Концепции современного естествознания

 

 

Концепции современного естествознания.

1. Наука в современном мире. История естествознания. Этапы развития. Методы познания. Социальная функция науки.

 

О, сколько нам открытий чудных

Готовит просвещенья дух,

И опыт – сын ошибок трудных

И Гений, парадоксов друг.

А.С.Пушкин

 

Накануне очередного тысячелетия человечество переживает бурный научно-технический подъем. Объем научной информации в наш век за каждые 10-15 лет удваивается. 90% ученых, когда-либо живших на Земле, - наши современники. В мире сейчас насчитывается более 12 тысяч научных дисциплин. Курс «Концепции современного естествознания» направлен на формирование целостного взгляда на окружающий мир. Существует два взгляда на науку: с одной стороны это продукт, созданный человеком; с другой – элемент человеческой культуры, отображающий объективно существующий мир.

Основу современного естествознания составляют:

 

Люди современного вида появились на Земле по данным антропологов примерно 50 тыс. лет назад. Численность их была невелика, в начале н.э. ~ 200 млн. чел.

Стремление к познанию Природы было заложено в глубинах человеческого разума и составляет важнейшую суть Человека. Деятельность человека, основанная на любознательности, является предпосылкой прогресса – духовного и материального. Социальные и технические достижения человечества имели место и в эпохи камня, бронзы и железа. Освоение огня, колеса, паруса было великим достижением разума!

Но на протяжении тысячелетий знания человека накапливались медленно. Темпы их накопления мало отличались от темпов биологического развития. Однако, начиная примерно с эпохи Возрождения, знания человека о природе стали пополнятся во все возрастающем масштабе. Прошло всего около 300 лет с того времени, как Кеплер открыл законы движения планет. Затем был Ньютон. Позже Лавуазье обнаружил кислород, а Дарвин закончил труд о возникновении видов. В 1834г. Горянинов открыл клеточное строение организмов. В 1859г. Пьер Кюри обнаружил радий и уже совсем «вчера» изобретено радио, разработаны основы воздухоплавания и космических полетов, созданы электрические машины, ЭВМ, получена атомная энергия, система Интернет и т.д. Все это занимает лишь маленькую толику времени в масштабе многотысячелетней эволюции человека.

Таким образом, современная цивилизация находится в младенческом возрасте и наши знания и опыт в области естествознания весьма несовершенны.

Сейчас мы являемся участниками просто ошеломляющих темпов мирового научно-технического прогресса – результат возросшей образованности и технического оснащения науки. «Наука – нервная система эпохи», - говорил еще А.М.Горький.

Резко сокращается время от научных разработок до их практического освоения. Так если идея создания телефона была высказана в 1820г., а опытный образец появился в 1876г., т.е. через 56 лет, то радио преодолело этот путь за 35, радар – за 15, телевизор – за 14, лазер – 9, атомная бомба – за 6, транзистор – всего за 5 лет.

Границы наших познаний в области естествознания раздвинулись необычайно широко. Познано огромное количество свойств и явлений природы. Мы знаем, что все тела состоят из атомов, молекул или ионов. Атомы в свою очередь имеют сложную структуру. Познаны явления в Солнечной системе, движение звезд и галактик, процессы в недрах звезд и т.д. в области биологии объяснен механизм наследственности, в 1943г. определена химическая природа гена, начата расшифровка ДНК и т.д. Однако и сейчас есть еще непознанные явления. Но есть уверенность, что они будут объяснены.

Процесс познания человека – это творческий процесс. Методом проб и ошибок человек познавал природу, накапливал и наследовал опыт. Этот опыт часто замыкался в определенной среде (жрецы, например, в Египте). Человек не только созерцал природные явления, но и пытался осмыслить их. Вначале ему было свойственно, не находя объяснения, обожествлять наблюдаемое. Так формировались религии. Созданные разными цивилизациями религии затем стали тормозом в развитии мысли, т.к. ограничивали стремление осмыслить наблюдаемое, ответить на вопрос: почему? Религия требует только веры, наука требует доказательства. Опыт человека становился научным, когда он обобществлялся на основе закона причинности. Определение причины всегда должно выражаться в следствиях. Человек стал не только наблюдателем (Кеплер, Галилей), но и экспериментатором (Резерфорд, Королев и др.). Критерием верности научного вывода является его подтверждения практикой (опытом). Полученные из наблюдений эмпирические данные обобщаются логическими методами – индукцией и дедукцией. Роль диалектики в развитии науки была показана позже, начиная с Канта и Гегеля.

Выбрав объект исследования, и поставив перед собой цель, ученый путем абстракции выделяет в изучаемом явлении самое главное, создает модель и исследует ее. На основе полученных результатов создаются гипотезы. После экспериментальной проверки и подтверждения основных выводов гипотеза становится теорией. Далеко не всегда научный поиск обусловлен потребностями производства, практики.

Наука и этика. Преобразующая роль науки в современной цивилизации общепризнанна. Люди в отличие от животных обеспечивают свое благосостояние, преобразуя природу, опираясь на знания, а не приспосабливаясь к ней. Известно, что хороший специалист в любой отрасли это тот человек, который усвоил опыт предыдущих поколений. Особенность человеческого рода состоит еще и в том, что люди организуют обучение, организуют передачу и усвоение опыта от поколения к поколению.

Благодаря достижениям естествознания за последнее столетие мощь человека возросла настолько, что стала иногда соперничать с мощью самой Природы. Успехи науки не только изменили образ жизни человека, но стали все сильнее влиять и на облик окружающей среды, нарушая естественное равновесие вещей и явлений, свойственное Природе. Кроме положительных все заметнее становятся и отрицательные результаты. Истощаются полезные ископаемые, исчезают отдельные виды животных и растений (Красная книга), загрязняется воздух, почва, водные источники. В среду обитания человека вторглись чуждые для него тяжелые элементы, фунгициды, инсектициды, промышленные и бытовые отходы в огромных количествах, которые Природа естественным образом переработать не в состоянии. Люди все больше стали задумываться о последствиях научно-технического прогресса, о том, что оставят потомкам – цветущую Землю или безжизненную планету.

Вопросы этики в науке не новы. Человек с незапамятных времен должен был делать выбор между добром и злом в своих поступках. Вопросы этики связаны не с разрушительной или созидательной сущностью науки, а с путями и способами реализации ее результатов, а они зависят от тех, кто делает выбор (нож в руках врача и разбойника, атом мирный и бомба и т.п.). Академик П.Л.Капица по этому поводу говорит, что будущее будет иметь та цивилизация, в которой духовная культура соответствует требованиям эволюционного развития человечества… В ходе социальной эволюции происходит своеобразный отбор. Вопрос, таким образом, из чисто научного переходит в социально-политический (наука дает возможность, например, накормить и обеспечить сейчас благосостояние всех людей мира, однако в некоторых станах миллионы людей гибнут от голода и болезней).

Жизнь на земле пока уникальное явление во Вселенной и в этом смысле обязанность человечества сохранить ее.

Цель настоящего курса дать самые общие (фундаментальные) представления о картине мира, основных достижениях человечества в области естествознания, заострить заодно внимание на большой ответственности каждого за выбор пути – к процветанию цивилизации на Земле или к глобальной катастрофе.

Тяга к природе заложена в каждом нормальном человеке генетически. C помощью машин человек увеличил свою мощь, но чтобы он особенно не гордился своими победами и не зазнавался, Природа, как коварная женщина, периодически напоминает о своем превосходстве различными катаклизмами: бурями, землетрясениями, наводнениями. Понимание Природы, земных и внеземных явлений и законов украшает нашу жизнь, расширяет наше миропонимание, формирует наше  мировоззрение, меняют весь наш образ жизни.

 


2. Мегамир, в котором мы живем: Земля, Солнечная система, Галактика, Вселенная. Крупномасштабная структура Вселенной. Эволюция Вселенной.

 

Если то, что мы называем Вселенной, зародилось случайно из атомов, которые неутомимы в своем вихревом движении, то как случилось, что ты так прекрасна…

Дж.Холл (XVII век)

 

Прошли те «чудесные» времена, когда все было ясно и Земля считалась центром Вселенной, покоящейся на трех китах… Разум человека проник далеко за пределы Земли, в глубины Вселенной. Сегодня наши знания о Вселенной опираются на результаты исследований большого числа ученых всех стран. И хотя они далеко не полны, мы можем дать современное представление о структуре и эволюции Вселенной.

Итак, Земля не центр Вселенной, а входит в состав Солнечной системы, а Солнце – составная часть Галактики (Млечный Путь). Кроме Солнца в нашу Галактику входит еще 1011 звезд с массами от 0,1 до 100 солнечных. Галактика имеет форму линзы диаметром 80 тыс. световых лет (45 × 1016 км) и толщиной ~ 30 тыс. световых лет (7,5 × 1016 км).

Кроме звезд, Галактика содержит межзвездный газ. Угловая скорость вращения частей Галактики различна. Наше Солнце отстоит от центра Галактики на 30 · 1016 км, его скорость 250 км/с, т.е. оно делает один оборот примерно за 180 млн. лет. Самая ближайшая к нам звезда – соседка (a-Центавра) удалена от Солнца на 4,2 световых года.

Во Вселенной имеется большое количество галактик, подобных нашей, огромные расстояния между ними ~ 1019 км. Есть карликовые галактики с массой на 4 порядка меньше нашей Галактики. Гигантские эллиптические галактики в десятки раз превосходят нашу. В центральных их частях находятся ядра, обнаруживающие сильные выбросы вещества. Светимость и другие свойства галактик неодинаковы. До ближайшей к нам галактики (_аммовым_вы облака) расстояние ~ 200 тыс. световых лет, а до туманности Андромеды 1800 тыс. световых лет.

Как не велики галактики, но не они являются основными структурными элементами Вселенной. Большинство из них, в том числе и наша, входят в скопления, насчитывающие до тысячи галактик. Наблюдения показывают, что скопления галактик разбегаются в разные стороны со скоростями V тем большими, чем больше расстояние r между ними: V=Hr (закон Хаббла). Коэффициент Н составляет по современным измерениям 

(1Мпс – Мегапарсек, парсек – расстояние, проходимое светом за 3,26 года, т.е. 1Мпс » 3 · 1022 м).

Расширение Вселенной было предсказано Фридманом в 1924г. и подтверждено астрономом Хабблом в 1936г. (красное смещение – эффект _аммовы (см. формулу 7.4)).

В теории Фридмана есть два решения относительно будущего Вселенной: 1) она будет неограниченно расширяться; 2) расширение сменится сжатием в точку – циклическое развитие. Выбор варианта зависит от некоторого параметра – критической плотности масс Вселенной (примерно 3 атома на 1 м3). Недавно американские астрономы с помощью спутника определили плотность массы Вселенной – она оказалась близкой к критической (~1,1 · 10-26 кг/м3). Однако масса во Вселенной имеет и невидимые составляющие («черные дыры», гравитационное поле, нейтрино и т.д.). Их скрытая масса может быть значительно больше, чем масса вещества в звездах и галактиках. Это предположение склоняет ученых к второму варианту развития Вселенной: через миллиарды лет она опять сожмется в точку. Исчезнет и пространство и время, ибо ничто не имеет измерений. Затем начнется новый цикл развития. Сколько раз он повторяется? Возраст Вселенной по современным расчетам 13-15 млрд.лет. Химический состав: ѕ (по массе) водород, ј – гелий + 1% прочих элементов.

Теория «Большого взрыва» и модель рождения Вселенной была разработана русским ученым Д. _аммовым. Вселенная стала расширяться из точки. Температура раскаленного шара после взрыва была ~ 1032К, он весь состоял из излучения. Он быстро остывал: через секунду Т=1010К, через минуту 109 (температура ядерного синтеза), через 106 лет формируются атомы. Взрыв должен был оставить «след» в виде специфического, так называемого реликтового излучения. Это теоретическое предположение в 1965г. нашло экспериментальное подтверждение – было открыто излучение миллиметровых радиоволн, по законам термодинамики рассчитана его нынешняя плотность и температура (~2,7К).

Каков же возраст Солнечной системы, Земли, Луны – этих крупинок мироздания? Естественно, они должны быть моложе Вселенной. Изучение распределения скоростей звезд в нашей Галактике, распад урана в земных породах и метеоритах, засоленность мирового океана и др. показало – возраст Солнечной системы ~ 5 млрд. лет.

Эволюция Солнца и звезд. Сейчас Солнце имеет малую плотность, т.к. гравитационному сжатию препятствует давление излучения изнутри, где поддерживается высокая температура термоядерной реакции превращения водорода в гелий. Когда исчерпается запас горючего в Солнце, температура его понизится и оно станет сжиматься. Конечный результат эволюции Солнца – это карлик с плотностью 103 кг/см3, с радиусом ~ 10 тыс. км., т.е. порядка радиуса Земли. Такое может произойти где-то через 5-10 млрд. лет – судьба звезды с небольшой массой. Но перед этим она пройдет стадию красного гиганта.

Чем больше масса звезды, тем больше гравитационные силы ее сжатия. По мере сжатия при плотности ~ 104 кг/см3 электроны вступают в реакцию с протонами с образованием нейтронов. Практически все вещество превращается в сгусток нейтронов – образуется нейтронная звезда. Теория предсказывает существование нейтронных звезд с массами до 2-3 массы Солнца радиусом 10-20 км и плотностью 1012 кг/см3. Нейтронные звезды образуются в результате коллапса (сброса оболочки взрывом) белых карликов. Сбросив часть массы, и существенно уменьшив свои размеры, нейтронные звезды сохраняют свой момент импульса и начинают очень быстро вращаться (см. гл.8 и пример № 5 в МУ). Обнаружено уже несколько сотен нейтронных звезд – пульсаров – источников периодических радио – или рентгеновских излучений.

