Учебно-методический комплекс.  Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля/ дисциплины

Учебно-методический комплекс

 

по модулю «Концепции современного естествознания»

 

 

                                                                                    Составитель: Величкин В.Е.      

 

Москва-2011

 

 

 Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля/ дисциплины

а) Основная литература

1. Горелов А. А. Концепции современного естествознания. М.: Академия, 2008.

 

б) Дополнительная литература

2.  Абдрашитова Э.И. Концепции современного естествознания. Учебное пособие, изд-во МГОУ, 2008г.

3. Канке В. А. Концепции современного естествознания. М., 2003.

4. Горбачев В. В. Концепции современного естествознания. М., 2003.

5. Карпенков С. Х. Концепция современного естествознания. М., 2003.

6. Найдыш В. М. Концепция современного естествознания. М., 2005.

7. Грядовой Д. И. Концепция современного естествознания. М., 2003.

8. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. М., 2003.

9.  Кохановский В. П., Лешкович Т. Г., Митяш Т. П., Фатхли Т. Б. Основы философии науки. Ростов н/Д, 2004.

10. Концепции современного естествознания: под ред. С.И. Самыгина. Ростов н/Д: «Феникс», 2003.

11. Садохин А. П. Концепции современного естествознания. М.: «Омега-Л», 2006.

12. Скопин А. Ю. Концепции современного естествознания. М., 2003.

13. Белкин П. Н. Концепции современного естествознания. М., 2004.

14. Стрельников О. Н. Концепции современного естествознания. М., 2005.

15. Гриб А.А. Концепции современного естествознания. М., 2003.

16. Лихин А. Ф. Концепции современного естествознания. М., 2004.

17. Горбачев В. Ф., Безденежных В. М. Концепции современного естествознания. М., 2004.

18. Бабушкин А.Н. Современные концепции естествознания. С.-Петербург: «Лань». 2001.

19. Соломатин В.А. История и концепции современного естествознания. М.: ПЕР СЭ. 2002.

20. Торосян В.Г. Концепции современного естествознания. М.: Высшая школа. 2002.

21. Тестовый контроль по курсу «Концепции современного естествознания» / под ред. Р. М. Голубева, -М., 2004.

22. Концепции современного естествознания / под ред. Р. М. Голубева, -М., 2004.

 

в) информационное обеспечение (, программные средства, мультимедиа технологии)

Интернет- ресурсы:

1) Концепции современного естествознания. Учебное пособие. Тестовый материал. http://nrc.edu.ru/ est

2) Концепции современного естествознания. Конспекты лекций. http://www.limm.mgimo.ru/science/lect_1/html

3) Концепции современного естествознания. Учебник. http://www.alleng.ru/edu/natur2/htm

 

Дидактический материал:

 

Банк контрольных и учебных заданий

Рабочая тетрадь по дисциплине

«Концепции современного естествознания»

· Завести рабочую тетрадь для самостоятельных внеаудиторных занятий - выполнения домашних заданий; требования к выполнению домашних заданий: каждое задание должно быть пронумеровано, иметь учебную тему, дату выполнения, название и выполняться на отдельном листе; допустимы только общепринятые сокращения; схемы и таблицы не должны быть перегружены материалом – это форма краткого представления информации, материал надо сначала осмыслить, а потом своими словами вписать самое главное; текстовый материал не надо переписывать из учебника полностью – выделяйте основные моменты и записывайте их тезисно своими словами;

· Завести отдельную тетрадь - тезаурус для формирования понятийной базы дисциплины; записывать в ней все специальные термины, понятия, суждения, которые нуждаются в пояснении, уточнении, развернутом определении, и выяснении его этимологии; удобнее всего организовывать тезаурус не по алфавитному, а по системно-тематическому принципу. 

Раздел. Биосфера и человек.

Тема: Антропогенез. Биосфера. Ноосфера.

Домашнее задание: а) ответьте на контрольные вопросы:

1. Какие геохимические функции биосферы осуществляются через питание, дыхание и размножение?

2. В чём проявляется влияние Космоса на биосферу?

3.Сформулируйте четвёртый закон экологии Б. Коммонера.

4. В чем суть концепции ноосферы?

5. Существует ли ноосфера в настоящее время? Обоснуйте Ваш ответ.

б) дайте определения понятий тезауруса темы: экосистема, антропогенез, экологические функции литосферы, биосфера, биогеохимические функции биосферы, космические циклы, ноосфера.

в) провести сравнительный анализ радиационного загрязнения среды атомной и угольной энергетики.

г) Написать эссе (на выбор) по экологическим проблемам: «Потепление климата: причины и последствия», «Существует ли экологически чистая энергетика?», «Атомная энергетика в России: проблемы и перспективы».

 

Литература: 1 гл. 8, 10; 3 гл.8, 9; 4 гл. 16; 7 гл. 29, 30; 8 гл. 14; 10 с. 307-443; 11 с.178-217; 15 § 56, часть 6; 18 с. 174-195.

 

Вопросы к зачёту

1. Эмпирические методы естествознания.

2. Теоретические методы естествознания.

3. Механическая картина Мира. Корпускулярная и континуальная концепции. Атомисты, Зенон, Аристотель, Декарт, Ньютон. Механика Ньютона. Принцип суперпозиции. Принцип дальнодействия.

4. Электромагнитная картина Мира. Фарадей. Физическое поле и принцип близкодействия. Электродинамика Максвелла.

5. Квантово-полевая картина Мира. Гипотеза Планка. Корпускулярно-волновой дуализм. Принцип дополнительности. Области применимости законов и принцип соответствия. Современная эволюционная естественнонаучная картина Мира.

6. Законы сохранения и симметрия.

7. Познание человеком окружающего мира на примере расширения знаний о форме Земли, устройстве Солнечной системы.

8. Единицы измерения расстояний. Измерение времени. Происхождение единиц измерения времени.

9. Свойства пространства и времени. Евклидово пространство. Неевклидовы пространства. Реальное физическое пространство. 

10. Принцип относительности – критерий неизменности законов природы. Понятие системы отсчета. Закон инерции. Принцип относительности Галилея. Преобразования Галилея. Инвариантность 2-го закона Ньютона.

11. Взгляды Ньютона на пространство и время. Неинерциальные системы отсчета.

12. Принцип относительности и законы электродинамики. Преобразования Лоренца.

13. Специальная теория относительности (СТО). Постулаты СТО. Следствия СТО.

14. Относительность пространственных и временных интервалов. Пространственно-временной континуум. Инвариантность мирового интервала и его псевдоевклидовость. Диаграммы Минковского.

15. Энергия и импульс в релятивистской механике. Знаменитая формула Эйнштейна Е = mc².

16. Общая теория относительности. Принцип эквивалентности. Искривление пространства-времени в сильных гравитационных полях.

17. Человек как основной масштабный фактор деления единого физического мира на микро-, макро- и мегамир.

18. Фундаментальные физические взаимодействия. Фундаментальные элементарные частицы.

19. Структура и характеристики протона и нейтрона. Атомные ядра, атомы, молекулы. Устойчивость микросистем и фундаментальные взаимодействия.

20. Виды материи и структуры макромира. Виды материи мегамира.

21. Структуры мегамира.

22. Разнообразие и эволюция звёзд.

23. Перспективы развития энергетики.

24. Структурные уровни организации живых систем. Хиральность.

25. Динамические и статистические закономерности в природе. Принципы неопределенности и дополнительности. Корпускулярно-волновой дуализм.

26. Закрытые и открытые системы. Термодинамическое равновесие и температура. Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии в макроскопических процессах). Обратимые и необратимые процессы.

27. Энтропия. Статистический смысл энтропии. Второе начало термодинамики. Необратимость времени. Энтропия в информатике.

28. Синергетика. Условия самоорганизации. Примеры самоорганизации в неживой природе. Принцип универсального эволюционизма.

29. Космология. Стационарная модель Вселенной Эйнштейна. Работы А.А. Фридмана. Закон Хаббла. Оценка возраста Вселенной. Теория Большого Взрыва Г. Гамова. Сценарий развития Вселенной.

30. Уровни организации живой материи.

31. Концепции происхождения жизни. Теория А.И. Опарина. Проблема происхождения жизни.

32. Экология и адаптационные возможности человека. Химические и ионизирующие загрязнения окружающей среды как мутагенные патогенные факторы. Генно-модифицированные организмы.

 

 

Приложение

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Составитель Величкин В.Е.

Учебное пособие

 

Закон сохранения импульса.

Данный закон представляет собой результат симметрии относительно параллельного переноса исследуемого объекта в пространстве, суть - однородность пространства. Так, в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил. В случае системы материальных точек, их полный импульс определяется как векторная сумма всех импульсов, составляющих систему материальных точек.

В классической механике закон сохранения импульса обычно выводится как следствие законов Ньютона. Однако, этот закон сохранения верен и в случаях, когда ньютоновская механика неприменима (релятивистская и квантовая механика). Он может быть получен как следствие интуитивно-верного утверждения о том, что свойства нашего мира не изменятся, если все его объекты (или начало отсчета!) переместить на некоторое расстояние.

Каждой материальной точке с массой m, движущейся со скоростью , приписывается векторная характеристика - импульс, определяемый как произведение массы на скорость: .

Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил:

В случае системы материальных точек (совокупностью которых можно считать любое реальное тело) полный импульс определяется как векторная сумма всех импульсов.

Скорость изменения полного импульса определяется суммой внешних сил, действующих на систему.

Системы, на которые не действуют внешние силы, называются замкнутыми. В них полный импульс не изменяется во времени. Это свойство находит большое практическое применение, поскольку лежит в основе принципа реактивного движения.

В настоящее время не существует каких-либо экспериментальных фактов, свидетельствующих о невыполнении закона сохранения импульса.

Закон сохранения энергии.

Первоначально в механике были введены кинетическая энергия (обусловленная движением тела) и потенциальная (обусловленная взаимодействиями между телами и зависящая от их расположения в пространстве). Конкретное математическое выражение для потенциальной энергии определяется взаимодействиями между объектами. В большинстве механических систем механическая энергия (сумма кинетической и потенциальной) сохраняется во времени (например, в случае мяча, упруго ударяющегося о пол). Однако нередки и такие системы, в которых механическая энергия изменяется (чаще всего убывает). Для описания этого были введены диссипативные силы (например, силы вязкого и сухого трения и др.). Со временем выяснилось, что диссипативные силы описывают не исчезновение или возникновение механической энергии, а переходы ее в другие формы (тепловую, электромагнитную, энергию связи и т. д.). История развития естествознания знает несколько примеров того, как кажущееся нарушение закона сохранения энергии стимулировало поиск ранее неизвестных каналов ее преобразования, что в результате приводило к открытию ее новых форм (так, например, «безвозвратная» потеря энергии в некоторых реакциях с участием элементарных частиц послужила указанием на существование еще одной неизвестной ранее элементарной частицы, впоследствии получившей название нейтрино).

