Концепции Современного Естествознания Понятие о

Концепции Современного Естествознания

Понятие о науке Есть несколько способов познания мира: n Философское n Религиозное n Творческое n Научное

Наука – это особый рациональный способ познания мира, основанный на эмпирической проверке или математическом доказательстве

Методы научного познания n Анализ n Синтез n Дедукция n Индукция n Абстрагирование n Систематизация n Математическое моделирование

Естествознание изучает окружающий мир, включая самого человека Этапы естественно—научного познания: n Эмпирический факт (формирование гипотезы) n Эксперимент или наблюдение n Формирование теории

В процессе исторического развития человеческого общества в результате научных революций сменяются научные картины мира, а в итоге происходит смена научных парадигм

Системный подход в естествознании В естествознании предмет изучения принято называть системой. Система состоит из элементов и связей между ними. Связи бывают горизонтальные и вертикальные. Разнообразие системы объясняется наличием большого количества элементов и разнообразием связей между ними.

Разнообразие систем О н н + О О = н н газ Жидкость

К концу 19 века поведение систем можно было описать при помощи законов термодинамики E 1, Э 1 E 2, Э 2

Е 1=Е 2 (энергия системы) Э 1<Э 2 (энтропия - мера беспорядка системы)

Илья Пригожин (Бельгия) П. больше всего интересовали в термодинамике неравновесные специфически открытые системы, в которых либо материя, либо энергия, либо и то и другое обмениваются с внешней средой в реакциях. При этом количество материи и энергии либо количество материи или количество энергии со временем увеличивается или уменьшается. Чтобы объяснить поведение систем, далеких от равновесия, П. сформулировал теорию диссипативных структур. Считая, что неравновесность может служить источником организации и порядка, он представил диссипативные структуры в терминах математической модели с зависимыми от времени нелинейными функциями, которые описывают способность систем обмениваться материей и энергией с внешней средой и спонтанно себя рестабилизировать. Ставший теперь классическим пример диссипативной структуры в физической химии известен как нестабильность Бенарда. Такая структура возникает, когда слои легкоподвижной жидкой среды подогреваются снизу. При достаточно высоких температурных градиентах тепло передается через эту среду, как обычно, и большое число молекул в жидкости образуют специфические геометрические формы, напоминающие живые клетки.

Скоро стало очевидно, что человеческое общество так же, как и биологическая среда, являет собой пример диссипативных и недиссипативных структур. В 1952 г. английский математик Алан М. Тьюринг первым предположил, что термодинамические нестабильности типа тех, какие были выдвинуты П. и его коллегами, характерны для самоорганизующихся систем. В 60 -е и 70 -е гг. П. развил созданную им теорию диссипативных структур и описал образование и развитие эмбрионов.

Формы организации неживой природы

Микромир – это мир элементарных частиц, из которых состоят атомы

Элементарные частицы, в точном значении этого термина, - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в том, что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами. Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, иногда называют "истинно элементарные частицы".

Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году. Первой открытой антицастицей был позитрон - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Андерсоном в 1932 году. В современном физике в группу элементарных относятся более 350 частиц, в основном нестабильных, и их число продолжает расти. Если раньше элементарные частицы обычно обнаруживали в космических лучах, то с начала 50 -х годов ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц. лептоны Кварки (около 8)

Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей по сравнению с другими процессами интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием электромагнитного поля. Электромагнитное поле (в квантовой физике - фотон) либо излучается, либо поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества, и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросистем. Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных частиц. Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного. Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц. Слабое взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, но в повседневной жизни роль гравитационного

Слабое взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, но в повседневной жизни роль гравитационного взаимодействия гораздо заметнее роли слабого взаимодействия. Это происходит потому, что гравитационное взаимодействие (как, впрочем, и электромагнитное) имеет бесконечно большой радиус действия. Поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает настолько малым радиусом действия, что он до сих пор не измерен.

Макромир – это мир, который окружает человека n Вещество – это сложная система, которая состоит из атомов или молекул. n Свойства молекул отличаются от свойств атомов: H 2 + O 2 = H 2 O n Химическая связь – это сила, которая удерживает один или несколько атомов, ионов и молекул.