Тело с массой больше трех масс Солнца будет при остывании сжиматься неограниченно – образуется «черная дыра» (обнаружена в системе Лебедь X-I). Поле тяготения черных дыр столь велико, что даже фотоны (свет) не могут его преодолеть. Чтобы «запереть» излучение звезда должна сжаться до объема с радиусом меньше гравитационного rг=2GM/C2 (см. пример №2 в МУ).

Солнечная система

Солнце относится к звездам относительно молодым. В фотосфере Солнца обнаружено более 70 элементов таблицы Менделеева. Однако основными по объему являются водород (~81,76%) и гелий (~18,16%). Солнце определяет температурный (тепловой) режим на поверхности Земли и в ее атмосфере. Ни один из регистрируемых видов солнечного излучения (от гамма-излучения до радиоволн) не позволяет проникнуть в недра Солнца, поэтому о процессах внутри Солнца, судят на основании той или иной математической модели. Ядро Солнца – это термоядерный реактор, в котором происходит синтез ядер гелия из ядер водорода (главным образом протон-протонный цикл (см гл.12 и 17)). При рождении одного ядра гелия выделяется энергия 25,8 МэВ. (1МэВ = 1,6 × 10-13 Дж).

На расстоянии ~0,7 Ro от центра Солнца температура падает настолько, что могут образовываться нейтральные атомы водорода и гелия (Т~106К, плотность ~10-2 г/cм3).

Экваториальные зоны Солнца совершают полный оборот вокруг солнечной оси за 35,38 дней. Было установлено, что по мере удаления от экватора угловая скорость осевого вращения уменьшается. Это присуще жидким и газовым средам.

Промежутки времени, когда на фотосфере Солнца не наблюдается никаких структур, называются периодами спокойного Солнца. Периоды эти кратковременны. Обычно, в фотосфере присутствуют структуры, называемые активными образованиями (факелы, поры, пятна). Пятна могут достигать размеров ~ 150 тыс.км, тогда их можно наблюдать невооруженным глазом. Большинство пятен исчезает через несколько дней, но чем крупнее пятно, тем дольше  оно «живет». Существует период солнечной активности со временем 11,2 года. Имеется ряд признаков, свидетельствующих о наличии циклов активности с периодом 80-90 лет и даже 400 лет, 600 лет и более.

Вспышкой называется внезапное резкое усиление яркости отдельных участков атмосферы Солнца. Время «жизни» вспышки – от нескольких десятков минут до нескольких часов. Вызванные вспышками сильные возмущения в атмосфере Солнца влияют на магнитосферу Земли и, следовательно, на биосферу.

В межпланетное пространство выбрасывается поток плазмы, текущей от Солнца со скоростью ~ 100¸1000 км с-1. Солнечный «ветер» - это поток протонов и электронов с небольшой примесью ионов гелия и некоторых других элементов. За счет этого Солнце ежегодно теряет до 10-14 своей массы. При резком усилении скорости солнечного «ветра» (а это случается во время вспышек на Солнце) на Земле возникают магнитные бури. Так, через излучение Солнца и межпланетное магнитное поле осуществляется непрерывное влияние Солнца на все процессы, происходящие на Земле. Это обуславливает солнечно-земные связи.

Солнечная система – плоская система. Орбиты планет практически лежат в плоскости орбиты Земли (плоскости эклиптики). Планеты подразделяются на две группы: планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты – гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Планеты гиганты быстро вращаются вокруг оси, обладают малой плотностью, по составу близки к Солнцу (в основном водород и гелий). Планеты земной группы сравнительно небольшие по диаметру, имеют малые массы, но высокую среднюю плотность, медленно вращаются вокруг оси, состоят в основном из металла и оксидов.

Особый интерес вызывает наличие или отсутствие воды на планетах земной группы. Наиболее «водной» является Земля: постоянная гидросфера (реки, моря, океаны: 70% поверхности земли), подповерхностные воды, ледяные щиты («полярные шапки» ~ 11% площади континентальных щитов), криосфера («вечная мерзлота»), значительная часть воды содержится в атмосфере Земли – одно из самых распространенных химических соединений: масса Н2О ~ 2 · 10-4 массы Земли. На поверхности Марса жидкой воды не наблюдается. Однако на снимках с космических станций видны многочисленные образования, воспринимаемые как русла высохших рек. Предполагается, что основная масса воды находится в марсианских полярных шапках в виде льда. У Венеры обнаружены следы водяного пара под нижним слоем сернистокислых облаков. У Меркурия воды нет из-за высокой температуры вследствие близости к Солнцу.

Планеты – гиганты находятся далеко от Солнца, имеют низкую температуру (-170°С, -200°С, -220°С, -230°С соответственно). Относятся к типу водородно-гелиевых планет. Средняя плотность планет – гигантов ~ 1г/см3.

Характерной особенностью всех планет – гигантов является наличие системы колец, плоскости которых расположены в плоскости экватора. Кольца состоят из большого числа сравнительно небольших глыб водяного льда с вкраплением замерзшего метана, аммиака и пыли.

 


3. Основные законы природы: законы сохранения импульса, момента импульса, энергии.

 

Как прекрасно почувствовать

единство явлений, которые

казались разрозненными.

А Эйнштейн

 

Рассматриваемые здесь фундаментальные законы природы прошли строгую проверку.

Закон сохранения импульса гласит: векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Импульс материальной точки, обладающей массой  m  и движущейся со скоростью  V,  есть векторная величина

                                                          (3.1)

Замкнутой системой называют любую совокупность тел, которые могут взаимодействовать между собой, но изолированы от внешних воздействий.

Рассмотрим пример двух шаров, которые имели скорости  и  до взаимодействия, и  после.

Рис 3.1

Так как при столкновении шары обменялись импульсами, то

m11 + m22 = m1 1 +m2 2.

Геометрическая сумма импульсов шара до взаимодействия равна сумме их импульсов после взаимодействия. Для системы тел:

i  i = const.                                     (3.2)

Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения (ракет, самолетов, катеров, некоторых животных). Основы движения и космических полетов в безвоздушном пространстве были разработаны русским ученым К.Э.Циолклвским и осуществлены на практике С.П.Королевым. Первым человеком, проникшим в космос, был Ю.А.Гагарин (12.04.1961г.).

Закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы тел относительно неподвижной точки не изменяется с течением времени:

                                      (3.3)

Моментом импульса материальной точки относительно неподвижной точки называется векторная величина L, равная произведению ее момента инерции J на угловую скорость ω (см. ниже гл.8).

                                       (3.4)

В механике различают два вида механической энергии:

А) Кинетическая, которая для материальной точки может быть записана

,                                      (3.5)

эта величина характеризует энергию, запасенную телом массой  m,  движущимся со скоростью  V.  Энергия измеряется в Джоулях.

Кинетическую энергию вращающегося тела можно найти как

                                        (3.6)

Если тело движется поступательно и вращается при этом (например, шар скатывается с наклонной плоскости), то:

                                                      (3.7)

б) Потенциальная энергия. Если, например, тело под действием силы тяжести  P=mg  изменило свое положение по высоте  h,  то изменение потенциальной энергии будет  ¦mgh¦.  

Закон сохранения энергии в механике. Рассмотрим пример превращения энергии при падении тела, принимаемого за материальную точку, с высоты  h  от поверхности Земли. В начале падения скорость тела Vo=0, кинетическая энергия Ек=0 и потенциальная энергия его Еп=mgh.

В момент падения на Землю тело имеет скорость  и кинетическую энергию:

             (3.8)

Таким образом, кинетическая энергия тела при падении оказалась равной его потенциальной энергии до начала падения (сопротивление воздуха не учитываем). Во всех промежуточных точках сумма Ек+Еп = const. Следовательно, если не происходит превращения механической энергии в другие виды, то

Ек+Еп = const                               (3.9)

Формула (3.9) выражает закон сохранения энергии в механике. Сумму кинетической и потенциальной энергии называют полной механической энергией.


4. Типы фундаментальных взаимодействий в природе. Симметрия в природе.

«Природа действительно обладает совершен-

ным порядком, который можно все-таки понять.»

Ч.Янг

 

По современным представлениям материя реализуется в двух формах: вещество и поле. Они находятся в постоянном взаимодействии и претерпевают взаимопревращения. Все виды взаимодействий можно разделить на четыре группы (относительная величина показана в сравнении с гравитационным взаимодействием):

 

- гравитационное

1

- слабое (для элементарных частиц)

1027

- электромагнитное

1038

- сильное (ядерное)

1040

 

Гравитационное взаимодействие присуще всем телам Вселенной и подчиняется закону всемирного тяготения, открытому Ньютоном в 1687г. Слабое взаимодействие обнаружено Ферми при β-распаде элементарных частиц и ядер в 30-х годах 20 века. Электромагнитные силы известны с древности (взаимодействие магнитов, наэлектризованных тел) и изучены затем Фарадеем, Максвеллом, Лоренцом и др. Эти силы действуют на большие расстояния. Сильное (ядерное) взаимодействие проявляется между нуклонами в ядре (1930г.), хотя между протонами есть и электрическое отталкивание.

Гравитационные и электромагнитные силы являются фундаментальными силами природы и объясняют большую часть явлений в макромире. В 1913г. Бор доказал, что химические силы (между атомами и молекулами) также являются электрическими. Другие силы, известные из механики, например, силы упругости, трения и др., также можно объяснить молекулярным взаимодействием и, следовательно, отнести к электромагнитным.

Сильные и слабые взаимодействия объясняют явления микромира. Ниже более подробно они будут рассмотрены (см. гл. 11, 13).

Другим важнейшим свойством законов природы является свойство симметрии. Оно выражается, например, в том, что ход часов будет одинаков и на Земле и на Луне и в других системах. Если часы в этом году стали идти иначе, чем в прошлом, то это значит, что они испортились, а не изменились свойства физического мира.

Равномерность хода времени означает, что относительная скорость всех процессов в природе постоянна. Равномерность хода времени установлена экспериментально с большой точностью на примере излучения света. Атомы наблюдаемых звезд и земных источников испускают свет на одинаковых частотах и длинах волн даже если этот свет был испущен в далеком прошлом (например, наблюдение вспышек сверхновых звезд). Эти закономерности относятся ко всем явлениям в природе, в том числе и к биологическим. Речь идет о всеобъемлющем свойстве природы: все законы природы инвариантны (неизменны) относительно переноса в пространстве. Это обстоятельство и называется симметрией законов природы. Законы сохранения энергии, импульса, момента импульса во Вселенной выполняются благодаря симметрии в природе. Кроме этого существует также зеркальная симметрия пространства, зарядово-зеркальная симметрия (электрон-позитрон, протон-антипротон, атом-антиатом, вещество-антивещество). Закон симметрии допускает существование антимиров (А.Б.Мигдал).


5. Гравитационное взаимодействие. Гравитационное поле и его энергия.

Наиболее важным из всех взаимодействий является гравитационное. Оно резко отличается от других взаимодействий. Гравитационные силы слабее других сил, поэтому ими часто пренебрегают (например, при рассмотрении сил между нуклонами в ядре). Эти силы дальнодействующие (как и электромагнитные). Они универсальны, не зависят от знака заряда, химического состава тел, их движения. В атоме водорода кулоновское притяжение электрона к ядру в 1038 раз превышает гравитационное. Но когда массы тел возрастают, то гравитационные силы становятся доминирующими. Они-то и определяют структуру Вселенной. Закон, которому подчиняются гравитационные силы, носит название закона всемирного тяготения: сила, с которой две материальные точки с массами m1 и m2 притягивают  друг друга, пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

 .                                                (5.1)

Здесь G – гравитационная постоянная .

Сила F, с которой тела притягиваются к Земле, называется силой тяжести. Она направлена к центру Земли и сообщает всем телам одинаковое ускорение g:

                                                  (5.2)

На поверхности Земли в среднем (g = 9,8 м × с-1).

Ньютон установил, что сила тяготения является причиной, удерживающей Землю и другие планеты на орбитах при движении их вокруг Солнца. Сила тяготения сообщает им центростремительное ускорение  mV2 / r  , т.е. формулу (5.1) можно записать . Для данного радиуса  r  и данной силы всегда существует тогда скорость  V  , при которой возможно устойчивое движение.

Гравитационное взаимодействие осуществляется через гравитационное поле, всякая масса изменяет свойства окружающего ее пространства, создавая вокруг себя гравитационное поле. Это поле обнаруживает себя, действуя с силой на помещенное в него тело.

Гравитационное взаимодействие передается в пространстве, видимо, с помощью гравитационных волн. Всякое изменение и движение больших масс должно порождать волны. Квантом гравитационного поля предполагается гравитон. Попытки наблюдать волны предпринимались в США Вебером. Однако из-за малости величины  G  надежно зафиксировать их пока не удалось.


6. Пространство и время как основные формы существования материи. Механическое движение. Законы Ньютона.

Под механическим движением понимается изменение с течением времени взаимного положения тел или частей тел в пространстве.

Время характеризует последовательность, длительность событий.

Пространство характеризует расположение материальных объектов, их протяженность.

Основы механики были заложены итальянским ученым Галилеем (1564-1642) и английским физиком Ньютоном (1643-1727). Механика Галилея-Ньютона или классическая механика рассматривает движение макроскопических тел со скоростями, значительно меньшими скорости света. Она базируется на следующих постулатах:

1) действие одних тел на другие распространяется мгновенно;

2) пространство и время. независимы друг от друга, абсолютны и изотропны;

3) масса рассматривается как мера количества вещества.