Закон сохранения энергии имеет большое практическое значение, поскольку существенно ограничивает число возможных каналов эволюции системы без ее детального анализа. Так на основании этого закона оказывается возможным априорно отвергнуть любой проект весьма экономически привлекательного вечного двигателя первого рода (устройства, способного совершать работу, превосходящую необходимые для его функционирования затраты энергии).

Согласно теореме Нётер закон сохранения энергии есть следствие однородности времени, т.е. неизменности (инвариантности) протекания явления при переносе его во времени при неизменных начальных условиях (при тех же начальных условиях явление вчера протекало так же, как идет сегодня, и будет происходить завтра).

 

Механический принцип относительности Галилея

 

Важную роль в создании научной картины мира сыграл принцип относительности одного из основоположников современного естествознания Галилея – принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета в классической механике, который утверждает, что никакими механическими опытами, проводящимися в какой-то инерциальной системе отсчета, нельзя определить, покоится данная система или движется равномерно и прямолинейно.

Математически принцип относительности Галилея выражает инвариантность уравнений механики относительно преобразований координат движущихся точек (и времени) при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой – преобразований Галилея.

Впервые положение об относительности механического движения было высказано Галилео Галилеем в 1638 г. в его труде «Диалог о двух основных системах мира – птоломеевой и коперниковой». Там же сформулирован один из фундаментальных принципов физики – принцип относительности. Галилей использовал наглядный и образный метод изложения. Он писал, что находясь «в помещении под палубой корабля» и проводя опыты и наблюдения над всем, что там происходит, нельзя определить, покоится ли корабль, или же он движется «без толчков», то есть равномерно и прямолинейно. При этом подчеркивались два положения, составляющие суть принципа относительности:

1) движение относительно: по отношению к наблюдателю «в помещении под палубой» и к тому, кто смотрит с берега, движение выглядит по-разному;

2) физические законы, управляющие движением тел в этом помещении, не зависят от того, как движется корабль (если только это движение равномерно). Иначе говоря, никакие опыты в «закрытой кабине» не позволяют определить, покоится кабина или движется равномерно и прямолинейно.

Таким образом, Галилей сделал вывод, что механическое движение относительно, а законы, которые его определяют, абсолютны, то есть безотносительны. Эти положения коренным образом отличались от общепринятых в то время представлений Аристотеля о существовании «абсолютного покоя» и «абсолютного движения».

В основе классической механики И. Ньютона три «аксиомы» – три знаменитых закона Ньютона. Уже первый из них, гласящий: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не принуждается приложенными силами изменить это состояние», говорит об относительности движения и одновременно указывает на существование систем отсчета (они были названы инерциальными), в которых тела, не испытывающие внешних воздействий, движутся «по инерции», не ускоряясь и не замедляясь. Именно такие инерциальные системы имеются в виду и при формулировке двух остальных законов Ньютона. При переходе из одной инерциальной системы в другую меняются многие величины, характеризующие движение тел, например, их скорости или формы траектории движения, но законы движения, то есть соотношения, связывающие эти величины, остаются постоянными.

Чтобы описывать механические движения, то есть изменение положения тел в пространстве, Ньютон четко сформулировал представления о пространстве и времени. Пространство мыслилось как некий «фон», на котором развертывается движение материальных точек. Их положение можно определять, например, с помощью декартовых координат x, у, z, зависящих от времени t. При переходе из одной инерциальной системы отсчета К в другую К', движущуюся по отношению к первой вдоль оси x со скоростью v, координаты преобразуются: x' = x - v×t, y' = у, z' = z, а время остается неизменным: t' = t. Таким образом, принимается, что время абсолютно. Эти формулы получили название преобразований Галилея.

По Ньютону, пространство выступает как некая координатная сетка, на которую не влияет материя и ее движение. Время в такой «геометрической» картине мира как бы отсчитывается некими абсолютными часами, ход которых ничто не может ни ускорить, ни замедлить.

 

Принцип относительности и электродинамика

 

Принцип относительности Галилея более трехсот лет относили только к механике, хотя в первой четверти 19 в., прежде всего благодаря трудам М. Фарадея, возникла теория электромагнитного поля, получившая затем дальнейшее развитие и математическую формулировку в работах Дж. К. Максвелла. Но перенос принципа относительности на электродинамику представлялся невозможным, так как считалось, что все пространство заполнено особой средой – эфиром, натяжения в котором и истолковывались как напряженности электрического и магнитного полей. При этом эфир не влиял на механические движения тел, так что в механике он «не чувствовался», но на электромагнитных процессах движение относительно эфира («эфирный ветер») должно было сказываться. В результате находящийся в закрытой кабине экспериментатор при помощи наблюдения над такими процессами мог, казалось, определить, находится ли его кабина в движении (абсолютном!), или же она покоится. В частности, ученые полагали, что «эфирный ветер» должен влиять на распространение света. Попытки обнаружить «эфирный ветер», однако, не увенчались успехом, и концепция механического эфира была отвергнута, благодаря чему принцип относительности как бы родился заново, но уже как универсальный, справедливый не только в механике, но и в электродинамике, и других областях физики.

 

Частная (специальная) теория относительности

 

Альберт Эйнштейн (Einstein) (1879–1955) – физик-теоретик, один из основателей современной физики, лауреат Нобелевской премии, иностранный член-корреспондент РАН (1922) и иностранный почетный член АН СССР (1926). Родился в Германии, с 1893 жил в Швейцарии, с 1914 в Германии, в 1933 эмигрировал в США. Создал частную (1905) и общую (1907–16) теории относительности.

Наибольшую известность Эйнштейну принесла специальная теория относительности, изложенная им впервые в 1905 г. в статье «К электро-динамике движущихся тел». Уже в юности Эйнштейн пытался понять, что увидел бы наблюдатель, если бы бросился со скоростью света вдогонку за световой волной. Будучи студентом, Эйнштейн изучал труды Максвелла, был убежден в существовании всепроникающего эфира и размышлял о том, как на него действуют различные поля (в частности, магнитное) и как можно экспериментально обнаружить движение относительно эфира. Теперь Эйнштейн решительно отверг концепцию эфира, что позволило рассматривать принцип равноправия всех инерциальных систем отсчета как универсальный, а не только ограниченный рамками механики. Исходя из невозможности обнаружить абсолютное движение, Эйнштейн сделал вывод о равноправии всех инерциальных систем отсчета. Он сформулировал два важнейших постулата, делавших излишней гипотезу о существовании эфира, которые составили основу обобщенного принципа относительности:

1) все законы физики одинаково применимы в любой инерциальной системе отчета и не должны меняться при преобразованиях Лоренца;

2) свет всегда распространяется в свободном пространстве с одной и той же скоростью, независимо от движения источника.

Эйнштейн выдвинул удивительный и на первый взгляд парадоксальный постулат, что скорость света для всех наблюдателей, как бы они ни двигались, одинакова. Этот постулат (при выполнении некоторых дополнительных условий) приводит к полученным ранее Х. Лоренцем формулам для преобразований координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую, движущуюся относительно первой. Но Лоренц рассматривал эти преобразования как вспомогательные, или фиктивные, не имеющие непосредственного отношения к реальному пространству и времени. Эйнштейн понял реальность этих преобразований, в частности, реальность относительности одновременности, пространственных и временных интервалов (сокращение длины и замедление времени в движущихся инерциальных системах отсчета).

Однако из специальной теории относительности (СТО) вовсе не следует делать вывод, что «все относительно». Просто СТО установила, что те величины, которые всегда интуитивно считались абсолютными, оказались относительными, но были получены другие абсолютные величины. Так, абсолютным оказывается пространственно-временной интервал, что указывает на неразрывную связь пространства и времени, а самое главное – на неразрывную связь пространства и времени с материей.

Таким образом, принцип относительности, установленный для механики еще Галилеем, был распространен на электродинамику и другие области физики. Это привело, в частности, к установлению важного универсального соотношения между массой m, энергией Е и импульсом p: E² = m²×c⁴ + p²×с² (где с – скорость света в вакууме), которое можно назвать одной из теоретических предпосылок использования внутриядерной энергии.

Из уравнений релятивистской механики (как и механики Ньютона) вытекает закон сохранения энергии, для которого получается новое выражение: E = mc². Это – знаменитое соотношение Эйнштейна, связывающее массу тела и его энергию. Иногда это соотношение ошибочно истолковывают как указание на возможность взаимных превращений массы и энергии. В действительности же оно означает лишь то, что масса всегда пропорциональна энергии. В частности, наличие у покоящейся частицы массы говорит и о наличии у нее энергии (энергии покоя), что не играет роли в классической механике, но приобретает принципиальное значение при рассмотрении процессов, в которых число и сорт частиц может изменяться и поэтому энергия покоя может переходить в другие формы. В атомных ядрах энергия притяжения частиц приводит к тому, что общая масса ядра оказывается меньше суммы масс отдельных частиц (дефект массы). Установление этого факта явилось одним из важнейших шагов к возникновению ядерной, а в перспективе и термоядерной энергетики, так как позволило оценить ту значительную энергию, которая должна высвобождаться при делении тяжелых и слиянии легких ядер.

 

Общая теория относительности

 

В 1905 г. Эйнштейну было 26 лет, но его имя уже приобрело широкую известность. В 1909 г. он избран профессором Цюрихского университета, а через два года – Немецкого университета в Праге. В 1912 г. Эйнштейн возвратился в Цюрих, где занял кафедру в Политехникуме, но уже в 1914 г. принял приглашение переехать на работу в Берлин в качестве профессора Берлинского университета и одновременно директора Института физики. Германское подданство Эйнштейна было восстановлено. К этому времени уже полным ходом шла работа над общей теорией относительности. В результате совместных усилий Эйнштейна и его бывшего студенческого товарища М. Гроссмана в 1912 г. появилась статья «Набросок обобщенной теории относительности», а окончательная формулировка теории датируется 1915 г. Эта теория, по мнению многих ученых, явилась самым значительным и самым красивым теоретическим построением за всю историю физики. Опираясь на всем известный факт, что «тяжелая» и «инертная» массы равны, удалось найти принципиально новый подход к решению проблемы, поставленной еще И. Ньютоном: каков механизм передачи гравитационного взаимодействия между телами и что является переносчиком этого взаимодействия.

Ответ, предложенный Эйнштейном, был ошеломляюще неожиданным: в роли такого посредника выступала сама «геометрия» пространства – времени. Любое массивное тело, по Эйнштейну, вызывает вокруг себя «искривление» пространства, то есть делает его геометрические свойства иными, чем в геометрии Евклида, и любое другое тело, движущееся в таком «искривленном» пространстве, испытывает воздействие первого тела.

Созданная А. Эйнштейном общая теория относительности является обобщением ньютоновской теории тяготения на основе специальной теории относительности. В основе общей теории относительности лежит принцип эквивалентности – локальной неразличимости сил тяготения и сил инерции, возникающих при ускорении системы отсчета. Этот принцип проявляется в том, что в заданном поле тяготения тела любой массы и физической природы движутся одинаково при одинаковых начальных условиях. Теория Эйнштейна описывает тяготение как воздействие физической материи на геометрические свойства пространства-времени; в свою очередь, эти свойства влияют на движение материи и другие физические процессы. В таком искривленном пространстве-времени движение тел «по инерции» (т. е. при отсутствии внешних сил, кроме гравитационных) происходит по геодезическим линиям, аналогичным прямым в неискривленном пространстве, но эти линии уже искривлены. В сильном поле тяготения геометрия обычного трехмерного пространства оказывается неевклидовой, а время течет медленнее, чем вне поля.