Виды химической связи n Ковалентная n Ионная n Металлическая n Водородная n Вандер-ваальсовы силы

В зависимости от характера взаимодействия частиц, образующих вещество, различают несколько агрегатных состояний n Твердое n Жидкое n Газообразное n Нейтронное n Плазменное n Конденсат Бозе-Эйнштейна

Периодический закон Д. И. Менделеева n Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов 1869

Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атома

98, 6% массы Земля составляют 8 химических элементов: n 0 – 47% n Si – 27, 5 % n Al – 8, 8 % n Fe – 4, 6 % n Ca – 3, 6 % n Na – 2, 6 % n K – 2, 5%

Эволюционная химия Учение о химических процессах Структурная химия Учение о составе вещества 1660 1800 1950 1970 Наст. время

Особенности биологического уровня организации материи

Жизнь как макромолекулярная открытая система, для которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ и тонко регулируемый поток энергии.

В 1806 г. Швед Йенс Ян Берцелиус разделил все химические соединения на 2 группы: те которые находятся в живых тканях он назвал органическими, а те которые находятся в неживой природе - неорганическими. На сегодняшний день нет точного определения «жизни» , но есть несколько определений, которые частично дают представление о феномене жизни: «Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является обмен веществ» Ф. Энгельс «Питание, рост, одряхление» Аристотель «Совокупность функций, сопротивляющихся смерти» Биша Н.

Абиогенез - идея о происхождении живого из неживого - исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 1924 г. известный биохимик А. И. Опарин высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4 -4, 5 млрд. лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды, могли возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни. Предсказание академика Опарина оправдалось. В 1955 г. американский исследователь С. Миллер, пропуская электрические заряды через смесь газов и паров, получил простейшие жирные кислоты, мочевину, уксусную и муравьиную кислоты и несколько аминокислот. Таким образом в середине XX века был экспериментально осуществлен абиогенный синтез белковоподобных и др. органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.

ОПАРИН А. И.

Важно подчеркнуть, что в настоящее время жизнь на Земле не может возникнуть абиогенным путем. Еще Дарвин в 1871 г. писал: "Но если бы сейчас. . . в каком-либо теплом водоеме, содержащем все необходимые соли аммония и фосфора и доступном воздействию света, тепла, электричества и т. п. , химически образовался белок, способный к дальнейшим все более сложным превращениям, то это вещество немедленно было бы разрушено и поглощено, что было невозможно в период возникновения живых существ". Жизнь возникла на Земле абиогенным путем. В настоящее время живое происходит только от живого (биогенное происхождение). Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.

n Гипотеза А. И. Опарина о n Коацерваты - это обособленные в возникновении жизни на Земле растворе органические опирается на представление о многомолекулярные структуры. Это постепенном усложнении еще не живые существа. Их возникновение рассматривают как химической структуры и стадию развития преджизни. Наиболее морфологического облика важным этапом в происхождении жизни предшественников жизни было возникновение механизма (пробионтов) на пути к живым воспроизведения себе подобных и организмам. На стыке моря, суши и наследования свойств предыдущих воздуха создавались поколений. Это стало возможным благоприятные условия для благодаря образованию сложных образования сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, органических соединений. В способные к самовоспроизведению, концентрированных растворах стали контролировать синтез белков, нуклеиновых кислот могут определяя в них порядок аминокислот. образовываться сгустки подобно А белки-ферменты осуществляли водным растворам желатина. процесс создания новых копий А. И. Опарин назвал эти сгустки нуклеиновых кислот. Так возникло коацерватными каплями или главное свойство, характерное для коацерватами. жизни - способность к воспроизведению подобных себе молекул.