В начале XX века эти постулаты классической механики подверглись пересмотру. Это привело к созданию одной из величайших научных теорий нашего времени – теории относительности. По Эйнштейну пространство и время неотделимы от материи и ее движения и имеют относительный, а не абсолютный характер (см. гл. 7). Свойства пространства и времени оказались зависимы от материальных тел и их движения. Быстрые движения макроскопических тел со скоростями, близкими к скорости света, рассматривает релятивистская механика или специальная теория относительности. Свойства и движение микрочастиц описывает квантовая механика. Теория относительности и квантовая механика не отвергают классическую механику, они развивают ее на принципиально новой основе, рассматривая случаи больших скоростей и малых масс. При малых скоростях и больших массах уравнения теории относительности и квантовой механики переходят в уравнения классической физики.

Движение тел можно рассматривать лишь относительно других тел. Абсолютно твердое тело, с которым жестко связана система координат, снабженная часами и используемая для определения положения других тел в пространстве в различные моменты времени, называют системой отсчета.

Для характеристики быстроты движения вводится понятие скорости.

Равномерным называют движение с постоянной скоростью, без ускорения.

При неравномерном движении скорость тела от точки к точке траектории меняется. Скорость тела в данный момент времени в данной точке траектории называют мгновенной скоростью:

                                                         (6.1)

Вектор   направлен по касательной к траектории.

Движение тела, при котором его скорость за любые равные промежутки времени изменяется одинаково, называют равнопеременным или равноускоренным.

Ускорением    тела при его равнопеременном движении называют величину, равную отношению изменения скорости ΔV тела к промежутку времени  t  , за который это изменение произошло.

,                                       (6.2)

где Vo – начальная скорость в момент времени t = 0

V – скорость тела к моменту времени t.

Равнопеременное движение – это движение c постоянным ускорением (). Если  > 0, то движение называют равноускоренным, при  < 0 равнозамедленным.

Основные уравнения кинематики равнопеременного движения:

- для пути S = Vot ±                                                 (6.3)

- для скорости V = Vo ± at                                             (6.4)

- для связи между ними V2 – Vo2 = 2aS                      (6.5)

При Vo = 0 соответственно имеем: S= ; V=at ; V=.

Частным случаем равноускоренного движения является свободное падение тел под действием силы тяжести    с ускорением свободного падения  g (см. гл. 5).

Законы Ньютона лежат в основе динамики.

Динамика рассматривает законы движения тел и причины появления ускорения.

Первый закон динамики: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока внешнее воздействие не заставит его изменить это состояние.

Свойство тел сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют еще законом инерции. Таким образом, тела обладают внутренним свойством – двигаться по инерции (или покоиться).

Первый закон Ньютона выполняется не во всякой системе отсчета. Те системы, в которых он выполняется, называются инерциальными системами отсчета. Первый закон Ньютона на Земле выполняется приближенно, (Земля не является инерциальной системой).

Второй закон Ньютона. Сила. Масса. Центр инерции.

Если на тело действуют другие тела и их действия не скомпенсированы, то тело приобретает ускорение.

Действие одного тела на другое характеризуется силой.

Сила – это физическая величина, являющаяся мерой механического действия одного тела на другое.

Масса характеризует внутреннее свойство инертности тела, является мерой инертности материальных тел.

 

Второй закон Ньютона: ускорение  , полученное телом, прямо пропорционально приложенной силе F и обратно пропорционально массе тела  m:

                                  (6.6)

Направление ускорения вектора  всегда совпадает с направлением вектора силы .

В ньютоновской механике масса не зависит от скорости движения (это верно лишь при скоростях V << С, где С – скорость света в вакууме).

В СИ – системе за единицу силы принят 1 Н. Один Ньютон (1Н) это такая сила, которая сообщает телу массой 1 кг ускорение 1 м/с2:

1Н = 1 кг × 1 м/с2 = 1 кг × м × с-2

Плотность вещества тела равна массе в единице объема V:

                                          (6.7)

Измеряется r в кг/м3.

Третий закон Ньютона:

Тела действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по абсолютным значениям и противоположными по направлению.  При этом силы  и  приложены к разным телам и поэтому не компенсируют друг друга.

 


7. Элементы специальной теории относительности.

Понятия об абсолютном пространстве и времени были введены Ньютоном без доказательства. По поводу пространства Ньютон писал: «Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным». Т.е. пространство рассматривалось независимо от материи. Эти представления были отвергнуты Эйнштейном, показавшим, что пространство, свободное от материи, реально не существует. Оно по крайней мере заполнено гравитационными и электромагнитными полями, а потому материально, характеризуется энергией, массой, импульсом; криволинейно и изменяется со временем.

По современным представлениям пространство и время являются общими формами координации материальных тел и их состояний.

В классической механике законы Ньютона инвариантны во всех инерциальных системах отсчета. Эйнштейн принял этот вывод за основу специальной теории относительности (СТО), расширил его и сформулировал свой принцип относительности: «все законы природы инвариантны во всех инерциальных системах отсчета» – первый постулат Эйнштейна. Далее опыты показали, что скорость света в системе, связанной с Землей, по всем направлениям одинакова, т.е. движение Земли к источнику света или от него не сказывалось на измеряемой скорости распространения света.

Второй постулат Эйнштейна: скорость света в вакууме «С» одинакова во всех инерциальных системах отсчета во всех направлениях и не зависит от движения источников и приемников света (принцип инвариантности).

К необходимости разработки СТО привели и другие трудности механики Ньютона. Оказалось, что время тоже относительно, что промежутки времени в разных инерциальных системах отсчета не обязательно равны. Размеры тел также могут изменяться при переходе в другие инерциальные системы отсчета. Поясним это на одном из примеров (рис.). Пусть на значительном расстоянии в неподвижной системе координат находятся неподвижно относительно друг друга два наблюдателя А и В.

 

Рис. 7.1

Пусть А посылает в сторону В радиосигналы через равные промежутки времени, например, через 10 мин. Через какие промежутки времени их будет воспринимать наблюдатель В? Из графика видно, что длительность событий, т.е. временных интервалов между двумя последовательными сигналами, у А и В будет одинаковой (по 10 мин).

Пусть теперь в момент времени tA = 0 в направлении к В стартует третий наблюдатель П со скоростью V < C. График его движения с постоянной скоростью также будет представлен прямой, но с меньшим углом наклона, т.к. V < C. Из графика видно, что движущийся наблюдатель П будет фиксировать сигналы через другие промежутки DtП > DtА = DtВ , т.е. длительность событий в различных инерциальных системах отсчета различна. Причем Dtп будет тем больше DtА , чем больше V. При V®C  Dtп®?, при V = C сигнал просто «не догонит» П. (Пример с μ – мезонами Dtμ~10-6c, проходят расстояния 20-30 км).

В релятивистской механике масса тела также меняется:  , т.е. масса тела возрастает с его скоростью и при V?C (β>1) масса m8, β=V / C.

Можно также показать, что энергия движущегося тела в релятивистской механике зависит от скорости. Следует также один из важнейших законов природы – закон взаимосвязи массы и энергии: полная энергия  Е  тела с массой  m :

E = mC2 = ,                    (7.2)

где Ео=moc2 – энергия покоящегося тела с массой mо.

Кинетическая энергия в релятивистской механике находится:

Ек = Е – Ео == Eo( - 1).

Из СТО следует эффект ДОПЛЕРА: изменение частоты света или длины волны, воспринимаемой от движущегося со скоростью V источника

                                       (7.3)

где  - частота самого источника (см. пример №6).

В результате изменения частоты излучения происходит смещение линий в спектрах излучения относительно неподвижных источников на величину :

,                                            (7.4)

где λ – длина волны излучения покоящегося источника.

Если источник света (например звезда) и приемник удаляются друг от друга со скоростью V , то линии смещены с сторону красной части спектра. В астрономии это называется «красным смещением» (свидетельствующим о расширении Вселенной). Эффект Доплера также широко используется в радиолокации.

 


8. Кинематика и динамика вращательного движения. Момент силы. Момент инерции. Основной закон динамики вращательного движения. Момент импульса.

С детства, наблюдая, например, за волчком, мы обращали внимание на «необычайность» вращательного движения: устойчивость его оси вращения, особенности его поведения при попытках повалить его и т.д. А ведь и живем мы на волчке – Земля вращается.

Рассмотрим основные закономерности этого движения.

Движение точки по окружности. Скорость и ускорение при криволинейном движении.

Скорость  тела в любой точке криволинейной траектории направлена по касательной к ней (рис 8.1). Скорость при этом как вектор может изменяться и по модулю (величине) и по направлению. Если модуль скорости   остается неизменным, то говорят о равномерном криволинейном движении.

Рассмотрим равномерное движение по окружности. Пусть тело движется по окружности с постоянной по величине скоростью из точки 1 в точку 2 (рис.8.1),

Рис. 8.1

пройдя при этом путь, равный длине дуги ?12. Вектор скорости в точке 2 отличается от вектора скорости в точке 1 по направлению на величину ΔV:

Для характеристики изменения вектора скорости по направлению на величину ΔV вводят ускорение an :

                                         (8.2)

Вектор n совпадает по направлению с вектором приращения скорости Δ и направлен по радиусу R к центру окружности О. Поэтому ускорение n называют центростремительным. Называют его еще нормальным (нормаль – перпендикуляр), так как n направлен по нормали к касательной в каждой точке траектории (рис 8.1).

Если скорость  изменяется не только по направлению, но и по модулю (величине), то кроме нормального ускорения n вводят еще и касательное (тангенциальное) ускорение τ:

¦τ¦ =   или  τ =                            (8.3)

Направлен вектор τ всегда по касательной в любой точке траектории (т.е. совпадает с направлением вектора ). Угол между векторами n  и τ равен 90?.

Угловая скорость и угловое ускорение.

При движении материальной точки по окружности радиус-вектор R, проведенный из центра окружности О к точке, поворачивается на угол Δj (рис.8.1). Для характеристики вращения вводится понятие угловой скорости w.

Угол j можно измерять в радианах. 1 радиан равен углу, который опирается на дугу окружности ?, равную радиусу R окружности, т.е.

j = ? / R, или ? = Rj.                      (8.4)

Продифференцируем уравнение (8.4):

                                 (8.5)

 

Величина dl / dt = Vмгн. Величину j = d / dt называют угловой скоростью (измеряется w в рад/с). Переписав (8.5), получим связь между линейной скоростью V и угловой скоростью w:

V = wR                                            (8.6)

Величина w векторная. Направление  определяется правилом винта (буравчика): оно совпадает с направлением перемещения правого винта, ориентированного вдоль оси вращения тела и вращаемого в направлении вращения тела (рис. 8.2)

Рис.8.2

 

Число оборотов n тела в единицу времени ( в 1 с) называют частотой вращения.

Время Т одного полного оборота тела называют периодом вращения. При этом R опишет угол ?φ = 2π радиан.

n = 1/T.

 

С учетом сказанного

                              (8.7)

Момент силы. Момент инерции.

 Эффект действия силы зависит не только от ее величины, но и от того, в каком направлении она действует и к какой точке тела относительно оси вращения приложена. Для характеристики этого вводится понятие момента силы (вращающего момента). Моментом силы называется произведение силы  F  на плечо  d.

                                  (8.9)

 

Рис. 8.3

Плечом силы называют кратчайшее расстояние от оси О вращения до направления действия силы, т.е. длину перпендикуляра, опущенного из оси О на направление действия силы:       d1 – плечо силы F1 , d2 – плечо силы F2.

Роль массы  m  при вращательном движении выполняет момент инерции J. Момент инерции J зависит не только от массы тела, его формы, размеров, но и от расположения оси вращения. Приведем моменты инерции некоторых однородных тел относительно осей, проходящих через центры тел:

1. тонкий обруч (кольцо, труба) J = mR2 , где R – радиус тела;

2. диск J = mR2 / 2 ;

3. шар J = mR2 (см пример №5)

Момент инерции характеризует инертные свойства вращающегося тела (подобно массе  m  при поступательном движении). Чем больше  J  , тем труднее изменить угловую скорость  ω  вращающегося тела.

Момент импульса. Закон сохранения момента импульса.

Величина , равная произведению момента инерции тела на его угловую скорость, называется моментом импульса.

Момент импульса   есть величина векторная. Его направление совпадает с осью вращения и вектором угловой скорости.

Очевидно, что в замкнутой системе, где момент внешних сил М = 0,

= const.

Это выражение закона сохранения момента импульса замкнутой системы: момент импульса замкнутой системы есть величина постоянная, если векторная сумма внешних моментов сил равна нулю. (см пример №5).

Измеряется момент импульса [L] = кг ? м22.


10. Магнитное поле как материальная структура. Вектора магнитной индукции и напряженности. Уравнения Максвелла.

 

Вокруг движущихся зарядов образуется магнитное поле, которое можно обнаружить по его силовому действию на магнитные стрелки, проводники с током и движущиеся заряды. Следовательно, между двумя движущимися относительно друг друга зарядами существует помимо электрического еще и магнитное взаимодействие  (в общем, электромагнитное взаимодействие). Характеристиками магнитного поля являются вектора магнитной индукции В и напряженности Н. Связь между ними

,                              (10.1)

где μ – магнитная проницаемость среды ( для вакуума μ = 1); μ0 = 4π ? 10-7 Гн/м – магнитная постоянная в СИ – системе. Графически стационарное (т.е. не меняющееся со временем) магнитное поле изображается с помощью линий магнитной индукции. Линии проводятся таким образом, что вектор магнитной индукции  направлен по касательной к линии в любой точке поля. Вид линий вокруг проводника с током показан на (рис 10.1).