Общая теория относительности привела к предсказанию эффектов (конечной скорости изменения поля тяготения, равной скорости света в вакууме – это изменение переносится в виде гравитационных волн; возможности возникновения черных дыр и др.), которые вскоре получили экспериментальное подтверждение. Она позволила также сформулировать принципиально новые модели, относящиеся ко всей Вселенной, в том числе и модели нестационарной (расширяющейся) Вселенной.

 

Микро-, макро-, мегамиры

 

Структуры микромира

 

Основными предметами этого раздела естествознания являются элементарные частицы, фундаментальные физические поля, пространство–время и их взаимодействия. Синонимом микрофизики являются «физика высоких энергий» или «физика элементарных частиц». После открытий Бора, Резерфорда, Эйнштейна и др. квантовая механика продолжала развиваться и к середине 30-х годов 20-го века выросла в мощную, сильную математизированную теорию микромира.

Было открыто множество «элементарных» частиц и реакций между ними, в результате которых они превращались друг в друга или рождали новые, неизвестные до той поры частицы.

Помимо гравитационного и электромагнитного полей, которые безуспешно пытался объединить в рамках одной теории Эйнштейн, обнаружились еще два фундаментальных физических поля: ядерное (сильное) и слабое, которые по своим свойствам отличались от двух предыдущих. Были открыты ядерные реакции, приводившие к синтезу или распаду ядер на более мелкие осколки, увеличению или уменьшению их электрического заряда на один или два элементарных. Т. е. открылась новая отрасль науки – ядерная химия. Фактически на новом витке развития науки осуществилась вековая мечта полузабытых алхимиков о превращении одного химического элемента в другой. Несколько хорошо оснащенных лабораторий мира продолжают «удлинять» таблицу Менделеева в сторону с большим атомным номером. В природе не существует элементов тяжелее урана, т. к. они нестабильны и относительно быстро распадаются, если их даже получить искусственно путем ядерной реакции. Причем, чем дальше они отстоят в таблице Менделеева от урана, тем период полураспада делается меньше, уменьшаясь до малых долей секунды. Но в области атомных номеров 114–116 (уран имеет атомный номер 92) теория предсказывает «остров стабильности», где могут существовать химические элементы с совершенно удивительными свойствами. Первые атомы с такими высокими элементами уже в 21 веке получили российские ученые из Объединенного института ядерных исследований в подмосковном городе Дубна. Росло и число вновь открываемых «элементарных» частиц.

Современные справочники содержат сейчас уже около 400 таких частиц (вместе с античастицами, у которых все свойства, кроме электрического заряда тождественны соответствующим частицам). По всеобщему мнению – это слишком много для того чтобы, образовывать основу, фундамент нашего мира. Да и большинство из них не являются в буквальном смысле «элементарными«, т. е. не состоящими из более мелких частиц. Напротив, о многих из них известно, что в их составе имеются более мелкие образования. Таковы, например, основные частицы атомного ядра – нейтроны, протоны, пи-мезоны. Сейчас твердо установлено, что они состоят из трех (первые две) или двух (пи-мезоны) частиц, получивших название «кварки».

Термин “элементарная частица” первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина “элементарный” применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать.

Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1967 г. американский физик М. Гелл-Манн высказал гипотезу о существовании кварков – частиц с дробным электрическим зарядом.

Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса – фермионы (названные в честь Э. Ферми) и бозоны (названные в честь Ш. Бозе).

К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам – кванты полей (глюоны, фотоны, векторные бозоны, гравитоны и гравитино). Эти частицы считаются истинно (фундаментальными) элементарными, т. е. не имеющими структуры. Фермионы составляют вещество, бозоны обеспечивают взаимодействие частиц вещества.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам.

Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10^–15 – 10^–22см и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон с выбросом электрона и антинейтрино.

Гравитационное взаимодействие – самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях порядка 10^–13см оно даёт чрезвычайно малые эффекты.

Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма. В настоящее время считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц – фермионов (частиц вещества) и столько же античастиц. Шесть частиц – это кварки с экзотическими названиями “верхний”, “нижний”, “очарованный”, “странный”, “истинный”, “прелестный”. Остальные шесть – лептоны: электрон, мюон, тау–частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау–нейтрино). Кроме фундаментальных фермионов имеется четыре вида фундаментальных бозонов (квантов полей), обеспечивающие четыре вида фундаментальных взаимодействий фермионов.

Фундаментальные частицы составляют 1-й структурный уровень микромира. Из них состоят более сложные материальные системы. Следующий структурный уровень образуют нефундаментальные частицы, в частности, нефундаментальные адроны (протоны и нейтроны, состоящие из трёх кварков). Третий структурный уровень микромира – атомные ядра, состоящие из протонов и нейтронов. Прочность стабильных атомных ядер и относительная прочность радиоактивных обусловлена сильным взаимодействием ядерных частиц. Четвертый структурный уровень – атомы, состоящие из атомных ядер и электронов, обращающихся вокруг них. Устойчивость атомов обеспечивает электромагнитное взаимодействие ядра и электронов атома. Наконец, пятый структурный уровень микромира образуют молекулы, состоящие из атомов. Устойчивость молекул обусловлена электромагнитным взаимодействием ядер одних атомов с электронами других и наоборот.

 

Виды материи и структуры макромира

 

К макромиру относятся объекты и системы, наиболее хорошо известные человеку. Это вещественные объекты от едва различимых человеческим глазом песчинок и пылинок размером 10^-5- 10^{-4 м до планеты Земля в целом размером по порядку 107 м.}

Материя в макромире представлена двумя видами – веществом и двумя физическими полями. В отличие от микромира, в котором вещество и поля дискретны и представлены частицами, в макромире вещественные объекты дискретны (отдельные тела), а поля (гравитационное и электромагнитное) – континуальны. Т.е. в любой точке пространства на Земле можно обнаружить гравитационное и электромагнитное поля. Гравитационное поле обеспечивает притяжение всех тел на Земле к её поверхности.

По определению, электромагнитное поле – это вид физического поля, посредством которой осуществляется воздействие между электрическими заряженными частицами. Физические причины существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает магнитное поле Н, а изменяющееся Н – вихревое электрическое поле: обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. ЭМП неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При ускоренном движении заряженных частиц, ЭМП "отрывается" от них и существует независимо в форме электромагнитных волн, не исчезая с устранением источника (например, радиоволны не исчезают и при отсутствии тока в излучившей их антенне).

Электромагнитные волны характеризуются длиной волны. Источник, генерирующий излучение, а по сути создающий электромагнитные колебания, характеризуется частотой.

Жизнь на Земле возникла, развивалась и долгое время протекала в условиях относительно слабых электромагнитных полей (ЭМП), создаваемых естественными источниками. К ним относятся электрическое и магнитное поле Земли, космические источники радиоволн (Солнце и другие звезды), процессы, происходящие в атмосфере Земли, например, разряды молнии, колебания в ионосфере. Человек тоже источник слабого ЭМП. Являясь постоянно действующим экологическим фактором, эти поля имеют определенное значение в жизнедеятельности всех организмов, в том числе и человека.

Однако, за последние 50–60 лет возник и сформировался новый значимый фактор окружающей среды – электромагнитные поля антропогенного происхождения. Их создают 2 большие группы искусственных источников:

– изделия, которые специально создавались для излучения электромагнитной энергии: радио- и телевизионные вещательные станции, радиолокационные установки, физиотерапевтические аппараты, различные системы радиосвязи, технологические установки в промышленности;

– устройства, предназначенные не для излучения электромагнитной энергии в пространство, а для выполнения какой-то иной задачи, но при работе которых протекает электрический ток, создающий паразитное излучение ЭМП. В основном это системы передачи и распределения электроэнергии (ЛЭП, трансформаторные подстанции) и приборы, потребляющие ее (электроплиты, электронагреватели, холодильники, телевизоры, осветительные приборы и т. п.).

Излучаемые этими устройствами электромагнитные поля вместе с естественными полями Земли и Космоса создают сложную и изменчивую электромагнитную обстановку. В результате суммарная напряженность ЭМП в различных точках земной поверхности увеличилась по сравнению с естественным фоном в 100–10000 раз. Особенно резко она возросла вблизи ЛЭП, радио- и телевизионных станций, средств радиолокации и радиосвязи, различных энергетических и энергоемких установок, городского электротранспорта. В масштабах эволюционного прогресса этот колоссальный рост напряженности ЭМП можно рассматривать как одномоментный скачок с плохо предсказуемыми биологическими последствиями.

 

Виды материи и структуры мегамира

 

Нет жесткой границы, однозначно разделяющей микро-, макро- и мегамиры. При несомненном качественном различии они связаны конкретными процессами взаимопереходов. Наша Земля представляет макромир. Но в качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира.

В Солнечную систему входят 8 планет, их спутники, свыше 100 тыс. астероидов, множество комет и метеоритных тел. Различают планеты земной группы и планеты-гиганты. Планеты земной группы – Меркурий, Венера, Земля, Марс – сравнительно невелики и состоят из плотного вещества. Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун относятся к гигантам, они гораздо массивнее, но в их состав входят легкие вещества и поэтому их плотность меньше. В отличие от атмосфер планет земной группы, четко отделенных от твердой поверхности, атмосферные газы планет-гигантов постепенно переходят в конденсированное состояние, в «тело» самих планет. У них нет привычной нам твердой или жидкой поверхности.

Входящие в Солнечную систему астероиды представляют собой малые планеты. Хотя их много, но суммарная их масса оказывается меньше 0,001 массы Земли. Самый крупный астероид – планета Церера – имеет поперечник около 1000 км. Сталкиваясь друг с другом, астероиды дробятся на метеориты.

Своеобразными объектами Солнечной системы являются кометы. Они состоят из головы, небольшого плотного ядра и хвоста длиной в десятки миллионов километров. Ядра комет имеют размеры в несколько километров и состоят из каменных и металлических образований, заключенных в ледяную оболочку из замерзших газов. Кометы обычно – самые дальние объекты Солнечной системы. Некоторые из них удаляются от Солнца на 10 000 млрд км – на расстояние одного светового года, т. е. расстояние, которое свет со скоростью 300 000 км/с проходит за один год (1 световой год = 10 000 млрд км = 10¹³ км). Считается, что на этом удалении от Солнца и проходит граница Солнечной системы. Далее начинается сфера влияния других звезд. Для сравнения: свет от Солнца до Земли доходит за 8 мин, а от второй по близости к нам звезды (Проксима Центавра) свет идет к Земле более четырех лет. Эта звезда находится от нас в 100 000 раз дальше, чем Солнце.

