные количества угля, нефти, газа. Их добыча и потребление создают массу экологических проблем – нарушаются естественные взаимосвязи в природе, интенсивно загрязняется окружающая среда. Такой современный, по крайней мере, на ближайшую перспективу, вид топлива, как атомное горючее, также не является экологически чистым. Достаточно упомянуть в связи с этим проблему безопасности атомных электростанций или проблему захоронения отработанного атомного топлива. Значит энергетика будущего должна базироваться на экологически чистом топливе. Сюда можно отнести использование энергии Солнца (гелиоэнергетика), энергии ветра, геотермальных источников энергии, использующих горячие природные воды, энергии океанских приливов и течений. Современные развитые страны все большее внимание уделяют именно этим источникам энергии, учитывая их экологическую чистоту. Однако пока успехи здесь весьма скромные, поскольку современные технические устройства, реализующие выработку энергии из нетрадиционных источников, пока несовершенны, а потому мало эффективны. Завтрашний день энергетики должен быть основан на идейном и техническом научном прорыве, который сможет обеспечить потребности человека в экологически чистой энергии. Одним из возможных вариантов решения данной проблемы является создание управляемого искусственного фотосинтеза. В этом случае за счет солнечного света станет возможным искусственный фотолиз воды с высвобождением водорода, который относится к экологически чистому горючему. Изложенный материал показывает, что “управлять люди будут не природою, а, прежде всего собой” Этот тезис представляется одним из основных законов формирования будущей ноосферы. 5.5 Основы природопользования 5.5.1 Некоторые мировые экологические проблемы как стимул выработки природоохранных мероприятий Общемировая экополитика пока не выработана. Конечно, есть некоторые успехи, например, сокращение выбросов фреона, о вреде которого для озонового слоя планеты говорилось ранее. На Западе бросается в глаза чистота и опрятность на улицах, в общественных местах, на производстве. Это стало следствием широкомасштабной кампании, для чего были выделены средства, установлены штрафы, премии. Возникло движение 127 “зеленых” и др. . Крепнет тенденция сотрудничества религий, чему, например, способствовало создание Всемирного совета церквей. Растет понимание взаимозависимости людей, как жителей “одного общего дома”. Такое понимание снижает степень конфронтации между государствами, хотя это проявляется далеко не везде Однако эти и другие положительные моменты не привели пока к ощутимому оздоровлению экологической обстановки. Медлительность выработки единой экополитики в значительной мере обусловлена отсутствием быстрой обратной связи с природой. Это создает иллюзию достаточного запаса времени для принятия серьезных решений по накопившимся экологическим проблемам. Однако коварство ситуации заключается в том, что самоорганизующаяся система (в данном случае – биосфера) выходит из неустойчивого кризисного состояния скачком, меняя свои свойства, и никто не знает сколько времени осталось до такого “скачка” и останется ли место человеку как виду в изменившейся биосфере. Одним из наиболее вероятных последствий таких изменений предполагается резкое нарушение климата, носящего характер экологической катастрофы в первую очередь для человека. В качестве примера можно привести известный вариант возможного сценария изменения климата Западной Европы (и не только ее) при резком потеплении, связанном с увеличением концентрации углекислого газа в атмосфере. Не исключено, что в этом случае из-за интенсивного таяния ледников произойдет опреснение обширных морских территорий, в частности, тех, где находится северный “конец” Гольфстрима. В результате опреснения охлажденные потоки воды этого мощного морского течения в северных широтах изменят свою плотность, то есть станут легче, и направление их движения изменится, что приведет к трансформации течения всего Гольфстрима. Тогда климат в Западной Европе может стать подобным Аляске со всеми вытекающими отсюда последствиями. Есть и ряд других менее масштабных, но крайне важных для человечества проблем, которые постоянно растут и связаны с неблагоприятной экологической обстановкой. В этой связи достаточно отметить, что сейчас среди различных видов болезней одно из первых мест занимают онкологические заболевания. Далее следуют сердечные заболевания. Статистика показывает, что вылечить такую массу больных становится уже в принципе невозможно. Выход здесь лишь один - большее внимание уделять профилактике заболеваний. В этой связи в ряде развитых стран, в первую очередь, в Японии, пересмотрены акценты во вложение государственных средств от лечения - к профилактике заболеваний. Исключительно остра проблема демографии. Емкость планеты по набору комфортных ныне условий может обеспечить 1-1,5 млрд человек, в то время как численность населения Земли уже более 6 млрд человек, а к 2030 году по разным оценкам должна достигнуть 8-10 млрд человек, большинство 128 из которых будет сконцентрировано в бедных развивающихся странах. В этой связи неизбежен дальнейший рост нищеты, социальной напряженности и дальнейшего ухудшения экологической ситуации со всеми вытекающими отсюда последствиями. Так или иначе, все указанные проблемы имеют один общий итог экологически неблагоприятную ситуацию на планете. Время для принятия эффективных мер по ее исправлению, видимо, весьма ограничено. Поэтому оперативное и эффективное решение экологических проблем - ключ к выживанию человечества. 5.5.2 Природные ресурсы и экологические кризисы в истории человечества На разных исторических этапах развития человечество испытывало кризис, связанный с исчерпанием природных ресурсов, которыми оно пользовалось. Для первобытного человека условно неисчерпаемой была территория планеты. С ростом человечества периодически возникала угроза исчерпания природных ресурсов, которые он добывал для своего существования. В таких ситуациях человек был вынужден резко менять свой образ жизни; его взаимоотношения с окружающей средой также резко менялись. В этой связи принято говорить о возникновении тех или иных экологических кризисов. Среди имевших место крупных экологических кризисов надо отметить следующие: 1) перепромысел крупных диких животных - консументов, что положило начало разумного скотоводства; 2) перепромысел растительного сырья, что потребовало совершенствование основ земледелия; 3) неспособность редуцентов справиться с разложением всего “букета” загрязнителей, производимых человеком. Видно, что если первые два кризиса человечество преодолело, интенсивно развиваясь, то преодоление третьего современного кризиса требует ограничительных мер. Понимание этого утверждения становится все более осознанным. Отсюда возник закон ограниченности - исчерпаемости природных ресурсов: все природные ресурсы Земли конечны. Так что часто встречаемые понятия возобновляемых и невозобновляемых природных ресурсов не совсем корректны. Например, возобновляемость ресурсов ограничена условиями их образования, поэтому в действительности истинно возобновляемых ресурсов нет. В преодолении человеком указанных кризисов все более возрастающую роль играла информация. Ее роль возрастала поэтапно: 129 сначала опыт старших поколений передавался младшим, затем возникла религиозно-культурная система и, наконец, - научная сфера. Именно последняя призвана сыграть решающую роль в преодолении третьего экологического кризиса путем создания новых технологий и нового типа мышления человека. В историческом плане всегда наблюдалось соответствие между развитием производительных сил и природно-ресурсным потенциалом общественного прогресса. Кризис в обществе возникал при дисбалансе в любой части этой системы. 5.5.3 Критерии оценки состояния экосистем В настоящее время функция экосистем зависит не только от их природных свойств, но и от антропогенного влияния на них, от степени преобразования систем природы, естественных процессов в физическом, химическом и биологическом отношении. До сих пор роль крупных экосистем в общей их иерархии практически неизвестна. Неизвестна их надежность, буферность, инерционность (“люди не ведают, сколько пирога они съели”). Поэтому мрачные прогнозы часто не сбываются (впрочем, как и радужные). Какова обратимость наблюдаемых явлений? Где край экологической пропасти? Четкого ответа на эти вопросы пока нет. Такая неопределенность отчасти связана с тем, что пока нет универсального геобиоиндикатора ни качества среды жизни, ни состояния биогеоценозов. Тем не менее, есть косвенные показатели, например, такой показатель как устойчивое исчезновение части видового состава из биоты. Это особенно важно там, где не наблюдается прямого антропогенного действия на природу. Следовательно, важное значение приобретают наблюдения над особо охраняемыми территориями (в этом их научная значимость). Зарегистрированные фоновые перемены говорят о крупномасштабных изменениях среды. Значит, необходимо определить и нейтрализовать источники таких воздействий, которые, как правило, носят антропогенный характер. Другой показатель - средняя продолжительность жизни и уровень заболеваемости человека (сейчас она составляет 80 5 лет для жителя Западной Европы и около 60 лет - для жителя России). Показатели состояния природной среды имеют следующую градацию: 1) естественное состояние - наблюдается лишь фоновое антропогенное воздействие (например, бассейн Амазонки); 2) равновесное состояние - скорость восстановления процессов выше или равна темпу нарушений; 130 3) кризисное состояние - антропогенные нарушения превышают по скорости естественные восстановительные процессы, но сохраняется естественный характер экосистем; 4) критическое состояние - обратимая замена существовавших экосистем на менее продуктивные под антропогенным воздействием (частичное опустынивание); 5) катастрофическое состояние - трудно обратимый процесс закрепления малопродуктивных систем (опустынивание); 6) состояние коллапса - необратимая потеря биологической продуктивности, биомасса стремится к нулю. Предложенная что градация основана на объективных научных данных. Однако в приложении к оценке жизнедеятельности человека она недостаточно наглядна. Следовательно, необходима природно-экологическая классификация угасания природы, дающая оценку условиям жизни человека. В этой связи разработаны четыре критерия градации, учитывающие изложенную выше классификацию состояния природы. Критерии деградации окружающей среды в приложении к жизнедеятельности человека таковы: 1) благополучная ситуация - устойчивый рост продолжительности жизни, снижение заболеваемости; 2) напряженная экологическая ситуация - заболеваемость людей выше нормы; 3) зона экологического бедствия - заболевание людей устойчиво и достоверно выше нормы; 4) зона экологической катастрофы - территория не пригодна для жизни. Таким образом, этот тип классификации состояния окружающей среды является частным случаем первого типа классификации, где учитывается в целом состояние флоры и фауны, а потому более подробного и полного. Именно по этому типу классификации оценивают экологическое состояние различных регионов. Приведем несколько примеров такой оценки для водных бассейнов России. Балтийское море. В донных отложениях свинца в 7 раз больше нормы. Количество радиоактивных веществ увеличивается. Общее загрязнение химическими веществами примерно равно двум предельно допустимым концентрациям (ПДК). В целом наблюдается переход от равновесного к кризисному состоянию. Баренцево море. 7 ПДК по фенолам. Почти исчезли треска и мойва. Состояние кризисно-критическое. Черное море. Содержание нефти в прибрежной зоне составляет 52 ПДК. 92% воды по ряду оценок загрязнено сероводородом (H2S). Скорость 131 подъема Н2S по некоторым данным около 3м в год (сейчас лишь 80 м верхнего жизненного слоя свободно от Н2S). Состояние критическое. Азовское море. Уловы рыбы сократились в 5 раз (с 50-х годов). Везде переход от критического к катастрофическому состоянию. Аральское море. Катастрофическое состояние с переходом к коллапсу. Восстановление невозможно. В качестве неотложных мер должна быть проведена замена водоемких культур (хлопок) в долинах рек Сыр-Дарьи и Аму-Дарьи на менее водоемкие, чтобы уменьшить траты вод на орошение и увеличить сброс воды в Аральское море. Если не принять этих и других чрезвычайных мер, то через несколько лет возможна полная деградация Приаралья. 5.6 Взаимодействие человека и биосферы 5.6.1 Понятие «ноосфера» Ситуация в биосфере коренным образом изменилась, когда появился новый компонент биосферы - человек. Он выступил как мощная геологическая сила, положившая начало перестройке биосферы в ноосферу. Термин “ноосфера” введен в 1927 году французскими учеными философами Леруа и де Шарденом и имел смысл как нообиосферный “мыслительный пласт”. В.И.Вернадский дал другое толкование: ноосфера как часть планеты и околопланетного пространства, которая несет печать разумной деятельности человека. То есть В.И.Вернадский расширил понятие ноосферы. Принципиальным моментом такого расширения понятия ноосферы следует считать целенаправленное, действующее в интересах человека, влияние Разума на развитие биосферы. Человек должен обеспечить такую гармоничную связь с биосферой, которая позволит развиваться обществу и природе. В настоящее время эта проблема еще далека до своего разрешения. Человек активно воздействует на окружающую среду, используя, как правило, разнообразные технические устройства. Часто такое состояние окружающей среды, включая технические устройства, называют техносферой. К сожалению, техносфера чаще всего действует на биосферу как разрушитель. Сведение к минимуму, а в идеале устранение такого влияния техносферы возможно не только за счет решения технических задач, но и за счет тесного взаимодействия естественных и общественных наук в решении этой проблемы. На рис. 5.6.1 показана концептуальная схема возникновения ноосферы, предложенная В. А. Коптюгом с соавторами, где нашло отражение такое взаимодействие наук: 132 Экосфера Ноосфера Социум Человек Ноосфера Ноосфера Техносфера Рис. 5.6.1. Концептуальная схема возникновения ноосферы Таким образом, проблемы воздействия ноосферы на биосферу могут быть решены только при гуманизации естественно-научных дисциплин, а экология стала междисциплинарной областью и вышла из рамок биологии. Человека как объект познания изучают во многих научных дисциплинах. Для понимания места и роли человека как элемента биосферы необходима интеграция (не суммирование!) знаний из разных дисциплин, на основании которых должны быть сделаны определенные обобщения. Этим занимаются экология человека и социальная экология. Экология человека - есть комплекс дисциплин, исследующих взаимодействие человека как индивида с окружающей его природной и социальной средой. Социальная экология - объединение научных отраслей, изучающих связь общественных структур с природной и социальной средой их окружения. В последнее время экологию человека и социальную экологию часто объединяют в единую науку - социально-экономическую экологию человека. В этой научной дисциплине, изучают общие структурно-пространственные, функциональные и временные законы взаимоотношения биосферы и антропосферы (от человечества до индивидуума), а также интегральные 133 закономерности внутренней биосоциальной организации человеческого общества. 