 

Рис. 10.1

 

Особенность их состоит в том, что они всегда замкнуты. Поэтому говорят, что магнитное поле имеет вихревой характер. Направление линий определяется правилом буравчик (правого винта) если буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения буравчика (винта) укажет направление линий.

ЗАКОН АМПЕРА. На проводник длиной ? с током I в магнитном поле с индукцией В действует сила

FA = IB?sinα,                                       (10.2)

где α – угол между током  и вектором . Направление силы Ампера находится по правилу левой руки. (ðèñ.10.2).

Рис.10.2

Из формулы (10.2) В =  при α = 90. Измеряется  в Тл:

1 Тл = .

СИЛА ЛОРЕНЦА действует на заряженную частицу, движущуюся со скоростью  V  в магнитном поле с индукцией :

                                (10.3)

или в скалярном виде FЛ = q V B sinα, где α – угол между  и .

Направление  также находится по правилу левой руки ( на положительный заряд).

Магнитное поле характеризуется энергией. Плотность энергии  w  можно вычислить:

                              (10.4)

Изучение электрического и магнитного полей показало, что они представляют собой две стороны единого электромагнитного поля: движущийся заряд образует это поле, с другой стороны электрическое и магнитное поля действуют на движущийся заряд  q   ( с учетом 9.2 и 10.3) с силой:

                                     (10.5)

Максвелл обобщил законы, характеризующие электрическое и магнитное поля, и разработал единую теорию электромагнитного поля: всякое изменение электрического поля влечет за собой возникновение магнитного поля и наоборот. Он математически выразил его в виде четырех основных уравнений – уравнений Максвелла.

Электромагнитные волны впервые были получены в 1888г. Герцем с помощью простейшего колебательного контура – вибратора. Он представлял собой два стержня с шариками на концах и искровым промежутком между ними (рис.10.3, а)

Излучаемое электрическое поле имеет вихревой характер. Линии вектора магнитной индукции  В  также замкнуты.

Вблизи вибратора картина силовых линий электромагнитного поля сложна, но на расстоянии она будет иметь сферическую симметрию (в вакууме).

Рассмотрим взаимную ориентацию векторов  и  в электромагнитной волне, излучаемой вибратором (рис. 10.3, в). Векторы   и  в любой точке направлены по касательной к своим силовым линиям и по этой причине перпендикулярны друг другу и к вектору-радиусу сферы  r  , т.е. к направлению распространения волны.

Рис. 10.3

 

Мгновенная «фотография» электромагнитной волны показана на рис. 10.4.

Рис 10.4 Плоская электромагнитная волна.

 

Электромагнитная волна является поперечной. Фазовая скорость распространения волн зависит от свойств среды:

                              (10.6)

 

где    и  μ  -  соответственно электрическая и магнитная проницаемость среды. В вакууме, где  = μ = 1, скорость  распространения электромагнитных волн максимальна и равна скорости света С = 3 ? 108 м/с. Герц наблюдал у электромагнитных волн такие одинаковые со светом свойства, как отражение, преломление, интерференция, поляризация и т.д. Все это свидетельствовало о полной тождественности электромагнитных волн и света.

Расстояние между соседними точками, колеблющимися в одинаковой фазе, равно длине волны λ=VT.

Электромагнитные волны были изучены Лебедевым (1894г.) и практически  применены для радиосвязи Поповым (1896г.) Применяются они и для радиолокации, изучения свойств атмосферы и т.д.

Шкала электромагнитных волн включает в себя радиоволны, инфракрасные лучи, свет, ультрафиолетовые лучи, γ-лучи.

Планета Земля имеет собственное магнитное поле, которое является одним из определяющих условий для развития и существования жизни, защищая поверхность планеты от губительного космического излучения (см. гл. 2). Доказан глобальный характер влияния на биологические системы электромагнитных полей естественного и искусственного происхождения.

 


11. Сильное взаимодействие. Атом и ядро. Ядерные силы. Ядерные реакции.

 

Напрасно строгая природа

От нас скрывает место входа…

М.В.Ломоносов

 

Сильное взаимодействие свойственно частицам, которые называют адронами, в частности между протонами и нейтронами.

Фундаментальными кирпичиками, из которых состоит любое вещество, долгое время считали атомы. Атом представлялся как «булка с изюмом»: положительно заряженный шар, напичканный отрицательными электронами. Э.Резерфорд в 1911г. провел ряд уникальных опытов и предложил новую планетарную модель атома: положительно заряженное ядро диаметром ~10-15м и вращаются по круговым орбитам диаметра ~ 10-10м электроны. В атоме водорода один электрон вращается вокруг ядра – одного протона. Между ними действуют кулоновская сила притяжения (электромагнитное взаимодействие).

Ядро атомов состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов (нейтрон открыт экспериментально лишь в 1932г.).

Сейчас химические элементы в таблице Менделеева распределены по номерам Z (зарядовое число) и массовым числам А, т.е. . Зная Z  и А можно описать структуру атома:

число протонов Np равно числу электронов Ne и равно Z

Np=Ne=Z

Всего число нуклонов – ядерных частиц – равно А. Следовательно, число нейтронов Nn = А - Np = А – Z.

Все нуклоны «упакованы» в ядре диаметром ~10-15м. Зная размеры и массу ядра, можно вычислить плотность ρ ядерного вещества

 = 1017кг/м3

Ясно, что между протонами должны действовать силы кулоновского отталкивания. Однако их действие не приводит к разрушению ядра. Следовательно, между нуклонами в ядре кроме электрических должны действовать более мощные – ядерные силы.

Их особенности:

1) ядерные силы короткодействующие, они действуют лишь в пределах ядра и с расстоянием быстро убывают, так что за пределами ядра их можно уже не учитывать;

2) они обладают зарядовой независимостью, т.е. они связывают все нуклоны в ядре независимо от заряда;

3) обладают свойством насыщения: с увеличением Z они растут, но быстро достигают максимума.

Энергию связи нуклонов в ядре можно вычислить по формуле Эйнштейна Есв2Δm, где Δm – дефект массы. Дефектом массы называют разность  массы нуклонов и массы mя образованного из них ядра:

Δm = [Zmp + (A-Z) mn] – mя.

В 1935г. японским физиком Юкава была выдвинута гипотеза, что связь нуклонов в ядре обусловлена виртуальным обменом некоторыми особыми частицами с массой средней между массами электрона me и протона (mp=1836 me), получивших название мезон (средний). В 1947г. такие частицы были открыты в космических лучах и названы π – мезон (пион). Их оказалось несколько видов: π+ и π- с массой ~200me и π0 (нейтральный). Квантом поля сильного взаимодействия является пион. Связь нуклонов с помощью пионов можно пояснить:

p+ ? n + π+ n?p++π- p+?p++π0           n?n+π0

Время жизни π+ и π - ~ 2,5 10-8с. Нуклоны окружены облаком пионов.

 


12. Радиоактивность. Типы радиоактивного распада. Закон распада. Характеристики излучения.

 

Во все века жила, затаена,

Надежда – вскрыть все таинства природы …

В. Я. Брюсов

В 1896г. французский физик Беккерель обнаружил, что соли урана могут засветить фотопленку в упаковке. Значит они испускают какие-то невидимые лучи, обладающие большой проникающей способностью. Это явление получило название радиоактивности. Оказалось, что ядра некоторых химических элементов (радиоизотопов) обладают способностью испускать α-частицы (ядра атома гелия ), β-частицы (электроны или позитроны) и γ-лучи (электромагнитные волны с частотой ~2020Гц). Именно γ-лучи представляют наибольшую биологическую опасность. Прохождение через вещество α- , β- и γ- лучей сопровождается ионизацией атомов и поглощением энергии. Эта энергия значительно превышает энергию связи атомов в молекулах и приводит к разрушению последних. Могут разрушится, например молекулы белков, воды в составе живых клеток. Одновременно с этим нарушается деление клеток, они перестают размножаться. С увеличением дозы нарушение функций клеток  усиливается, нарушается обмен веществ в живом организме. Разрушенные компоненты клеток разлагаются и действуют как яды. Наиболее чувствительны клетки костного мозга, лимфатических желез, кишечника, половых органов, волос. Восприимчивость различных организмов к действию излучений колеблется в очень широких пределах. Чем сложнее организм, тем в большей степени он подвержен поражению. Поэтому, например, бактерии в тысячи раз устойчивее  человека. Повышение устойчивости организма к облучению будет рассмотрено ниже (см. раздел 24).

Вместе с тем излучение находит и широкое полезное практическое применение в материаловедении, в химии, медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности и т.д.

Закон радиоактивного распада. Пусть λ – вероятность распада ядра. Если вещество состоит из N атомов, то за время dt распадается dN ядер, т.е.

dN = - λNdt

Интегрируя это выражение, получим

N = N0 e-λt,

откуда

.

Период полураспада у разных радиоизотопов колеблется от долей секунды до 1015 лет. У Na22 он составляет 2,6 года, у Се = 284,5 сут, у Sr 90- 28 лет, у Сs134 – 2,07 года, у Bi – 5сут.

Величина τ=1/λ называется временем жизни изотопа,  - активность распада. Активность распада изотопа изменяется со временем А=А0lt = А0 (см пример №4).

В 1939г. было открыто явление деления тяжелых ядер (например, урана  при поглощении им нейтронов:

<X

+ нейтроны + Q ,

где X и Y новые  ядра, полученные от деления; Q – энергия, выделяемая при делении (ядерная энергия), - она состоит их кинетической энергии осколков и частиц (~210Мэв). Нейтроны, высвобождаемые при делении ядра, могут вызвать деление других ядер, т.е. может осуществится цепная реакция деления (управляемая в атомных реакторах и неуправляемая в атомных бомбах).

Кроме ядерных реакций существуют и реакции синтеза легких ядер (см. лекцию17)

при этом выделяется ~26МэВ энергии. Такие реакции возможны в недрах звезд при Т~107К. Делаются попытки осуществить термоядерный управляемый синтез в земных условиях (пока он возможен в водородной бомбе).


13. Слабое взаимодействие. Структурные элементы мира – элементарные частицы и их взаимопревращаемость. Электрослабое взаимодействие.

 

Продвигаясь вперед, наука непрестанно перечеркивает сама себя.

В.Гюго.

 

Древние представляли мир, состоящим из неделимых атомов. В  начале нынешнего века пришлось атом разложить на элементарные частицы: протоны, нейтроны, электроны. Этого казалось достаточным для описания строения материи.

Но на этом дело не закончилось. В тридцатых годах были открыты мезоны, нейтрино. У каждой частицы в силу закона симметрии обнаружилась античастица. Затем перед глазами ученых оказалась целая «россыпь» частиц: их открывали в космических лучах, их обнаруживали с помощью мощных ускорителей. Сейчас открыто уже более 400 частиц, тех кирпичиков, из которых состоит все и вся. Одни из частиц стабильны, вроде протона; другие живут мгновения (~10-23с – резонансы). Одни живут только в движении (фотон, нейтрино), другие могут находиться и в состоянии покоя. Жизнь этих частиц – непрерывное взаимодействие друг с другом, взаимные превращения. Взаимодействия частиц называют слабым по сравнению с другими фундаментальными взаимодействиями. Об этом можно судить по малому времени жизни частиц. Примерами слабых взаимодействий служат β-распады μ-мезонов (мюонов) и π – мезонов (пионов):

-1μ=-1е+νеμ                      +1μ=+1е+νμ,          где  νе, νе – электронное нейтрино (антинейтрино), νμ, νμ – мюонное нейтрино (антинейтрино).

Сейчас множество частиц удалось свести к двум небольшим семействам: лептонам, участвующим в слабом взаимодействии (ответственном за радиоактивный распад), и кваркам, которые образуют протоны, нейтроны и другие сильно взаимодействующие частицы.

Лептонов сейчас известно шесть: электрон, мюон и таон и три соответствующие им нейтрино νе, νμ, ντ . Мюон очень похож по своим свойствам на электрон, но масса покоя у него почти в 200 раз больше. Таон имеет массу еще большую mτ»3500 me . Электрон стабилен в отношении распада на другие частицы. Мюон испытывает бета-распад (см. выше), время его жизни ~10-6с, у таона ~10-13с.

Кварки – это необычные частицы, из которых построены протоны, нейтроны, гипероны и др. частицы. Примерно 20 лет назад стало ясно, что нуклоны имеют сложную структуру. Кварки имеют электрические заряды, кратные е/3. Согласно кварк – лептонной симметрии природы их как и лептонов должно быть шесть (к настоящему времени все открыты). Протон и нейтрон состоят из 3-х кварков: u и d.

Для чего ученые пытаются понять элементарную структуру материи? Для того, чтобы выяснить фундаментальные законы природы, наиболее общие законы, из которых как частные случаи вытекали бы сегодня изучаемые нами законы. Природа едина и законы должны быть едиными – это понимали еще во времена Эйнштейна. Сейчас, например; уже можно указать на единый обменный характер электромагнитных и слабых взаимодействий (электрослабое взаимодействие). Итак, составными элементами материи считаются 6 кварков  и столько же лептонов. Разные взаимодействия между этими фундаментальными частицами возникают за счет обмена переносчиками (квантами) взаимодействия: фотонами, глюонами, бозонами и гравитонами.

Частицы родились в первые мгновения образования горячей Вселенной     в результате взаимодействия при колоссальных энергиях и температурах. Ученые верят, что ключ к пониманию нашего мира лежит в исследовании самых малых его элементов – элементарных частиц. Они моделируют сейчас условия, аналогичные тем, что были в момент рождения Вселенной. Так в Женевском международном ускорителе, получены энергии и температуры в 4×1011раз выше, чем на поверхности Солнца (т.е. в момент 10-19с «Большого взрыва»).