Массы звезд составляют от 0,1 до 50 солнечных масс. Размеры диаметров звезд различаются очень сильно – от 10-20 км (нейтронные звезды) до сотен миллионов километров (красные сверхгиганты). Плотности вещества звезд колеблются от 1 г/см³ до 10¹⁴ г/см³ (нейтронные звезды). Светимости звезд колеблются от 0,001 до 1 млн солнечной светимости, т. е. различаются на 9 порядков (в миллиард раз). Атмосфера звезд на 98 % состоит из водорода и гелия.

Звезды образуют галактики, включающие сотни миллиардов звезд, туманности, межзвездную среду, космические лучи, электромагнитные волны. Наша галактика выглядит как двояковыпуклая линза (диск), толщина которого 1,5 тыс. световых лет, а диаметр – 100 тыс. световых лет. Полная масса галактики равна 150 млрд солнечных масс. Ближайшие к нам галактики, видимые невооруженным взглядом, – Магеллановы облака и Туманность Андромеды.

И самый большой объект в мире, включающий все известные современной науке, – это Метагалактика – наблюдаемая часть Вселенной. Размеры ее по современным оценкам 13,7 млрд световых лет.

Строение Галактики. Виды Галактик

Окружающие Солнце звезды и само Солнце составляют малую часть гигантского скопления звезд и туманностей, которую называют Галактикой. Галактика имеет довольно сложную структуру. Существенная часть звезд в Галактике находится в гигантском диске диаметром примерно 100 тыс. и толщиной около 1500 световых лет. В этом диске насчитывается более сотни миллиардов звезд самых различных видов. Наше Солнце – одна из таких звезд, находящихся на периферии Галактики вблизи ее экваториальной плоскости.  

Звезды и туманности в пределах Галактики движутся довольно сложным образом: они участвуют во вращении Галактики вокруг оси, перпендикулярной ее экваториальной плоскости. Различные участки Галактики имеют различные периоды вращения.

Звезды удалены друг от друга на огромные расстояния и практически изолированы друг от друга. Они практически не сталкиваются, хотя движение каждой из них определяется полем силы тяготения, создаваемым всеми звездами Галактики.

Астрономы последние несколько десятилетий изучают другие звездные системы, схожие с нашей. Это очень важные исследования в астрономии. За это время внегалактическая астрономия добилась поразительных успехов.

Число звезд в Галактике порядка триллиона. Самые многочисленные из них – карлики с массами, примерно в 10 раз меньшими массы Солнца. В состав Галактики входят двойные и кратные звезды, а также группы звезд, связанных силами тяготения и движущиеся в пространстве как единое целое, – звездные скопления. Существуют рассеянные звездные скопления, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие скопления не имеют правильной формы; в настоящее время их известно более тысячи.

Наблюдаются шаровые звездные скопления. Если в рассеянных скоплениях содержатся сотни или тысячи звезд, то в шаровых их сотни тысяч. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет.

В различных созвездиях обнаруживаются туманные пятна, которые состоят в основном из газа и пыли, – это туманности. Они бывают неправильной, клочковатой формы – диффузные, и правильной формы, напоминающие по виду планеты, – планетарные.

Существуют еще светлые диффузные туманности, например Крабовидная туманность, названная за необычную сетку из ажурных газовых волокон. Это источник не только оптического излучения, но и радиоизлучения, рентгеновских и гамма-квантов. В центре Крабовидной туманности находится источник импульсного электромагнитного излучения – пульса, у которого впервые были обнаружены наряду с пульсациями радиоизлучения оптические пульсации блеска и пульсации рентгеновского излучения. Пульсар, обладающий мощным переменным магнитным полем, ускоряет электроны и вызывает свечение туманности в различных участках спектра электромагнитных волн.

Пространство в Галактике заполнено везде разрежённым межзвездным газом и межзвездной пылью. В межзвездном пространстве существуют и различные поля – гравитационное и магнитное. Пронизывают межзвездное пространство космические лучи, представляющие собой потоки электрически заряженных частиц, которые при движении в магнитных полях разогнались до скоростей, близких к скорости света, и приобрели огромную энергию.

Галактику можно представить в виде диска с ядром в центре и огромными спиральными ветвями, содержащими в основном наиболее горячие и яркие звезды и массивные газовые облака. Диск со спиральными ветвями образует основу плоской подсистемы Галактики. А объекты, концентрирующиеся к ядру Галактики и лишь частично проникающие в диск, относятся к сферической подсистеме. Сама Галактика вращается вокруг своей центральной области. В центре Галактики сосредоточена лишь небольшая часть звезд. Солнце находится на таком расстоянии от центра Галактики, где линейная скорость звезд максимальна. Солнце и ближайшие к нему звезды движутся вокруг центра Галактики со скоростью 250 км/с, совершая полный оборот примерно за 290 млн. лет.

По внешнему виду галактики условно разделяются на три типа: эллиптические, спиральные и неправильные.

Пространственная форма эллиптических галактик – эллипсоиды с разной степенью сжатия. Среди них встречаются гигантские и карликовые. Почти четверть всех изученных галактик относится к эллиптическим. Это наиболее простые по структуре галактики – распределение звезд в них равномерно убывает от центра, пыли и газа почти нет. В них самые яркие звезды – красные гиганты.

Спиральные галактики – самый многочисленный вид. К нему относится наша Галактика и Туманность Андромеды, удаленная от нас примерно на 2,5 млн. световых лет.

Неправильные галактики не имеют центральных ядер, в их строении пока не обнаружены закономерности. Это Большое и Малое Магеллановы облака, являющиеся спутниками нашей Галактики. Они находятся от нас на расстоянии в полтора раза большем диаметра Галактики. Магеллановы облака значительно меньше нашей Галактики по массе и размерам.

Существуют и взаимодействующие галактики. Они обычно находятся на небольших расстояниях друг от друга, связаны «мостами» из светящейся материи, иногда как бы пронизывают одна другую.

Некоторые галактики обладают исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.

В 1963 г. начались открытия звездоподобных источников радиоизлучения – квазаров. Сейчас их открыто более тысячи. Квазары являются самыми удаленными наблюдаемыми объектами и, вероятно, представляют собой ядра первых возникших во Вселенной галактик.

Галактики распределены во Вселенной неравномерно, образуя скопления и сверхскопления. Однако и они также распределены неравномерно. Скопления и сверхскопления галактик образуют крупномасштабную ячеистую или сотовую структуру Вселенной, напоминающую пчелиные соты, губку, пену, пемзу. В стенках сот сосредоточены скопления и сверхскопления галактик, а в пространстве между стенками их крайне мало. В еще более крупном масштабе Вселенная однородна.

 

Концептуальные уровни химии. Учение о составе вещества

 

Химия – наука о веществах, их строении, свойствах и превращениях.

Предмет химии – превращения веществ на макроскопическом уровне и анализ этих превращений на микроскопическом, атомно-молекулярном уровне.

Исторически химия прошла четыре концептуальных уровня своего развития. Причем каждый последующий уровень включал в себя и дополнял предыдущий. Первый уровень связан с учением о составе вещества, второй – с развитием структурной химии, третий концептуальный уровень определяется становлением учения о химических процессах, четвертый современный уровень – эволюционная химия. 

В конце 17 века зародилось учение о составе вещества. Это было сделано в работах английского ученого Р. Бойля. По Бойлю мельчайшие частицы вещества – атомы, могли соединяться, образуя более крупные частицы – кластеры (сейчас используется термин «молекула», введенный в 17 в. французским ученым П. Гассенди). Бойль утверждал, что свойства веществ зависят от того, из каких химических элементов они состоят. Химический элемент он трактовал как предел разложения вещества. В настоящее время химическим элементом называют вид атомов, имеющих определенный заряд ядра.

Развитием представлений о химических элементах явилось понятие о химических соединениях. Если в состав простых веществ входят атомы только одного элемента, то сложные вещества, или химические соединения, состоят из атомов нескольких элементов. Свойства соединений отличаются от свойств составляющих их элементов.

Расширение круга методов химического анализа и использование количественных методов измерения позволило определять числовые соотношения элементов в соединениях. В начале 19 века французский химик Ж. Пруст установил закон постоянства состава, согласно которому любое соединение содержит элементы в строго определенных массовых пропорциях независимо от способа его получения. Закон Пруста подтверждал гипотезу существования молекул.

В 1860 г. на первом международном съезде химиков были приняты правила написания химических формул и уравнений, а также определены понятия атома, молекулы и химического элемента. Так, атомом была названа наименьшая частица элемента в химических соединениях. А молекулой – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

В 1869 г. Д.И. Менделеевым был открыт периодический закон химических элементов, который гласил: «Физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел, стоят в периодической зависимости от их атомной массы». На основании этого закона Менделеев упорядочил элементы в виде системы или таблицы и предсказал существование и свойства трех неизвестных в то время элементов, которые вскоре были открыты (галлий, скандий, германий). Эти открытия стали триумфом химической науки. Однако обосновать периодический закон в рамках научных знаний конца 19 века было невозможно в связи с отсутствием представлений о сложности строения атома. В 30-х годах 20 века с созданием атомной и ядерной физики, а также квантовой механики это обоснование появилось. Так, в частности, стало ясно, что свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома (порядкового номера элемента).

 

Развитие структурной химии

 

В 1772 г. А. Лавуазье удалось сжечь алмаз и получить углекислый газ, в результате чего выяснилось, что самый твердый кристалл на Земле по химическому составу ничем не отличается от мягкого графита. И тот и другой – чистый углерод. В 1840 г. Х. Шёнбейн установил, что свойства кислорода при искровом разряде в нем, а также получаемого при электролизе воды, отличаются от свойств обычного атмосферного кислорода, и связал эти отличия с образованием особого газа, названного им озоном. Так была открыта аллотропия – существование одного и того же химического элемента в виде двух или более простых веществ, различных по строению и, как следствие, по свойствам.  

В 1823 г. Ю. Либих показал, что гремучее AgONC и циановокислое серебро AgNCO имеют один и тот же состав, но разные свойства. В 1830 г. Й.Я. Берцелиус ввел термин «изомерия» и выдвинул предположение, что различие в свойствах у изомеров, т.е., химических соединений, одинаковых по составу и молекулярной массе, обусловлены различным распределением атомов в молекуле.

Таким образом, в первой половине 19 века химикам стало ясно, что свойства веществ и их качественное многообразие обусловлено не только химическим составом, но и их структурой. Более полное объяснение изомерия получила во второй половине 19 века в трудах Бутлерова (структурная изомерия) и Я.Г. Вант-Гофа (пространственная изомерия). Структурная изомерия является результатом различного порядка связи атомов, а пространственная изомерия – различной пространственной конфигурации атомов.