5.6.2 Факторы, характеризующие взаимоотношения “человек-среда” Таким образом, говоря о социально-экономической экологии человека, все сводится к взаимоотношениям “организм-среда”, где в качестве “организма” выступает все многообразие людей, их группы и человечество в целом, а средой -все процессы, природные и социальные, явления и объекты. Значит,потребности человека - это система его требований к окружающей его среде, включая других людей. В связи с такой постановкой вопроса целый ряд показателей, которые раньше носили индивидуальный для каждого конкретного человека характер, теперь должны рассматриваться для всей человеческой популяции. Ярким примером может быть показатель здоровья человека. Согласно представлениям российского ученого В.А.Карначеева, человеческое здоровье должно изучаться как в индивидуальном, так и популяционном планах. При этом под популяционным здоровьем понимается динамика развития биологической и психологической жизнеспособности населения, проживающего на определенной территории в течение ряда поколений. Таким образом, оценка здоровья популяции тесно связана с характером экологической обстановки в том или ином регионе, обеспечивающим совокупность параметров жизнедеятельности людей. Известный ученый академик П.Л.Капица использовал в этом случае термин “качество” народонаселения, включая сюда физическое здоровье, комфорт жизни, развитие интеллектуальных способностей и др. В настоящее время широкое применение получил термин “качество жизни”, который часто используется при экологических исследованиях, прогнозах и оценках. Согласно определению ВОЗ (Всемирная организация здравоохранения), “качество жизни - это совокупность объективного и субъективного физического, психического и социального благополучия”. Отсюда качество жизни нельзя ограничивать только экономическими показателями. Необходимо еще учитывать духовные потребности людей. Правильное понимание качества жизни возможно только после создания адекватной модели человека и окружающей его среды, что является актуальной задачей экологических исследований. Среда жизни человека условно может быть подразделена на четыре подсистемы: собственно природная среда (первая среда); порожденная агротехникой среда (вторая среда); искусственная среда (третья среда); социальная среда (четвертая среда) 134 Первая среда, окружающая человека, - это факторы чисто естественного или природно-антропогенного системного происхождения, то есть способные к саморегуляции и к самоподдержанию (магнитные и гравитационные поля, атмосфера, поверхность земли в виде холмов, гор, землетрясения, наводнения, ураганы и пр.). Вторая среда, которую иногда называют среда “второй природы” – есть все модификации природной среды, преобразованные людьми и характеризующиеся отсутствием системного поддержания: пахотные угодья, грунтовые дороги, зеленые насаждения, парки и др. Сюда же относят домашних животных и культурные растения. Необходимо оптимальное соотношение “первой” и “второй” природы. Третья среда - это весь искусственный мир, созданный человеком, не имеющий аналогов в природе и чуждый ей (например, асфальт, бетон, транспорт, предприятия, техническое оборудование, мебель). Среда социальная - культурно-психологический климат, созданный (намеренно или бессознательно) для личности. Воздействие этой среды на человека включает экономическую обеспеченность, гражданские свободы, отсутствие неуверенности в завтрашнем дне и т.д. Все указанные среды интегрируются между собой. Одним из параметров такой интеграции являются пищевые цепи. Люди включены в пищевые цепи, благодаря чему они получают пищу и воду. Организм после смерти человека разрушается, и его химические элементы включаются в общий круговорот элементов биосферы, куда входят и пищевые цепи. Другим примером интеграции сред назовем тот факт, что человек и человечество тесно связаны с животным и растительным миром, а в целом - с природой. Это подтверждается тем, что любые достаточно крупные изменения в природе отражаются на существовании человека и наоборот. Таким образом, тезис об увеличении независимости человека от природы неверен. Наоборот, человек тесно связан с природой и зависит от нее. Как же решить задачу удовлетворения потребностей человека? Главное - это оптимизировать соотношение указанных четырех сред в системной интеграции среды и человека. 5.6.3 Человечество как система в рамках биосферы Интеграция человека и среды может быть охарактеризована с учетом потребностей человека. Потребности человека вытекают из его "биосоциальной структуры”. Поэтому он не сводим ни к биологическому, ни к социальному уровням организации материи. Человек - это многоуровневая 135 иерархическая система (рис.5.6.2). Человечество как популяционная система имеет два вектора Анатомофизиологические (биологические) “Социальный” человек Психологи ческие Социальные Экологиче- Этнические ские Составляющие: “Биологический” человек трудовые “Природно-трудовой” человек материально-энергетическая информационная эстетические потребности Рис. 5.6.2. Схема потребностей человека как элемента биосферы развития: индивидуально-возрастной и исторический. По современным представлениям человек как система может быть рассмотрен в виде шести подсистем. Наиболее древняя - анатомо-физиологическая, затем возникла эколого-поведенческая система и далее, если двигаться в направлении часовой стрелки по схеме на рис.5.9., идет последовательное историческое возникновение других систем. При классификации потребностей людей можно выделить базовые и вторичные потребности.Базовые потребности включают потребности в вещах, пище, жилище. Вторичные потребности включают потребности в конкретных вещах и условиях, возникающих при возможностях выбора для удовлетворения потребностей в материальных средствах жизни. Существуют и иррациональные или “псевдопотребности”. Например, курение, наркотики и др. В целом потребности отражают две стороны существования человека: необходимые условия жизни; продолжение рода. Существует понятие компенсаторных потребностей, если, например, повышенный спрос на товары служит компенсацией для социально 136 обделенных людей. Отсюда - разделение потребностей на прямые, когда достигается оптимум в гармоничном развитии личности, и компенсаторные, связанные с замещением части других неудовлетворенных потребностей. Общая схема потребностей человека представлена на рис. 5.6.3. Потребности Вещественно-энергетические Информационные первоочередные отдаленные рациональные иррациональные (по насущности) прямые компенсаторные Рис. 5.6.3. Общая схема потребностей человека (По Н.Ф. Реймерсу) В настоящее время особо следует подчеркнуть информационные потребности как входящие в первичные потребности человека. Без оптимального удовлетворения этих потребностей современный человек не может стать гармонично развитой личностью. 5.6.4 Состояние окружающей среды и здоровье человека Экологические условия должны обеспечивать нормальное состояние здоровья человека. Среди этих условий можно выделить следующие основные: 1) отсутствие стихийных бедствий, голодовок, эпидемий, хронических болезней раннего возраста, повторяющихся чаще, чем время воспроизводства одного поколения; 2) наличие необходимого теплового, радиационного и магнитноволнового комфорта, что обеспечивает возможность поддерживать нормальные физиологические параметры организма и предотвращать генетические разрушения организма в первом и последующих поколениях; 3) оптимальный состав воздуха, не приводящий к физиологическим или генетическим аномалиям (химический, ионный и др.); 4) оптимальный состав питьевой воды; 137 5) сбалансированная по калорийности, химико-элементному (макро и микроэлементы), органико-вещественному (белки, жиры, углеводы) и национально-вкусовому составу пища; 6) защищенность от паразитарных и вирусно-бактериальных заболеваний, связанных также с антропогенным загрязнением; 7) наличие информационно-пространственного комфорта: защита от стресса “присутствия” (переуплотнения) и стресса “отсутствия” (одиночества); 8) наличие комфорта природной среды, связанное с оптимальным воздействием флоры и фауны на организм человека, наличие благоприятной микрофлоры; 9) наличие благоприятной по структуре и рельефу земной поверхности (отсутствие пыли, “родная” степь, или горы, или леса и т.д.); 10) определенный комфорт искусственной среды жизни (жилище, транспорт и т.д.). А теперь рассмотрим как обстоит дело в реальной действительности. Для этого кратко охарактеризуем основные сферы деятельности человека, загрязняющие окружающую среду. Промышленность. Происходит перемещение “вредных” веществ в пространстве (очистка выбросов и стоков от загрязнителей, их складирование на полигонах и хранилищах, а также захоронение в морях, экспорт в слаборазвитые страны). Альтернатива - совершенствование и создание новых высокоэффективных технологий переработки отходов (биогаз, компост и т.д.). Это составляет до 50% стоимости всего производства (например, современный асфальтовый завод, продаваемый безили с эколого-защитными технологиями.). Сейчас растет понимание данных проблем, вследствие чего все чаще выделяются средства на обеспечение производства эколого-защитными технологиями, повышается ответственность за загрязнение окружающей среды. Так, на Западе введены мероприятия, препятствующие загрязнению окружающей среды промышленными отходами: ужесточение нормативов, штрафы и др. Например, в Западной Европе существует ответственность промышленных предприятий в течение 30 лет за выбросы, принесшие экологический вред. То есть, если срок давности не превышает 30 лет, то предприятие несет ответственность за выброс загрязнителей, а поданный по этому поводу иск должен быть решен в течение 3 лет. Сельское хозяйство. Массовое применение минеральных удобрений заражает почву тяжелыми металлами. Орошаемое земледелие часто приводит к засолению почв. Происходит массовое отравление пестицидами живых организмов. Из-за этих и других причин интенсивно теряется пахотная земля (например, в ФРГ - 1% за 4 года, во Франции - 2% за 10 лет). Растет число продуктов с повышенным содержанием нитритов, способствующим 138 онкологическим заболеваниям. Альтернатива - экологизация сельского хозяйства. Однако такая продукция дорогая, поскольку требуется отказ от пестицидов, удобрений, что снижает урожай и пр. Лесное хозяйство и промыслы. Из-за неплановой и хищнической вырубки площадь лесов резко сокращается (тропических - на 11-12 млн га/год, тайги - 2-3 млн га/год). Истребляются лекарственные растения, цветы. Из-за вырубок лесов одни насекомые вытесняются другими (вредителями), одни виды растений замещаются другими, ранее не характерными для данного региона. Альтернатива - плановое возобновление лесов. Но даже в этом случае полное восстановление флоры и фауны уже невозможно. Здесь главный недостаток - парковый характер лесов, к которым относят молодые леса с другим фоном флоры и фауны. Морские промыслы. Тревожная ситуация и с морскими промыслами. Так, в частности, исчезают даже антарктические рыбы, криль. Добыча в рыболовном промысле дошла до потолка продуктивности (95 млн т. добычи против 100-150 млн т. воспроизводства). А ряд водных бассейнов, например, Аральское море, потеряно для промышленного лова рыбы, в Азовском море произошло сокращение вылова в 12 раз, в Каспийском - в 10 раз. Альтернатива - резкое сокращение загрязнения морей, увеличение стока воды из рек. Транспорт. Транспорт потребляет до 30% энергоресурсов. По ряду прогнозов при существующем росте потребляемых энергоресурсов к 2020 году может произойти гибель существующей биосферы. Кроме того, выхлопы автотранспорта загрязняют атмосферу (соединения свинца и др.). Велик шум транспорта, который вызывает заболевания людей. Альтернатива: борьба с этими и другими транспортными проблемами. Такая борьба разнообразна. Главные направления: разработка безопасных видов топлива, поиск новых двигателей, замена одних транспортных средств другими, более экологически безопасными. Городское хозяйство. В ряде стран распространено заболевание “грусть новых городов”. Оно связано с переселением людей в другие непривычные места и возникающих при этом стрессах. Во многих странах широко распространен стресс, связанный с качеством жилища (имеющиеся жилища не комфортны). До сих пор не до конца решены проблемы с утилизацией мусора, проблемы водоснабжения и переработки сточных вод. Во многих городах не рекомендуется пить водопроводную воду без предварительной фильтрации. Питьевая вода часто загрязнена тяжелыми металлами, нитритами, пестицидами, органикой. При этом тяжелые металлы по токсикологическим оценкам занимают второе место, уступая лишь пестицидам. При сохранении существующих темпов загрязнения тяжелые металлы в ближайшем будущем могут стать самыми опасными загрязнителями. В городах, особенно крупных, часто возникают проблемы, 139 называемые “световое” загрязнение, что особенно вредит птицам, а также может мешать и людям. Бичом многих городов является изобилие вредных насекомых. Это настолько ухудшает санитарно-эпидемиологическую обстановку, что может привести массовым заболеваниям. Редкие во многих городах зеленые зоны не способствуют очищению воздуха от вредных примесей, повышенного фона углекислого газа и др. Известно, что здоровье горожан, в целом, слабее здоровья жителей сельскохозяйственных районов. Сейчас наблюдается заметный отток и концентрация населения из этих районов вокруг городов. Происходит так называемое интегрированное расселение, объединяющее городское и сельское население. Сельское население в этом случае получает ряд несомненных дополнительных возможностей, повышающих качество жизни (более квалифицированная работа, рост интеллектуального уровня и др.). В то же время все перечисленные проблемы города также начинают сказываться и на этой части населения. Альтернатива - борьба с указанными проблемами, реконструкция и создание новых технологий для жилищнокоммунальных хозяйств, озеленение городов, повышение экологической грамотности горожан. 5.6.5 Возможности эволюции и адаптации человека к условиям внешней среды в связи с антропогенным воздействием на природу Существует одна важная особенность развития человечества в отличие от остального животного мира. В животном мире каждый вид “вписан” в свою экологическую нишу. Человек же не имеет природной строго определенной экологической ниши. Человечество развивается, преломляя свое развитие через социально-экономические механизмы (например, большие плотности населения в городах в ущерб собственной биологии существования). Таким образом, люди часто выступают в роли разрушителей собственной среды обитания. Хотя каждый человек стремится сохранить свой очаг, тем не менее, вместе люди действуют на природу разрушительно. Все успехи человечества основывались на двух основных процессах: регенерации природных систем и их постепенной деградации. Пока эти процессы были локальными, с ними можно было мириться. Сейчас они перерастают в глобальные и порождают возникновение все более масштабных экологических кризисов. Возникновение экологических кризисов в значительной степени связаны с тем, что эволюция и адаптация к условиям среды идут по времени намного медленнее, чем антропогенные изменения в природе. Таким образом, эволюция бессильна в условиях антропогенных изменений в природе. Это утверждение справедливо для человека и многих растительных и животных организмов. 