Аксиомы биологии n Фенотип и генотип Матрица для воспроизводства генетической информации n Мутации Помехи в реализации информации n Эволюция живых организмов Переход от простых форм к более сложным

Примеры генетического разнообразия

Нормальный кариотип человека

Способы окраски хромосом

Схема строения двухцепочечной ДНК и комплементарной ей РНК. Для простоты ДНК показана не закрученной в спираль, какой она обычно бывает в клетке. Такой участок может кодировать две аминокислоты - серин и цистеин. Ф — остаток фосфорной кислоты, А, Г, Ц, Т, У соответственно аденин, гуанин, цитозин, тимин, и урацил. Нетрудно видеть что смысловая цепь и комплементарная ей антипараллельны. 3’- конец одной стыкуется с 5’-концом другой. Синтез матричной РНК начинается 3’- конца смысловой цепи. Следовательно м. РНК Нужно «читать» с 5’-конца. С него и начинается белковый синтез. Нагляднее принцип антипараллельности цепей дан на шуточной схеме внизу. Теперь представим себе, что обе нарисованные внизу змеи свернутся в кольцо и каждая возьмет в зубы собственный хвост, и мы получим точную копию кольцевой хромосомы некоторых фагов и бактерий.

Быть может, величайшее достижение биологии ХХ века — расшифровка генетического кода. На таблице показано, каким аминокислотам в белке соответствуют триплеты нуклеотидов в матричной РНК. Например, если в первой позиции стоит урацил, во второй цитозин и в третьей гуанин, то это сочетание кодирует аминокислоту серин. 1 — аминокислоты с положительно заряженной боковой цепью; 2 — отрицательно заряженные; З — полярные (имеющие сродство к молекулам воды); 4 — неполярные, гидрофобные, отталкивающие воду. Терм — терминирующие бессмысленные кодоны. На них синтез белка прерывается.

Упрощенная схема передачи генетической информации с ДНК на белок. С находящейся в ядре ДНК снимается «рабочая копия» гена — гетерогенная ядерная РНК (этот процесс называется транскрипцией). Значительная, как правило, большая ее часть не кодирует аминокислотных последовательностей и отрезается ферментами — эндонуклеазами и отбрасывается. Тогда же вырезаются и «нечитаемые» вставки — интроны. Созревшая м. РНК, получившая «шапочку» (cap — англ. ) на 5’-конце и полиадениловую последовательность на З’-конце, через пору в ядерной оболочке выходит в цитоплазму (часто в виде комплексов с белком — информофер или информосом, на рисунке не показанных). В цитоплазме информация считывается с м. РНК белоксинтезирующими аппаратами клетки — рибосомами (трансляция). Рибосомы гуськом идут по м. РНК: каждый раз, когда рибосома смещается на три нуклеотида к З’-концу, к растущей полипептидной цепи прибавляется один аминокислотный остаток.

Аминокислоты доставляются к рибосомам молекулами транспортной РНК (м. РНК). Отдав аминокислоту, м. РНК образует снова комплекс (аминоацил — м. РНК) с другой и снова вовлекается в процесс.

Мутации n Организм активно защищает свои генетические программы от внешних воздействий. Допустим, на участке ДНК (1) возникло повреждение. Квант ультрафиолета, проникнув в ядро, вызвал сшивку двух соседних пиримидиновых оснований, возник димер тимина (2). ДНК с таким дефектом не может работать, синтезировать себя или РНК. Молекулы ферментов ДНК- и РНК-полимераз, дойдя до сшивки, застрянут на ней, как застревает замок застежки- «молнии» , если в нее попала нитка. Но не все потеряно, на помощь приходят ферменты-репаразы. Эндонуклеаза «отстригает» поврежденный участок (3— 4), а брешь в двойной спирали достраивается другим ферментом, ДНК- полимеразой, по оставшейся комплементарной нити-матрице. Достроенный отрезок пришивается к старой последовательности ферментом лигазой. Этот процесс также активируется светом, но более длинноволновым (300— 600 нанометров). Так что, если хотите сохранить свои генетические программы в целости, не загорайте на пляже, а грейтесь у камина. Репаразы «ремонтируют» участки ДНК, к которым присоединились молекулы мутагенов, разрывы нитей и ошибки спаривания. В норме остаются лишь доли процента возникающих мутаций, но и этого достаточно, чтобы обеспечить материалом эволюцию.

Типы мутаций n. Генные n. Хромосомные n. Геномные

Уровни организации жизни внеклеточный (вирусный)

Клеточный

Типичная растительная клетка

КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ одно из крупных биологических обобщений, утверждающее общность происхождения, а также единство принципа строения и развития организмов; согласно клеточной теории, их основной структурный элемент — клетка. Клеточная теория впервые сформулирована Т. Шванном (1838 -39). Современная биология рассматривает многоклеточный организм в его расчлененности на клетки и целостности, основанной на межклеточных взаимодействиях. Клетка - основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица 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 выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы, которые тесно связаны между собой и подчинены нервным и гуморальным системам их регуляции.