 

Планетная космогония

При выяснении вопроса, в каком состоянии находилось ранее вещество, ныне образующее планеты, важную роль играют закономерности движения планет — их обращение вокруг Солнца в одном направлении по почти круговым орбитам, лежащим почти в одной плоскости, — и деление планет на 2 группы, отличающиеся по массе и составу,— группу близких к Солнцу планет земного типа и группу далёких от Солнца планет-гигантов. При выяснении вопроса о том, откуда взялось около Солнца допланетное вещество, важную роль играет проблема распределения момента количества движения (МКД) между Солнцем и планетами: почему всего 2% общего МКД всей Солнечной системы заключено в осевом вращении Солнца, а 98% приходится на орбитальное движение планет, суммарная масса которых в 750 раз меньше массы Солнца?

В 40-х гг. 20 в. планетная космогония вернулась к классическим идеям Канта и Лапласа об образовании планет из рассеянного вещества, которые развивал советскийц ученый О.Ю. Шмидт. В настоящее время (70-е гг. 20 в.) является общепризнанным, что большинство планет аккумулировалось из твёрдого, а Юпитер и Сатурн также и из газового вещества, По-видимому, существовавшее вблизи экваториальной плоскости Солнца газово-пылевое облако простиралось до современных границ Солнечной системы.

Исходя из господствующих представлений об образовании Солнца из сжимающейся и вращающейся туманности, большинство астрономов считает, что протопланетное облако той или иной массы отделилось под действием центробежной силы от этой туманности на заключительной стадии её сжатия [Ф. Хойл (Великобритания), А. Камерон (США), Э. Шацман (Франция)]. Но, в отличие от Лапласа, рассматривавшего это отделение чисто механически, сейчас учитываются эффекты, связанные с наличием магнитного поля и корпускулярного излучения Солнца, Именно это позволило объяснить распределение МКД между Солнцем и планетами в рамках гипотез о совместном образовании Солнца и протопланетного облака.

Образование планет из протопланетного облака наиболее полно исследовано О. Ю. Шмидтом и его сотрудниками и сторонниками. Процесс можно условно разделить на 2 этапа. На первом этапе длившемся, вероятно, менее 10⁶ лет из пылевой компоненты облака образовалось множество "промежуточных" тел размером в сотни км. На втором этапе длительностью около 10⁸ лет из роя "промежуточных" тел и их обломков аккумулировались планеты. (У наиболее далёких планет — Урана, Нептуна, вещество которых было рассеяно по огромным кольцевым зонам, второй этап мог длиться около 10⁹ лет.) Самые крупные планеты — Юпитер и Сатурн — на основной стадии аккумуляции вбирали в себя не только твёрдые тела, но и газы.

Разные гипотетические варианты процесса образования облака ведут к разным вариантам протекания первого этапа. "Промежуточные" тела должны были образоваться либо в результате собирания пыли в тонкий диск и распада этого диска на сгущения, либо в результате коагуляции пылинок, т. е. их "слипания".

Протекание аккумуляции планет из роя "промежуточных" тел практически не зависит от механизма их образования. Сперва они двигались по круговым орбитам в плоскости породившего их пылевого слоя. Они росли, сливаясь друг с другом и вычерпывая окружающее рассеянное вещество — остатки "первичной" пыли и обломки, образовавшиеся, когда "промежуточные" тела сталкивались с большими относительными скоростями. Гравитационное взаимодействие "промежуточных" тел, усиливающееся по мере их роста, постепенно изменяло их орбиты, увеличивая средний эксцентриситет и средний наклон к центральной плоскости. Те из "промежуточных" тел, которые вырвались вперед в процессе роста, оказались зародышами будущих планет. При объединении многих тел в планеты произошло усреднение индивидуальных свойств движения отдельных объединяющихся тел, и потому орбиты планет получились почти круговыми и компланарными. Анализ процесса аккумуляции планет из роя твёрдых тел позволил О. Ю. Шмидту указать путь к объяснению происхождения прямого вращения планет и закона планетных расстояний.

Рост планет земной группы прекратился тогда, когда они вобрали в себя практически всё твёрдое вещество, имевшееся в районе их орбит (только у Марса часть вещества из его "зоны питания", вероятно, была поглощена массивным Юпитером). Но у планет-гигантов рост прекратился тогда, когда они действием своего притяжения выбросили из зоны своего формирования все "промежуточные" тела и их обломки, а также газы (в рассеянии последних важную роль могло сыграть интенсивное корпускулярное излучение молодого Солнца).

 

Эволюция Земли

 

Вопрос ранней эволюции Земли тесно связан с теорией ее происхождения. Сегодня известно, что наша планета образовалась около 4,5 млрд. лет назад. В процессе формирования Земли из частиц протопланетного облака постепенно увеличивалась ее масса. Росли силы тяготения, а следовательно, и скорости частиц, падавших на планету. Кинетическая энергия частиц превращалась в тепло, и Земля все сильнее разогревалась. При ударах на ней возникали кратеры, причем выбрасываемое из них вещество уже не могло преодолеть земного тяготения и падало обратно.

Чем крупнее были падавшие объекты, тем сильнее они нагревали Землю. Энергия удара освобождалась не на поверхности, а на глубине, равной примерно двум поперечникам внедрившегося тела. А так как основная масса на этом этапе поставлялась планете телами размером в несколько сот километров, то энергия выделялась в слое толщиной порядка 1000 км. Она не успевала излучиться в пространство, оставаясь в недрах Земли. В результате температура на глубинах 100-1000 км могла приблизится к точке плавления. Дополнительное повышение температуры, вероятно, вызвал распад короткоживущих радиоактивных изотопов.

По-видимому, первые возникшие расплавы представляли собой смесь жидких железа, никеля и серы. Расплав накапливался, а затем вследствие более высокой плотности просачивался вниз, постепенно формируя земное ядро. Таким образом, дифференциация (расслоение) вещества Земли могла начаться еще на стадии ее формирования. Ударная переработка поверхности и начавшаяся конвекция, несомненно, препятствовали этому процессу. Но определенная часть более тяжелого вещества все же успевала опустится под перемешиваемый слой. В свою очередь дифференциация по плотности приостанавливала конвекцию и сопровождалась дополнительным выделением тепла, ускоряя процесс формирования различных зон в Земле.

Предположительно ядро образовалось за несколько сот миллионов лет. При постепенном остывании планеты богатый никелем железоникелевый сплав, имеющий высокую температуру плавления, начал кристализовываться - так (возможно) зародилось твердое внутреннее ядро. К настоящему времени оно составляет 1,7% массы Земли. В расплавленном внешнем ядре сосредоточено около 30% земной массы.

Развитие других оболочек продолжалось гораздо дольше и в некотором отношении не закончилось до сих пор.

Литосфера сразу после своего образования имела небольшую толщину и была очень неустойчивой. Она снова поглощалась мантией, разрушалась в эпоху так называемой великой бомбардировки (от 4,2 до 3,9 млрд. лет назад), когда Земля, как и Луна, подвергалась ударам очень крупных и довольно многочисленных метеоритов. На Луне и сегодня можно увидеть свидетельства метеоритной бомбардировки - многочисленные кратеры и моря (области, заполненные излившейся магмой). На нашей планете активные тектонические процессы и воздействие атмосферы и гидросферы практически стерли следы этого периода.

Около 3,8 млрд. лет назад сложилась первая легкая и, следовательно, "непотопляемая" гранитная кора. В то время планета уже имела воздушную оболочку и океаны; необходимые для их образования газы усиленно поставлялись из недр Земли в предшествующий период. Атмосфера тогда состояла в основном из углекислого газа, азота и водяных паров. Кислорода в ней было мало, но он вырабатывался в результате, во-первых, фотохимической диссоциации воды и, во-вторых, фотосинтезирующей деятельности простых организмов, таких как сине-зеленые водоросли.

600 млн лет назад на Земле было несколько подвижных континентальных плит, весьма похожих на современные. Новый сверхматерик Пангея появился значительно позже. Он существовал 300-200 млн. лет назад, а затем распался на части, которые и сформировали нынешние материки.

Эволюция атмосферы

На раннем этапе своей эволюции (4,5 – 4 млрд. лет назад) Земля, еще не имея гидросферы, по-видимому, уже обладала атмосферой, но очень разреженной. Она состояла, вероятно, в основном из молекул и атомов газов и паров, захваченных Землей из космического пространства – водорода, гелия, азота, воды, метана, аммиака, углекислого газа.

    Существенное увеличение плотности атмосферы началось примерно 4 млрд. лет назад, вызванной активной дегазацией Земли вследствие изливавшихся на ее поверхность мантийных расплавов, которые в условиях чрезвычайно низкого атмосферного давления вскипали и выделяли в атмосферу летучие соединения, в частности, пары воды. В результате около 3 млрд. лет назад Земля уже имела мощную атмосферу с давлением до 4 атм, состоящую в основном из азота и углекислого газа.

    Дальнейшая эволюция земной атмосферы связана с постепенным связыванием атмосферного углекислого газа и повышением в ней концентрации кислорода. Насыщение океанской коры водой сопровождалось в результате реакций гидратации связыванием избытка атмосферного углекислого газа в карбонатах (доломитах). В результате его концентрация в атмосфере существенно понизилась. Вследствие этого около 2,5 млрд. лет назад тепловое излучение от Земли стало почти беспрепятственно проникать через атмосферу (углекислый газ создает парниковый эффект) и температура на ее поверхности резко понизилась примерно с 90º до 6º С, что привело к грандиозному оледенению.

    Существенную роль в уменьшении концентрации углекислого газа и насыщении атмосферы кислородом сыграл фотосинтез растений и микроорганизмов. Кроме того, обогащение атмосферы кислородом происходило вследствие фотодиссоциации паров воды высокочастотным электромагнитным излучением Солнца

 

Н₂О  НО + О

 

и образование солей из оксидов щелочных и щелочноземельных металлов

 

Na₂O + 2Cl  2NaCl + O; CaO + 2F  CaF₂ + O.

 

    Наряду с выделением кислорода шел и обратный процесс его поглощения свободным железом:

 

2Fe + O₂  2FeO.

 

    Процесс окисления свободного железа в мантии завершился около 600 млн. лет назад, что привело к увеличению выхода кислорода в атмосферу. Это способствовало быстрому развитию многоклеточных организмов.

    В настоящее время выделяющийся в мантии кислород частично поглощается с образованием магнетита:

 

3FeO + О  Fe₃O₄.

 

    Расчеты показывают, что через 600 млн. лет все железо в мантии будет находиться в состоянии магнетита. В мантии магнетит устойчив, но при опускании его в ядро Земли будет происходить обратная реакция:       

 

2Fe₃O₄  3FeO + 5О.

 

    Свободный кислород через систему разломов срединных океанических хребтов устремится в атмосферу. Это приведет к быстрому увеличению давления до 10 атм и температуры до 250º С. Океан выкипит, что еще больше увеличит давление (до 350 атм) и температуру (до 450º С). Жизнь при таких условиях станет невозможной.

    История атмосферы закончится через 5 млрд. лет, когда Солнце станет красным гигантом, и атмосфера Земли будет «сметена» солнечным ветром.