140 Поэтому для нормального существования человечества должны соблюдаться следующие положения: 1) условия среды должны соответствовать генетической предопределенности организма, то есть человеку нужна природа того эволюционного периода, когда он возник; 2) человек должен управлять природой в разумных пределах, с учетом объективных законов, действующих при взаимодавлении человек-природа; 3) выход в космос не может заменить земную среду обитания (см. п.1); Одна из главных задач, которая требует неотложного решения воспроизводство на научной основе природы для человека и оптимальное воспроизводство самих людей. Поэтому в настоящее время правильным является не принцип, что важнее: экономическое развитие или охрана природы, а как найти разумные пропорции этих процессов. Только такая постановка вопроса будет правильной. Разумность хозяйствования человека определяется следующими основными показателями: 1) недопущение выхода природных систем из стационарного состояния; 2) лимитирование выброса вредных веществ, а также извлечение полезных ископаемых из земных недр в пределах самоочищающихся возможностей природы; 3) поддержание экологического баланса, недопущение деградации природных комплексов. Таким образом, человечеству необходимо вписаться в природные циклы. Обсуждается ряд мер по новой экологической политике. Например, вместо известной цепочки товар - деньги - товар, предлагается: природная система - ее ресурсы - товар - деньги - воспроизводство природных систем. Это позволит прекратить бездумное и непланомерное антропогенное воздействие на среду обитания, а придать этому процессу контролируемый характер, даст возможность регулировать его четкими экономическими критериями. 5.7 Место человека в эволюции биосферы В понятие «эволюция биосферы» подразумевается включение процесса биологической эволюции. Несомненно, что важным, а возможно, переломным моментом в направленности биологической эволюции (и не только ее) выступает появление человека. Известно, что человек как элемент биосферы возник не сразу. Однако его появление все больше и больше сказывалось на эволюции биосферы. Значит и изменения в биосфере, связанные с воздействием “внешних” сил 141 космического происхождения (магнитные бури, гравитация, радиоактивность, другие космические факторы), оказывали существенное влияние на формирование человека. Таким образом, взаимодействие человека и биосферы - это процесс взаимообразный. Чтобы понять основы такого взаимодействия рассмотрим его основные моменты в историческом плане. Всевозрастающее влияние человека на эволюцию биосферы связано с таким понятием, как разум. Именно разум, его совершенствование, есть основа влияния человека на биосферу. В этой связи остановимся на происхождении и функции разума. 5.7.1 Происхождение разума К настоящему времени выдвинуто множество теорий, в которых предпринимаются попытки объяснить происхождение разума, носителем которого является человек.. Согласно теории естественного происхождения человека Дарвина, в возникновении человека как биологического вида нет ничего сверхъестественного. Однако совершенно справедливо отмечается, что Дарвин не включил в свою теорию влияние социального фактора и не затронул роли труда в процессе антропогенеза. В наиболее распространенной точке зрения ученые провозглашают и отстаивают эволюционный путь происхождения разума. В основе такого подхода, развитого академиком А.И.Опариным, лежит представление, что “в соответствии с идеями биологической эволюции разум появляется на основе трудовой деятельности предков человека, их общения с природой и социальной средой”. Находки каменных орудий были обнаружены 3,5 млн лет назад. Можно сказать, что к этому времени появился разум, стала работать мысль, так как только инстинктивно придумать даже простейшее каменное орудие невозможно. К периоду времени 700-300 тыс. лет до нашей эры относят начало использования в быту огня, в этот же период времени первобытные люди начали заниматься охотой. 33-53 тыс. лет назад появились ножи, сверла из костей мамонта, возникли религиозные верования. Этот период принято считать началом формирования “интеллектуальной среды обитания”. Именно с этого периода развития человечества начинают регулироваться и отношения между людьми, возникают межродовые и внутриродовые отношения. Таким образом, появившийся разум начинает сдерживать и регулировать инстинкты. Важно подчеркнуть, что речь идет не о начале уничтожения, а о сдерживании инстинктов, их служению более гармоничному развитию человечества. 142 Появление разума дало неоспоримые преимущества человеку над остальным животным миром.. В отличие от человека, животное не обладает разумом, так как не осознает, что оно обладает определенными знаниями, иначе бы оно сразу попыталось эти знания приумножить; таким образом, животные “знают” только на уровне рефлексов. Известно высказывание Энгельса, что появление разума соответствует периоду возникновения орудий производства, производственных отношений. Между ними возникли обратные связи: усложнение орудий - усиление умственных способностей - усиление и ускорение эволюционного процесса. Процесс эволюции природы длился сотни миллионов лет, а развитие человека примерно 1,5-2 млн лет. Этот факт говорит о роли разума в ускорении эволюционного процесса. До человека развитие эволюционного процесса шло по дарвиновскому принципу отбора. Затем усилилась роль разума (появление “Учителя” как не самого смелого и сильного, но крайне необходимого), ускорившего прогресс первобытного человеческого общества. Разум заметно влиял на состояние отдельных элементов биосферы: уничтожение крупных млекопитающих, перестройку флоры, создание сельскохозяйственных растений. Академик Ю.А.Косыгин выделял понятия индивидуального и коллективного разума. Он считал, что индивидуальный разум конкретен, точен. Он способен управлять инстинктами и эмоциями, но не всегда, а на фоне корректирующего воздействия коллективного разума. Коллективный разум должен направляться единой целью. Стержнем, вокруг которого формируется коллективный разум, являются отдельные личности. 5.7.2 Функции разума Для поступательного развития человечества необходимо, чтобы разум способствовал замене животных норм поведения нормами человеческой морали и нравственности, управлял инстинктами, обеспечивал новыми знаниями, то есть обеспечивал рост интеллектуального уровня человека. Ясно, что без этих условий не может быть прогресса в человеческой популяции. Рассмотрим эти и другие процессы, связанные с функцией разума. Процесс познания как функция разума. Согласно представлениям академика Ю.А.Косыгина, “в познавательно-исследовательском процессе разум характеризуется двумя своими функциями - мышлением и знанием. Мышление выступает как метод, знание - как результат. Мышление развивается на основе накопления и осмысления рефлексов, то есть зависит, а, следовательно, ограничено физиологическими возможностями человека. В 143 отличие от мышления знания постоянно накапливаются и здесь ограничения не просматриваются. Накопление знаний позволяет совершенствовать мышление. Способности к мышлению зависят от двух основных причин: 1) от природной способности; 2) от устройства и развития среды обитания. Знание возникает на основании собственного опыта и передается от других людей. Таким образом, знание подразделяется на унаследованное и приобретенное, причем объем знаний увеличивается за счет второго. Важным является способность разума критически переосмысливать знания. Мировой уровень знаний достигается только в результате интенсивного обмена знаниями. Средство накопления знаний - память. Память может быть подразделена на личную и фиксированную. Личная память зависит от физиологических характеристик человека и поэтому имеет ограниченные возможности (рассеяние, забывание). Значит, основным средством накопления знаний является фиксированная память (книги, памятники, магнитная лента, фотобумага и др.). Исследовательские функции разума реализуются в науке и технике. В тоже время вся сумма конструктивной деятельности человеческого разума есть культура. Культура охватывает весь период деятельности человека. Она включает в себя духовную, социальную и материальную. Духовная культура включает знания и мышление людей, их образование и образованность. К духовной культуре примыкает понятие массовой культуры. Массовая культура - это сумма знаний и мышление достаточно низкого уровня, навязанные (например, - через средства массовой информации) людям, у которых не сформировался внутренний культурный фильтр. Поэтому массовая культура сильно приземлена, ориентирована на самые низменные и примитивные духовные запросы человека. Источник настоящей культуры - наиболее яркие представители искусства, науки, люди высокого уровня воспитания. Социальная культура проявляется в воспитании и в воспитанности. Главные черты воспитанности - не причинять неприятности другим, природе, умение организовать себя полезным образом на производстве и в быту. Это достигается за счет соблюдения определенного этикета в поведении людей при различных видах общения в рамках нормативных правил правового, религиозного, экономического и другого характера Материальная культура - вещественное выражение деятельности (труда) людей (например, культура земледелия, качество изготавливаемых изделий: машины, мебель и т.д.). Материальная культура прошлого (мосты, здания и др.) может стать духовной культурой последующих поколений Существуют также понятия естественно-научной и гуманитарной культур. Возникновение таких понятий имеет исторический характер и связано с различием традиций в изучении естествознания, с одной стороны, и 144 явлений общественной жизни, с другой стороны. Методы исследований в естествознании традиционно строились на основе использования объективных универсальных законов природы. В то же время при исследованиях явлений общественной жизни часто использовали не логический анализ, основанный на определенных объективных законах (для гуманитарной области знаний их фактически не было), а прибегали к интерпретации, основанной либо на теологическом подходе, либо чувственном субъективном восприятии действительности. Лишь со второй половины XX века стало расширяться использование гуманитариями таких приемов и методов научных исследований современного естествознания, как кибернетический, системный методы, теория информации и т.д. С другой стороны, исследователи в области естествознания, особенно при анализе поведения сложных систем, включающих человека, должны учитывать психологические, социальные и другие факторы, традиционно относящиеся к сфере гуманитарных наук. Поэтому в настоящее время можно говорить о постепенном сближении естественно-научной и гуманитарной культур. Таким образом, культура есть суммарное конструктивное проявление разума. Управление инстинктами как функция разума. Это одна из основных функций. Разум не способен полностью подавить инстинкты в человеческой популяции. К таким инстинктам следует отнести сохранение вида, продолжение рода, самоутверждение и ряд других. Но разум способен регулировать ход реализации инстинктов, особенно в социальной среде обитания. Разум не может в одинаковой степени влиять на инстинкты разных людей. Это связано с различной физиологией, жизнью в неоднородной социальной среде. Одним из главных условий управления инстинктом является четкое определение целей человеком. Их может быть несколько. Однако должна быть генеральная цель, на которую расходуется основная энергия. Реализация цели невозможна без помощи воли. Воля – есть способность человека осуществлять свои цели. Что служит ориентиром в выборе цели? Этот ориентир - вера. Таким образом, человеческий разум по ориентиру веры может достигать поставленной цели. Вера всегда направлена на лучшее в жизни человека и значит имеет большой психологический смысл. В этой связи часто возникает вопрос о вере в Бога. Многие верят в Бога как в идеал, служащий основой для выбора цели всегда направленной к лучшему. С этой точки зрения вера в Бога является социально полезной, ведет к устойчивости моральных норм человека и общества. С другой стороны, религиозные верования часто несут в себе известные издержки, а в ряде случаев и вражду между людьми с различными религиозными убеждениями. На этой почве возникали и, к сожалению, возникают в настоящее время различные кровавые конфликты. 145 Победа разума и дисциплинирование инстинкта являются основой выживания человечества. Однако управление инстинктом тесно связано с образованностью. Поэтому сейчас исключительно важно поднятие престижа образования, науки и интеллектуального труда в целом. Поиск смысла и выхода как главная функция разума. В работах акад. Ю.А.Косыгина отмечается исключительно важная роль данной функции разума. Перед человеком всегда стоит проблема выживания и гибели. Поэтому функция смысла и выхода для выживания есть главная функция разума. Если человеком осознанно или неосознанно не найден смысл жизни, то нередко естественным выходом из такой ситуации является самоубийство. Особенности поиска смысла и выхода тесно связаны с возрастом. Например, в молодости человек либо “прокладывает” себе дорогу, либо гибнет, либо остается навсегда в пучине заурядности, то есть человек так или иначе пытается самоутвердиться. В период зрелости человек наиболее полно и всесторонне использует запасы разума, находит смысл жизни и вступает в обстановку стабильности, то есть уравновешенного существования. “В целом зрелость - это время созидания (труд, воспитание детей) и поэтому “главное время обеспечения выживания человечества”. В зрелости разум - это не сумбурный “разум молодости”, а конструктивный, поддерживающий существование общества и его развитие”. В старости “конструктивное начало разума слабеет”. Ввиду необратимых физиологических изменений организма человек вновь возвращается к понятию смысла, но, как правило, с более мрачными перспективами. Тем не менее, с точки зрения развития разума к старости к человеку приходит мудрость. “Мудрость - это высший разум, формирующийся за пределами страстей и эмоций молодости и зрелости”. Дополнительный фактор, способствующим приходу мудрости освобождение человека от некоторых инстинктов, мешающих в ряде случаев объективно мыслить. Функция поиска смысла и выхода разума может быть проанализирована не только с точки зрения возраста человека. Она еще зависит от истории человечества, то есть рассматриваемая функция разума зависит не только от физического времени (время жизни человека), но и от биологического времени (длительность жизни человеческой популяции). Действительно, развитие разума в юном возрасте у первобытного человека совсем иное, чем у современного человека. Поэтому и функции поиска смысла и выхода будут сильно различаться. В общем, здесь можно сказать, что для современного человека эта функция более емкая и изощренная в сравнении с таковой у человека даже прошлого века.. Для человека всегда возникает проблема выживания, но в современных условиях она решается на 146 более высоком уровне и требует намного более сложной работы разума, чем на заре развития человечества и в последующие периоды его истории. Размышления о смысле жизни – это духовная традиция человечества. Такие размышления всегда были связаны с анализом, объединяющим прошлое, настоящее, будущее. Результатом таких размышлений должна быть выработка цели жизни. С ростом интеллекта человека все меньше устраивают “узкие” локальные цели в жизни, все больше привлекает “ бесконечная нить жизни”, устремленная разумом в вечность. В этом случае свой смысл жизни человек как бы олицетворяет с дальнейшим существованием человечества, создается единство жизни, смерти и бессмертия. Человек осознает свое предназначение и ответственность за сохранение жизни и разума во имя своих потомков и с этих позиций может корректировать цели в своей жизни. 