 


14. Молекулярно-кинетический и термодинамический методы. Статистические закономерности в природе. Закон термодинамики.

Как наша прожила б планета

Без теплоты, магнита, света…

А.Мицкевич

 

Существует два подхода к изучению свойств тел: молекулярно-кинетический и термодинамический. Первый рассматривает все тела состоящими из большого числа молекул, находящихся в состоянии непрерывного теплового движения. Интенсивность этого движения зависит от температуры. Его основы заложены в 18 веке М.Ломоносовым. Описать поведение каждой молекулы невозможно. Используется статистический метод, учитывающий средние величины, характеризующие большую часть молекул: средние скорости, средние энергии… Свойства макроскопических систем и их параметры такие как температура Т, давление Р, объем V, теплота и др., приобретают смысл лишь применительно к большому числу частиц (например, к газу в некотором объеме), а не к отдельной молекуле и рассматриваются как результат движения и действия молекул.

Изучением различных свойств тел и изменений состояния веществ занимается также термодинамика. Однако в отличии от молекулярно-кинетической теории она изучает макроскопические свойства тел и явления, не интересуясь их микроскопическим строением. В основе термодинамики лежит несколько фундаментальных законов, называемых началами термодинамики, установленных на основе опытных данных и имеющих весьма общий характер. Термодинамический метод основан на анализе условий различных превращений энергии и установлении количественных соотношений при передаче и превращениях энергии.

Обмен энергией между термодинамической системой и внешними телами может осуществляться двумя разными способами: через работу и теплообмен. Энергия, передаваемая системе внешними телами путем теплообмена, называется теплотой Q.

Нередко оба способа обмена энергии присутствуют одновременно. Например, при сообщении газу в цилиндре с подвижным поршнем теплоты Q газ нагревается (повышается его внутренняя энергия ?U) и, расширяясь, он совершает работу А:

 Q = ?U + A                                                       (14.1)

Уравнение (14.1) выражает первый закон (первое начало) термодинамики: теплота Q, сообщаемая системе, расходуется на изменение внутренней энергии ?U системы и на совершение работы против внешних сил.

Выражая закон сохранения и превращения энергии, первое начало термодинамики не указывает направление протекания процесса. Если два тела, одно горячее, а другое холодное, привести в контакт, теплота будет перетекать от горячего тела к более холодному до тех пор, пока их температуры не выровняются. Процесс теплопередачи нельзя обратить – от холодного к горячему теплота не передается, процесс теплообмена является необратимым. Реальные процессы теплообмена всегда необратимы, т.к. обратные им мало вероятны.

Второй закон (второе начало) термодинамики: невозможен процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от холодного к горячему.

Помимо внутренней энергии U в термодинамике используются и другие функции состояния термодинамической системы, например, энтропия. Энтропия S есть такая однозначная функция состояния системы, бесконечно малое изменение ?S которой при равновесном переходе системы из одного состояния в другое равно полученному или отданному количеству теплоты ?Q, деленному на температуру Т, при которой произошел этот процесс

                                                          (14.2)

В адиабатном процессе (Q=const) энтропия не меняется, т.е. ?S=0, т.к. ?Q=0.

 

В изотермическом процессе (Т=const) изменение энтропии

Во всех случаях, когда система получает тепло извне, т.е. ?Q>0, и S2  > S1 энтропия системы увеличивается. Мы можем лишь судить о изменении энтропии, не зная ее абсолютного значения. В замкнутой системе процессы самопроизвольно протекают в сторону увеличения энтропии, энтропия возрастает вплоть до достижения системой равновесного состояния (S?Smax). Таким образом, энтропия характеризует направление протекания процессов в природе, степень отклонения системы от равновесного состояния.

Отличие неравновесной системы от равновесной в следующем:

1) система реагирует на внешние условия;

2) поведение непредсказуемо;

3) приток энергии извне создает в системе порядок;

4) наличие бифуркации – переломной точки в развитии системы.

Будучи предоставленной самой себе, при отсутствии влияния извне, система стремится к равновесию (например, образование кристалла из раствора). К такому равновесию приходят все закрытые системы, т.е. системы, не получающие энергии извне. В природе неравновесные системы направлены от хаоса к порядку.

 

 

 

 

 


15. Природа света. Теория Бора. Лазер. Давление света.

 

Бедные люди! Сколько веков понадобилось Чтобы приобрести немного разума!

Вольтер

По современным представлениям свет имеет двойственную природу: волновую и квантовую. Волновая теория определяет свет как электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом, с длиной волны от 0,4 до 0,75 мкм и частотой ~1015Гц. Световые волны по своей физической природе мало отличаются от других электромагнитных волн, например, радиоволн, рентгеновских или гамма – лучей, хотя механизмы их излучения различны. Волны с длиной более 0,75 мкм до 3×10-3м называются инфракрасным или тепловым излучением. Излучение с длинами волн менее 0,4 мкм называется ультрафиолетовым. Представление о электромагнитной волне дает рис.10.4. Электрический вектор Е и магнитный вектор В колеблются  в световой волне во взаимно перпендикулярных плоскостях перпендикулярно направлению распространения волны – вектору .

Как показывает опыт, зрительные ощущения, фотоэлектрическое и фотохимическое действия света вызываются электрическим вектором Е. Поэтому его называют световым вектором.

Свет, излучаемый любым нагретым телом, представляет собой наложение огромного количества волн (цугов волн), испущенных отдельными атомами. Атомы излучают свет независимо друг от друга, т.е. частоты, начальные фазы и пространственная ориентация вектора Е цугов в луче разных атомов никак не связаны друг с другом. Время излучения отдельного атома ~10-8c, за это время излученная им волна успевает распространиться на расстояние в несколько метров. (Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме С=3·108м/с).

По указанной выше причине в естественном луче присутствуют колебания с любой пространственной ориентацией светового вектора Е в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света (рис. 15.1).

Рис.15.1

Квантовая теория предполагает, что нагретые (раскаленные) твердые, жидкие и газообразные тела излучают энергию отдельными порциями в виде набора фотонов сразличной частотой n (длиной волны l), которую можно определить по формулt Планка:

   ,                    (15.1)

где e - квант энергии; с – скорость света в вакууме; h – постоянная Планка, h = 6,63×10-34Дж.

Твердые и жидкие тела излучают кванты практически с любой энергией. Поэтому спектры таких тел сплошные с непрерывным переходом одних длин волн к другим. Газ при большом давлении и температуре также излучает сплошной спектр (спектр Солнца).

Газы при небольших давлениях излучают кванты, заметно отличающиеся по величине. Поэтому их спектры дискретные, т.е. они состоят из небольшого числа узких интенсивных линий, разделенных друг от друга. Такие линейчатые спектры излучает водород, гелий, неон и другие инертные газы, пары ртути, металлов и т.д. Спектры, излучаемые нагретыми телами, называются спектрами излучения.

По наличию определенных линий в спектре можно судить о присутствии какого-либо элемента в веществе (в жидкости, твердом сплаве, смеси газов и т.д.), т.е. установить химический состав вещества. Проводимый таким образом химический анализ называется спектральным анализом.

В основе спектрального анализа, лежит дисперсия света, т.е. зависимость показателя преломления от длины волны (частоты) света. Показатель преломления характеризует оптическую плотность среды т.е. указывает во сколько раз скорость V света в данной среде (веществе) меньше, чем в вакууме С (в вакууме скорость света максимальна, С=3×108м/с):

                                             (15.2)

Разные длины волн света в одном и том же веществе (например в стекле) распространяются с разными V, поэтому для них и показатель n будет различен.

Объяснение механизма излучения света телами и природы спектров дает квантовая теория Н.Бора. Им предложено три постулата.

При переходе электрона на орбиту большего радиуса энергия атома возрастает. Такой переход может произойти только тогда, когда атом получит энергию извне. Переход электронов с орбиты n=1 на отдаленные орбиты ведет к возбуждению атома. Такое состояние атома неустойчиво, через некоторое малое время электроны возвращаются на свои нормальные орбиты, что сопровождается уменьшением энергии атома и излучением квантов света.

Квантовые свойства света проявляются при фотоэффекте. Волновые – интерференция, дифракция, поляризация и др.

Давление света также можно объяснить с позиций квантовой теории. Если поток фотонов падает на поверхность тела, то свет оказывает давление на эту поверхность (подобно давлению ветра). Каждый фотон несет с собой импульс

                (15.3)

Этот импульс передается поверхности, свет оказывает давление Р. Величина давления Ф прямо пропорциональна Ее – энергетической освещенности поверхности и зависит также от коэффициента r отражения:

                            (15.4)

где w - объемная плотность падающей энергии.

Величину w можно связать с концентрацией падающих фотонов n

,

где n и l - частота и длина волны излучения.

Давление света на твердые тела и газы впервые экспериментально измерено российским ученым П.Н.Лебедевым. Эти тончайшие опыты принесли ему мировую известность. Давление света объясняет «поведение» хвоста кометы Галея при облете ею Солнца – хвост всегда направлен от Солнца.

Свет играет исключительно важную роль в развитии и существовании жизни на Земле. Это «энергетические ворота жизни», обеспечивающие физические, биологические, биохимические, физиологические процессы, которые и создают энергетическую основу жизни, обеспечивают поставку кислорода в атмосферу.

Изменения освещенности влияют на ритм жизни: смена дня и ночи (бодрствования и сна), поведение ночных и дневных животных. Увеличение светового дня весной, например, служит сигналом многим животным к сезонной миграции, к активизации процессов фотосинтеза у растений, сокодвижения, прорастанию семян и т.д. Даже толщина годовых колец деревьев изменяется от освещенности.

Изменение освещенности влияет и на человека, на его психику, поведение, контролирует ритмику поведенческой активности человека (люди «совы» и «жаворонки»). По разному человек реагирует не только на освещенность, но и на цвет (не зря врачи в больницах поменяли белые халаты на халаты салатного цвета, более спокойного в восприятии).


19. Структурные уровни организации живой материи. Понятие биосферы.

 

Под уровнем организации живой материи понимают то функциональное место, которое данная биологическая структура занимает в общей системе организации мира.

Обычно выделяют следующие уровни организации живой материи:

Молекулярный уровень. Под этим подразумевается, что любая живая система состоит из биологических макромолекул: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов и других органических соединений. С молекулярного уровня начинаются основные принципы жизнедеятельности (обмен веществ, передач наследственной информации и т.д.).

Клеточный уровень. Структурной и функциональной единицей всех живых организмов является клетка. К неклеточной форме жизни относят вирусы, которые могут размножаться только внутри клеток, т.е. существование этой формы жизни также зависит от клетки.

На организменном уровне возникают взаимосвязанные системы органов, специализированных для выполнения различных функций. Единицей организменного уровня является особь. На этом уровне происходят приспособительные изменения и поведение организмов в различных экологических условиях от момента ее зарождения до смерти, т.е. в процессе онтогенеза.

Популяризационно-видовой уровень – это совокупность организмов одного и того же вида, объединенная общим местом обитания. Этот уровень живого принципиально отличается от организменного. Если продолжительность жизни особей любого живого организма определена генетически и они неизбежно умирают, исчерпав запрограммированные возможности своего развития, то популяция способна при подходящих условиях среды развиваться неограниченно долго. В популяции происходят элементарные эволюционные процессы.

Биогеоценозный уровень организации – это эволюционно сложившаяся, пространственно ограниченная, длительное время самоподдерживающаяся, однородная природная система функционально взаимосвязанного комплекса живых организмов и окружающей среды. Такая система характеризуется относительно самостоятельным обменом веществ и особым типом использования солнечной энергии.

Биосферный уровень организации – это совокупность всех биогеоценозов. Биосфера – это система, которая охватывает все явления на Земле. На этом уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии. Биосфера – самая крупная экологическая система Земли. Для этого уровня организации живой материи характерен большой круг биотического обмена веществ. Термин «биосфера» был введен австрийским геологом Э.Зюссом в 1875г., а учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой осуществляется совместная деятельность всех живых организмов, было создано русским ученым геохимиком и минерологом академиком В.И.Вернадским.

Под биосферой он понимал сумму всего живого на Земле. «Биосфера, - писал он, - является той единой земной оболочкой, в которую непрерывно приникает космическая энергия… прежде всего лучеиспускание Солнца, поддерживающая динамическое равновесие, организованность: биосфера – живое вещество». В биосфере происходит эволюция, причем каждый новый этап эволюции происходит быстрее прежних.

«На наших глазах, - продолжает В.И.Вернадский, - биосфера резко меняется. И едва ли может быть сомнение в том, что проявляющаяся этим путем ее перестройка научной мыслью через организованный человеческий труд не есть случайное явление. Его корни лежали глубоко и подготовлялись эволюционным процессом, длительность которого исчисляется сотнями миллионов лет… Под влиянием мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние ноосферу» (ноосфера – дословно сфера разума, т.е. биосфера, преобразованная человеком). Мощь человека в его вмешательстве в биосферу за последнее столетие невероятно возросла, благодаря его технической вооруженности. Объединяющим фактором в пределах каждого уровня организации является обмен веществ и энергии, характерный для этого уровня. Каждый последующий уровень организации является следствием предыдущего (например, клеточный уровень организации вытекает из молекулярного). Фактором, объединяющим все уровни организации в единое целое – биосферу, является биотический обмен веществ.


20. Основные положения клеточной теории. Химическая организация клетки.