 

Географическая оболочка Земли

 

    Предметом исследования физической географии, т.е. части географии, относящейся к естествознанию, является географическая оболочка Земли. Она представляет собой систему нескольких взаимосвязанных геосферных оболочек: части атмосферы (ниже озонового слоя), гидросферы и части литосферы (земная кора). Границы географической оболочки примерно совпадают с границами биосферы. Поэтому биосфера также является предметом изучения физической географии.

    История развития географии связана с постепенным переходом от описательных методов изучения географических объектов и явлений к системно-динамическим методам, т.е. их исследованию в динамике, развитии, выявлению причинно-следственных связей между ними.

Большой вклад в становление географии как науки внес в первой половине 19 в. немецкий геолог и географ Гумбольдт. Он разработал учение о ландшафтах и ландшафтных зонах. В переводе с немецкого «ландшафт» означает местность с характерным для нее однотипным природоустройством, т.е. закономерным сочетанием рельефа, климата, растительности и др. и определенными участками поверхности суши. Однако физическая география не ограничивается рассмотрением только суши, поэтому в настоящее время понятие «ландшафт» часто заменяется понятием «географический комплекс».

    Дальнейшее развитие ландшафтоведческого подхода осуществил русский географ В.В. Докучаев во второй половине 19 в., разработав учение о почвах, назвав их «зеркалом ландшафта».

    В начале 20 в. в связи с ростом числа конкретных географических наук возникла проблема выявления их специфики с единых концептуальных позиций. Эта проблема была решена А.А. Григорьевым, разработавшим в 30-х годах концепцию географической оболочки. Он рассматривал географическую оболочку как взаимосвязанную систему со своими специфическими закономерностями развития и считал необходимым изучать отдельные ее компоненты (чем и занимались конкретные географические науки) не обособленно, а во взаимной связи.

    Географическая оболочка имеет сложную структуру и представляет собой систему природных комплексов разного размера. Наиболее крупные компоненты географической оболочки – географические пояса, охватывающие Землю в широтном направлении. Деление на географические пояса осуществляется по температурному критерию. Каждый географический пояс имеет свой специфический ряд широтных, долготных и высотных зон. Географическую оболочку делят на следующие географические пояса: экваториальный и по два (один в северном и один в южном полушариях) субэкваториальных, тропических, субтропических, умеренных, а также субарктический и субантарктический, а также арктический и антарктический.

    Внутри поясов по соотношению температур и влажности выделяют природные зоны – тундры, лесотундры, леса, лесостепи, степи, полупустыни, пустыни.

    Зональность по широтам присуща и Мировому океану – с увеличением широты меняются характеристики воды (температура, плотность, соленость), состав планктона, растительности, животных. Зональность по высоте характерна для гор (зона лесов лежит ниже, зона альпийских лугов – выше).

 

Возникновение и развитие жизни на Земле. Концепции происхождения жизни

 

Введение

Вопрос о том, когда на Земле появилась жизнь, всегда волновал не только учёных, но и всех людей. Ответы на него содержатся в священных писаниях практически всех религий. Хотя точного научного ответа на него до сих пор нет, некоторые факты позволяют высказать более или менее обоснованные гипотезы. В Гренландии исследователями был найден образец горной породы с крошечными вкраплениями углерода. Возраст образца более 3,8 млрд. лет. Источником углерода, скорее всего, было какое-то органическое вещество - за такое время оно полностью утратило свою структуру. Учёные полагают, что этот комочек углерода может быть самым древним следом жизни на Земле.

Согласно современным представлениям, жизнь - это одна из форм существования материи, закономерно возникающая при определённых условиях в процессе её развития. Однако такая концепция появилась в ожесточённой многовековой борьбе материализма с различными идеалистическими течениями. Суть различных представлений о происхождении жизни можно выразить в трёх главных концепциях. Одна из них - идеалистические религиозные представления о сотворении всего живого из неживого Творцом, другая - абиогенез Абиогенез - образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без участия ферментов; возникновение живого из неживого. и третья - биогенез Биогенез - образование органических соединений живыми организмами; эмпирическое обобщение, утверждающее, что всё живое происходит от живого.

 

Первый удар по представлениям о самозарождении нанесли эксперименты флорентийского естествоиспытателя Франческо Реди, который доказал невозможность самозарождения мух в мясе. Наряду с опытными открытыми сосудами с мясом он использовал контрольные, завязанные марлей и недоступные для мух. В контрольных сосудах черви (личинки мух) не могли самозарождаться. Однако эти эксперименты Франческо Реди не смогли опровергнуть представления о самозарождении, устоявшиеся веками.

Спустя несколько лет после проведённых экспериментов Франческо Реди голландский учёный Антони Левенгук открыл микроскопические существа, "самозарождение" которых можно было наблюдать в капельке чистой воды. Это открытие Антони Левенгуком микромира дало толчок развитию представлений о самозарождении, но уже на уровне микромира. Не дали окончательного ответа и эксперименты итальянского учёного Ладзаро Спалланцани, продемонстрировавшего невозможность самозарождения микроскопических живых существ в питательных жидкостях и бульонах после их кипячения в запаянных ретортах. Несогласные с выводами Ладзаро Спалланцани учёные считали, что в его экспериментах был нарушен доступ в сосуды активного начала, якобы содержащегося в воздухе и необходимого для самозарождения. Только остроумные опыты выдающегося французского учёного-микробиолога Луи Пастера смогли убедить всех скептиков и сокрушить представления о самозарождении.

Впервые определение биогенеза было выведено на основании опытов Луи Пастера. Он нагревал бульон в колбе с длинным, дважды изогнутым кончиком, в котором оседали все споры микроорганизмов, содержащиеся в воздухе, поступавшем в колбу после кипячения бульона. Такая конструкция колбы не препятствовала доступу воздуха, т.е. "активного начала". Колба оставалась стерильной месяцами, но стоило смочить бульоном изогнутое колено, как в колбе начиналось интенсивное развитие микроорганизмов. Опыты Луи Пастера сыграли важную роль в развенчании представлений о самозарождении и помогли утвердиться гипотезе биогенеза. Был сформулирован закон "Всё живое из живого", который имел большое значение для развития биологической науки и в то же время более чем на полвека исключил возможность рассмотрения абиогенного (из неорганической природы) пути возникновения живой материи. Биогенез как гипотеза о происхождении жизни не даёт материалистического ответа на вопрос об истоках появления органической материи во Вселенной. Однако она может вполне материалистически объяснить возникновение жизни на Земле путём заселения её спорами микроорганизмов и других низших форм жизни.

Перенесёмся на 4 миллиарда лет назад. Атмосфера не содержит свободного кислорода, он находится только в составе окислов. Почти никаких звуков, кроме свиста ветра, шипения извергающейся с лавой воды и ударов метеоритов о поверхность Земли. Ни растений, ни животных, ни бактерий. Может быть, так выглядела Земля, когда на ней появилась жизнь? Хотя эта проблема издавна волнует многих исследователей, их мнения на этот счёт сильно различаются. Об условиях на Земле того времени могли бы свидетельствовать горные породы, но они давно разрушились в результате геологических процессов и перемещений земной коры.

Как считает известный специалист в области проблемы возникновения жизни Стэнли Миллер, о возникновении жизни и начале её эволюции можно говорить с того момента, как органические молекулы самоорганизовывались в структуры, которые смогли воспроизводить самих себя. Но это порождает другие вопросы: как возникли молекулы; почему они могли самовоспроизводиться и собираться в те структуры, которые дали начало живым организмам; какие нужны для этого условия?

В 1924 году русским биохимиком Александром Ивановичем Опариным, а позднее, в 1929 году, Дж. Холдейном была высказана гипотеза о возникновении жизни как результате длительной эволюции углеродных соединений, которая легла в основу современных представлений. Александр Иванович Опарин исходил из того, что возникновение живых существ из неживой природы невозможно в современных условиях. Абиогенное возникновение живой материи, возможно, было только в условиях древней атмосферы. Доказать это можно логически, проанализировав историю возникновения Земли и формирования атмосферы.

Возраст Земли составляет около 5 миллиардов лет. Предполагается, что Солнце и планеты Солнечной системы возникли из облака космической пыли. За счёт движения (вращения) и сил гравитации всё новые и новые частицы увеличивали массу Земли. При этом силы гравитации возрастали, плотность Земли увеличивалась и происходило её разогревание. Как и всякое разогретое тело, Земля остывала, переходила из газообразного в жидкое состояние, а затем на её поверхности начала формироваться твёрдая корка. В результате этих процессов происходили химические реакции, тяжёлые вещества оседали к центру и образовывали ядро Земли, а более лёгкие - оболочку. За счёт сил гравитации Земля удерживала газовую оболочку. По мере её охлаждения из конденсировавшихся в верхних слоях атмосферы водяных паров образовались моря и океаны. С разогретой поверхности Земли, горячих морей и океанов интенсивно испарялась вода, которая, конденсируясь в верхних слоях атмосферы, опять возвращалась в виде обильных ливней. Всё это сопровождалось грозами. Частые и мощные электрические разряды - один из источников энергии, который мог использоваться для абиогенного синтеза органических соединений. Для таких же целей источником энергии могли служить жёсткое ультрафиолетовое излучение (из-за отсутствия в атмосфере Земли кислорода, а значит, и озонового экрана), радиация высоких энергий и тепловая энергия земных недр.

Большинство исследователей сходятся на том, что в процессе образования атмосферы участвовали реакции, сформировавшие многочисленные газообразные соединения. Основными из них являются гидриды (метан, аммиак, вода газообразная), а также водород и некоторые другие газы, но при полном отсутствии газообразного кислорода.

Согласно одной из гипотез жизнь началась в кусочке льда. Хотя многие учёные полагают, что присутствующий в атмосфере углекислый газ обеспечивал поддержание тепличных условий, другие считают, что на Земле господствовала зима. При низкой температуре все химические соединения более стабильны и поэтому могут накапливаться в больших количествах, чем при высокой температуре. Занесенные из космоса осколки метеоритов, выбросы из гидротермальных источников и химические реакции, происходящие при электрических разрядах в атмосфере, были источниками аммиака и таких органических соединений, как формальдегид и цианид. Попадая в воду Мирового океана, они замерзали вместе с ней. В ледяной толще молекулы органических веществ тесно сближались и вступали во взаимодействия, которые приводили к образованию глицина и других аминокислот. Океан был покрыт льдом, который защищал вновь образовавшиеся соединения от разрушения под действием ультрафиолетового излучения. Этот ледяной мир мог растаять, например, при падении на планету огромного метеорита (рис. 1).

Чарлз Дарвин и его современники полагали, что жизнь могла возникнуть в водоёме. Этой точки зрения многие учёные придерживаются и в настоящее время. В замкнутом и сравнительно небольшом водоёме органические вещества, приносимые впадающими в него водами, могли накапливаться в необходимых количествах. Затем эти соединения ещё больше концентрировались на внутренних поверхностях слоистых минералов, которые могли быть катализаторами реакций. Например, две молекулы фосфатальдегида, встретившиеся на поверхности минерала, реагировали между собой с образованием фосфорилированной углеводной молекулы - возможного предшественника рибонуклеиновой кислоты (рис. 2).