5.7.3 Подсознательное в поведении человека. Трансцендентальность Достаточно длительное время в науке характер поведения человека рассматривался преимущественно с позиций проявления только сознательной жизни, то есть Разума. Тем не менее, проблема бессознательного поведения человека все больше занимала умы ученых. Вклад в анализ этой проблемы внесли такие мыслители, как Лейбниц, Кант, Ницше и др. В первой половине ХХ века существенное влияние на разработку этой проблемы оказал австрийский врач и ученый Фрейд. Основной идеей его учения было утверждение о ведущей роли бессознательных влечений в поведении человека. То есть Фрейдом роль разума в поведении человека была принижена. Однако, как отмечалось нами ранее, разум, позволяет человеку находить смысл жизни, выделяет его из животного мира. Homo sapiens - человек мыслящий. Но не только разум руководит человеком. Есть многое в поведении человека, что с позиций разума необъяснимо. “Понятия и явления, выходящие за пределы досягаемости разума” называют трансцендентальными (выходящими за пределы). Главную роль здесь играют инстинкты. Когда проявляется трансцендентальность, человек не может предотвратить действие инстинкта на свой разум. В это время разум полностью подчинен инстинкту и не в состоянии узнать причину такого подчинения. Именно в этом заключается трансцендентальность понятия инстинкта. Однако потеря разума не всегда связана с проявлением инстинкта (пример - психические больные). Инстинкт всегда связан с объективным, данным природой, свойством. Он присущ любому здоровому организму. “Все поступки и действия человека, не подчиненные разуму и не познаваемые им, отделены от него трансцендентными порогами или шагами”. Ряд понятий, характеризующих 147 разум, в той или иной степени трансцендентны, так как включают в себя нечто находящееся за пределами разума и непосредственно из него не вытекают. Рассмотрим некоторые из таких понятий. Совесть. Согласно немецкому философу Канту совесть - это “моральный закон во мне”. Совесть лежит вне логического мышления человека, ее нельзя вывести как формулу. Поэтому совесть - понятие, имеющее трансцендентальный оттенок. Вера. Трансцендентальность этого понятия связана с тем, что “вера ведет наш разум в область, для познания которой человек не располагает средствами и не знает, в чем они заключаются”, т.е. вера - подсознательная убежденность в чем-то. Долг. По В.И.Далю долг – есть все должное, что должно исполнить, обязанность. Основу долга нельзя вывести из разума, она носит черты индивидуальности. Эмоции. Это внутренние чувства человека, быстро возникающие и быстро реализующиеся во внешних человеческих действиях и поступках. Эмоции не всегда укладываются в пределы разума и поэтому в них присутствуют элементы трансцендентности. Эмоции ближе всего к инстинкту, так как в отличие от разума, они всегда имеют внешнее проявление. Мы рассмотрели важнейшие свойства человеческого разума и ряд связанных с ним понятий. Из этого сказанного следует, что возможности разума, с одной стороны, безграничны, а с другой стороны, они “прерываются трансцендентальными порогами, временно отделяющими непознанный мир от познанного...” Разум является не только свойством человека, но и свойством Вселенной как среды его распространения, реализующимся в человеке. В этом смысле от поведения Разума зависит не только судьба человечества, но и дальнейшая эволюция биосферы. Сейчас, когда планета охвачена нарастающим экологическим кризисом, роль Разума чрезвычайно важна. Главная задача Разума – обеспечить на основе накопленного знания такую направленность эволюционного процесса, которая бы позволила гармонично развиваться человеческому обществу и природе. Нет гарантий, что поставленная задача по плечу любому Разуму. Вполне возможно, в той или иной точке Вселенной перед Разумом вставала подобная проблема. Совсем не обязательно, чтобы Разум всегда выходил победителем. В таких случаях Разум исчезал, оставляя после себя либо безжизненную после ядерного пожара планету, либо планету с биосферой, эволюция которой ввиду экологической катастрофы не оставила шансов для существования Разума. Оптимистический прогноз позволяет надеяться, что есть точки Разума во Вселенной, где этот критический барьер преодолен успешно. Хотелось бы верить, что в числе таких “точек” окажется и наша планета. 148 5.8 Экологизация сфер деятельности человека 5.8.1 Подходы в выборе стратегии дальнейшей деятельности человека В настоящее время многие показатели развития человеческого общества характеризуются тенденцией экспоненциального роста. К таким показателям в первую очередь следует отнести рост народонаселения планеты, потребление энергии, природных ресурсов, продуктов питания и т.д. Последствия такого развития человечества приводят к сильному загрязнению окружающей среды, истощению природных ресурсов, изменению климата и другим последствиям, которые, в целом, отрицательно влияют на жизнь людей. Согласно имеющимся научным оценкам, при нынешней ситуации несбалансированности производства и потребления с естественными циклами биосферы, до глубокого экологического кризиса осталось несколько десятилетий. Поэтому необходим выбор стратегии дальнейшей деятельности человека. В настоящее время имеется две противоположных позиции в выборе такой стратегии: 1) природа для Человека - “потребляемый ресурс”; 2) человек - это нечто чужеродное и вредное для Природы. Человек должен вписаться в Природу, чтобы его деятельность ничем не выделялась из естественных процессов Биосферы. Сейчас развитие идет, в основном, по первому подходу с оправданием того, что когда ресурсов будет мало, необходимо будет организовать “стационарный режим”. Призывы “остановиться” исходят от “зеленых”, “Римского клуба” и ряда других организаций. Но нужно помнить, что для человеческого общества стационарный режим - это застой и деградация. Кроме того, человек не имеет собственной экологической ниши, где он может замкнуться и существовать. Поэтому стабильность необходимо понимать как устойчивое развитие. Как его реализовать сразу не видно - нужны исследования. Это должны быть экологические исследования по поиску гармонии Человека и Природы. Главная ошибка многих современных научных исследований в данном направлении - игнорирование понимания того, что Природа – есть самоорганизующаяся система. Поэтому ее ответы на антропогенные воздействия часто не те, что ожидаются. Например, до сих пор не ясно, с какого момента (при высокой антропогенной нагрузке - но какой?!) 149 природные системы могут потерять устойчивость и тогда их поведение может быть вообще непредсказуемо. Другая проблема: а как поведет себя человеческое общество в этом случае? Разумеется, что имеются и положительные моменты в деятельности человека по отношению к природе. Благодаря достижениям науки и техники и их использованию в современных технологиях в промышленно развитых странах резко снизилась выплавка стали. Это позволило закрыть значительное количество металлургических заводов, сильно загрязняющих атмосферу, почву и водоемы. Достижения в области генной инженерии позволили вывести целый ряд устойчивых к заболеваниям растений, что способствовало снижению использования на полях ядохимикатов, улучшению пород животных. Внедрение таких результатов в народное хозяйство ведет к снижению техногенной нагрузки на природу, понижению уровня загрязнения окружающей среды. Надо всемерно развивать именно эту сторону человеческой деятельности - гармонизацию деятельности Человека и Природы. К сожалению, все положительные факты не являются доминирующими в общем развитии цивилизации, а самое главное, пока не обеспечен системный подход и не запущены механизмы такой гармонизации Человека и Природы. Осознание этой проблемы и попытки ее решения в настоящее время предпринимаются. Например, обнадеживающим фактом может служить разработка концепции устойчивого развития человеческой цивилизации, основы которой предложены мировому сообществу рядом международных организаций после коллективных обсуждений на различных мировых форумах. Основные положения этой концепции взяты за основу в ряде крупных и развитых государств при разработке национальных программ устойчивого развития. 5.8.2 Концепция устойчивого развития как научно обоснованный путь выживания человеческой цивилизации Термин ‘’устойчивое развитие’’ стал часто употребляться в средствах массовой информации после публикации доклада Всемирной комиссии ООН по окружающей среде в 1987 году. Суть этого доклада сводилась к доказательству необходимости пересмотра современной цивилизацией пути дальнейшего развития. Новая модель развития должна основываться на принципе удовлетворения потребностей нынешнего поколения людей без лишения такой возможности будущих поколений. Главная проблема заключается в том, что нынешняя стратегия экономического развития цивилизации, определяемая рыночными законами группы наиболее развитых стран Европы, США, Канады, Японии и рядом 150 других стран в экологическом отношении является неприемлемой. В основе их развития лежит принцип получения максимальной прибыли за возможно кратчайшие сроки. При этом социальные, экологические и иные проблемы, возникающие при реализации этого принципа, либо игнорируются, либо маскируются мерами косметического характера. Важнейшей особенностью сегодняшней модели развития цивилизации является тот факт, что она имеет негативные последствия не только для бедных, но и состоятельных слоев населения. Разница лишь в том, что для последних это вопрос не сегодняшнего дня, а недалекого будущего. '’Процессы экономического роста, которые порождают беспрецедентный уровень благополучия и мощи меньшинства, ведут одновременно к рискам и дисбалансам, которые одинаково угрожают и богатым, и бедным. Такая модель развития и соответствующие ей характер производства и потребления не являются устойчивыми для богатых и не могут быть повторены бедными. Следование по этому пути может привести нашу цивилизацию к краху’’. Приведенные слова прозвучали на конференции ООН по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро в 1992 году. На этом форуме, собравшем крупных государственных руководителей и ученых большинства стран мира, было признано, что все человечество не может и не должно развиваться как промышленно развитые страны, так как природа не выдержит связанной с этим деятельности человека. Мировому сообществу предложено перейти к “устойчивому развитию”, когда соблюдается баланс между решением социально-экономических проблем и сохранением окружающей среды. В противном случае человечество ждет экологическая катастрофа. Концепция устойчивого развития, в разработку которой от России крупный вклад внес академик В.А.Коптюг, ценна тем, что она не просто декларирует нынешние проблемы цивилизации и призывает к их решению, а научно обосновывает и предлагает конкретные меры для выхода из кризиса. Концепция устойчивого развития предполагает комплексное системное решение социальных, экономических, экологических, политических, духовно-нравственных и других проблем. Тесную взаимосвязь экологических и социально-экономических проблем хорошо иллюстрируют положения, сформулированные на Глобальном форуме движения ‘’зеленых’’ в Рио-де-Жанейро: - экономическое развитие в отрыве от экологии ведет к превращению Земли в пустыню; - примат экологии без экономического развития закрепляет нищету и несправедливость; - равенство без экономического развития – это нищета для всех. Отмеченная выше конференция ООН по окружающей среде и развитию выработала ряд общих принципов, которые рекомендовала использовать государствам для достижения устойчивого развития. Среди 151 этих принципов можно отметить следующие основные, на наш взгляд, моменты: - государства должны принимать упреждающие меры при возникновении угрозы ухудшения окружающей среды; - необходимо искоренить нищету, как источник дестабилизации и преграды на пути к устойчивому развитию; - необходимо тесное сотрудничество государств для восстановления и сохранения биосферы; - необходимо ликвидировать модели производства и потребления, не соответствующие устойчивому развитию; делиться знаниями и передовыми технологиями для достижения целей устойчивого развития; - проводить эффективную демографическую политику; - необходимо вовлекать широкие слои населения в решения экологических проблем. В настоящее время ряд крупных и развитых государств (США, Великобритания, КНР и др.) разработали национальные стратегии устойчивого развития. В России подобного рода программа одобрена президентским указом. Как правило, в таких документах предлагаются и механизмы реализации намеченных целей с учетом национальных интересов. Несмотря на четкое научное обоснование и реальную возможность реализации, у концепции устойчивого развития нелегкое будущее. Главная проблема заключается в том , что выполнение данной концепции потребует отказа от принципа получения максимальной прибыли как основы функционирования современной рыночной экономики. Психологически преодолеть этот барьер лицам принимающим решения в экономической и политической сферах весьма непросто. Во всяком случае для этого потребуется немало времени. Более вероятно, что концепция устойчивого развития будет решаться поэтапно, по мере перехода от биосферы к ноосфере. На некоторых проблемах, которые придется решать человечеству в период такого перехода мы остановимся в следующем разделе. 5.8.3 Пути перехода от биосферы к ноосфере Сейчас человечество переживает переломный момент - угроза истощения ресурсов требует пересмотра сложившихся традиций взаимоотношений Человек-Природа. Происходит слияние технических, естественных и общественных наук в изучении социоэкологической системы. В результате этого появились такие дисциплины как историческая география, этнология и др. 152 В то же время аппарат (научный “инструмент”) для исследования самоорганизации природы, связанный с переходом от биосферы к ноосфере, еще до конца не разработан. Однако здесь есть и успехи. Среди них следует отметить бурное развитие информатики – науки, разрабатывающей принципы технологии работы с информацией. Потребности в развитии этой науки связаны с необходимостью удовлетворения все возрастающих запросов общества в информационном обеспечении по различным сферам деятельности. Таким образом, обеспечивается предоставление необходимой информации, обладающей актуальностью, оперативностью, доступностью практически для любой страны. Примером развития другой научной дисциплины, которая может оказаться “научным инструментом” ноосферы, является синергетика. Эта наука, как отмечалось ранее, занимается поиском и изучением принципов самоорганизации систем различной природы физических, биологических, социальных и т.д. Реализация принципов такой самоорганизации должна способствовать переходу от неустойчивых (хаос) к более упорядоченным системам. В свете решения многочисленных проблем трансформации нашей биосферы в ноосферу данная задача синергетики крайне актуальна. Период неконтролируемого взаимодействия человека и биосферы должен закончиться. Должно появиться плановое ведение хозяйства на всей планете. Это возможно только при ноосферном подходе. Важный вопрос при реализации этой задачи: получение адекватной информации о состоянии всех подсистем социоэкологической системы. Здесь важно не только наличие ресурсов и техническая возможность их использования, но и то, какую их часть допустимо изъять без сдвигов в природных системах (например, как дальше использовать водные бассейны Аральского моря, рек Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи, как вести добычу зверя в регионах с подорванными запасами этих зверей, как преодолеть опасность размножения грызунов и т.д.). Известно, что в биоэкологии переход лимита 10% от критической численности может привести к деградации популяции животных. К сожалению, естественные рубежи многих природных систем еще плохо изучены. Сейчас необходимо резко повысить эффективность использования природных ресурсов. Известно, что за последние 100 лет урожай пшеницы вырос в 3 раза, а затраты энергии на его получение в 100 раз. Это указывает на большие энергозатраты, связанные с наращиванием пищевых ресурсов. Ситуацию могут исправить только принципиально новые научные технологии. Еще более важным является смена ценностей шкал, то есть вариантов развития человеческого общества. Один раз человечество преодолевало такой рубеж. Это было связано с запретом на внутривидовой отбор путем 153 каннибализма. По тем далеким временам, это было суровое ограничение, потребовавшее развития других средств добычи пищи. Основа такого решения лежала в коренном изменении нравственных начал человека. Для выяснения как дальше двигаться в этом направлении необходимы научные исследования. Сейчас предлагается ряд следующих подходов: 1) выяснение реакции биосферы на крупномасштабные антропогенные воздействия (методами математического моделирования); 2) изучение закономерностей локальных экологических стрессов за счет антропогенной деятельности: кислотные дожди, ГЭС и экология, и др. Параллельно с этим необходимо реализовать ряд концепций: 1) сохранить видовое и генетическое разнообразие живых видов, что будет способствовать устойчивости отдельно взятого вида; 2) найти механизм принятия коллективных решений в конфликтной ситуации (например, такая попытка была сделана в Югославии). Значит, для выживания человечеству необходимо принять новые правила жизни, то есть перейти на новые нравственные и моральные принципы. Как известно мораль - есть совокупность норм поведения человека, регламентируемых общественностью, а нравственность - это тоже самое, но в приложении к обществу в целом. Как отмечалось ранее, возникновение морали - переломный момент в истории человечества, связанный с заменой животных норм поведения - человеческими. Чем более высокого уровня интеллектуального развития достигает человечество, тем сильнее это сказывается на обновлении моральных и нравственных норм поведения. Данные вопросы изучает биоэтика человека. Согласно имеющимся представлениям, биоэтика призвана отвечать на вопросы о происхождении важнейших проявлений человеческого разума, таких, например, как мораль и этика. Не вдаваясь в различные аспекты биоэтики, остановимся лишь на значимости ее экологической направленности. В этой связи уместно отметить, что создатель термина “биоэтика” американский биолог В.Р.Роттер назвал ее “мостом в будущее”, считая, что биоэтика должна искать пути к созданию глобальной этики человечества будущего. При решении этой задачи исключительно важным представляется решение проблемы оптимального взаимодействия между человеком и природой. Ее успешное решение требует учета большого набора условий, обеспечивающих биологическое обоснование тех социальных условий жизни человека, которые будут способствовать превращению биосферы в ноосферу. Именно эта главная цель должна подчинить себе весь свод правил и законов в поведении людей, включая нормы биологической этики. В качестве примера можно привести такую социально-этическую и нравственногуманистическую проблему, как понимание трактовки смерти и бессмертия. Главная идея здесь заключается в осознании человечеством того, что, хотя 154 индивид и умирает, тем не менее, он получает бессмертие в человеческом роде, в потомстве, в творческом наследии человечества, в его материальной и духовной культуре. Таким образом, человек должен вновь изменить взгляд на самого себя, как это не раз происходило в прошлом, это позволит ему стать истинным управителем природы – создателем ноосферы. Предстоящая смена норм поведения должна быть не менее глубокая, чем предшествующие. Однако условия ее смены совсем другие. Главное отличие заключается в том, что нет запаса времени на длительный (порядка 1000 лет, как того требует эволюция) период, так как экологический кризис надвигается стремительно и эволюционные механизмы отбора не успеют сработать. Поэтому сейчас исключительно важным является просветительная деятельность (пропаганда экологических знаний, повышение в целом престижа учителя и образования в целом), что, в свою очередь требует гуманизации общества, а значит и естественно - научных дисциплин. Только это позволит их дальнейшее эффективное использование. В связи со сказанным важно отметить, что само предназначение и роль науки приобретают ряд новых особенностей. В значительной мере это потому, что “социальный заказ” науке все в большей мере содержит задачи, которые могут быть решены только при совместных усилиях ученых, работающих в области естественных и гуманитарных наук. Это обусловлено все более возрастающей комплексностью и сложностью научных проблем, встающих перед человечеством. Так, в частности, представляется необходимым научно обосновать стратегию сосуществования человечества и окружающей среды, спрогнозировать цельную картину будущего развития цивилизации. Как в этой связи организовать человеческое общество, использовать его потенциал, решить в комплексе социальные, экономические, политические, экологические и другие проблемы? Ни гуманитарные, ни естественные науки самостоятельно не способны решить поставленные вопросы. Необходимо их сочетание. Этим и обусловлена тенденция гуманизации науки. Серьезность и актуальность данной проблемы еще недостаточно осознана человечеством. В то же время важность ее решения видна из такого примера как необходимость изменения сознания людей, их нравственных и моральных принципов для предотвращения надвигающейся экологической катастрофы. Наблюдается тенденция сближения и смешения культур, чему способствуют общие коммуникации, создание единых информационнотехнических средств (например, Интернет). Параллельно с этим наблюдается обособление культур некоторых народов в силу расовых, этнических, религиозных и иных причин. Поэтому и существует другое мнение, что разнообразие культур будет расти (закон дивергенции). Только время может расставить здесь акценты. 155 Смене “шкалы ценностей” в большой степени должно способствовать и искусство. В аспекте обсуждаемых проблем искусство должно прививать человеческому обществу такие качества, которые необходимы для эпохи ноосферы. Это, в первую очередь, благожелательное отношение к окружающим людям, высокий уровень культуры, “человечности”, терпимости в отношении людей независимо от их религиозных и иных убеждений. К сожалению, достаточно часто наблюдается отсутствие названных качеств не только при межличностном общении, но и на межгосударственном уровне. Одним из следствий этого бывают кровопролитные конфликты на религиозной и этнической почве. Проблема сильно обострилась в последнее время в связи со вспышкой исламского фундаментализма в ряде арабских стран и межэтнической рознью в некоторых многонациональных государствах. Несомненно, что для разрешения этих и других проблем необходимо новое политическое мышление, поскольку возникающие проблемы являются общими для всего человечества, причем экологические проблемы играют здесь все большую роль. Здесь уместно отметить, что эволюционный процесс индивидуального совершенствования человека как биологического вида закончился и сейчас актуальным становится коллективное совершенствование человеческой цивилизации. В реализации этого процесса важную роль должен сыграть наднациональный орган, наделенный специальными властными и координирующими полномочиями. В этой связи большие надежды возлагаются на Организацию Объединенных Наций (ООН), как международный коллективный орган, способный решать не только чисто политические, но и экономические, а также экологические проблемы человеческого общества. Когда организация создавалась (1945 год), ее основное предназначение определялось в осуществлении координаций коллективных международных действий по решению ряда политических, экономических и военных вопросов. С позиций сегодняшнего дня будущее ООН видится в первую очередь в обеспечении глобальных экологических программ. Здесь уместно сказать о наступлении научной эпохи контролируемой деятельности человека. Примером, в частности, может служить глобальный экологический мониторинг - оперативное слежение за состоянием планеты в целом и ее различных регионов. С помощью такого экологического мониторинга уже сейчас удается решать ряд глобальных проблем, например, во-время обнаруживать и ликвидировать лесные пожары, прогнозировать пожароопасные места в тайге и т.д. Интересная мысль высказана российским академиком Н.Н.Моисеевым о необходимости создания “институтов согласия”, представляющих совокупность компромиссных международных соглашений, процедур и методов, которые позволяли бы тушить и предотвращать конфликтные ситуации политического, экономического и военного характера. Нетрудно 156 видеть, что за такими ситуациями нередко стоят тяжелые экологические последствия. Осознание этого укрепляет мысль о том, что только структура типа “международного правительства” может предотвратить развитие таких конфликтных ситуаций, и в современном мире лучше всего для этого подходит ООН. А попытки использовать ООН в этой роли возникают все чаще (посредническая роль ООН в межэтнических конфликтах в Югославии, ряде африканских стран и т.д.). Современная экологическая обстановка ставит перед ООН задачи политического, экономического и иного значения. Например, именно ООН может быть координирующим центром в разработке и реализации ранее упомянутой стратегии взаимодействия Человека и Природы на ближайшую и отдаленную перспективу. В этом случае необходимы данные экологического мониторинга и коррекция на его основе отдельных хозяйственных и иных мероприятий различных стран. Такой подход, в конечном счете, означает воздействие со стороны ООН на экономические, политические и иные стороны деятельности государств мирового сообщества. Изложенное выше демонстрирует тесную прямую и обратную связь между экологическими, политическими, экономическими и, видимо, многими другими проблемами человеческого общества. Поэтому, вероятнее всего, что ХХI век будет веком наук о живом веществе и гуманитарных наук, а экологический подход должен доминировать и пронизывать практически все сферы человеческой деятельности. Представляется, что это единственный путь выживания человечества и его дальнейшего гармоничного развития. 157 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 5 Какую важную роль играет круговорот веществ в Биосфере? В чем особенности малого и большого циклов углерода? Назовите процессы трансформации круговорота азота антропогенного характера. Что такое процесс эвтрофикации и почему он возникает? Каковы основные источники антропогенного характера загрязнения серой окружающей среды? Какой процесс играет определяющую роль в круговороте кислорода? В чем принципиальные различия между естественными биосферными и ресурсными циклами? Почему загрязнение водоемов для человека более опасно, чем других частей Биосферы? Какие вы знаете естественные и искусственные загрязнители Биосферы? В чем заключается современное объяснение разрушения озонового слоя? Назовите основные отрицательные антропогенные воздействия на почву? Какие основные экологические кризисы вы знаете в истории человечества? Какие закономерности взаимодействия системы “человек-природа” вы считаете общими, а какие - частными? Какие вы знаете общемировые экологические проблемы для человечества и каков прогресс в их разрешении? Какие экологические кризисы преодолело человечество в процессе своего хозяйствования на планете и каким путем? В чем особенность последнего кризиса? Что такое возобновляемые и не возобновляемые природные ресурсы? Почему существует два типа градаций оценки состояния экосистем и в чем они заключаются? Какие экологические дисциплины занимаются изучением человека и в чем их особенности? Что такое “качество жизни”? Из каких составных частей состоит среда жизни человека и в чем заключается их взаимосвязь? Как классифицируются потребности человека как элемента Биосферы? Какие типы потребностей людей вы знаете и как они связаны с их жизнедеятельностью? 158 Перечислите, какими должны быть экологические условия для нормальной жизни человека? Какие экологические проблемы порождают для человека отдельные отрасли народного хозяйства? Как решать эти проблемы? Почему при современной антропогенной нагрузке на природу процесс эволюции не может способствовать адаптации и выживанию человечества? Назовите ряд мер экологического характера, которые бы способствовали выживанию человечества в ближайшей перспективе? Что вы знаете о путях возникновения и формирования разума? Как реализуется процесс познания как функция разума? Почему можно сказать, что культура - это суммарное конструктивное проявление разума? Как реализуется процесс управления инстинктами как функция разума? Какова в этом роль интеллектуального труда? Почему поиск смысла и выхода как функция разума зависит не только от физического, но и от биологического времени? Какие вы знаете понятия, связанные с поведением человека, которые в той или иной степени трансцедентальны? Какие вы знаете подходы в выборе дальнейшей стратегии развития человечества? Каковы возможные последствия таких подходов? Назовите основные, на ваш взгляд, предпосылки перехода к ноосфере? Почему ХХI век часто называют веком наук о живом и гуманитарных наук? 159 РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 5 Дубнищева, Т. Я. Концепции современного естествознания/ Т. Я. Дубнищева – Новосибирск:ООО “Издательство ЮКЭА”, 1997. - 832 с. Карпенков, С. Х. Основные концепции естествознания: Учеб. пособие для вузов/ С. Х. Карпенков – М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1998. – 208 с. Комаров, В. Д. Социальная экология/ В. Д. Комаров - Л.: Наука, 1990. 216с. Концепции современного естествознания: Сер. “Учебники и учебные пособия’’. Ростов н/Д: Феникс, 1997. – 448 с. Лавриненко, В. Н. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ В. Н. Лавриненко, В. П. Ратников, В. Ф. Голубь и др.; Под ред. В. Н. Лавриненко, В. П. Ратникова.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. – 271 с. Коптюг, В. А. Устойчивое развитие цивилизации и место в ней России: проблемы формирования национальной стратегии/ В. А. Коптюг, В. М. Матросов, В. К. Левашов, Ю. Г. Демянко - М.-Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1996. - 75 с. Косыгин, Ю. А. Человек. Земля. Вселенная/ Ю. А. Косыгин - М.: Наука, 1995. - 335 с. Лукашев, К. И. Тревоги и надежды: изменяющаяся биосфера/ К. И. Лукашев. Минск:, Наука и техника, 1987. - 111 с. Лукашев, К. И. Человек и природа; геохимические и экологические аспекты рационального природопользования/ К. И. Лукашев, В. К. Лукашев, И. К. Водковская - М.: Наука и техника, 1984. - 295 с. Моисеев, Н. Н. Экология человечества глазами математика (человек, природа и будущее цивилизации)/ Н. Н. Моисеев - М.: Молодая гвардия, 1988. - 254 с. Развитие естествознания в России / Под ред. С. Р. Микулинского, А. П. Юшкевича. - М.: Наука, 1977. - 535 с. Реймерс, Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы)/ Н.Ф. Реймерс// Журнал “Россия молодая”, М.: 1994. - 367 с Рузавин, Г. И. Концепции современного естествознания: Учеб. для вузов/ Г. И. Рузавин – М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. - 287 с. Споры о будущем /Под ред. А. М. Рябчикова. - М.: Мысль, 1983. Стадницкий, Г. В. Экология/ Г. В. Стадницкий, А. И. Родионов - СПБ: Наука, 1997. – 240с. 160 ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЙ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННЫХ 6.1 Зонная теория. Металлы, полупроводники, диэлектрики Твёрдые тела разделяются на металлы, диэлектрики и полупроводники, которые отличаются, прежде всего, электрическими свойствами. Движение носителей заряда (электронов и дырок) подчиняется законам квантовой механики. У связанных электронов, например в атоме, энергия может принимать только определённые к в а н т о в а н н ы е значения. В твёрдом теле эти уровни энергии объединяются в энергетические зоны, разделённые запрещёнными областями энергии (рис.6.1). В силу принципа Паули электроны занимают уровни с разными энергиями. В результате может оказаться, что все уровни энергии в валентной зоне будут полностью заполнены (рис.6.1,а). Такое твёрдое тело является полупроводником. Для перемещения электронов на свободные вышележащие энергетические уровни в зоне проводимости необходимо сообщить электронам энергию Е, превышающую ширину запрещенной зоны. В металлах не все энергетические уровни в валентной зоне заняты электронами, поэтому в пределах одной зоны электроны могут легко перемещаться на соседние свободные энергетические уровни (рис.6.1,б). а) Полупроводник Зона проводимости б) Металл Запрещенная зона Валентная зона Рис.6.1. Структура энергетических зон в полупроводниках и металлах 161 Диэлектрики отличаются от полупроводников с точки зрения зонной теории лишь шириной запрещенной зоны. Типичные значения ширины запрещенной зоны в полупроводниках 1-3,5 эВ; в диэлектриках больше 5 эВ. Примерами полупроводников могут служить кремний, германий, арсенид галлия, антимонид индия, теллурид кадмия, сульфид кадмия, селинид цинка. Среди металлов можно отметить медь, алюминий, железо и др. Характерным диэлектриком являются стекло, слюда. 6.2 Монокристаллы, поликристаллы, аморфные тела Монокристаллы представляют собой структуру с упорядоченным расположением атомов, находящихся в узлах кристаллической решетки. Наименьший структурный элемент кристаллической решетки, периодически повторяющийся в пространстве, называется элементарной ячейкой. Имеется четырнадцать типов пространственных кристаллических решеток, объединенных в семь крупных систем: триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, кубическая, тригональная, гексагональная. Простейшим видом элементарной ячейки является кубическая, в которой атомы расположены в вершинах куба. Если атомы расположены еще и на гранях куба, то такую структуру называют гранецентрированной кубической (ГЦК), если атомы расположены в вершинах и середине куба – объемоцентрированной кубической (ОЦК). Расстояния между атомами различны в разных кристаллах. На рис.6.2.1 показано изображение атомов в кристалле CdTe, полученное с помощью электронного микроскопа с высоким разрешением. Отмечено расстояние между атомами, равное 0,27 нм (2,710-10 м). 0,27 нм Рис.6.2.1. Изображение атомов в кристалле CdTe, полученное автором с помощью высокоразрешающего электронного микроскопа в Кембридже (Великобритания). Увеличение 6,5 млн. раз. 162 Примерами монокристаллов являются: алмаз, сапфир, искусственно выращенный кремний, изумруд, рубин, кристаллы NaCl. Поликристаллические тела состоят из ряда мелких монокристаллов (зерен), развернутых под разными углами относительно друг друга и разделенных между собой границами зерен. Поликристаллическую структуру имеют большинство твердых тел. Примерами могут служить изделия из металла, алюминия, детали машин, станков, самолетов, радиаторов отопления и т.п. Типичные электронограммы и рентгенограммы, полученные при прохождении электронов или рентгеновских лучей через монокристаллы и поликристаллы, имеют вид упорядоченных пятен (рефлексов) и набора колец, соответственно (рис.6.2.2). При уменьшении зерен в поликристалле до размеров меньше 100 нм и далее до 10 и 1 нм, поликристаллические свойства постепенно теряются и твердое тело приближается к аморфному. Рис.6.2.2. Электронограммы, полученные от монокристалла и поликристалла В аморфных телах сохраняется только, так называемый, «ближний порядок» в расположении атомов и не сохраняется «дальний порядок». Примерами аморфных тел служат стекло, канифоль, окисные пленки металлов и полупроводников. Аморфное состояние можно достичь, бомбардируя монокристаллы плотным пучком ионов, что ведет к выбиванию атомы из узлов решетки и ее разупорядочению. Типичные электронограммы и рентгенограммы, полученные при прохождении электронов или рентгеновских лучей через аморфное тело представляют собой размытое гало вокруг центрального пятна на снимке. 6.3 Дефекты кристаллов. Вакансии. Междоузельные атомы, дислокации Реальные кристаллы отличаются от идеализированной модели наличием достаточно многочисленных нарушений регулярного 163 расположения атомов. Любое отклонение от периодической структуры кристалла называют дефектом. Структурные дефекты, во многом определяют электрические, оптические и магнитные свойства твердых тел. Поэтому контроль типа и плотности дефектов при различных технологических режимах, установление механизмов их формирования, влияния дефектов на электрофизические свойства материалов является необходимым условием получения требуемых материалов с заданными свойствами. К точечным дефектам относят вакансии (вакантные узлы кристаллической решетки) и атомы в междоузлиях (рис.6.3.1), атомы примесей в узлах или междоузлиях, а также сочетания примесь-вакансия, примесь-примесь, двойные и тройные вакансии (ди- и тривакансии) и другие более сложные комплексы. Кроме точечных дефектов имеются протяженные одномерные, двумерные и трехмерные дефекты, такие как краевые и винтовые дислокации, дислокационные петли, дефекты упаковки, поры, примесные выделения – преципитаты и многие другие виды дефектов. На рис. 6.3.2. приведен пример образования краевой дислокации АВ в кристалле. Рис.6.3.1. Образование вакансии и междоузельного атома в кристалле B A Рис.6.3.2. Образование краевой дислокации в кристалле. АВ - линия дислокации Как выглядят дислокации в электронном микроскопе показано на рис.6.3.3. 164 Рис.6.3.3. Изображение сетки дислокаций на границах зёрен в молибденовой фольге, полученное в просвечивающем электронном микроскопе тонкой 6.4 Современные технологии производства полупроводниковых приборов. Легирование, ионная имплантация, диффузия, эпитаксия, литография Последнее время происходит все более возрастающее влияния микроэлектроники на общество. Впечатляющие достижения вычислительной техники, информатики, радиоэлектроники и других направлений техники почти всегда базируются на достижениях микроэлектроники. Кремний является основным полупроводниковым материалом современной полупроводниковой электроники, силовой электроники и солнечной энергетики. В развитых странах производство этого стратегического материала, элементов и устройств на его основе является исключительно важной составной частью национальной экономики, и в значительной степени определяет уровень развития высокотехнологических отраслей промышленности, систем коммуникации и национальной безопасности. Разновидности кремния и его использование в современной электронике показано на рис.6.4.1. 165 Излучающие структуры, Рис.6.4.1. Разновидности кремния и его использование в микроэлектронике Обычно монокристаллический кремний выращивается по методу Чохральского в кварцевых тиглях из расплава при большой температуре. Температура плавления кремния, как известно, 1412 градусов Цельсия. Всё происходит в вакууме или в атмосфере инертного газа. Этот метод выращивания кристаллов разработал в 1916 году польский инженер и металловед Чохральский. Кристалл наращивается на вращающейся затравке, которая медленно, но непрерывно вытягивается из расплава. При этом образовывается слиток кристалла кремния в виде цилиндра с конической верхушкой. Метод позволяет менять диаметр слитка путем регулирования скорости вытягивания и температуры (рис.6.4.2). За последние пять лет практически подготовлен переход ведущих производителей полупроводниковой микро- и наноэлектронной продукции на диаметр слитка 300 мм. Этот производящий большое впечатление размер хорошо иллюстрируется фотографией, на которой оператор демонстрирует такую пластину (рис.6.4.3). Надо сказать, что и это не предел и в настоящее время в Японии выращены слитки 400 и даже 500 мм. 166 Рис.6.4.2. Производство монокристаллического кремния по методу Чохральского. Внутри колонны виден слиток кремния. Переход на новый гигантский размер кремниевых пластин потребовал многомиллиардных вложений в перевооружение всей технологической оснастки и технологического оборудования. Приходится переходить зачастую на индивидуальную обработку каждой отдельной пластины с тщательным пооперационным, послойным контролем. Это связано не только с усложнением технологии, но и с удорожанием каждой пластины, когда становится просто разорительным использовать контроль уже готовой интегральной схемы на выходе из технологического цикла. С увеличением диаметра пластины кремния увеличивается количество микросхем на одной пластине. Кроме того, современные технологии позволяют уменьшать размеры микросхем, что также способствует увеличению числа микросхем и транзисторов на одной пластине из года в год. 167 Рис.6.4.3. Кремниевая пластина. Видны сформированные микрочипы, содержащие микросхемы В начале 70-х годов их насчитывали сотни, а в середине уже тысячи. В 1982 году на кристалле было размещено уже 60-70 тыс. транзисторов. В 1990 году эта цифра выросла до десятка миллионов. В настоящее время уже используются масштабы десятков и даже сотен миллионов транзисторов на кристалл. В соответствии с этим меняются названия и обозначения интегральных схем: ИС - интегральная схема; БИС - большая интегральная схема; СБИС - сверхбольшая интегральная схема; УБИС - ультрабольшая интегральная схема. Последнее название и используется для схем сегодняшнего дня. Правда, все чаще слышны прогнозы появления ГИС - гигантских интегральных схем. Интересно отметить, что все вышеприведенные цифры хорошо укладываются в эмпирический закон Мура. Гордон Мур - сотрудник известной фирмы Intel, анализируя в начале 70-х годов динамику изменения во времени количества транзисторов на кристалле, установил, что их число удваивается каждые 1,5-2 года. Такой же закономерности подчиняется и количество операций в секунду, обеспечиваемых этими элементами в персональных компьютерах. И хотя Мур предполагал, что при уменьшении длины канала менее 0,52 мкм эта закономерность изменится, закон Мура продолжает действовать и по сей день (рис.6.4.4). Это позволяет разработчикам с определенной уверенностью прогнозировать дальнейшее развитие микро- и наноэлектроники на несколько лет вперед. Как видно из 168 рис.10, к 2007 году предполагается увеличение количества транзисторов на кристалле до одного миллиарда. Рис. 6.4.4. Закон Мура В основе подавляющего большинства современных микросхем лежит так называемый полевой (или МОП) транзистор. Современные серийные МОП-схемы способны покрыть диапазон радиосвязи как минимум до 10 ГГц. Базовая структура МОП-транзистора, предложенная еще в 1960 году, остается практически неизменной и по сей день. На гладкой поверхности подложки из полупроводника кремния (Si) формируется тонкий слой оксида кремния (SiO2), на который осаждается металл (или другой хорошо проводящий ток материал). Такая трехслойная структура (рис.6.4.5) и дала название транзистору - Металл-Оксид-Полупроводник (МОП). И она не сильно отличается от той, которая присутствует в современных микросхемах. Рис.6.4.5. Поперечное сечение МОП-транзистора В тонком поверхностном слое подложки из монокристалла кремния формируются две неперекрывающиеся области с повышенной электропроводностью (малым сопротивлением электрическому току) - так 169 называемые исток и сток. Для этого в области стока и истока внедряется (имплантируется) большое количество ионизированных атомов других химических элементов (например, бора, азота или фосфора). Промежуток между ними называется каналом, и это - наиболее важная часть транзистора, поскольку именно через нее протекает рабочий ток транзистора, величину которого можно модулировать напряжением на затворе. Подложка обязательно должна быть монокристаллом с низким количеством атомарных дефектов, даже более совершенной, чем бриллиант «чистой воды», иначе транзистор потеряет «прозрачность» для электрического тока (то есть существенно снизится подвижность носителей заряда - электронов и дырок). Среди технологий, используемых в производстве транзисторов и микросхем рассмотрим термодиффузию, ионную имплантацию и литографию. Метод термодиффузии используется для изменения свойств кремния и формирования p-n переходов путем внедрения в него примесей (например, бора, фосфора). Внедрение примесей в материал называется легированием. В результате диффузии происходит процесс проникновения одного вещества в другое, в данном случае примеси в кремний. Скорость процесса диффузии определяется коэффициентом диффузии D D0 e Q kT , (1.1) где Q – энергия активации диффузии; k – постоянная Больцмана;T – температура; D0 – коэффициент, зависящий от материала, в котором происходит диффузия и типа примеси. Из формулы (1.1) следует, что скорость диффузии будет увеличиваться с ростом температуры T и снижением энергии активации Q. Рис.6.4.6. Возможные механизмы диффузии в твердых телах: 1) простой обменный; 2) циклический обменный, или кольцевой; 3) вакансионный; 4) простой междоузельный; 5) междоузельный механизм вытеснения; 6) краудионный. 170 Возможные механизмы диффузии примесей в кремнии показаны на рис.6.4.6. Для проведения процесса диффузии полупроводниковые пластины кремния подвергаются высокотемпературной обработке, проводимой в диффузионной печи. Ионной имплантацией называется процесс внедрения в мишень ионизованных атомов примеси с энергией, достаточной для проникновения внутрь кристалла. Ионная имплантация - метод легирования полупроводников путем бомбардировки их ионами примесей. В методе ионной имплантации осуществляется внедрение (имплантирование) атомов легирующей примеси через поверхность кремния. Имплантируемые атомы ускоряются до определенной энергии, после чего поток ионов направляется на пластину. Попав в кремний, ионы замедляются и тормозятся на определенном расстоянии от поверхности. Схема установки ионной имплантации приведена на рис.6.4.7. Рис.6.4.7. Схема установки для ионной имплантации. 1 - источник ионов; 2 ускоритель ионов; 3 - магнит-анализатор; 4. - образец; 5 - система вращения образца; 6 вакуумная камера; 7 - сканирующий ионный пучок; 8 - отклоняющие пластины Метод ионной имплантации имеет ряд преимуществ по сравнению с методом термодиффузии. Во-первых, имплантация проводится, как правило, при комнатной температуре. Во-вторых, метод ионной имплантации обеспечивает высокую точность контроля уровня легирования. Выбором 171 вида и энергии излучения, варьированием условий имплантации удается получать материалы и структуры с новыми более ценными свойствами. В отличие от обычной диффузии максимум концентрации примеси находится не у поверхности пластины, а на некотором расстоянии от нее. Изменяя дозу примеси и энергию, можно изменять это расстояние. Вместе с тем имеются и недостатки. Действие ионов на кристаллическую решетку полупроводника при легировании сопровождается передачей энергии от иона к атомам и электронам кристалла с образованием точечных дефектов - вакансий и смещенных в междоузлия атомов. Основными первичными процессами, определяющими взаимодействие ионов с твёрдым телом, являются: 1) смещение электронов (ионизация атомов) и возбуждение электронов; 2) смещение атомов решетки со своих положений равновесия (узлов) в междоузлия; 3) замещение выбитого атома мишени бомбардирующим атомом. Поэтому после ионной имплантации пластины подвергаются частичному отжигу, при котором происходит перераспределение имплантированной примеси, встраивание ее в узлы кристаллической решетки, а также отжигаются дефекты, возникшие в процессе имплантации. При этом кристалл залечивается. Метод литографии используется для образования на поверхности полупроводниковой пластины открытых и закрытых участков для диффузии и имплантации, формирования поверхностного рисунка микросхемы, ее топологии. Наиболее широко используется метод оптической литографии или фотолитографии. На пластину кремния, покрытую слоем окисла SiO2 наносят пленку фоточувствительного полимера, который называется фоторезистом. Под действием излучения определенной длины волны (обычно используется УФ-излучение) фоторезист полимеризуется. Засветка фоторезиста производится через маску-фотошаблон, который изготавливают последовательным уменьшением больших чертежей нужной конфигурации до размеров отпечатка на пластине. В местах, где произошла полимеризация фоторезиста, осуществляется защита слоя SiO2 от воздействия плавиковой кислоты, растворяющей пленку SiO2. Таким образом, формируются окна для последующей диффузии или имплантации примеси в кремниевую пластину. Несмотря на многочисленные исследования (и полученные в лабораториях превосходные результаты), в области использования рентгеновской и электронной литографии в современной технологии создания транзисторов с длинной канала даже менее 100 нм пока используется в основном оптическая литография. Правда, сегодняшняя оптическая литография сильно отличается от контактной и даже проекционной литографии, применявшейся много лет для создания структур с проектной нормой ~ 1 мкм на пластинах диаметром 100 и даже 150 мм. Вопервых, источником засветки служат высокостабильные лазеры. В настоящее 172 время применяются лазеры KrF с = 248 нм. Во-вторых, используется большой набор специальных оптических вспомогательных приемов и приспособлений (оптическая коррекция близости, фазовые сдвиговые маски и т.п.) для избавления от оптических явлений, нарушающих четкость, резкость и точность передачи изображений. Эти приспособления позволяют расширить предел разрешения до 1/10 и даже в отдельных случаях до 1/20 ( - длина волны излучения). Система проекции изображения на пластину представляет собой сложное оптико-механическое устройство с отражательными зеркалами, поверхность которых обработана с точностью до единиц ангстрема. Пластина засвечивается не вся сразу, а малыми фрагментами, которые в свою очередь сканируются по площади. Это делается для равномерности засветки. Предполагается следующие поколения наноэлектронных компонентов создавать на установках оптической литографии с лазерными источниками ArF(193 нм) и F2(157 нм). 6.5 Наноструктуры, Квантовый компьютер получаемые методом нанотехнологий. Применение нанотехнологий для изготовления полупроводниковых наноструктур позволит значительно снизить габариты устройств, энергопотребление, улучшить стоимостные характеристики. Эти технологии станут основой принципиально новых телекоммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга, тепловидения, нанодиагностики, робототехники, систем искусственного зрения, восприятия и обработки информации. С начала 60-х годов, когда появились первые интегральные микросхемы, размеры транзистора уменьшились от 1 мм до нескольких десятых долей микрона. Причем в последней четверти XX века каждые полтора года число транзисторов на одной микросхеме увеличивалось вдвое. При такой скорости нарастания числа транзисторов к настоящему времени мы должны были перейти к эpe гигамасштабных схем (более 109 транзисторов на одну микросхему). Однако исследования ведущих специалистов показывают, что реализация подобных масштабов интеграции требует уже принципиально новых решений. Опыт разработки транзисторов с размерами рабочей области 0,25...0,1 мкм показал, что в таких приборах лавинообразно нарастает количество новых физических явлений, что, естественно, отражается на проектировании и технологии их изготовления. Здесь принцип пропорциональной миниатюризации перестает работать. Если диапазон 1,0...0,1 мкм представляет собой сложный технологический барьер, поскольку требует смены парка технологической 173 аппаратуры, то диапазон линейных размеров 0,1...0,05 мкм - это фундаментальный физический барьер, за которым все свойства твердого тела, включая электропроводность, резко меняются, а наглядные образы и привычные теоретические модели теряют силу. Начинают проявляться в полной мере квантовые эффекты, а физика проводимости определяется квантово-механической интерференцией электронных волн. Характеристические размеры полупроводниковых структур 100... 10 нм (нанометровый диапазон) являются определяющими для современной микроэлектроники. Именно с ними связывают дальнейшие перспективы развития. Но обратим внимание на то, что наноструктуры размером 20 нм содержат примерно 100 атомов по диаметру и, хотя их внутренняя часть сохраняет кристаллическую симметрию, все свойства наноструктуры сильно зависят от состояния се поверхности. Как выглядит моноатомная ступень на поверхности кремния в атомном масштабе показывает сканирующая туннельная микроскопия (рис.6.5.1). Это изображение ступени на полированной до зеркального блеска поверхности кремния, полученное в Институте физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск. Рис.6.5.1. Изображение атомной ступени на зеркальной поверхности Si Наряду с изложенным «традиционным» путем перехода к наноструктурам, имеется и другой путь, который приводит к тому же, но более прямым методом. Он восходит к идеям изготовления искусственных периодических структур, состоящих из различных полупроводников, со 174 слоями, толщиной порядка нескольких нанометров. В таких структурах открывается возможность изменять энергетический спектр так, что даже появился термин «зонная инженерия». Практическая реализация этих идей является, без сомнения, одним из самых блестящих технических достижений последней трети XX века, что вызвано развитием техники молекулярнолучевой и газовой эпитаксии из металлоорганических соединений. Реальные структуры в этом случае содержат от нескольких десятков до нескольких сотен тонких, различных по составу полупроводниковых слоев с очень резкими границами, а переходные слои составляют не более одного или двух моноатомных слоев. В таких структурах в поперечном к плоскости слоев направлении потенциальный рельеф для электронов имеет форму потенциальных барьеров и ям, что одновременно влияет на характер их движения и перенос заряда, а следовательно и свойства создаваемых приборов. Подбором параметров кристаллической решетки можно превратить электронный газ в двумерный. К настоящему времени уже созданы наноструктуры с одномерным электронным газом - квантовые проволоки (КП) и нанокристаллиты размером несколько нанометров, которые получили название квантовых точек (КТ) (рис.6.5.2). 1 мкм Рис.6.5.2. Квантовые точки золота на кремнии Изучение квантовых эффектов в сверхтонких полупроводниковых гетероструктурах дало толчок к появлению новых классов полупроводниковых приборов - резонансных туннельных диодов (РТД) и транзисторов (РТТ), обладающих высоким быстродействием (предельные частоты 1012 Гц) и широким спектром возможностей. 175 В настоящее время уже обсуждаются проблемы создания квантовых интегральных схем и даже квантового компьютера, основными элементами которых станут квантовые точки, квантовые проводники, квантовые ямы, транзисторные структуры на основе квантовых размерных эффектов и устройств с управляемой интерференцией электронов. Несмотря на всю привлекательность преимуществ предполагаемого квантового компьютера, вопрос о реальной возможности его использования долгое время оставался открытым. Однако за последние несколько лет состояние дел в этой области существенно изменилось. Можно указать несколько причин, по которым интерес к квантовому компьютеру резко увеличился. 1. Предложены реалистичные варианты конструкций квантовых компьютеров на основе твердотельных элементов: а) на основе квантовых точек; б) на основе сверхпроводящих переходов Джозефсона; в) на ядерных спинах донорных атомов фосфора 31Р в изотопически чистом 28Si; г) на электронных спинах тех же атомов фосфора в эпитаксиальных гетероструктурах Ge1-xSix . 2. Появились публикации по решению одной из сложнейших проблем в создании кубита на основе ядерного магнитного резонанса на атомах фосфора в кремнии - точного расположения этих атомов в матрице кремния на расстояниях всего сотни ангстрем. На рис.6.5.3. приведена схема процесса такого размещения атомов, успешно примененного австралийской группой ученых в Центре технологии квантового компьютера в Сиднее. Рис.6.5.3. Схема процесса формирования регистра фосфорных кубитов в кремнии 176 Сначала производится очистка поверхности кремния в сверхвысоком вакууме. Затем эта атомарно-чистая поверхность кремния (Si (001) 2x1) пассивируется монослоем водорода. Затем по специальной программе с помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа десорбируются в заданных местах отдельные атомы водорода. После этого в камеру вводятся пары фосфина при давлении 10-8 мм рт. ст. Адсорбированные молекулы фосфина затем при температуре 500 °С диссоциируют, оставляя атомы фосфора, связанные с кремнием, в местах адсорбции. После этого производится низкотемпературное заращивание кремнием полученной структуры. В этом же центре разработан необходимый для считывания результатов квантовых расчетов одноэлектронный транзистор на основе структуры AlАl2О3. 177 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 6 В чем состоит зонная теория? В чем состоят отличия металлов, полупроводников и диэлектриков? В чем принципиальные различия между монокристаллами, поликристаллами и аморфными телами? Какие существуют современные технологии производства полупроводниковых приборов? Основы технологии легирования. Основы технологии литографии. Наноструктуры, получаемые методом нанотехнологий. Квантовый компьютер. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 6 Драгунов, В. П.Основы наноэлектроники: Учебное пособие/ В.П. Драгунов, Неизвестный, В.А. Гридчин — М.: Логос. 2006. - 496 с. Валиев, К. А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность. Регулярная и хаотическая динамика/ К.А. Валиев, А.А. Кокин - М., Ижевск, 2001. - 350 с. Klimov, A. T. Medium for interaction between two qubits in quantum computations/ A.T. Klimov, I.G. Neizvestny, S.P. Suprun, V.N. Shumsky // Quantum Computer and Quantum Computing. - 2001. - Vol. 2, № 2. - P. 79-84. 178 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Границы изложения концепций современного естествознания по возможности широты и глубины освещения научных проблем настолько велики, что вряд ли могут быть изложены в учебном пособии. Поэтому авторы работы отказались от энциклопедического подхода в изложении материала книги. Для формирования общего научного мировоззрения студентов мы попытались сосредоточить внимание на более детальном изложении тех разделов естествознания, которые еще не нашли достаточного рассмотрения в большинстве учебников и учебных пособий по данному профилю, вышедших в последние годы. При этом материал книги, в целом, мы попытались выдержать в рамках соответствующего Государственного стандарта. Именно из таких соображений уделено, например, более детальное внимание теории Большого взрыва (гл. 2), значительное место в объеме книги занимает освещение экологических проблем (гл. 5). На основе экологического подхода предпринята попытка выйти на понимание человека как подсистемы биосферы, рассмотреть ряд его физиологических и психологических особенностей. Такой подход в изложении материала настоящего учебного пособия возможно и не является бесспорным. Он неизбежно связан с определенными издержками в освещении отдельных вопросов. Авторы понимают, что им вряд ли удалось избежать известного упрощения в рассмотрении ряда тем, которые представлены лишь фрагментарно. В этом случае мы рассчитывали пробудить интерес у читателя к тем или иным проблемам, которые традиционно обстоятельно изложены в соответствующей учебной или научной литературе. Для начального ознакомления с такой литературой можно воспользоваться рекомендуемым списком после каждой главы. В целом мы попытались выдержать достаточно краткий, но в научном отношении объективный стиль изложения, понимая, что студент будет пользоваться данным пособием как дополнительной учебной литературой. В то же время мы надеемся, что материал книги будет полезен для общей культуры студента, расширения его представлений о возможных перспективах и проблемах развития человеческого общества. 179 ГЛОССАРИЙ ТЕРМИНОВ АДРОНЫ - общее название элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. БИФУРКАЦИЯ - разветвление, раздвоение в траектории движения системы в определенной точке. БЛИЗКОДЕЙСТВИЕ - передача взаимодействия от тела к телу, от точки к точке с конечной скоростью, не превышающей скорость света в вакууме. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ - развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материй и движением. ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ теоретически вычисленные элементарные частицы, непрерывно возникающие и исчезающие в очень короткие промежутки времени. ГАЛАКТИКИ - гигантские звездные системы, подобные нашей Галактике. ГРАВИТАЦИЯ - всемирное тяготение, универсальное взаимодействие между любыми видами физической материи. ДАЛЬНОДЕЙСТВИЕ - представление, согласно которому действие тел друг на друга передается мгновенно через пустоту на любое расстояние без каких-либо посредствующих звеньев. ДИСКРЕТНОСТЬ - прерывность. ИЕРАРХИЯ - структурная организация сложных систем, которая упорядочивает взаимодействия между уровнями в порядке от высшего к низшему. КАТАСТРОФА - скачкообразное изменение, возникающее в виде внезапного ответа системы на плавные изменения внешних условий. КВАЗАРЫ - космические объекты, обладающие интенсивным радиоизлучением и чрезвычайно малыми условными размерами. КВАНТ ПОЛЯ - частица-носитель свойств какого-либо физического поля (квант электромагнитного поля - фотон). КВАРКИ - элементарные частицы с дробным электрическим зарядом, соединения которых образуют адроны. КОНТИНУУМ - сплошная материальная среда, свойства которой изменяются в пространстве непрерывно. КОНЦЕПЦИЯ - система взглядов, то или иное понимание явлений, процессов. КОРПУСКУЛА - очень малая частица вещества. КОСМОЛОГИЯ - физическое учение о Вселенной как едином целом, представление о мироздании у разных народов. 180 ЛЕПТОНЫ - наиболее легкие элементарные частицы со спином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии. ЛИТОСФЕРА - верхняя твердая оболочка Земли, располагающаяся на мантии. МАНТИЯ ЗЕМЛИ - оболочка «твердой» Земли, располагающаяся между земной корой и ядром Земли. МЕЗОНЫ - неустойчивые, самопроизвольно распадающиеся элементарные частицы с нулевым или целым спином, принадлежащие к классу адронов. МЕТАГАЛАКТИКА - вся известная в настоящее время часть Вселенной со всеми находящимися в ней галактиками, квазарами и другими объектами. МОЛЕКУЛА - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. НУКЛОН - общее название протона и нейтрона - частиц, из которых построены атомные ядра. ОЗОН - соединение из трех атомов кислорода, образуется в атмосфере при электрических разрядах во время грозы или под действием ультрафиолетовых лучей. ПАНСПЕРМИЯ - гипотеза о появлении жизни на Земле в результате переноса с других планет неких зародышей жизни. ПАРАДИГМА - признанные всеми научные достижения, способ организации научного знания, которые в течение определенного времени дают научному сообществу определенное видение мира, модель постановки проблем и их решения. Смена парадигм происходит в ходе научных революций. ПАРСЕК - астрономическая единица измерения звездных расстояний, равная 3,26 световых лет. ПЛАНЕТА - несамосветящееся небесное тело, по форме близкое к шару, получающее свет и тепло от Солнца и обращающееся вокруг него по эллиптической орбите. ПУЛЬСАРЫ - космические источники радио-, оптического, рентгеновского, гамма-излучения, приходящего на Землю в виде периодически повторяющихся импульсов. РАДИОАКТИВНОСТЬ - самопроизвольное превращение нестойких атомных ядер в ядра других элементов, сопровождающееся испусканием ядерных излучений. РЕЗОНАНСЫ - неустойчивые элементарные частицы (адроны), характеризующиеся крайне малым временем жизни. РЕЛИКТ - организм, предмет или явление, сохранившееся как пережиток от древних эпох. 181 СИММЕТРИЯ (в физике) - свойство физических величин оставаться неизменными при определенных преобразованиях. Лежит в основе всех физических законов сохранения. СИНГУЛЯРНОСТЬ - точечный объем с бесконечно большой плотностью. СИНЕРГЕТИКА - наука о самоорганизации систем. СИСТЕМА - упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, определенная целостность, проявляющаяся как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям. СПИН - собственный механический момент количества движения элементарной частицы (ее внутренняя степень свободы), всегда присущий данному виду частиц, определяющий их свойства и обусловленный их квантовой природой. СТРАННОСТЬ - квантовое число, характеризующее адроны. ТАБЛИЦА - перечень сведений, цифровых данных, запись их в известном порядке, по графам. ТЕРМИН - слово или сочетание слов, точно обозначающее определенное понятие, применяемое в науке. ТЕРМОДИНАМИКА - раздел физики, в котором изучаются наиболее общие свойства систем, находящихся в состоянии теплового равновесия, и процессы перехода между такими состояниями, сопровождаемые превращением теплоты в другие виды энергии. ТЕРМОЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ - реакция синтеза (слияния) атомных ядер, эффективно протекающая при сверхвысоких температурах и способствующая поддержанию этих темпера-тур за счет большого энерговыделения. ФАЗА - отдельная стадия в развитии какого-либо явления или процесса в природе или обществе. ФЛУКТУАЦИЯ - случайное отклонение системы от равновесного положения. ФОТОН - частица света, квант электромагнитного поля, одна из нейтральных элементарных частиц с нулевой массой и спином 1. ФОТОСИНТЕЗ - образование в клетках зеленых растений, водорослей и некоторых микроорганизмов углеводов и кислорода из углекислоты и воды под действием света. ЭВОЛЮЦИЯ - процесс непрерывных, постепенных количественных изменений. ЭКОЛОГИЯ - наука, исследующая проблемы взаимоотношений человека и окружающей среды. ЭНТРОПИЯ - мера хаоса (беспорядка) в изолированной системе. Принимает только положительные значения. 182 ИНФОРМАЦИОННО-СПРАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Таблица 1 Температура плавления и кристаллизации (° С при давлении 760 мм рт. ст.) Алюминий 658 Серебро 960 Вода 0 Спирт -114 Вольфрам 3370 Сталь 1400 Железо 1539 Олово 232 Золото 1063 Осмий 3030 Лед 0 Платина 1774 Медь 1083 Ртуть -39 Нафталин 80 Цинк 420 Свинец 327 Эфир -123 Таблица 2 Температура кипения (° С при давлении 760 мм рт. ст.) Алюминий 2467 Медь 2300 Вода 100 Нафталин 218 Водород жидкий -253 Олово 2300 Воздух жидкий -193 Ртуть 357 Гелий жидкий -269 Свинец 1600 Железо 3200 Спирт 78 Золото 2947 Цинк 906 Кислород жидкий -183 Эфир 35 Таблица 3 Удельное сопротивление Вещество р, (ОмXмм2)/м Вещество р, (ОмXмм2)/м Алюминий 0,028 Сталь 0,15 Вольфрам 0,055 Цинк 0,06 Железо 0,10 Константен 0,5 Медь 0,017 Никелин 0,4 Платина 0,1 Никель 0,45 Ртуть 0,96 Нихром 1,1 183 Свинец 0,21 Серебро 0,016 Раствор серной кислоты (10%) 25000 Таблица 4 Линейные размеры (длины, расстояния, высоты, глубины) Длины, размеры, расстояния Диаметр молекулы воды, нм 0,276 Среднее расстояние, проходимое молекулами воздуха между 62 последовательными соударениями при температуре 20 °С, нм Средний диаметр красных кровяных телец (эритроцитов), мкм 7,5 Диаметр 10-копеечной монеты, мм 17 Диаметр 50-копеечной монеты, мм 20 Диаметр мячика для настольного тенниса, мм 37,2 - 38,2 Диаметр теннисного мяча, см 6,4 Диаметр футбольного мяча, см 22 Локоть (старинная мера длины), см ≈ 45 Аршин (старая русская мера длины), см 71,12 Ширина железнодорожной колеи (России), см 152,4 Ширина хоккейных ворот, м 1,8 Длина железнодорожной шпалы, м 2,75 Ширина футбольных ворот, м 7,3 Длина цельнометаллического пассажирского вагона, м 23,6 Длина кита синего (самое крупное из современных животных), до 33 м. Расстояние между телеграфными столбами, м 50 - 60 Ширина футбольного поля, м 64 - 75 Длина футбольного поля, м 100 - 110 Средняя ширина Красной площади в Москве, м 130 Протяженность Красной площади в Москве, м 695 Длина реки Волги, км 3700 Высоты Неровности поверхности оконного стекла, мкм 0,2 - 0,6 Хоккейные ворота, м 1,2 Футбольные ворота, м 2,4 Страус, м до 2,7 184 Железнодорожный вагон, м 3,5 Жираф, м до 6 Телеграфный столб, м 6 Падающая башня в Пизе (Италия), м 54,6 Исаакиевский собор в Санкт-Петербурге, м 121 Собор Петропавловской крепости в Санкт-Петербурге, м 122 Пирамида Хеопса (в настоящее время), м 137 Австралийские эвкалипты (самые высокие в мире деревья), м до 150 Шуховская башня Центрального радиовещания в Москве, м 160 Высотное здание Московского университета, м 240 Эйфелева башня в Париже, м 300 Плотина Нурекской ГЭС, м 310 Останкинская телебашня в Москве, м 540 Высочайшие горные вершины, м России (Эльбрус) 5642 Европы (Монблан) 4807 мира (Джомолунгма) 8848 Глубины Наибольшая глубина Азовского моря, м 14 Искатели жемчуга при нырянии, м до 30 Водолаз в мягком скафандре, м до 180 Водолаз в жестком скафандре, м до 250 Глубочайшая пропасть мира (Берже, французские Альпы), м 1128 Глубочайшее озеро мира (Байкал), м 1741 Глубочайшая шахта (золотой рудник Колар в Индии), м 3500 Рекорд погружения батискафа в море, м 10919 Наибольшая глубина океана (Марианская впадина, Тихий океан), м 11035 Таблица 5 Скорости движения в технике м/с Эскалатор метрополитена 0,75; 0,90 Скоростные лифты высотной части Московского университета 3,5 Скоростные лифты башни Общероссийского телецентра 7 185 Пуля при вылете из ствола автомата Калашникова 715 км/ч Зерноуборочный комбайн от 1 до 18 Речной пассажирский дизель-электроход «Ленин» до 26 Моторная лодка МКМ до 30 Мопед «Рига 4» до 50 Мотоцикл М-106 до 85 Мотороллер «Турист» до 85 Поезд метрополитена до 90 Тепловоз ТЭ10Л до 100 Электровоз ВЛ SO1 до 110 Автомобиль «Запорожец-968» до 125 Автомобиль ВАЗ-2121 («Нива») до 130 Автомобили «Жигули» (ВАЗ-2101), «Москвич-412», «Москвич-2140» до 140 Автомобиль «Волга» (ГАЗ- 24) до 145 Вертолет Ка-18 до 150 Автомобиль «Жигули» (ВАЗ-2106) до 152 Пассажирский тепловоз ТЭП60 до 160 Гоночный автомобиль «Москвич-Г5» до 200 Электропоезд ЭР-200 до 200 Вертолет Ми-8 до 250 Продукты сгорания из сопла баллистической ракеты ок.11000 Ракета одноступенчатая ≈ 25 600 Космический корабль на орбите вокруг Земли ≈28 000 Таблица 6 Средние скорости движения тел м/с Пешеход 1,8 Слабый ветер 4-5 Сильный ветер 10 - 12 Ветер при шторме 19 - 21 Молекула кислорода при 0 °С 425 Молекула водорода при 0 °С 1693 Трамвай ..................... 16 - 17 186 Поезд метрополитена .............. 40 Пассажирские самолеты Ан-24 .................... 455 - 500 Як-40 .................... 500 - 550 Як-42 ..................... 750 - 800 Ил-62, Ил-86 (Аэробус) ............ 850 Ту-154, Ту-204 ................ 900 Луна по орбите вокруг Земли ........... ≈ 1 км/с Земля по орбите вокруг Солнца .......... 29,8 км/с Таблица 7 Скорости движения в живой природе Живое существо Скорость м/с Живое существо км/ч Скорость м/с км/ч Лисица 10 36 Муха комнатная 5 18 Олень 13,8 50 Акула 8,3 30 Бабочка-капустница 2,3 8,3 Борзая 16 58 Орел-беркут 36,1 130 Ворона 15 54 Пчела со взятком 2,8 - 7,0 10 - 18 Гепард 31 112 Скворец 20,6 74 Голубь 17 91,2 Слон африканский 11 40 Дельфин 20 72 Жираф 15,2 55 Стрекоза 26,4 95 Жук майский 3,0 11 Стриж черный ≈ 44,2 ≈ 160 Жук-навозник 7,0 25 Улитка 0,0014 0,005 Заяц 16,7 60 Утка 33 118,8 Кит 10,2 37 Черепаха 0,07 0,25 Ласточка 17,5 63 Шмель 5-7 18 - 25 Таблица 8 Массы некоторых тел, кг Молекула воды .... 3 • 10-20 Мотоцикл МТ-10 -13 Красное кровяное тельце ........ 1 • 10 «Днепр» ........ 330 187 Колибри (наименьшая из птиц) ....... 1,7 • 10-3 Автомобиль «Запорожец-966В» ..... 740 Монета (1р.) ..... 4 • 10-3 Заяц .......... до 6 -3 Монета (50к.) ..... 3 • 10 Молот спортивный . . 7,25 Мячик для настольного тенниса 2,4•10-3 — 2,5 • 10-3 Ядро спортивное (мужское) ......... 7,26 Монета (10 к.) ..... 2 • 10-3 Ручной пулемет Дегтярева (РДП) ... .9 -3 Виноградина ...... 3 • 10 Носорог ........ до 2000 -3 Монета (5 к.) ..... 3 • 10 Слон .......... до 4500 Футбольный мяч .......... 0,4 Трактор ДТ-75 ..... 6000 Диск спортивный (мужской) .......... 2,0 Трактор К-700 ..... 11000 Автомат Калашникова(АКМ) ........ 3,6 Цельнометаллический пассажирский вагон 54 000 Велосипед для подростков («Ласточка», «Орленок») .......... 12,5 — 13,5 Мопед «Рига-5» .......... 36 Самый большой из добытых китов ....... 150 -103 Бык .......... до 1200 Автомобиль «Москвич-408» ......... 1330 Автомобиль «Волга» (ГАЗ-24) ....... Волк .......... до 40 1450 Мопед («Рига-16», «Верховина-5»).......... Останкинская телевизионная башня 50 ...... 55-106 Мотороллер «Турист М» .......... 145 Высотное здание МГУ.......... 5 • 108 Мотоцикл ИЖ «Юпитер-3» .......... 160 Водная оболочка Земли .......... 1,4 • 1021 Свинья .......... до 200 Земля ......... 6,0 • 1024 Таблица 9 Некоторые астрономические величины Средний радиус Земли 6,37 • 106 м Масса Земли 5,96 • 1024 кт Радиус Солнца 6,95 • 108 м Масса Солнца 1,97 • 1030 кг Радиус Луны 1,74 • 106 м МассаЛуны 7,3 • 1022 кг Среднее расстояние между центрами Луны и Земли 3,84 • 108 м Среднее расстояние между центрами Земли и Солнца 1,5 • 1011 м Масса Марса 6,4 • 1023 кг 188 Таблица 10 Масса покоя некоторых элементарных частиц Мacca/ Частица кг Электрон 9,11 • 10-31 Протон Нейтрон а.е.м. МэВ 0,00055 0,511 1,6726 • 10 -27 1,00728 938,3 1,6750 • 10 -27 1,00866 939,6 Таблица 11 Масса некоторых нейтральных атомов Изотоп Масса нейтрального атома, Изотоп а. е. м. Масса нейтрального атома, а. е. м. Водород 1,00783 Бериллий 8,00531 Дейтерий 2,01410 Бор 10,01294 Тритий 3,01605 Углерод 12,00000 3 3,01602 Aзот 14,00307 8Кислород 15,99491 2Гелий 4 2Гелий 4,00260 16 6 3Литий 6,01513 17 8Кислород 16,99913 7,01601 27 13Алюминий 26,98146 Бериллий 7,01693 30 13Алюминий 29,99817 7 3Литий Таблица 12 Некоторые физические постоянные Гравитационная постоянная G = 6,672 • 10-11Н-м2/кг2 Число Авогадро NA= 6,02 • 1023 моль-1 Универсальная газовая постоянная R =8,314 Дж/(К • моль) Элементарный заряд электрона е = 1,602 • 10-19 Кл Электрическая постоянная е0=8,85 • 10-12 Ф/м Скорость света в вакууме с = 2,998 • 108 м/с Постоянная Планка А = 6,626 • 10-34 Дж•с Атомная единица массы 1а.е.м.= 1,661• 10-27 кг 189