 

Все живые организмы состоят из клеток. Клетка – это один из основных структурных, функциональных и воспроизводящих элементов живой материи. Различные клетки живого отличаются друг от друга по строению (у прокариот нет оформленного ядра в то время как у эукариот оно есть, растительные клетки имеют целлюлозную оболочку, а живые нет и т.д.), по размерам (от 1 мкм до нескольких см), по форме  (могут быть круглыми как эритроциты, древовидными как нейроны, веретенообразными как мышечные волокна), по биохимическим характеристикам (например, в клетках содержащих хлорофилл идет процесс фотосинтеза), по функциям (различают половые клетки – гаметы и соматические –клетки тела, которые в свою очередь подразделяются  на множество разных типов).

Развитие любого организма начинается с одной клетки – зиготы; клетка – основа физиологических и биохимических процессов в организме.

Основные положения современной клеточной теории сводятся к следующему:

-          клетка основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица всего живого;

-          клетки всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по своему строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятельности и обмену веществ;

-          размножение клеток происходит путем их деления, и каждая новая клетка образуется в результате деления исходной (материнской) клетки;

-          в сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемым ими функциям и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно взаимосвязаны.

Строение клетки

Все клетки животных и растений имеют ряд общих особенностей.

Каждая клетка отделена от внешней среды плазматической мембраной. Ее толщина порядка 5-10 нм. Она состоит из центрального бимолекулярного липидного слоя и наружнего и внутреннего белковых слоев. Белки и липиды в мембране соединены в результате слабого химического взаимодействия. У растений почти все клетки имеют, кроме того, толстую клеточную стенку, состоящую из целлюлозы. Мембраны действуют как диффузионные барьеры. Из-за своей избирательной проницаемости для ионов К+, Na+, CI-, а также высокомолекулярных соединений они создают электрические градиенты и градиенты концентрации веществ. Избирательная способность биологических мембран для ионов создает разности электрических потенциалов между внутренней частью клетки и окружающей средой. Главное назначение мембраны – препятствовать выходу определенных веществ из клетки или проникновению их извне и способствовать передвижению нужных веществ в нужных направлениях, иногда даже против градиента концентраций. Проницаемость клеточной мембраны прямо связано с жизнью клетки – если мембрана разрушена, то клетка умирает.

Все, что находится за клеточной мембраной, за исключением ядра, называют цитоплазмой. Цитоплазма представляет собой коллоидную систему с растворенными или взвешенными в ней неорганическими ионами, аминокислотами, жирными кислотами, фосфатами и др.

В цитоплазме находятся различные органеллы: аппарат Гольжди, рибосомы, митохондрии, микротрубочки, микрофиламенты, лизосомы.

В клеточном ядре находится генетический материал клетки – молекула ДНК, объединенная с большим количеством белка в структуры, называемые хромосомами. Ядро выполняет две основные функции: 1) хранение и воспроизведение генетической информации, 2) регуляция процессов обмена веществ в клетке. Ядро обычно занимает 10-20% объема клетки. Ядро окружено двойной мембраной, так называемой ядерной мембраной. Обмен веществ между цитоплазмой и ядром может происходить через довольно крупные поры на ядерной мембране. Внутри ядра находится ядерный сок, хроматин и ядрышко. Ядерный сок состоит из различных белков, свободных нуклеотидов, аминокислот и т.д. Ядрышко – плотное образование округлой формы, существующее только в неделящихся клетках. Они возникают вокруг области хромосом, где закодирована структура РНК, - гена. На них осуществляется синтез рРНК. Число ядрышек меняется от 1 до 7  в зависимости от функционального состояния клетки. Хроматин представляет из себя гранулы, сетевидные структуры ядра. Хроматин является спирализованными и уплотненными частями хромосом. В его состав входят белки ДНК.

Если проанализировать химический состав любых клеток, то можно обнаружить около 70 элементов периодической таблицы Д.И.Менделеева. Наиболее распространены четыре элемента: водород, углерод, кислород и азот. На их долю приходится более 99% массы, входящей в состав всех живых организмов, поэтому они называются макроэлементами. Они составляют основу белков, нуклеиновых кислот. В меньших количествах в состав клеток входят калий, натрий, кальций, магний, железо, хлор. Каждый из них выполняет важную функцию в клетке. Например, натрий, калий и хлор обеспечивают проницаемость клеточных мембран для различных веществ и проведение импульса по нервному волокну. Кальций и фосфорц участвуют в формировании костной ткани, определяют прочность кости, кроме того кальций влияет на свертываемость крови. Железо входит в состав гемоглобина – белка эритроцитов, участвующего в переносе кислорода и углекислого газа.

Все остальные элементы: марганец, кобальт, медь, цинк, бор, алюминий, кремний, ванадий, молибден, йод – содержатся в клетке в очень малых количествах и составляют в массе клетки всего 0,02%. Они называются микроэлементами и также важны для жизнедеятельности организмов. Так, многие микроэлементы входят в состав различных биологически активных соединений – ферментов, витаминов, влияют на рост и развитие животных и растений (Zn, Mn, Cu), кроветворение (Fe, Cu), процессы тканевого дыхания (Cu, Zn).

Из неорганических веществ наибольшее значение в любой клетке имеет вода, которая является связующим звеном в сфере живой и неживой природы. Ее содержание колеблется в зависимости от вида организма, условий его местообитания, типа клеток и их функционального состояния. Так, в клетках костной ткани содержится не более 20% воды, жировой ткани – около 40, в мышечных клетках – 76, в клетках развивающегося зародыша – более 90%. С возрастом количество воды в клетках любого организма заметно снижается. Чем выше функциональная активность клеток и организма в целом, тем больше содержание в них воды.

Вода является растворителем, выполняет транспортные и терморегулирующие функции.

Если не считать воды, то подавляющая часть остальной массы клетки относится к углеродным соединениям, называемым органическими. К остальным органическим веществам, на основе которых построена клетка, относятся липиды, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты.

Липиды это общее название для всех известных жиров и жироподобных веществ, которые не растворяются в воде. Большинство липидов представляют собой сложные эфиры жирных кислот и ряд спиртов.

Протоплазматический жир участвует в построении каждой клетки. Липиды являются составной частью мембраны клеток, митохондрий, которые регулируют поступление в клетку питательных веществ и выведение конечных продуктов обмена. Количество такого жира у человека всегда постоянно и составляет около 25% всего жира, находящегося в организме. Эта величина практически постоянна и не меняется ни при голодании, ни при различных патологических состояниях.

Резервный жир представляет собой удобную форму консервации энергии. При окислении липидов выделяется больше энергии, чем при окислении равной массы углеводов. (окисление 1г липидов до CO2 и Н2О освобождает 38,9 кДж). Женщины, в среднем обладают более толстой подкожной жировой прослойкой, чем мужчины,  и потому должны быть менее чувствительны к холоду. Количество резервного жира может меняться в зависимости от различных условий (пол, возраст, род трудовой деятельности, режим питания и т.д.). В среднем в организме на долю резервного жира приходится примерно 7-8 кг.

Особую группу липидов составляют стероиды. Эти вещества построены на основе спирта холестирола (бытовое название холестирин). Стероиды входят в состав мембран и женских и мужских гормонов, гормонов коры надпочечников, соли желчных кислот, витамина D.

Функции липидов: строительная, гормональная, защитная, энергетическая, водного баланса.

Углеводы – вещества состава CnH2mOm широко распространены в природе. К ним относятся различные сахаристые вещества, клетчатка (целюллоза), крахмал. В настоящее время они подразделяются на три класса: моносахариды или простые сахара, дисахариды и полисахариды.

Белки – это сложные органические соединения (биополимеры), состоящие из углерода, водорода, кислорода и азота (иногда и серы), мономерами которых являются аминокислоты. В жизни всех организмов белки играют первостепенное значение. На их долю приходится 50-80% сухой массы клетки. Каждый вид растений и животных имеет особый, только ему присущий набор белков, т.е. белки являются основой видовой специфичности.

Функции белков.

1. Каталитическая. Большая часть химических реакций, протекающих в организме, регулируется ферментами, то есть белковыми молекулами, выполняющими роль катализаторов.

2. Строительная. Белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки.

3. Двигательная функция живых организмов обеспечивается специальными сократительными белками, например, актин и миозин являются специфическими белками мышечной ткани.

4. Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов (например, гемоглобин присоединяет кислород) или биологически активных веществ (гормонов) и переносе их к различным тканям и органам тела.

5. Защитная функция. При поступлении в организм чужеродных белков или микроорганизмов в лейкоцитах образуются особые белки – антитела. Они связывают и обезвреживают несвойственные организму вещества.

6. Энергетическая функция. Белки служат одним из источников энергии в клетке. При полном расщеплении 1г. белка выделяется 17,6 кДж энергии.

7. Питательная функция. К таким белкам относятся резервные белки, являющиеся источником питания для развития плода, например, белки яйца (яичный альбимин) и основной белок молока (казеин).

8. Гормональная функция. Обмен веществ в организме регулируется разнообразными механизмами. В этой регуляции важную роль играют гормоны, вырабатываемые в железах внутренней секреции. Ряд гормонов представлены белками или полипептидами, например, гормоны гипофиза, поджелудочной железы и др.

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК)

Существует два вида нуклеиновых кислот – ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

ДНК – линейный полимер, построенный из нуклеотидов четырех типов. Последовательность аминокислот каждого белка закодирована в ДНК последовательностью нуклеотидных триплеров (троек), называемых кодонами и определяющих типы аминокислот в белке. Этот код одинаков у всех организмов, что указывает на единство происхождения всего живого.

В составе ДНК встречаются четыре разных азотистых основания: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц).

Молекула ДНК состоит из двух цепей, спирально закрученных одна вокруг другой. Эти цепи соединены между собой по принципу комплементарности (взаимодополнительности): если в одной из них где-то находится А (большее по размерам основание), то против него в другой цепи всегда стоит Т (меньшее по размерам основание), а против большего основания Г всегда стоит меньшее Ц. Это попарное соответствие А-Т и Г-Ц носит название «правило комплементарности». Специфическое спаривание оснований А с Т и Г и Ц возможно благодаря образованию между ними водородных связей (см. пример №9).

Набор белков (ферментов, гормонов) определяет свойства клетки и организма. В этом «тексте» и содержится генетическая информация, определяющая специфику каждого организма. Генетический код всего живого, растения, животного или бактерии, одинаков: например ГГУ у всех организмов кодирует аминокислоту глицин.

Молекула ДНК – это как бы набор, с которого «печатается» организм. Участок молекулы, служащий матрицей для синтеза одного белка, называется геном. Гены расположены в хромосомах. В клетке человека ДНК распределена на 23 пары хромосом. Как удалось недавно узнать, хромосома состоит из 33,5 миллионов химических компонентов.

О сложности организма можно приблизительно судить по числу пар нуклеотидов, образующих его ДНК. У самых простых организмов – бактерий – их около двух миллионов; у высших многоклеточных организмов в тысячу раз больше.

Рибонуклеиновая кислота.

РНК отличается от ДНК тем, что содержит рибозу вместо дезоксирибозы и урацил вместо тимина. Как и в ДНК, структура РНК создается чередованием четырех типов нуклеотидов. Кроме того, исследования показали, что РНК – одноцепочечная молекула.

Для синтеза белка необходимо три вида молекул РНК: информационная РНК, которая передает в цитоплазму генетическую информацию от ДНК, находящейся в ядре, рибосомная РНК , составляющая половину рибосом, на которых синтезируется белок, транспортная РНК, которая выстаивает аминокислоты растущей полипептидной цепи в надлежащем порядке. Информационная РНК представляет собой копию определенного участка ДНК. Процесс воспроизводства состоит их трех последовательностей: репликации, транскрипции и трансляции. Репликация – это удвоение молекулы ДНК, необходимое для последующего деления клеток. В основе лежит уникальное свойство ДНК самокопироваться. ДНК делится на две цепи, а затем из нуклеотидов вдоль каждой цепи формируется еще по одной цепи. После этого клетка может делиться, копируя одна другую.

Вторая часть процесса воспроизводства – транскрипция. Она представляет собой перенос кода ДНК путем образования одноцепочной молекулы информационной РНК (копии частей молекулы ДНК, одного или группы генов, несущих информацию о структуре белков, выполняющих ту или иную функцию).

Третья часть процесса воспроизводства – трансляция. Это синтез белка на основе генетического кода информационной РНК в рибосомах клетки, куда аминокислоты доставляет транспортная РНК. Таким образом совершается переход от крохотных ДНК к сложным живым организмам. Например, одной клетки кита массой всего 5×10-18 кг формируется гигант с массой в 1022 большей. В организме человека около 5 млн. белковых молекул, отличающихся друг от друга и белков других животных.

Долгое время считалось, что клетки тела и составляющие их молекулы неизменны. Однако, эксперименты показали, что составные части клетки находятся в состоянии непрерывного изменения. Белки и жиры организма и даже вещество кости непрерывно и быстро синтезируется и расщепляется. Во взрослом организме скорость синтеза и распада примерно одинакова, так, что их общая масса почти не изменяется.

На основании экспериментов с мечеными атомами было вычислено, что у человека половина всех тканевых белков распадается и строится заново в течении каждых 80 дней. Это средняя цифра: одни белки замещаются быстрее, другие медленнее. Белки печени и сыворотки крови замещаются очень быстро; они наполовину обновляются каждые 10 дней. У некоторых ферментов печени этот период составляет всего 2-4 часа. Белки мышц замещаются медленнее – обновляясь наполовину каждые 180 дней.


21. Генетика. Основы наследственности и размножения организмов. Мутации. Генная инженерия.

 

Генетика – наука о закономерностях наследственности и изменчивости. Элементарной дискретной единицей наследственности и изменчивости является ген.

Ген – определяет отдельный признак от структуры белковой молекулы до любой реакции организма. Ген – это участок хромосомной ДНК, в которой закодирована последовательность аминокислот.

Генотип – совокупность генов и цитоплазматических их носителей, которые определяют развитие всех наследственных признаков и свойств организма.

В 1911 – 1926 г.г. американский генетик Морган сформулировал хромосомную теорию наследственности, согласно которой передача наследственной информации связана с хромосомами. Хромосомы парны. Пару генов, определяющих альтернативные признаки называют аллеломорфной парой. Альтернативный признак и соответствующий ему ген, проявляющийся у гибридов первого поколения, называют доминантным, а не проявляющийся (подавленный) – рецессивным. Аллельные гены принято обозначать одинаковыми буквами латинского алфавита: доминантный – заглавной буквой (А), а рецессивный – строчной (а). Эти гены могут быть одинаковы АА или аа (у гомозигот), или разными Аа (у гетерозигот).

Совокупность всех свойств и признаков организма называется фенотипом. Фенотип развивается на базе определенного генотипа в результате взаимодействия организма с окружающей средой. Отдельный признак называется феном. К фенотипическим признакам относятся внешние (цвет глаз, волос, форма носа и т.д.), анатомические (объем желудка, строение печени и т.д.), биохимические (концентрация глюкозы и мочевины в сыворотке крови и др.).

Основные закономерности наследования.

В клеточном ядре находятся хромосомы – длинные нитевидные тельца, состоящие из ДНК и присоединенного к ней белка. При изучении хромосом у самцов и самок животных было обнаружено, что у самок имеются две палочковидные хромосомы (ХХ), а у самцов – (ХY). Эти хромосомы, по которым отличают самца от самки, называются половыми хромосомами, остальные - аутосомами.

Перед делением клетки число хромосом в клетке удваивается и при делении дочерние клетки получают по одному набору каждая. Такой тип деления называется митозом. При этом ядро клетки делится на два дочерних ядра.

Общая сумма всех генов, имеющаяся у всех членов данной популяции, составляет ее генофонд. Посчитав, сколько раз тот или иной ген встречается в генофонде данной популяции, мы определим частоту этого гена в популяции.

Таким образом, эволюция – это изменение частоты одного или нескольких генов в данной популяции от одного поколения к другому.

Основные закономерности наследования были изучены Г.Менделем при скрещивании гороха. При этом родительские формы анализировались по одной паре альтернативных признаков (моногибридное скрещивание). Мендель брал гомозиготную доминантную особь с желтыми семенами (АА), и скрещивал с гомозиготной рецессивной особью с зелеными семенами (аа). Запись скрещивания производится следующим образом: в первой строке пишут букву Р (родители), далее генотип женского организма, знак скрещивания х, генотип мужского организма; во второй строке записывают букву G (гаметы) и гаметы женской и мужской особи. Каждая гамета берется в кружочек; в третей строке ставят букву F (потомки) и записывают генотипы потомков.

 

При анализе результатов скрещивания оказалось, что все потомки в первом поколении одинаковы по фенотипу (проявляется доминантный признак желтой окраски – закон доминанта) и генотипу (гетерозиготны). Отсуда и название первого закона Менделя – закон доминирования, единообразия гибридов первого поколения: при скрещивании гомозиготных особей, отличающихся по одной паре альтернативных признаков, все первое поколение гибридов окажется единообразным по фенотипу и по генотипу, и будет нести признак одного из родителей.

При дальнейшем скрещивании гибридов первого поколения (гетерозиготных особей) между собой получается следующий результат:

Получаются 4 зиготы: 1 АА, 2 Аа, 1 аа, вероятность образования которых равны. По фенотипу особи АА и Аа неразличимы (желтые семена), поэтому получается расщепление по фенотипу в соотношении 3:1; по генотипу – 1 (желтые гомозиготы АА):2(желтые гетерозиготы Аа):1(зеленые гомозиготы аа).

Второй закон Менделя – закон расщепления: при скрещивании гибридов первого поколения наблюдается расщепление 3:1 по фенотипу и 1:2:1 по генотипу.

Поскольку организмы отличаются по многим парам аллелей, Мендель проследил наследование двух признаков А и В одновременно

Для удобства записи следующего скрещивания воспользуемся решеткой Пеннета, в которой по горизонтали записывают женские гаметы, а по вертикали – мужские

 

Следовательно, при дигибридном скрещивании каждая пара признаков в потомках дает расщепление независимо от другой пары, как и при моногибридном скрещивании. Отсюда следует третий закон Менделя – закон независимого комбинирования признаков: при скрещивании гомозиготных особей, отличающихся по двум или нескольким парам альтернативных признаков, во втором поколении наблюдается независимое комбинирование генов и соответствующих им признаков разных аллельных пар.

Размножение организмов

Различают два вида размножения: бесполое и половое. Бесполое может быть вегетативное и спорообразование.

Вегетативное размножение  осуществляется частями тела организмов: мицелии (грибы); стебли (ива, смородина); усы (земляника); луковицы (лук, тюльпан); листья (фиалка, бегония) и т.д. Вегетативное размножение у животных наблюдается реже (гидра и кольчатые черви).

Спорообразование – это вид размножения, при котором на материнском организме образуются споры, прорастающие в новые особи.

При половом размножении происходит образование специализированных половых клеток (гамет) и последующее их слияние с образованием зиготы.

При изучении набора хромосом мужских и женских особей было выявлено, что у женских особей все хромосомы образуют пары (гомологичны), а у мужских, помимо парных, имеется одна непарная. Она и определяет пол. Большую из непарных хромосом, содержащуюся в женском организме в двойном наборе, назвали Х – хромосомой. Меньшую из непарных хромосом, которая содержится только у мужских особей, - Y – хромосомой.

Пол будущего организма определяется в момент оплодотворения и соотношение мужского и женского полов в потомстве от любого скрещивания соответствует соотношению 1:1.

Однако статистика показывает, что на каждые 100 девочек рождается около 106 мальчиков, а соотношение мужских и женских зигот в момент зачатия, как полагают, еще выше. Хотя в момент рождения имеется небольшой избыток мальчиков, смертность среди них в первые 10 лет жизни несколько выше, чем среди девочек, так что к 10 годам соотношение полов выравнивается; в дальнейшем эта неодинаковая смертность приводит к тому, что женщин оказывается больше, чем мужчин.

Следует отметить, что у человека Y – хромосома играет особую роль. Например, при отсутствии Y – хромосомы формируется особь женского пола с отклонениями от нормы. Только в Х – хромосоме содержатся гены, определяющие нормальную свертываемость крови и несвертываемость – гемофилию и т.п.

Мутации

Гены достаточно стабильны и как правило передаются последующим поколениям в неизменном виде. Однако, время от времени возникают изменения, называемые мутациями. Мутация, возникающая в одном из соматических клеток организма, может изменить наследственные признаки самой этой клетки и тех частей организма, которые образуются из ее потомков. Если мутации происходят в половых клетках, то измененные наследственные признаки могут быть переданы потомкам. Организм, получивший новые свойства, называют мутантом. Мутации могут происходить под влиянием внешних и внутренних воздействий.

Мутации подразделяются на несколько видов.

Генные мутации представляют собой изменения в отдельных генах. Это может произойти при замене, выпадении или вставке одной или нескольких нуклеотидных пар в молекуле ДНК. Генные мутации обычно возникают вследствие ошибок в спаривании оснований во время репликации; например пара А-Т, находясь в определенном участке нормального гена, может быть заменена парой Г-Ц, Ц-Г или Т-А. В результате транскрипции измененной ДНК будет синтезироваться измененная информационная РНК, а это приведет к построению пептидной цепи, в которой одна аминокислота заменена другой, что может привести к видоизменению ферментативной активности измененного белка. Возникают такие мутации под действием мутагенных факторов (мутагенов). Различают три группы мутагенов:

1) Физические факторы (ионизирующая радиация).

2) Химические соединения (пестициды, гербициды, медицинские препараты, натрий бисульфит – консервант в пищевой промышленности, кофеин, фенолы).

3) Биологические (вирусы).

Хромосомные мутации представляют собой изменение частей хромосом или целых хромосом.

Геномные мутации заключаются в изменении числа хромосом в гаплоидном наборе. Частный случай геномных мутаций – полиплодия – увеличение числа хромосом в генотипе кратно n. Например, 2n+1 – трисомия – болезнь Дауна у человека.

Большинство мутантов имеют сниженную жизнеспособность и отсеиваются в процессе естественного отбора. Для эволюции положительны лишь те особи, которые имеют благоприятные мутации. Поскольку у человека в общей сложности примерно 25000 генов, общая частота мутаций у него оказывается порядка одной мутации на каждого индивидуума в каждом поколении. Другими словами, у каждого из нас в среднем имеется один мутантный ген, которого не было у наших родителей. Под влиянием внешних факторов частота мутации может возрастать.

В последние годы люди научились преднамеренно изменять наследственные признаки растений и животных. Генные инженеры, поменяв в хромосоме один ген на другой, могут получать «искусственные» продукты, которые с успехом вытесняют натуральные. Созданы бананы, содержащие вакцину против полиомиелита. В Московском НИИ картофелеводства выводят картофель с человеческим интерференом, повышающим иммунитет. Американцы работают над картофелем, который защищает  от гепатита, а также не поедается колорадским жуком (в России он проходит испытания). Получены генные помидоры, которые могут в свежем виде храниться месяцами. На канадских полях выращивают цветной хлопок. В Московском институте животноводства выращены овцы, в молоке которых присутствует сычужный фермент, необходимый для производства сыра (раньше его добывали из желудков телят, для чего их убивали в огромном количестве). Рапсовое масло может стать автомобильным топливом. Эксперты США полагают, что через год-два оборот от продажи генетически измененных продуктов составит десятки миллиардов долларов, займут они 25 млн га земли. Так что, покупая импортные продукты, можете заметить предупреждение: «Сделано из генетически модифицированного продукта».


22. Принципы эволюции в биологии. Происхождение жизни. Живая природа. Генетические основы эволюции. Естественный и искусственный отбор.

 

Абсурдный вроде бы вопрос: «что раньше образовалось – Земля или жизнь?» в 1963г. ученые обнаружили присутствие в межзвездной среде гидроксильных радикалов ОН. Это побудило к дальнейшему изучению межзвездного газа. Как уже говорилось, основной компонентой газа является  водород, затем гелий (его в 10 раз меньше), обнаружены также кислород, неон, азот, углерод, кремний в ничтожных количествах. Кроме ОН в межзвездной среде обнаружили сложные молекулы цианоацителена НС3N, муравьиной кислоты НСООН. В пылевом облаке в нашей Галактике обнаружили аммиак (NН3). Загадка заключается в том, что он неустойчив и разлагается под действием ультрафиолета. Значит он где-то воспроизводится. Найдено уже более 20 сложных химических соединений. Может оказаться не таким уж фантастическим предложением, что планеты во время своего образования уже содержат сложные органические соединения – основу примитивных форм жизни (концепция панспермии).

По данных палеонтологии и геологии первые признаки жизни на Земле относятся к 3,5 млрд. лет назад. Первые позвоночные появились 500 млн. лет назад, тогда же появляются наземные растения.

1 млн. лет назад – животный и растительный мир близки к современному, обнаружены следы человека. Чем ближе к нашему времени, тем организмы становятся сложнее. Непрерывность развития организмов – вот вывод и основной закон биологии, открытый Ламарком и Дарвином.

Академик Опарин и др. считают, что первые живые организмы на Земле представляли собой микроскопические комочки живого вещества – это еще не животные и не растения. Первичная атмосфера Земли не имела кислорода, она сдержала водород и соединения углерода и азота (метан, аммиак). Отсутствие кислорода было, видимо, необходимым условием возникновения жизни: органические соединения гораздо легче образуются в восстановительной среде. О том, что атмосфера была именно такой, свидетельствует химический состав древних пород. А.И. Опарин полагал, что органические вещества могли создаваться и накапливаться в океанах. Необходимая концентрация веществ могла возникать на мелководьях. На границах между сгустками органических веществ (кооцерватов) могли встраиваться молекулы сложных углеводов, образуя подобие мембран примитивных «клеток», через которые мог происходить устойчивый обмен веществ с окружающей средой. Появление клеточной организации означало появление жизни со всеми обменными процессами (биосинтез, энергетический обмен).

В 1954г. были открыты в Канаде слоистые известняки древних (3,5 млрд. лет назад) отложений. Установлено, что они представляют остатки бактерий и сине-зеленых водорослей. Живые их скопления существуют и сейчас у морских побережий Австралии. Водоросли приобрели способность к фотосинтезу. Появление  в атмосфере свободного кислорода позволило организмам перейти к аэробному способу получения энергии, т.к. при окислении углеводов в 18 раз увеличивается выход биологически полезной энергии. Кроме того, в верхних слоях атмосферы образовался озоновый слой, защитивший земную жизнь от космического ультрафиолета. 2,7 млрд. лет назад атмосфера как и сейчас уже содержала 21% кислорода. Это способствовало преимущественному развитию аэробных эукариотных организмов (ископаемые их останки имеют возраст 1,5 млрд. лет).

1 млрд. лет назад возникли многоклеточные растения (водоросли), 440 млн. лет назад растения выходят на сушу, впоследствии развиваются сосудистые растения: плауны, хвощи, папоротники, размножающиеся спорами и предпочитающие водную среду. Вслед за ними на сушу устремляются и животные (обилие корма).

В материальном мире часто увеличение количества приводит к глубоким качественным изменениям. Развитие нервной системы организмов дало им возможность более гибко приспосабливаться к окружающей среде.

Прогрессивная эволюция приматов оказалась уникальным явлением в истории жизни, в итоге она привела к возникновению человека.

Наиболее существенные черты эволюции животного мира заключались в следующем: 1) Прогрессивное развитие многоклеточности и связанная с ним специализация тканей и всех систем органов. Свободный образ жизни (способность к перемещению) в значительной мере определил совершенствование форм поведения, а также автономизацию онтогенеза – относительную независимость индивидуального развития от колебаний факторов среды на основе развития внутренних регулярных систем. 2) Возникновение твердого скелета. Внутренний скелет позвоночных не ограничил увеличение размеров тела. Развитие центральной нервной системы у животных характеризуется совершенствованием форм поведения  по типу наследственного закрепления инстинктов. У позвоночных развивался головной мозг и система условных рефлексов, наблюдается ярко выраженная тенденция к повышению средней выживаемости отдельных особей.

Этот путь эволюции позвоночных привел к развитию форм группового адаптивного поведения, финальным событием которого стало возникновение биосоциального существа – человека.

Сравнивая структуры ДНК человека, животных и растений, можно найти много общего.

Чем ближе родство между организмами, тем более сходны последовательности их ДНК. Это говорит о том, что все живые организмы генетически родственны и имеют одни корни. Если сравнить молекулы ДНК человека и шимпанзе, найдем  их аминокислотный состав одинаковым на 99%, в то же время если сравнить с гориллой, то обнаружим отличие в одном месте на 150. Если будем сравнивать ДНК человека и собаки, то найдем 16% замен, с карпом – 50%.

Таким образом, ближайшим по происхождению родственником человека, является шимпанзе. Ответвление от единого корня у других человекообразных произошло раньше несмотря на их большую внешнюю схожесть.

В своем труде «Происхождение видов» (1859г.) Ч.Дарвин опроверг существовавшее до него учение о неизменности (божественном  происхождении) видов. Человек, выводя ценные породы животных и растений, производит искусственный отбор. В дикой природе отбор производит сама Природа. В борьбе за существование в животном и растительном мире выживают самые приспособленные, обладатели полезных качеств. Меняются условия (среда обитания) изменяются и виды организмов. Дарвин назвал это естественным отбором.

В основе эволюции, которой руководит Природа, лежит метод «проб и ошибок». Все те пробы, которые появились в результате мутации и оказались лучше приспособленными к требованиям условий выживания, принимались Природой и развивались далее. Это закон естественного отбора. Так развивался растительный и животный мир, так был создан человек. Следовательно, в природе мы наблюдаем постоянное развитие в направлении создания структур, лучше адаптированных к соответствующим условиям размножения. Чем больше частота смены поколений, тем быстрее происходит этот процесс. Смерть генетически запрограммирована – она один из факторов – двигателей прогресса в живом мире. Естественный отбор – очень медленный процесс. Временный интервал в несколько миллиардов лет обеспечил современные формы жизни.

В чем же особенность эволюции человека и его влияние на эволюцию живой природы?

Человек выделился из животного мира благодаря качественному изменению его нервной системы, мозга. Человек приобрел возможность накапливать опыт из поколения в поколение. В начале это выражалось в установлении традиций (в том числе и религиозных). Обретение речи и особенно письменности сыграло большую роль в сохранении и передаче опыта. У животных, видимо, также есть свой язык и у них есть способы передавать опыт (кошка учит котят). Но эти особенности слабо выражены и не дают возможности им преодолеть зависимость от биологических инстинктов, передаваемых по наследству. У человека смерть одного индивидуума не приводит к потере накопленного опыта. Развитие языка и памяти обеспечило возможность человеку приобретать опыт в учении. При этом усваивается опыт не отдельного человека, а целого рода, а сейчас – целой цивилизации (концепция «глобального» мозга).

Наблюдается резкий отрыв темпов социального развития человека от темпов его биологического развития. Социальные заметные изменения (образ жизни, поведение, жилье…) происходят сейчас примерно за 10 поколений в то время, как биологические изменения – за 100 тыс. поколений, т.е. 1:104! (негры рабы, завезенные в Америку европейцами из Африки, перешли от первобытного образа жизни к современному, но белыми так и не стали).


23. Эволюция и экология. Популяция, биогеоценоз, биосфера, наосфера. Экосистемы. Взгляды Вернадского и современных ученых – экологов.

 

В результате естественного отбора у растений и животных выработались тончайшие, порой удивительные приспособления к окружающей среде (кувшинка для воды, ковыль для сухих степей; даже кислотность почвы можно определить по растущим на ней растениям…).

Зависимость растений и животных от условий обитания, тесные связи между совместно обитающими организмами изучает экология.

Экология:

1) Рассматривает влияние на различные виды организмов факторов среды или их комплексов (климат, почвы, влажность…), некоторые из них создаются совместным проживанием (божья коровка и тля…);

2) Изучает популяции животных и растений, т.е. группировки особей, принадлежащих к одному виду, обитающих на ограниченном пространстве и обладающих общими признаками и биологическими свойствами.

Очень важное место в экологии занимает изучение особенностей взаимодействия целых растительно-животных сообществ – биоценозов.

Экологи исследуют жизнь животных и растений в естественных условиях; определяют, как различные природные факторы действуют на организмы, вызывая у них приспособительные реакции. Характер реакции у животных и растений на одни и те же природные факторы неодинаков (перелет птиц, спячка, смена окраски, раннее цветение в тундре и т.п.). Каждый биоценоз по своему взаимодействует  со своим биотопом, т.е. местом обитания: почвой, рельефом, микроклиматом. Чтобы подчеркнуть эти сложные разносторонние связи часто употребляют термины: биогеоценоз или экосистема.

Ведущую роль в биогеоценозе играют растения. Заселяя свободное пространство, они влияют на него. Животные, поселяясь среди растений, также влияют на него. Исследования структур биогеоценозов, сформировавшихся в процессе эволюции, показывают, что в этих системах благодаря почти замкнутому круговороту веществ успешно происходит утилизация отходов живых организмов, перевод отходов снова в минеральные и органические соединения, пригодные для питания растений.

В биогеоценозе между растениями и животными идет постоянная конкуренция как внутри вида, так и межвидовая, приводящая к гибели менее приспособленных. Большие преимущества получают группировки животных одного или разных видов (стада, стаи) в борьбе с хищниками. Сообщества организмов обладают некоторой самоорганизующей, саморегулирующей способностью. Представим себе популяцию зайцев и волков. Зайцы питаются растительной пищей, волки – зайцами. Если зайцев много, волки усиленно размножаются. Зайцев становится меньше, уменьшается и число волков. Число зайцев увеличивается, они съедают растительную пищу, в итоге численность их убывает. С задержкой по фазе также периодически изменяется и численность волков и т.д. реально в биогеоценозе «автоколебания» происходят гораздо сложнее. Иногда создается впечатление, что все это кем-то управляется со стороны, подчиняется чей-то «Большой воле».

Земля за свою историю прошла через шесть эпох оледенения, вызванных скорее всего столкновениями с астероидами (по мнению китайских гляциологов, 1999г.). Самое мощное оледенение было 65 млн. лет назад, вызвав гибель 60% всего живого, включая динозавров. Оледенения были также 34 млн., 23 млн., 15 млн., 1 млн. и 730 тыс. лет назад. Энергия, выделявшаяся при столкновении с астероидом, сравнима со взрывом миллионов водородных бомб. При этом вокруг Земли образовались плотные пылевые облака, непрозрачные для солнечного света, вызывающие гибель флоры и фауны. Потребовались тысячи лет, чтобы эти облака рассеялись.

Биота – естественные фауна и флора биосферы, насчитывающие ныне 500 тыс. видов растений и 1,5 млн. видов животных, – приспосабливается практически к любой среде обитания за счет эволюционных видоизменений, за 4 млрд. лет существования Земли не было эпох, когда бы биота исчезла. Существенные изменения на Земле могут происходить и под воздействием самой биоты. Так биота в прошлом (2,7 млрд. лет назад) вызвала замену восстановительной атмосферы окислительной, содержащей кислород. Это привело к появлению дышащих кислородом организмов и вымиранию многих видов, для которых эти изменения не были благоприяными.

Главным свойством жизни считается способность к эволюции и непрерывной адаптации к любым внешним условиям.

Существует и другая альтернативная концепция, согласно которой только те виды животных и растений могут составлять биоту, которые обеспечивают необходимую работу по поддержанию приемлемой окружающей среды, т.е. производить биологическую регуляцию окружающей среды.

Человек, будучи сам продуктом эволюции, тесно взаимодействует с природой. Численность человечества на Земле недавно достигла 6 млрд. Для удовлетворения потребностей его растущей популяции неизбежно кардинальное изменение окружающей среды. Она снабжает его прежде всего продуктами питания, получение которых во многом зависит от плодородия почв. Плодородие почв поддерживается деятельностью растений, микроорганизмов и животных, принимающих участие в великом кругообороте питательных веществ – азота, фосфора, углерода, серы. Источником энергии для этого служит излучение Солнца, улавливаемое растениями с помощью фотосинтеза. Благодаря этим естественным процессам существует возможность утилизировать многие из отбросов человеческой деятельности: от сточных вод до промышленных отходов. В ходе этих кругооборотов биологически ограничивается накопление в окружающей среде ядов – аммиака, нитратов, гидросульфидов и др.

Природа создает для человека условия, необходимые для жизни. Цветы большинства овощей, фруктов и ягод опыляются насекомыми. Основная масса рыбы, на которую приходится 10-15 % животного белка, потребляемого человеком, размножается в естественных условиях, неподвластных человеку. Большинство потенциальных вредителей сельского хозяйства – по некоторым подсчетам до 99% - «держится в узде» не человеком, а природными врагами этих вредителей и условиями окружающей среды, такими, как температура, влажность, наличие мест размножения. Распространение целого ряда возбудителей заболеваний у людей сдерживается не медициной, а самой природой.

Наконец, природу во всей ее пестроте можно рассматривать как уникальное хранилище генетической информации. Эта сокровищница может дать нам новые сорта культурных растений, новые лекарства и вакцины, новые биологические средства борьбы с вредителями. Исчезновение вида или даже сужение генетического разнообразия внутри вида – невозместимая потеря потенциальной возможности улучшить благосостояние человека.

С точки зрения пользы, которую приносит человечеству биосфера, ее не может заменить никакая техника – ни сейчас, ни в обозримом бедующем: в одних случаях пока не найдено научного объяснения процессам, позволяющим природе «служить» человечеству, в других – не создано еще техники, которая могла бы соперничать с природой (представьте себе машину, которая «поедая» траву, давала бы молоко). Масштабы подобной проблемы таковы, что на данном этапе затраты, связанные с разработкой и применением подобной техники, просто не под силу цивилизации.

Еще далек тот день, когда жизнь человечества будет протекать в среде столь стерильной и в такой же степени контролируемой, как в кабине космического корабля. Пока такое невероятное будующее не наступит – а возможно, этого не произойдет никогда – услуги, оказываемые нам четко организованными биологическими процессами в естественных условиях, останутся столь же необходимыми.

Много бед натворили люди бессистемной, излишне интенсивной эксплуатацией почв в результате земледелия и скотоводства, которая продолжается примерно 10 тыс. лет. Можно привести множество примеров плачевных последствий подобной практики. Из ранней истории человечества наиболее известно превращение в пустыню цветущих долин Тигра и Евфрата, погибших от эрозии и засоления почвы в результате неправильного орошения. Целые царства были занесены песками (экокатастрофа). Вытаптывание скотом пастбищ и земледелие «на износ» за тысячелетия привели к расширению пустыни Сахары, и процесс этот продолжается до сих пор. Вырубались и выжигались леса (пример Воронежского края в допетровские и последующие времена – только с 1696 по 1725 гг. леса Черноземья сократились на 400 тыс. га, за последующие 150 лет – на 1752 тыс. га). Результат – жестокая эрозия почвы и почти невосполнимая потеря ценных ресурсов. Аналогичные примеры характерны и для США и для Южной Америки.

Возделывание человеком культурных растений даже там, где качество почв, эрозия и засоление не представляют проблемы, может столкнутся с трудностями с точки зрения экологии. Прежде всего следует учитывать, что земледелие – это всегда упрощение экосистем, замена сложных естественных биологических сообществ сравнительно простыми биогеоценозами, созданными человеком, в которых господствует всего несколько сортов определенных растений. Будучи менее сложными, эти искусственные сообщества менее устойчивы по сравнению со своими природными аналогами, они часто оказываются беззащитными перед нашествиями сорняков, вредителей-насекомых, эпидемиями различных заболеваний. «Картофельный голод», разразившийся в Ирландии в прошлом 19-м веке, - возможно, наиболее яркий пример краха упрощенной сельскохозяйственной экосистемы.  Излишняя зависимость ирландского населения от одной, высокопродуктивной культуры привела к гибели 1,5 миллиона человек и массовой эмиграции, когда эта картофельная монокультура стала жертвой грибка.

Люди сознательно или бессознательно в погоне за материальным благосостоянием нарушают существующие в природе равновесия. Это приводит к экологическим взрывам, к существенным изменениям биоценозов, к исчезновению отдельных видов растений и животных…. В связи с этим этические вопросы в деятельности человека все более становятся важными. Вернадский по этому поводу пишет: «Человек впервые реально понял, что он житель планеты и может – должен – мыслить и действовать в новом аспекте, не только в аспекте отдельной личности, семьи или рода, государств или их союзов, но и в планетном аспекте». Эти слова были написаны 50 лет назад, их значение сейчас еще более возросло.

Потенциал биотической регуляции пока считается достаточным для восстановления естественной биоты от антропогенных возмущений окружающей среды при условии сохранения ее на больших территориях. Главной экологической задачей для выживания человечества является сохранение естественной биоты Земли. Это требует полного прекращения дальнейшего освоения естественной биоты открытого океана и восстановления ее на значительной части освоенной суши.