А может быть, жизнь возникла в районах вулканической деятельности? Непосредственно после образования Земля представляла собой огнедышащий шар магмы. При извержениях вулканов и с газами, высвобождавшимися из расплавленной магмы, на земную поверхность выносились разнообразные химические вещества, необходимые для синтеза органических молекул. Так, молекулы угарного газа, оказавшись на поверхности минерала пирита, обладающего каталитическими свойствами, могли реагировать с соединениями, имевшими метильные группы, и образовывать уксусную кислоту, из которой затем синтезировались другие органические соединения.

 

Образование первичных органических соединений

Впервые получить органические молекулы - аминокислоты - в лабораторных условиях, моделирующих те, что были на первобытной Земле, удалось американскому учёному Стэнли Миллеру в 1952 году. Тогда эти эксперименты стали сенсацией, и их автор получил всемирную известность. В настоящее время он продолжает заниматься исследованиями в области предбиотической (до возникновения жизни) химии в Калифорнийском университете. Установка, на которой был осуществлён первый эксперимент, представляла собой систему колб, в одной из которых можно было получить мощный электрический разряд при напряжении 100000 В. Миллер заполнил эту колбу природными газами - метаном, водородом и аммиаком, которые присутствовали в атмосфере первобытной Земли. В колбе, расположенной ниже, было небольшое количество воды, имитирующей океан. Электрический разряд по своей силе приближался к молнии, и Миллер ожидал, что под его действием образуются химические соединения, которые, попав затем в воду, прореагируют друг с другом и образуют более сложные молекулы. Результат превзошёл все ожидания. Выключив вечером установку и вернувшись на следующее утро, Миллер обнаружил, что вода в колбе приобрела желтоватую окраску. То, что образовалось, оказалось бульоном из аминокислот - строительных блоков белков. Таким образом, этот эксперимент показал, как легко могли образоваться первичные ингредиенты живого. Всего-то и нужны были - смесь газов, маленький океан и небольшая молния. Другие учёные склонны считать, что древняя атмосфера Земли отличается от той, которую моделировал Миллер, и состояла, скорее всего, из углекислого газа и азота. Используя эту газовую смесь и экспериментальную установку Миллера, химики попытались получить органические соединения. Однако их концентрация в воде была такой ничтожной, как если бы растворили каплю пищевой краски в плавательном бассейне. Естественно, трудно себе представить, как могла возникнуть жизнь в таком разбавленном растворе. Если действительно вклад земных процессов в создание запасов первичного органического вещества был столь незначителен, то откуда оно вообще взялось? Может быть, из космоса? Астероиды, кометы, метеориты и даже частицы межпланетной пыли могли нести на себе органические соединения, включая аминокислоты. Эти внеземные объекты могли обеспечить попадание в первичный океан или небольшой водоём достаточного для зарождения жизни количества органических соединений. Последовательность и временной интервал событий, начиная от образования первичного органического вещества и кончая появлением жизни как таковой, остаётся и, наверное, навсегда останется загадкой, волнующей многих исследователей, равно как и вопрос, что собственно, считается жизнью.

 

Что считать жизнью?

В настоящее время существует несколько научных определений жизни, но все они не точны. Одни из них настолько широки, что под них попадают такие неживые объекты, как огонь или кристаллы минералов. Другие - слишком узки, и в соответствии с ними мулы, не дающие потомства, не признаются живыми.

Одно из наиболее удачных определяет жизнь как самоподдерживающуюся химическую систему, способную вести себя в соответствии с законами дарвиновской эволюции. Это значит, что, во-первых, группа живых особей должна производить подобных себе потомков, которые наследуют признаки родителей. Во-вторых, в поколениях потомков должны проявляться последствия мутаций - генетических изменений, которые наследуются последующими поколениями и обуславливают популяционную изменчивость. И, в-третьих, необходимо, чтобы действовала система естественного отбора, в результате которого одни особи получают преимущество перед другими и выживают в изменившихся условиях, давая потомство.

Какие же элементы системы были необходимы, чтобы у неё появились характеристики живого организма? Большое число биохимиков и молекулярных биологов считают, что необходимыми свойствами обладали молекулы РНК. Рибонуклеиновые кислоты - это особенные молекулы. Одни из них могут реплицироваться, мутировать, таким образом, передавая информацию, и, следовательно, они могли участвовать в естественном отборе. Правда, они не способны сами катализировать процесс репликации, хотя учёные надеются, что в недалёком будущем будет найден фрагмент РНК с такой функцией. Другие молекулы РНК задействованы в "считывании" генетической информации и передаче её на рибосомы, где происходит синтез белковых молекул, в котором принимают участие молекулы РНК третьего типа.

Таким образом, самая примитивная живая система могла быть представлена молекулами РНК, удваивающимися, подвергающимися мутациям и подверженными естественного отбору. В ходе эволюции на основе РНК возникли специализированные молекулы ДНК - хранители генетической информации - и не менее специализированные молекулы белка, взявшие на себя функции катализаторов синтеза всех известных в настоящее время биологических молекул.

В некий момент времени "живая система" из ДНК, РНК и белка нашла приют внутри мешочка, образованного липидной мембраной, и эта более защищённая от внешних воздействий структура послужила прототипом самых первых клеток, давших начало трём основным ветвям жизни, которые представлены в современном мире бактериями, археями и эукариотами. Что касается даты и последовательности появления таких первичных клеток, то это остаётся загадкой. Кроме того, по простым вероятностным оценкам для эволюционного перехода от органических молекул к первым организмам не хватает времени - первые простейшие организмы появились слишком внезапно.

В течение многих лет учёные полагали, что жизнь вряд ли могла возникнуть и развиваться в тот период, когда Земля постоянно подвергалась столкновениям с большими кометами и метеоритами, а завершился этот период примерно 3,8 миллиарда лет тому назад. Однако недавно в самых древних на Земле осадочных породах, найденных в юго-западной части Гренландии, были обнаружены следы сложных клеточных структур, возраст которых составляет, по крайней мере, 3,86 миллиардов лет. Значит, первые формы жизни могли возникнуть за миллионы лет до того, как прекратилась бомбардировка нашей планеты крупными космическими телами. Но тогда возможен и совсем другой сценарий (рис. 4). Органическое вещество попадало на Землю из космоса вместе с метеоритами и другими внеземными объектами, бомбардировавшими планету в течение сотен миллионов лет с момента её образования. Ныне столкновение с метеоритом - событие довольно редкое, но и сейчас из космоса вместе с межпланетным материалом на Землю продолжают поступать точно такие же соединения, как и на заре жизни.

Падавшие на Землю космические объекты могли сыграть центральную роль в возникновении жизни на нашей планете, так как, по мнению ряда исследователей, клетки, подобные бактериям, могли возникнуть на другой планете и затем уже попасть на Землю вместе с астероидами. Одно из свидетельств в пользу теории внеземного происхождения жизни было обнаружено внутри метеорита, по форме напоминающего картофелину и названного ALH84001. Первоначально этот метеорит был частичкой марсианской коры, которая затем была выброшена в космос в результате взрыва при столкновении огромного астероида с поверхностью Марса, происшедшего около 16 миллионов лет назад. А 13 тысяч лет назад после длительного путешествия в пределах Солнечной системы этот осколок марсианской породы в виде метеорита приземлился в Антарктике, где и был недавно обнаружен. При детальном исследовании метеорита внутри него были обнаружены палочковидные структуры, напоминающие по форме окаменелые бактерии, что дало повод для бурных научных споров о возможности жизни в глубине марсианской коры. Разрешить эти споры удастся только тогда, осуществится программа полёта на Марс межпланетного корабля для отбора проб марсианской коры и доставки образцов на Землю. И если учёным удастся доказать, что микроорганизмы когда-то населяли Марс, то о внеземном возникновении жизни и о возможности занесения жизни из Космоса можно будет говорить с большей долей уверенности.

 

Эволюция жизни на Земле

 

В настоящее время, да, наверное, и в будущем, наука не сможет дать ответ на вопрос, как выглядел самый первый организм, появившийся на Земле, - предок, от которого берут начало три основные ветви древа жизни. Одна из ветвей - эукариоты, клетки которых имеют оформленное ядро, содержащее генетический материал, и специализированные органеллы: митохондрии, вырабатывающие энергию, вакуоли и др. К эукариотным организмам относятся водоросли, грибы, растения, животные и человек.

Вторая ветвь - это бактерии - прокариотные (доядерные) одноклеточные организмы, не имеющие выраженного ядра и органелл. И наконец, третья ветвь - одноклеточные организмы, именуемые археями, или архебактериями, клетки которых имеют такое же строение, как и у прокариот, но совсем другую химическую структуру липидов.

Многие архебактерии способны выживать в крайне неблагоприятных экологических условиях. Некоторые из них являются термофилами и обитают только в горячих источниках с температурой 90С и даже выше, где другие организмы попросту погибли бы. Превосходно чувствуя себя в таких условиях, эти одноклеточные организмы потребляют железо и серосодержащие вещества, а также ряд химических соединений, токсичных для других форм жизни. По мнению учёных, найденные термофильные архебактерии являются крайне примитивными организмами и в эволюционном отношении - близкими родственниками самых древних форм жизни на Земле. Интересно, что современные представители всех трёх ветвей жизни, наиболее похожие на своих прародителей, и сегодня обитают в местах с высокой температурой. Исходя из этого, некоторые учёные склонны считать, что, вероятнее всего, жизнь возникла около 4 миллиардов лет тому назад на дне океана вблизи горячих источников, извергающих потоки, богатые металлами и высокоэнергетическими веществами. Взаимодействуя друг с другом и с водой стерильного тогда океана, вступая в самые разнообразные химические реакции, эти соединения дали начало принципиально новым молекулам. Так, в течение десятков миллионов лет в этой "химической кухне" готовилось самое большое блюдо - жизнь. И вот около 4,5 миллиардов лет назад на Земле появились одноклеточные организмы, одинокое существование которых продолжалось весь докембрийский период.

Всплеск эволюции, давший начало многоклеточным организмам, произошёл гораздо позже, немногим более полумиллиарда лет назад. Хотя размеры микроорганизмов столь малы, что в одной капле воды могут поместиться миллиарды, масштабы проведённой ими работы грандиозны.

Полагают, что первоначально в земной атмосфере и Мировом океане не было свободного кислорода, и в этих условиях жили и развивались лишь анаэробные микроорганизмы. Особым шагом в эволюции живого было возникновение фотосинтезирующих бактерий, которые, используя энергию света, превращали углекислый газ в углеводные соединения, служащие пищей для других микроорганизмов. Если первые фотосинтетики выделяли метан или сероводород, то появившиеся однажды мутанты начали вырабатывать в процессе фотосинтеза кислород. По мере накопления кислорода в атмосфере и водах анаэробные бактерии, для которых он губителен, заняли бескислородные ниши.