Стволовые клетки Открытие стволовой клетки стоит в одном ряду с такими великими достижениями человечества, как открытие двуспиральной цепочки ДНК. Термин «стволовая клетка» впервые ввел в 1908 году русский гематолог из Санкт–Петербурга А. Максимов. Этот год можно считать началом истории стволовых клеток. Значительный объем исследований стволовых клеток проведен биологами А. Фриденштейном и И. Чертковым в России, в 60–х годах прошлого века. Именно они открыли стволовые клетки в костном мозге, обладающие уникальной регенерационной способностью (способность к восстановлению). Однако оценить истинную значимость этого открытия человечество смогло только спустя почти полвека.

Стволовые клетки в организме взрослого человека вырабатывает костный мозг. Это основной их источник, но далеко не единственный. Также стволовые клетки обнаружены и в жировой ткани, коже, мышцах, печени, легких, сетчатке глаза, практически во всех органах и тканях организма. Они обеспечивают восстановление поврежденных участков органов и тканей. Стволовые клетки, получив от регулирующих систем организма сигналы о какой–либо «неполадке» , по кровяному руслу устремляются к пораженному органу, восстанавливая практически любое повреждение, преобразовываясь на месте в необходимые организму клетки (костные – остеобласты, мышечные – миобласты, печеночные – мезенхимальные, сердечной мышцы – кардиомиобласты и даже клетки мозга – нейроны).

Лечение стволовыми клетками широко применяется для терапии огромного количества заболеваний. Современная медицина способна не только выращивать и культивировать стволовые клетки из их небольшого количества, взятого из организма, но и трансплантировать их. Лечение стволовыми клетками путем их трансплантации в кровеносное русло человека уже сегодня используется для врачевания большого числа недугов. Например, лечение стволовыми клетками применяют при: ишемической болезни сердца, инфаркте, инсульте, атеросклерозе, , сахарном диабете, дцп, рассеянном склерозе, хроническом простатите , язвенном колите, бронхиальной астме, остеохондрозе, циррозе, артрозе , артрите, псориазе, дерматите, экземе. Стволовые клетки способны либо полностью вылечить, либо значительно улучшить состояние человека.

Организменный уровень n С момента оплодотворения до момента прекращения жизни Начиная свой путь с одной единственной клетки путем деления и дифференцировки клеток строятся ткани и органы организма

Популяционно-видовой уровень n Основной единицей этого уровня является популяция

Экосистемный уровень n Включает симбиоз биоты и абиотических факторов

Человек- биосоциальное существо , соединяющее в себе биологическую и социальную компоненты. n Различия n Сходства Разум Вещественный состав Понятийное мышление Закон Генкеля (В Сознание своем развитии человеческий Речь зародыш проходит стадии, которые прошла эволюция живого) Способность к труду Использование огня Наличие рудиментарных органов Захоронение трупов

Эволюция человека n Приобретение навыков прямохождения n Уменьшение размеров челюстей n Увеличение объема мозга

1. Человек умелый (австралопетек) 2. Человек прямоходящий 3. Человек неандертальский 4. Человек разумный (кроманьонец)

Органом разума является мозг n «Различие между разумом и образованием состоит в том, что именно разум способен обеспечить вам хорошую жизнь» Чарльз Франклин Кеттеринг

Головной мозг n. Человеческий мозг содержит 1 х10 12 клеток n. В течение минуты у плода появляется ¼ млн. клеток мозга

Рост мозга n 9 месяцев - 35 см n 21 месяц – на 15 см больше n 231 месяц – на 5 см больше

Непосредственная память Кратковременная память Долговременная память

Сравнительная память Хранители памяти Вместимость в млн. знаков Человеческий мозг 125 500. 000 Нац. Архив США 12 500. 000 Британская 12 000 энциклопедия Жесткий диск ПК 500 -1000

Биосфера и Ноосфера

Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов n Основы учения В. В. Докучаева о почве ( как о естественно -историческом теле) были изложены В. И. Вернадским в 1926 году в книге «Биосфера» . Этот вопрос разрабатывался В. И. Вернадским до конца жизни. И на сегодняшний день в современной науке сохраняет актуальность.

В. И. Вернадский n Вернадский Владимир Иванович (1863 - 1945), российский естествоиспытатель, мыслитель и общественный деятель. Основоположник комплекса современных наук о Земле - геохимии, биогеохимии, радиогеологии, гидрогеологии и др. Создатель многих научных школ. Академик АН СССР (1925; академик Петербургской АН с 1912; академик Российской АН с 1917), первый президент АН Украины (1919). Профессор Московского университета (в 1898 -1911), ушел в отставку в знак протеста против притеснений студенчества. Идеи Вернадского сыграли выдающуюся роль в становлении современной научной картины мира. В центре его естественнонаучных и философских интересов — разработка целостного учения о биосфере, живом веществе (организующем земную оболочку) и эволюции биосферы в ноосферу, в которой человеческий разум и деятельность, научная мысль становятся определяющим фактором развития, мощной силой, сравнимой по своему воздействию на природу с геологическими процессами. Учение Вернадского о взаимоотношении природы и общества оказало сильное влияние на формирование современного экологического сознания. Развивал традиции русского космизма, опирающегося на идею внутреннего единства человечества и космоса.

В. И. Вернадиский выделил в Биосфере 7 разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ: n Живое вещество n Биогенное вещество n Косное вещество n Биокосное вещество n Радиоактивное вещество n Рассеянные атомы n Вещество космического происхождения

Живое вещество «Живые организмы являются функцией Биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой ее определяющей»

Согласно представлениям Вернадского, живые организмы без пропусков заполняют всю поверхность планеты. Размножением, питанием и дыханием они создают определённое давление на среду, меняют течение всех химических реакций, участвуют в круговороте всех химических элементов. Они выполняют в биосфере строго определённые биогеохимические функции для поддержания жизни на Земле. Более подробно В. И. Вернадский определяет понятие живого вещества в работе "О коренном материально-энергетическом отличии живых и косных естественных тел биосферы". Он отмечает два различных подхода к изучению явлений жизни - биогеохимический подход, когда живого вещество рассматривается как математически выраженная совокупность средних живых организмов, и подход других биологических наук, где изучается главным образом отдельные усреднённые живые организмы. Кроме того, вводятся понятия однородного живого вещества (родовое, видовое и т. п. ) и неоднородного живого вещества (лес, степь, биоценоз вообще), являющегося смесью однородных живых веществ.

Общая масса ЖВ в Биосфере оценивается 1, 8 – 2, 5 1018 г

Наряду с живым веществом В. И. Вернадский вводит понятие косного вещества: "Материально-энергетическое вещество, строящее биосферу, резко неоднородно. Таким образом, косное вещество - горные породы, жидкие и газообразные тела, в совокупности с живым веществом образуют биосферу. Между живым и косным веществом существует непрерывно идущая связь во время дыхания, питания, размножения живого вещества: миграция атомов из косных тел биосферы в живые и обратно.

Кроме понятий живого и косного вещества В. И. Вернадский выдвигает понятия о живых природных (естественных) телах (например, растение, жук, и т. п. ), косных телах (например, горная порода, кварц и т. п. ) и биокосных телах (например, почва, озёрная вода и т. п. ). Если понятия живого и косного тел природы В. И. Вернадский относит к бытовым, исторически понятным на основе "здравого смысла, то понятие биокосного тела, как он считает, нуждается в определении. "Биокосные естественные тела характерны для биосферы. Это закономерные структуры, состоящие из косных и живых тел одновременно (например, почвы), причём все их физико-химические свойства требуют - иногда чрезвычайно больших - поправок, если при их исследовании не учтено проявление находящегося в них живого вещества. "

Вопрос о происхождении Жизни был одним из ключевых в учении о Биосфере. В. И. Вернадский подчёркивет два важнейших, с геологической точки зрения, положения: во-первых, планетный, геологически закономерный характер жизни, и, во-вторых, теснейшую связь всех геологических процессов в биосфере с деятельностью живого вещества. Таким образом, понимание жизни как планетного явления приводит к представлениям о прямой зависимости существования биосферы от условий, созданных геологическими (в широком смысле слова) процессами. Таким образом, Вернадский сводит проблему зарождения жизни к проблеме возникновения биосферы, т. е. к определению тех условий, при которых возможно осуществление биогеохимических функций биосферы. Он считает, что такие условия могли возникнуть после выделения Луны из Земли и образования Тихого океана. В. И. Вернадский пишет: "<. . . > Первое появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде одного какого-нибудь вида организма, а в виде их совокупности, отвечающей геохимическим функциям жизни. Должны были сразу появиться биоценозы. "

При этом он допускает в качестве механизма возникновения жизни как абиогенез (зарождение вне живого), так и проникновение живого вещества извне, из космоса. Абиогенез, как считает Вернадский, несмотря на то, что мы не наблюдаем сейчас его проявлений, мог существовать в определённых условиях до появления биосферы. Интересно, что в работе "Начало и вечность жизни", вышедшей в 1922 г. В. И. Вернадский анализирует различные механизмы возникновения жизни и приходит к выводу, что жизнь могла быть вечной, не иметь начала: "Указание на логическую необходимость признания начала для эволюционного процесса имеет скорее философский, чем научный интерес. В конце концов, мы так же мало можем говорить о начале, как и о конце эволюционного процесса. "

Живые организмы – компоненты биогеоценоза Консументы Автотрофные Растительноядные Хищные растения животные Редуценты Деструкторы Органических останков

Поток биологической энергии Богатые Е углеводы О 2 Хлоропласт Митохондрии СО 2+Н 2 О АТФ с большой Е используются в Бедные Е биосинтезе

Круговороты веществ в природе n Вода находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т. п. Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы.

Круговорот углерода

Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры. Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи сотни миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь, во что именно - зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни этот процесс в истории планеты, вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие источники энергии, а может быть и совсем

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO 2 переходит в H 2 CO 3, HCO 31 -, CO 32 -. Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов Ca. CO 3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане. В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием CO 2. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.

Круговорот кислорода

Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели. В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О 2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров. Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.

В книге "Научная мысль как планетное явление" В. И. Вернадский анализирует геологическую историю Земли и утверждает, что наблюдается переход биосферы в новое состояние - в ноосферу под действием новой геологической силы, научной мысли человечества. Однако в трудах Вернадского нет законченного и непротиворечивого толкования сущности материальной ноосферы как преобразованной биосферы. В одних случаях он писал о ноосфере в будущем времени (она еще не наступила), в других в настоящем (мы входим в неё), а иногда связывал формирование ноосферы с появлением человека разумного или с возникновением промышленного производства.

Пространство и время n В начале XX века выяснилось, что на время "можно влиять"! Очень быстрое движение, например, замедляет бег времени. Затем выяснилось, что поток времени зависит и от поля тяготения. Обнаружилась также тесная связь времени со свойствами пространства. Так возникла и бурно развивается сейчас наука, которую можно назвать физикой времени и пространства.

Каждый знает, что пространство Вселенной трехмерно. Это значит, что у него есть длина, ширина и высота. То же и у всех тел. Или еще: положение точки может быть задано тремя числами - координатами. Если в пространстве проводить прямые линии или плоскости или чертить сложные кривые, то их свойства будут описываться законами геометрии. Если мы захотим изучать не только местонахождение, но и процессы, происходящие в трехмерном пространстве, то должны включить еще время. Событие, совершающееся в какой-либо точке, характеризуется положением точки, то есть заданием трех ее координат и еще четвертым числом - моментом времени, когда это событие произошло. Момент времени для события есть его четвертая координата. Вот в этом смысле и говорят, что наш мир четырехмерен.

n Осуществлена попытка показать, что пространство и время выступают как бы совершенно равноправно. Их значения просто отложены по разным осям. Но все же между пространством и временем есть существенная разница: в пространстве можно находится неподвижным, во времени - нельзя. Мировая линия покоящегося тела изображается вертикально. Тело как бы увлекается потоком времени вверх, даже если оно не движется в пространстве. И так обстоит дело со всеми телами; их мировые линии не могут остановиться, оборваться в какой-то момент времени, ведь время не останавливается. Пока тело существует, непрерывно продолжается и его мировая линия.