В древних ископаемых остатках, найденных в Австралии, возраст которых исчисляется 3,46 миллиардов лет, были обнаружены структуры, которые считают остатками цианобактерий - первых фотосинтезирующих микроорганизмов. О былом господстве анаэробных микроорганизмов и цианобактерий свидетельствуют строматолиты, встречающиеся в мелководных прибрежных акваториях не загрязнённых солёных водоёмов. По форме они напоминают большие валуны и представляют интересное сообщество микроорганизмов, живущее в известняковых или доломитовых породах, образовавшихся в результате их жизнедеятельности. На глубину нескольких сантиметров от поверхности строматолиты насыщены микроорганизмами: в самом верхнем слое обитают фотосинтезирующие цианобактерии, вырабатывающие кислород; глубже обнаруживаются бактерии, которые до определённой степени терпимы к кислороду и не нуждаются в свете; в нижнем слое присутствуют бактерии, которые могут жить только в отсутствии кислорода. Расположенные в разных слоях, эти микроорганизмы составляют систему, объединённую сложными взаимоотношениями между ними, в том числе пищевыми. За микробной плёнкой обнаруживается порода, образующаяся в результате взаимодействия остатков отмёрших микроорганизмов с растворённым в воде карбонатом кальция. Учёные считают, что когда на первобытной Земле ещё не было континентов, и лишь архипелаги вулканов возвышались над поверхностью океана, мелководье изобиловало строматолитами.

В результате жизнедеятельности фотосинтезирующих цианобактерий в океане появился кислород, а примерно через 1 миллиард лет после этого он начал накапливаться в атмосфере. Сначала образовавшийся кислород взаимодействовал с растворённым в воде железом, что привело к появлению окислов железа, которые постепенно осаждались на дне. Так в течение миллионов лет с участием микроорганизмов возникли огромные залежи железной руды, из которой сегодня выплавляется сталь.

После того как фотосинтезирующиеся цианобактерии создали из углекислого газа определённый запас богатого энергией органического вещества и обогатили земную атмосферу кислородом, возникли новые бактерии - аэробы, которые могут существовать только в присутствии кислорода. Кислород им необходим для окисления (сжигания) органических соединений, а значительная часть получаемой энергии превращается в биологически доступную форму - аденозинтрифосфат (АТФ). Этот процесс энергетически очень выгоден: анаэробные бактерии при разложении одной молекулы глюкозы получают только две молекулы АТФ, а аэробные бактерии, использующие кислород, - 36 молекул АТФ.

С появлением достаточного для аэробног образа жизни количества кислорода дебютировали и эукариотные клетки, имеющие в отличие от бактерий ядро и такие органеллы, как митохондрии, лизосомы, а у водорослей и высших растений - хлоропласты, где совершаются фотосинтетические реакции. По поводу возникновения и развития эукариот существует интересная и вполне обоснованная гипотеза, высказанная почти 30 лет назад американским исследователем Л. Маргулисом. Согласно этой гипотезе митохондрии, выполняющие функции фабрик энергии в эукариотной клетке, - это аэробные бактерии, а хлоропласты растительных клеток, в которых происходит фотосинтез, - цианобактерии, поглощённые, вероятно, около двух миллиардов лет назад примитивными амёбами. В результате взаимовыгодных взаимодействий поглощённые бактерии стали внутренними симбионитами и образовали с поглотившей их клеткой устойчивую систему - эукариотную клетку.

Исследования ископаемых останков организмов в породах разного геологического возраста показали, что на протяжении сотен миллионов лет после возникновения эукариотные формы жизни были представлены микроскопическими шаровидными одноклеточными организмами, такими как дрожжи, а их эволюционное развитие протекало очень медленными темпами. Но немногим более 1 миллиарда лет назад возникло множество новых видов эукариот, что обозначило резкий скачок в эволюции жизни.

Прежде всего это было связано с появлением полового размножения. И если бактерии и одноклеточные эукариоты размножались, производя генетически идентичные копии самих себя и не нуждаясь в половом партнёре, то половое размножение у более высокоорганизованных эукариотных организмов происходит следующим образом. Две гаплоидные, имеющие одиарный набор хромосом половые клетки родителей, сливаясь, образуют зиготу, имеющую двойной набор хромосом с генами обоих партнёров, что создаёт возможности для новых генных комбинаций. Возникновение полового размножения привело к появлению новых организмов, которые и вышли на арену эволюции.

Три четверти всего времени существования жизни на Земле она была представлена исключительно микроорганизмами, пока не произошёл качественный скачок эволюции, приведший к появлению высокоорганизованных организмов, включая человека. Проследим основные вехи в истории жизни на Земле.

Четыре миллиарда лет назад загадочным образом возникла РНК. Возможно, что она образовалась из появившихся на первобытной Земле более простых органических молекул. Полагают, что древние молекулы РНК имели функции носителей генетической информации и белков-катализаторов, они были способны к репликации (самоудвоению), мутировали и подвергались естественному отбору. В современных клетках РНК не имеют или не проявляют этих свойств, но играют очень важную роль посредника в передаче генетической информации с ДНК на рибосомы, в которых происходит синтез белков.

Миллиарда лет назад появились одноклеточные организмы, которые, вероятно, выглядели, как современные бактерии, и архебактерии. Как древние, так и современные прокариотные клетки устроены относительно просто: они не имеют оформленног ядра и специализированных органелл, в их желеподобной цитоплазме располагаются макромолекулы ДНК - носители генетической информации, и рибосомы, на которых происходит синтез белка, а энергия производится на цитоплазматической мембране, окружающей клетку.

Два миллиарда лет назад появились сложноорганизованные эукариотные клетки, когда одноклеточные организмы усложнили своё строение за счёт поглощения других прокариотных клеток. Одно из них - аэробные бактерии - превратились в митохондрии - энергетические станции кислородного дыхания. Другие - фотосинтетические бактерии - начали осуществлять фотосинтез внутри клетки-хозяина и стали хлоропластами в клетках водорослей и растений. Эукариотные клетки, имеющие эти органеллы и чётко обособленное ядро, включающее генетический материал, составляют все современные сложные формы жизни - от плесневых грибов до человека.

III. Появление человека.

12. Биологическая и социальная эволюция человека.

13. Возрастание степени влияния человека на биосферу.

14.Превращение человека в величайший геологический фактор, изменение человеком облика Земли, образование техносферы .

IV. Превращение биосферы в ноосферу – «сферу разума»

15. Перестройка планетарных процессов под влиянием сознательной деятельности людей.

Согласно теории В. И. Вернадского, разрушительная деятельность человека в биосфере должна смениться сферой разума – ноосферой, «эволюцией, управляемой сознанием».

 

Концепция устойчивого развития

 

1992 году на первом Всемирном Саммите земли под эгидой Комиссии ООН по окружающей среде и развитию обсуждались проблемы устойчивого развития Планеты. Главами государств 179 стран мира была принята Повестка дня на XXI век, которая является беспрецедентным глобальным планом действий в интересах устойчивого развития и представляет собой крупнейшее достижение в плане обеспечения комплексного рассмотрения экологических, экономических и социальных проблем на основе единой стратегии. Повестка дня на XXI век содержит свыше 2500 рекомендаций, включая подробные предложения относительно методов преодоления неэффективных структур потребления, борьбы с нищетой, охраны атмосферы, океанов и биологического разнообразия и поощрения устойчивого сельского хозяйства.

Предложения, изложенные в Повестке дня на XXI век, были дополнены и доработаны на нескольких крупных конференциях ООН по проблемам народонаселения, социального развития, городов и продовольственной безопасности, в частности во время Всемирного саммита по устойчивому развитию в Йоханнесбурге в 2002 году.

Устойчивое развитие предполагает повышение качества жизни всего населения планеты без увеличения масштабов использования природных ресурсов до степени, превышающей возможности Земли как экологической системы. Усилия по формированию устойчивого образа жизни предполагают комплексный подход к деятельности в трех ключевых областях:

Экономический рост и справедливость - применение комплексного подхода к стимулированию долгосрочного экономического роста.

Сохранение природных ресурсов и охрана окружающей среды – поиск экономически приемлемых решений проблемы сокращения потребления ресурсов, прекращения загрязнения окружающей среды и сохранения природной среды обитания.

Социальное развитие – удовлетворение потребностей людей в рабочих местах, продовольствии, образовании, энергии, медицинской помощи, воде и санитарии; бережное отношение к богатому культурному и социальному разнообразию и соблюдение прав трудящихся; обеспечение возможностей всех членов общества участвовать в принятии решений, влияющих на их дальнейшую судьбу.

 

 

Учебно-методический комплекс

 

по модулю «Концепции современного естествознания»

 

 

                                                                                    Составитель: Величкин В.Е.      

 

Москва-2011

 

 

 Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля/ дисциплины

а) Основная литература

1. Горелов А. А. Концепции современного естествознания. М.: Академия, 2008.

 

б) Дополнительная литература

2.  Абдрашитова Э.И. Концепции современного естествознания. Учебное пособие, изд-во МГОУ, 2008г.

3. Канке В. А. Концепции современного естествознания. М., 2003.

4. Горбачев В. В. Концепции современного естествознания. М., 2003.

5. Карпенков С. Х. Концепция современного естествознания. М., 2003.

6. Найдыш В. М. Концепция современного естествознания. М., 2005.

7. Грядовой Д. И. Концепция современного естествознания. М., 2003.

8. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. М., 2003.

9.  Кохановский В. П., Лешкович Т. Г., Митяш Т. П., Фатхли Т. Б. Основы философии науки. Ростов н/Д, 2004.

10. Концепции современного естествознания: под ред. С.И. Самыгина. Ростов н/Д: «Феникс», 2003.

11. Садохин А. П. Концепции современного естествознания. М.: «Омега-Л», 2006.

12. Скопин А. Ю. Концепции современного естествознания. М., 2003.

13. Белкин П. Н. Концепции современного естествознания. М., 2004.

14. Стрельников О. Н. Концепции современного естествознания. М., 2005.

15. Гриб А.А. Концепции современного естествознания. М., 2003.

16. Лихин А. Ф. Концепции современного естествознания. М., 2004.

17. Горбачев В. Ф., Безденежных В. М. Концепции современного естествознания. М., 2004.

18. Бабушкин А.Н. Современные концепции естествознания. С.-Петербург: «Лань». 2001.

19. Соломатин В.А. История и концепции современного естествознания. М.: ПЕР СЭ. 2002.

20. Торосян В.Г. Концепции современного естествознания. М.: Высшая школа. 2002.

21. Тестовый контроль по курсу «Концепции современного естествознания» / под ред. Р. М. Голубева, -М., 2004.

22. Концепции современного естествознания / под ред. Р. М. Голубева, -М., 2004.

 

в) информационное обеспечение (, программные средства, мультимедиа технологии)

Интернет- ресурсы:

1) Концепции современного естествознания. Учебное пособие. Тестовый материал. http://nrc.edu.ru/ est

2) Концепции современного естествознания. Конспекты лекций. http://www.limm.mgimo.ru/science/lect_1/html

3) Концепции современного естествознания. Учебник. http://www.alleng.ru/edu/natur2/htm

 

Дидактический материал:

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: