Біологічний кругообіг води. Головне поняття екології

Речовини надходять до живих організмів із ґрунту, повітря, води. Вода випаровується з океанів, піднімається до верств атмосфери, утворюючи дощ. Зелені рослини користуються водою, що надійшла в грунт. Підтримуючи свою життєдіяльність, вони одночасно виділяють необхідний кисень. У той самий час, без впливу кисню було б відбуватися процеси розкладання і гниття рослин. Як називається це замкнене коло, що забезпечує можливість життя на Землі, і в чому його особливості?

Головне поняття екології

Біологічний кругообіг - це звернення хімічних елементів, що виникло одночасно із зародженням життя на нашій планеті, і яке відбувається за участю живих організмів.

Закономірності, властиві кругообігу речовин, вирішують основні завдання підтримки життя Землі. Адже запаси поживних речовин на всій поверхні Землі не безмежні, хоч і є величезними. Якби ці запаси тільки споживалися живими істотами, то в один момент життя мало б підійти до свого кінця. Вчений Р. Вільямс писав: «Єдиний метод, який дозволяє обмеженій кількості мати властивість нескінченного, - це зробити так, щоб воно оберталося траєкторією замкнутої кривої лінії». Саме життя розпорядилося те щоб Землі використали цей метод. Органічні речовини утворюються зеленими рослинами, а незелені піддають його руйнуванню.

У біологічному кругообігу кожен вид живих істот займає своє місце. Основний парадокс життя полягає в тому, що воно підтримується за допомогою деструкції та постійного розпаду. Складні органічні сполуки рано чи пізно руйнуються. Цей процес супроводжується виділенням енергії, втратою властивої живому організму інформації. Величезне значення в біологічному кругообігу речовин та розвитку життя відіграють мікроорганізми - саме за їх участю будь-яка форма життя включається в біотичний кругообіг.

Ланки біоланцюжка

Мікроорганізми мають дві властивості, які дозволяють їм займати таке важливе місце у житті. По-перше, вони дуже швидко можуть пристосовуватися до умов навколишнього середовища, що змінюються. По-друге, для поповнення запасів енергії вони можуть використовувати найрізноманітніші речовини, а також вуглець. Такими властивостями не має жоден із вищих організмів. Вони існують лише як надбудова над фундаментальною основою царства мікроорганізмів.

Особи та види різних біологічних класів є ланками кругообігу речовин. Вони також взаємодіють між собою з допомогою різних типів зв'язків. Кругообіг речовин планетарного масштабу включає приватні біологічні круговороти в природі. Вони здійснюються, головним чином, харчовими ланцюжками.

Небезпечні мешканці домашнього пилу

Чималу роль у біологічному кругообігу грають і сапрофіти - постійні «жителі» домашнього пилу. Вони харчуються різноманітними речовинами, що входять до складу домашнього пилу. При цьому сапрофіти виділяють токсичні фекалії, які провокують виникнення алергії.

Ким є ці невидимі для людського ока створіння? Сапрофіти належать до сімейства павукоподібних. Вони супроводжують людину протягом усього життя. Адже пилові кліщі харчуються домашнім пилом, до складу якого також входить людська шкіра. Вчені вважають, що колись сапрофіти були жителями пташиних гнізд, а потім перебралися в житло людини.

Пилові кліщі, що грають велику роль у біологічному обороті, мають дуже малі розміри – від 0,1 до 0,5 мм. Але вони настільки активні, що лише за 4 місяці один пиловий кліщ може відкласти близько 300 яєць. Один грам домашнього пилу може містити кілька тисяч кліщів. Неможливо уявити, скільки пилових кліщів може бути в будинку, адже вважається, що за один рік у людській оселі може накопичуватися до 40 кг пилу.

Кругообіг у лісі

У лісі біологічний кругообіг має найбільшу потужність через проникнення коріння дерев у глибини ґрунту. Першим ланкою у тому обороті зазвичай вважається так зване ризосферное ланка. Ризосферою називається тонкий (від 3 до 5 мм) шар ґрунту навколо дерева. Грунт навколо коріння дерева (або «ризосферний грунт»), як правило, дуже багатий на кореневі виділення і різні мікроорганізми. Ризосферна ланка є своєрідними воротами між живою природою і неживою.

Ланка споживання знаходиться в корінні, яке поглинає мінеральні речовини з ґрунту. Деяка частина речовин змивається опадами назад у ґрунт, проте здебільшого повернення поживних речовин здійснюється під час двох процесів – опаду та відпаду.

Роль опаду та відпаду

Опад і відпад мають різне значення у біологічному кругообігу речовин. Опад включає шишки дерев, гілки, листя, залишки від трави. Дослідники не включають в опад дерева - вони належать до категорії відпаду. Розпад відпаду може відбуватися протягом десятків років. Іноді відпад може бути матеріалом для живлення інших деревних порід - але тільки після досягнення певної стадії розкладання. Відпад містить багато речовин, що належать до класу зольних. Вони повільно надходять у ґрунт і використовуються рослинами для подальшої життєдіяльності.

Від чого залежить опад?

Опад має дещо інше значення в біологічному кругообігу. Протягом року весь його обсяг переходить у шар підстилки та піддається повному розкладанню. Елементи золи набагато швидше надходять у біотичний обіг. Однак фактично опад є частиною біологічного обороту вже коли листя знаходиться на дереві. Показник опаду залежить від багатьох факторів: клімату, погоди у поточному та попередньому роках, кількості комах. У лісотундрі вона сягає кількох центнерів, у лісах вимірюється тоннами. Найбільша кількість опаду в лісах припадає на весну та осінь. Відрізняється цей показник і залежно від року.

Що стосується органічного складу хвої та листя, то в процесі круговороту вони зазнають однакових змін. На відміну від опаду, зелене листя зазвичай багате на фосфор, калій, азот. Опад же, як правило, багатий на кальцій. На біологічний кругообіг великий вплив мають комахи і тварини. Наприклад, листогризні комахи можуть значно прискорити його. Однак найбільший вплив на швидкість круговороту надають тварини в процесі розпаду. Личинки та черв'яки поїдають і подрібнюють опад, перемішують із верхніми шарами ґрунту.

Фотосинтез у природі

Рослини для поповнення запасів енергії можуть використовувати сонячне світло. Вони роблять це у два етапи. На першому етапі відбувається уловлювання світла листям; на другому енергія використовується для процесу зв'язування вуглецю та утворення органічних речовин. Біологи називають зеленими рослинами автотрофами. Вони є основою життя на всій планеті. Автотрофи мають велике значення у фотосинтезі та біологічному кругообігу. Енергія сонячного світла перетворюється ними на запасну за допомогою утворення вуглеводів. Найголовнішим із них є цукор глюкоза. Процес цей отримав назву фотосинтезу. Живі організми інших класів можуть отримувати доступ до сонячної енергії, споживаючи рослини. Таким чином з'являється харчовий ланцюг, що забезпечує кругообіг речовин.

Закономірності фотосинтезу

Незважаючи на важливість процесу фотосинтезу, довгий час він залишався невивченим. Лише на початку ХХ століття англійський вчений Фредерік Блекман поставив кілька експериментів, з яких вдалося встановити цей процес. Вчений виявив деякі закономірності фотосинтезу: виявилося, що він запускається при слабкому освітленні, поступово посилюючись з потоками світла. Однак це відбувається лише до певного рівня, після якого посилення світла не прискорює фотосинтез. Блекман також встановив, що поступове підвищення температури під час посилення освітлення сприяє фотосинтезу. Підвищення температури при слабкому освітленні не прискорює цей процес, як і посилення освітлення за низької температури.

Процес перетворення світла на вуглеводи

Фотосинтез починається з процесу попадання фотонів сонячного світла в молекули хлорофілу, розташовані у листі рослин. Саме хлорофіл надає рослин зелений колір. Уловлювання енергії відбувається у два етапи, які біологи називають Фотосистема I та Фотосистема II. Цікаво, що номери цих фотосистем відображають порядок їхнього відкриття вченими. Це одна з дивин у науці, оскільки спочатку реакції відбуваються у другій фотосистемі, і лише потім – у першій.

Фотон сонячного світла стикається з 200-400 молекулами хлорофілу, що у листі. При цьому енергія різко зростає та передається молекулі хлорофілу. Цей процес супроводжується хімічною реакцією: хлорофілова молекула втрачає при цьому два електрони (їх, у свою чергу, приймає так званий «акцептор електронів», інша молекула). А також при зіткненні фотона із хлорофілом відбувається утворення води. Цикл, у якому сонячне світло перетворюється на вуглеводи, називається циклом Калвіна. Значення фотосинтезу та біологічного круговороту речовин не можна недооцінити - саме завдяки цим процесам на землі є кисень. Отримані людиною корисні копалини - торф, нафта - також є носіями запасеної в процесі фотосинтезу енергії.

Кругообіг елементів у неживій природі

Кругообіг речовин у великому геологічному кругообігу.

Великий геологічний кругообіг

Великий геологічний кругообіг мінеральних речовин та води протікає під дією величезної кількості абіотичних факторів.

Відповідно до теорії літосферних плит, зовнішня оболонка Землі складається з кількох дуже великих блоків (плит). Ця теорія передбачає існування горизонтальних переміщень потужних літосферних плит, завтовшки 100 – 150 км.

При цьому в межах серединноокеанічних хребтів, так званої зони рифтів. Відбуваються розрив та розсування літосферних плит з утворенням молодої океанічної кори

Це називається спредингом океанічного дна. Т.ч., із глибин мантії піднімається потік мінеральних речовин, що утворює молоді кристалічні породи.

На противагу цьому процесу в зоні глибоководних океанічних жолобів постійно відбувається насування однієї частини континентальної кори на іншу, що супроводжується зануренням периферійної частини плити в мантію, тобто частина твердої речовини земної кори переходить до складу мантії Землі. Процес, що відбувається в океанічних глибоководних жолобах, названий субдукцією океанічної кори.

Кругообіг води на планеті діє безперервно та повсюдно. Рухаючі сили кругообігу води – теплова енергія та сила тяжіння. Під впливом тепла відбуваються випаровування, конденсація водяної пари та інші процеси, на що витрачається близько 50% енергії, що надходить від сонця. Під впливом сили тяжіння – падіння крапель дощу, перебіг річок, рух ґрунтових та підземних вод. Часто ці причини діють спільно, наприклад, на атмосферну циркуляцію води діють як теплові процеси, і сила тяжкості.

Здійснюється двома шляхами: водною та повітряною міграцією. До повітряних мігрантів відносять: кисень, водень, азот, йод.

До водних мігрантів відносять ті речовини, які мігрують переважно у ґрунтах, поверхневих та підземних водах в основному у вигляді молекул та іонів: натрій, магній, алюміній, кремній, фосфор, сірка, хлор, калій, марганець, залізо, кобальт, нікель, стронцій , свинець та ін. Повітряні мігранти входять також до складу солей, які мігрують у воді. Проте повітряна міграція їм більш типова.

Маса живої речовини біосфери порівняно мала. Якщо її розподілити по земній поверхні, то вийти шар лише 1,5 див. У таблиці 4.1 зіставлені деякі кількісні властивості біосфери та інших геосфер Землі. Біосфера, складаючи менше 10-6 маси інших оболонок планети, має незрівнянно велику різноманітність і оновлює свій склад у мільйон разів швидше.

Таблиця 4.1

Порівняння біосфери з іншими геосферами Землі

*Жива речовина в розрахунку на живу вагу

4.4.1. Функції біосфери

Завдяки біоті біосфери здійснюється переважна частина хімічних перетворень планети. Звідси судження В.І. Вернадського про величезну перетворюючу геологічну роль живої речовини. Протягом органічної еволюції живі організми тисячоразово (для різних кругообігів від 103 до 105 разів) пропустили через себе, через свої органи, тканини, клітини, кров усю атмосферу, весь обсяг Світового океану, більшу частину маси ґрунтів, величезну масу мінеральних речовин. І не тільки пропустили, а й відповідно до своїх потреб видозмінили земне середовище.

Завдяки здатності трансформувати сонячну енергію в енергію хімічних зв'язків рослини та інші організми виконують низку фундаментальних біогеохімічних функцій планетарного масштабу.

Газова функція. Живі істоти постійно обмінюються киснем та вуглекислим газом із навколишнім середовищем у процесах фотосинтезу та дихання. Рослини відіграли вирішальну роль у зміні відновного середовища на окислювальну в геохімічній еволюції планети та у формуванні газового складу сучасної атмосфери. Рослини суворо контролюють концентрації О2 та СО2, оптимальні для сукупності всіх сучасних живих організмів.

Концентраційна функція. Пропускаючи через своє тіло великі обсяги повітря та природних розчинів, живі організми здійснюють біогенну міграцію (рух хімічних речовин) та концентрування хімічних елементів та їх сполук. Це відноситься до біосинтезу органіки, утворення коралових островів, будівництво раковин і скелетів, поява товщ вапняків, родовищ деяких металевих руд, скупчення залізно-марганцевих конкрецій, на дні океану і т. д. Ранні етапи біологічної еволюції проходили у водному середовищі. Організми навчилися вилучати з розбавленого водного розчину необхідні їм речовини, багаторазово збільшуючи їх концентрацію у своєму тілі.

Окисно – відновна функція живої речовини тісно пов'язана з біогенною міграцією елементів та концентруванням речовин. Багато речовин у природі стійкі і піддаються окисленню за звичайних умов, наприклад, молекулярний азот – одне із найважливіших біогенних елементів. Але живі клітини мають настільки потужні каталізатори – ферменти, що здатні здійснювати багато окислювально-відновних реакцій у мільйони разів швидше, ніж це може відбуватися в абіотичному середовищі.

Інформаційна функція живої речовини біосфери. Саме з появою перших примітивних живих істот на планеті з'явилася і активна (жива) інформація, що відрізняється від тієї мертвої інформації, яка є простим відображенням структури. Організми виявилися здатними для отримання інформації шляхом з'єднання потоку енергії з активною молекулярною структурою, що грає роль програми. Здатність сприймати, зберігати та переробляти молекулярну інформацію здійснила випереджальну еволюцію в природі і стала найважливішим екологічним системоутворюючим фактором. Сумарний запас генетичної інформації біоти оцінюється у 1015 біт. Загальна потужність потоку молекулярної інформації, пов'язаної з обміном речовин та енергії у всіх клітинах глобальної біоти досягає 1036 біт/с (Горшков та ін, 1996).

4.4.2. Складові біологічного круговороту.

Біологічний кругообіг здійснюється між усіма складовими біосфери (тобто між ґрунтом, повітрям, водою, тваринами, мікроорганізмами тощо). Він відбувається за обов'язкової участі живих організмів.

Сонячне випромінювання, що досягає біосфери, несе в собі енергію близько 2,5*1024 Дж на рік. Тільки 0,3% її безпосередньо перетворюється на процесі фотосинтезу в енергію хімічних зв'язків органічних речовин, тобто. залучається до біологічного кругообігу. А 0,1 - 0,2% сонячної енергії, що падає на Землю, виявляється укладеною в чистій первинній продукції. Подальша доля цієї енергії пов'язана з передачею органічної речовини їжі каскадами трофічних ланцюгів.

Біологічний кругообіг умовно можна розділити на взаємопов'язані складові: кругообіг речовин і енергетичний кругообіг.

4.4.3. Енергетичний кругообіг. Трансформація енергії у біосфері

Екосистему можна описати як сукупність живих організмів, які безперервно обмінюються енергією, речовиною, інформацією. Енергію можна визначити як здатність виконувати роботу. Властивості енергії, у тому числі рух енергії в екосистемах, описуються законами термодинаміки.

Перший закон термодинаміки або закон збереження енергії стверджує, що енергія не зникає і не створюється заново, вона лише переходить із однієї форми до іншої.

Другий закон термодинаміки стверджує, що у замкнутій системі ентропія може лише зростати. Стосовно енергії в екосистемах зручне наступне формулювання: процеси, пов'язані з перетворенням енергії, можуть відбуватися мимовільно лише за умови, що енергія переходить із концентрованої форми на розсіяну, тобто деградує. Міра кількості енергії, яка стає недоступною для використання, або інакше міра зміни упорядкованості, що відбувається при деградації енергії, є ентропією. Чим вища упорядкованість системи, тим менша її ентропія.

Іншими словами, жива речовина отримує і трансформує енергію космосу, сонця в енергію земних процесів (хімічну, механічну, теплову, електричну). Залучає цю енергію та неорганічну матерію в безперервний кругообіг речовин у біосфері. Потік енергії у біосфері має один напрямок – від Сонця через рослини (автотрофи) до тварин (гетеротрофи). Природні незаймані екосистеми у стійкому стані з постійними найважливішими екологічними показниками (гомеостаз) є найбільш упорядкованими системами і характеризуються найменшою ентропією.

4.4.4. Кругообіг речовин у живій природі

Утворення живої речовини та її розкладання – дві сторони єдиного процесу, що називається біологічним кругообігом хімічних елементів. Життя – кругообіг хімічних елементів між організмами та середовищем.

Причина круговороту – обмеженість елементів, у тому числі будуються тіла організмів. Кожен організм витягує з навколишнього середовища необхідні життєдіяльності речовини і повертає невикористані. При цьому:

одні організми споживають мінеральні речовини безпосередньо з довкілля;

інші використовують продукти, перероблені та виділені першими;

треті – другими тощо, доки речовини не повернуться у довкілля у початковому стані.

У біосфері очевидна необхідність співіснування різних організмів, здатних використовувати продукти життєдіяльності одне одного. Ми бачимо практично безвідходне біологічне виробництво.

Кругообіг речовин у живих організмах умовно можна звести до чотирьох процесів:

1.Фотосинтез. В результаті фотосинтезу рослини засвоюють та акумулюють сонячну енергію та синтезують з неорганічних речовин органічні речовини – первинну біологічну продукцію – та кисень. Первинна біологічна продукція відрізняється великою різноманітністю – містить вуглеводи (глюкозу), крохмаль, клітковину, білки, жири.

Схема фотосинтезу найпростішого вуглеводу (глюкози) має таку схему:

Цей процес протікає лише вдень та супроводжується збільшенням маси рослин.

На Землі щорічно в результаті фотосинтезу утворюється близько 100 млрд т органічної речовини, засвоюється близько 200 млрд т вуглекислого газу, виділяється приблизно 145 млрд т кисню.

Фотосинтезу належить вирішальна роль забезпеченні існування життя Землі. Його глобальне значення пояснюється тим, що фотосинтез є єдиним процесом, під час якого енергія в термодинамічному процесі згідно з мінімалістським принципом не розсіюється, а навпаки – накопичується.

Синтезуючи необхідні для побудови амінокислотних білків, рослини можуть існувати відносно незалежно від інших живих організмів. У цьому виявляється автотрофність рослин (самостійність у харчуванні). У той самий час зелена маса рослин і кисень, що утворюється у процесі фотосинтезу, є основою підтримки життя наступної групи живих організмів – тварин, мікроорганізмів. У цьому вся проявляється гетеротрофність цієї групи організмів.

2. Дихання. Процес зворотного фотосинтезу. Відбувається у всіх живих клітинах. При диханні органічна речовина окислюється киснем, у результаті утворюється вуглекислий газ, вода та виділяється енергія.

3. Харчові (трофічні) зв'язки між автотрофними та гетеротрофними організмами. В даному випадку відбувається перенесення енергії та речовини за ланками харчового ланцюга, які докладніше були нами розглянуті раніше.

4. Процес транспірації. Один із найважливіших процесів у біологічному кругообігу.

Схематично його можна описати в такий спосіб. Рослини поглинають ґрунтову вологу корінням. При цьому в них надходять розчинені у воді мінеральні речовини, які засвоюються, а волога більш менш інтенсивно випаровується в залежності від умов середовища.

4.4.5. Біогеохімічні цикли

Геологічний та біологічний кругообіг пов'язані – вони існують як єдиний процес, народжуючи циркуляцію речовин, так звані біогеохімічні цикли (БГХЦ). Цей кругообіг елементів обумовлений синтезом і розпадом органічних речовин в екосистемі (рис.4.1) У БГХЦ задіяні не всі елементи біосфери, а лише біогенні. З них складаються живі організми, ці елементи вступають у численні реакції та беруть участь у процесах, що протікають у живих організмах. У відсотковому співвідношенні сукупна маса живої речовини біосфери складається з таких основних біогенних елементів: кисню – 70%, вуглецю – 18%, водню – 10,5%, кальцію – 0,5%, калію – 0,3%, азот – 0, 3% (кисень, водень, азот, вуглець присутні у всіх ландшафтах і є основою живих організмів – 98%).

Сутність біогенної міграції хімічних елементів.

Таким чином, у біосфері мають місце біогенний кругообіг речовин (тобто кругообіг, викликаний життєдіяльністю організмів) і односпрямований потік енергії. Біогенна міграція хімічних елементів визначається переважно двома протилежними процесами:

1. Утворення живої речовини з елементів довкілля з допомогою сонячної енергії.

2. Руйнування органічних речовин, що супроводжується виділенням енергії. При цьому елементи мінеральних речовин багаторазово потрапляють у живі організми, входячи тим самим до складу складних органічних сполук, форм, а потім при руйнуванні останніх знову набувають мінеральної форми.

Існують елементи, що входять до складу живих організмів, але не належать до біогенних. Такі елементи класифікуються за їхньою ваговою часткою в організмах:

Макроелементи – складові щонайменше 10-2% маси;

Мікроелементи - складові від 9 * 10-3 до 1 * 10-3% маси;

Ультрамікроелементи - менше 9 * 10-6% маси;

Щоб визначити місце біогенних елементів серед інших хімічних елементів біосфери, розглянемо класифікацію, прийняту в екології. За активністю в процесах, що протікають в біосфері, всі хімічні елементи ділять на 6 груп:

Шляхетні гази – гелій, неон, аргон, криптон, ксенон. Інертні гази до складу живих організмів не входять.

Шляхетні метали – рутеній, радій, паладій, осмій, іридій, платина, золото. Ці метали майже не створюють сполук у земній корі.

Циклічні чи біогенні елементи (їх ще називають міграційними). Цю групу біогенних елементів у земної корі припадає 99,7% всієї маси, але в інші 5 груп – 0,3%. Отже, переважна більшість елементів – це мігранти, які здійснюють кругообіг у географічної оболонці, а частина інертних елементів дуже мала.

Розсіяні елементи, що характеризуються переважанням вільних атомів. Вступають у хімічні реакції, та їх сполуки рідко зустрічаються у земної корі. Поділяються на дві підгрупи. Перша – рубідій, цезій, ніобій, тантал – створюють сполуки у глибинах земної кори, але в поверхні їх мінерали руйнуються. Друга – йод, бром – вступають у реакції лише з поверхні.

Радіоактивні елементи – полоній, радон, радій, уран, нептуній, плутоній.

Рідкоземельні елементи – ітрій, самарій, європій, тулій тощо.

Цілорічно біохімічні цикли надають руху близько 480 млрд. т. речовини.

В.І. Вернадський сформулював три біогеохімічні принципи, які пояснюють сутність біогенної міграції хімічних елементів:

Біогенна міграція хімічних елементів у біосфері завжди прагне максимального прояву.

Еволюція видів у ході геологічного часу, що веде до створення стійких форм життя, йде у напрямку, що посилює біогенну міграцію атомів.

Жива речовина знаходиться в безперервному хімічному обміні з навколишнім середовищем, що є фактором, що відтворює та підтримує біосферу.

Розглянемо, як рухаються у біосфері деякі з цих елементів.

Кругообіг вуглецю. Головним учасником біотичного кругообігу є вуглець як основа органічних речовин. Переважно кругообіг вуглецю відбувається між живою речовиною та вуглекислим газом атмосфери в процесі фотосинтезу. З їжею його одержують травоїдні, від травоїдних – хижаки. При диханні, гниття вуглекислий газ частково повертається в атмосферу, повернення відбувається при спалюванні корисних копалин органічних.

За відсутності повернення вуглецю в атмосферу він був би витрачений зеленими рослинами за 7-8 років. Швидкість біологічного обігу вуглецю через фотосинтез – 300 років. Світовий океан відіграє велику роль у регулюванні вмісту СО2 в атмосфері. Якщо в атмосфері підвищується вміст СО2, частина розчиняється у воді, вступаючи в реакцію з карбонатом кальцію.

Кругообіг кисню.

Кисень має високу хімічну активність, вступає в сполуки практично з усіма елементами земної кори. Зустрічається переважно як сполук. Кожен четвертий атом живої речовини – атом кисню. Майже весь молекулярний кисень в атмосфері виник і підтримується постійно завдяки діяльності зелених рослин. Кисень атмосфери, зв'язуючись при диханні та звільняючись при фотосинтезі, проходить через усі живі організми за 200 років.

Кругообіг азоту. Азот є складовою всіх білків. Загальне відношення зв'язаного азоту як елемента, що становить органічну речовину, до азоту в природі дорівнює 1:100000. Енергія хімічного зв'язку у молекулі азоту дуже велика. Тому з'єднання азоту коїться з іншими елементами – киснем, воднем (процес азотофиксации) – вимагає великих витрат енергії. Промислова фіксація азоту йде в присутності каталізаторів при температурі -500оС та тиску -300 атм.

Як відомо, атмосфера містить понад 78% молекулярного азоту, але в такому стані він не доступний зеленим рослинам. Для свого харчування рослини можуть використовувати лише солі азотної та азотистої кислот. Які шляхи утворення цих солей? Ось деякі з них:

У біосфері фіксація азоту здійснюється декількома групами анаеробних бактерій та ціанобактерій при нормальній температурі та тиску завдяки високій ефективності біокаталізу. Вважається, що бактерії переводять у пов'язану форму приблизно 1 млрд. т азоту на рік (світовий обсяг промислової фіксації – близько 90 млн. т).

Ґрунтові азотофіксуючі бактерії здатні засвоювати молекулярний азот із повітря. Вони збагачують ґрунт азотистими сполуками, тому їхнє значення надзвичайно велике.

В результаті розкладання азотовмісних сполук органічних речовин рослинного та тваринного походження.

Під дією бактерій азот перетворюється на нітрати, нітрити, амонійні сполуки. У рослинах сполуки азоту беруть участь у синтезі білкових сполук, які у ланцюгах живлення передаються від організму до організму.

Кругообіг фосфору. Ще одним важливим елементом без якого неможливий синтез білків є фосфор. Основні джерела – вивержені породи (апатити) та осадові породи (фосфорити).

Неорганічний фосфор залучається до кругообігу внаслідок природних процесів вилуговування. Фосфор засвоюється живими організмами, які з його участі синтезують ряд органічних сполук і передають різні трофічні рівні.

Закінчивши свій шлях по трофічним ланцюгам, органічні фосфати розкладаються мікробами і перетворюються на мінеральні фосфати, доступні для зелених рослин.

У процесі біологічного круговороту, що забезпечує рух речовини та енергії, немає місця накопиченню відходів. Продукти життєдіяльності (тобто відходи) кожної форми життя є живильним середовищем для інших організмів.

Теоретично в біосфері завжди повинен підтримуватись баланс між продукуванням біомаси та її розкладанням. Однак у окремі геологічні періоди збалансованість біологічного круговороту порушувалася, коли через певні природні умови, катаклізмів не вся біологічна продукція засвоювалася, трансформувалася. У цих випадках утворювалися надлишки біологічної продукції, які консервувалися та відкладалися у земній корі, під товщею води, наносів, опинялися у зоні вічної мерзлоти. Так сформувалися поклади кам'яного вугілля, нафти, газу, вапняку. Слід зазначити, що вони не засмічують біосферу. В органічних з корисними копалинами сконцентрувалася енергія Сонця, накопичена у процесі фотосинтезу. Зараз, спалюючи органічні горючі корисні копалини, людина вивільняє цю енергію.

Кругообіг речовин

Малі міграційні потоки хімічних елементів як між взаємозалежними організмами, так і між організмами та навколишнім середовищем складаються у більші цикли - кругообіги. Тривалість та сталість існування життя підтримують саме кругообіги, бо без них навіть у масштабах усієї Землі запаси необхідних елементів були дуже скоро вичерпані.

Кругообіг біологічний (біотичний)- явище безперервного, циклічного, закономірного, але нерівномірного у часі та просторі перерозподілу речовини, енергії 1 та інформації в межах екологічних систем різного ієрархічного рівня організації – від біогеоценозу до біосфери. Кругообіг речовин у масштабах всієї біосфери називають великим колом, а межах конкретного біогеоценозу - малим колом біотичного обміну. Частину біологічного круговороту, що складається з кругообігів вуглецю, води, азоту, фосфору, сірки та інших біогенних речовин, називають біогеохімічним кругообігом.

Деяка кількість речовини може на якийсь час вибувати з біологічного круговороту (осідати на дні океанів, морів, випадати в глибини земної кори тощо). Однак у результаті протікання тектонічних і геологічних процесів (вулканічної діяльності, підйому і опускання земної кори, зміни меж між сушею і водою та ін.) осадові породи знову включаються в кругообіг, званий геологічним циклом або кругообігом.

Кругообіги речовин від продуцентів до консументів різних рівнів, потім до редуцентів, а від них знову до продуцентів замкнуті не повністю. Якби в екосистемах існувала їхня повна замкнутість, то не виникало б жодних змін середовища життя, не було б ґрунту, вапняків та інших гірських порід біогенного походження. Таким чином, біотичний кругообіг можна умовно зобразити у вигляді незамкнутого кільця. Втрати речовини через незамкненість кругообігу мінімальні в біосфері (найбільшій екосистемі планети). Інформація в екосистемах втрачається із загибеллю видів та незворотними генетичними перебудовами.

Таким чином, кожна екосистема підтримує своє існування за рахунок кругообігу біогенів та постійного припливу сонячної енергії. Кругообіг енергії в екосистемах практично відсутній, оскільки від редуцентів вона (енергія) повертається до консументів у мізерних кількостях. Вважають, що коефіцієнт кругообігу енергії не перевищує 0,24%. Енергія може накопичуватися, зберігатися (тобто перетворюватися на ефективніші форми) і передаватися з однієї частини системи в іншу, але вона не може бути знову пущена в справу, як вода і мінеральні речовини. Якось пройшовши від рослин-продуцентів через консументи до редуцентів, енергія виноситься в навколоземний та космічний простір. При русі через екосистему потік енергії торкається переважно її біоценоз, тому він докладно розглянутий раніше.

Усі речовини планети перебувають у процесі круговороту. Сонячна енергія викликає на Землі два круговороти речовин: великий (геологічний, біосферний)і малі (біологічні).

Великий кругообіг речовин у біосфері характеризується двома важливими моментами: він здійснюється протягом усього геологічного розвитку Землі і є сучасним планетарним процесом, що бере участь у подальшому розвитку біосфери.

Геологічний кругообіг пов'язаний з утворенням та руйнуванням гірських порід та подальшим переміщенням продуктів руйнування - уламкового матеріалу та хімічних елементів. Значну роль у цих процесах відігравали і продовжують відігравати термічні властивості поверхні суші та води: поглинання та відбиття сонячних променів, теплопровідність та теплоємність. Нестійкий гідротермічний режим поверхні Землі разом із планетарною системою циркуляції атмосфери зумовлював геологічний кругообіг речовин, який на початковому етапі розвитку Землі, поряд з ендогенними процесами, був пов'язаний із формуванням континентів, океанів та сучасних геосфер. З становленням біосфери у великий кругообіг включилися продукти життєдіяльності організмів. Геологічний кругообіг постачає живим організмам елементи живлення та багато в чому визначає умови їх існування.

Головні хімічні елементилітосфери: кисень, кремній, алюміній, залізо, магній, натрій, калій та інші – беруть участь у великому кругообігу, проходячи від глибинних частин верхньої мантії до поверхні літосфери. Магматична порода, що виникла при кристалізації магми, надійшовши на поверхню літосфери з глибин Землі, піддається розкладанню, вивітрюванню в галузі біосфери. Продукти вивітрювання переходять у рухомий стан, зносяться водами, вітром у знижені місця рельєфу, потрапляють у річки, океан та утворюють потужні товщі осадових порід, які згодом, занурюючись на глибину в областях з підвищеною температурою та тиском, піддаються метаморфозу, тобто. "переплавляються". При цій переплавці виникає нова метаморфічна порода, що надходить у верхні горизонти земної кори і знову входить у кругообіг речовин (Мал.).

Найбільш інтенсивному і швидкому кругообігу піддаються легкорухливі речовини - гази та природні води, що становлять атмосферу та гідросферу планети. Значно повільніше робить кругообіг матеріал літосфери. Загалом кожен кругообіг будь-якого хімічного елемента є частиною загального великого круговороту речовин на Землі, і всі вони тісно пов'язані між собою. Жива речовина біосфери у цьому кругообігу виконує величезну роботу з перерозподілу хімічних елементів, безперервно циркулюючих у біосфері, переходячи із довкілля в організми і знову у довкілля.

Малий, або біологічний, кругообіг речовин- це

циркуляція речовин між рослинами, тваринами, грибами, мікроорганізмами та ґрунтом. Суть біологічного круговороту полягає у перебігу двох протилежних, але взаємопов'язаних процесів – створення органічних речовин та їх руйнування. Початковий етап виникнення органічних речовин зумовлений фотосинтезом зелених рослин, тобто утворенням живої речовини з вуглекислого газу, води та простих мінеральних сполук з використанням енергії Сонця. Рослини (продуценти) вилучають із ґрунту в розчині молекули сірки, фосфору, кальцію, калію, магнію, марганцю, кремнію, алюмінію, цинку, міді та інших елементів. Рослинноядні тварини (консументи I порядку) поглинають сполуки цих елементів у вигляді їжі рослинного походження. Хижаки (консументи II порядку) харчуються рослиноїдними тваринами, споживаючи їжу складнішого складу, що включає білки, жири, амінокислоти та інші речовини. У процесі руйнування мікроорганізмами (редуцентами) органічних речовин відмерлих рослин і останків тварин, у ґрунт і водне середовище надходять прості мінеральні сполуки, доступні для засвоєння рослин, і починається наступний виток біологічного круговороту (Рис. 33).

Виникнення та розвиток ноосфери

Еволюція органічного світу Землі пройшла кілька этапов.Перший – пов'язані з виникненням біологічного круговороту речовин, у біосфері. Другий-супроводжувався формуванням багатоклітинних організмів. Ці два етапи називають біогенезом. Третій етап пов'язаний з появою людського суспільства, під впливом якого в сучасних умовах відбувається еволюція біосфери та перетворення її на сферу розуму-ноосферу (від гр.-розум,-куля). Ноосфера- новий стан біосфери, коли розумна діяльність людини стає головним чинником, що зумовлює її розвиток. Термін "ноосфера" був введений Е. Леруа. В. І. Вернадський поглибив та розвинув вчення про ноосферу. Він писав: «Ноосфера є нове геологічне явище на нашій планеті. У ній людина стає великою геологічною силою». В. І. Вернадський виділив необхідні передумови для створення ноосфери: 1. Людство стало єдиним цілим. 2. Можливість миттєвого обміну інформацією. 3. Реальна рівність людей. 4. Зростання загального рівня життя. 5. Використання нових видів енергії. 6.Виключення воєн з життя суспільства. Створення цих передумов стає можливим внаслідок вибуху наукової думки у ХХ столітті.

Тема – 6. Природа – людина: системний підхід.Мета лекції: Сформувати цілісне уявлення про системні постулати екології.

Основні питання: 1. Поняття про систему і про складні біосистеми. 2. Особливості біологічних систем. кількості живого вещества.4.Модели взаємодій у системах «природа- людина» і « людина-економіка-біота-среда».

Екологічна система – головний об'єкт екології. Екологія за своєю сутністю є системною і в теоретичному вигляді близька до загальної теорії систем. Відповідно до загальної теорії систем система- це реальна чи мислима сукупність частин, цілісні властивості якої визначаються взаємодією між частинами (елементами) системи. У реальному житті систему визначають як сукупність об'єктів, об'єднаних деякою формою регулярної взаємодії або взаємозалежності для виконання заданої функції. У матеріальному існують певні ієрархії-упорядковані послідовності просторово-часового підпорядкування та ускладнення систем. Усі різноманіття нашого світу у вигляді трьох послідовно виниклих ієрархій. Це основна, природна, фізико-хіміко-біологічна (Ф, Х, Б) ієрархія та побічні дві, що виникли на її основі, соціальна (С) та технічна (Т) ієрархії. Існування останніх за сукупністю зворотних зв'язків певним чином впливає на основну ієрархію. Об'єднання систем із різних ієрархій призводить до «змішаних» класів систем. Так, поєднання систем з фізико-хімічної частини ієрархії (Ф, X – «середовище») з живими системами біологічної частини ієрархії (Б – «біота») призводить до змішаного класу систем, званих екологічними.А об'єднання систем з ієрархій С

(«людина») та Т («техніка») призводить до класу господарських, або техніко-економічних,систем.

Мал. . Ієрархії матеріальних систем:

Ф, X – фізико-хімічна, Б – біологічна, С – соціальна, Т – технічна

Має бути зрозуміло, що відображений на схемі вплив людського суспільства на природу, опосередкований технікою та технологіями (техногенез), відноситься до всієї ієрархії природних систем: нижня гілка – до абіотичного середовища, верхня – до біоти біосфери. Нижче буде розглянуто сполученість екологічних та техніко-економічних сторін цієї взаємодії.

Всім системам притаманні деякі загальні властивості:

1. Кожна система має певну структуру,що визначається формою просторово-часових зв'язків або взаємодій між елементами системи. Структурна впорядкованість як така не визначає організацію системи. Систему можна назвати організованою,якщо її існування або необхідне підтримки деякої функціональної (виконує певну роботу) структури, або, навпаки, залежить від діяльності такої структури.

2. Згідно принципом необхідного розмаїттясистема неспроможна складатися з ідентичних елементів, позбавлених індивідуальності. Нижня межа різноманітності – не менше двох елементів (протон та електрон, білок та нуклеїнова кислота, «він» та «вона»), верхній – нескінченність. Різноманітність – найважливіша інформаційна характеристика системи. Воно відрізняється від числа різновидів елементів і може бути виміряно.3.Властивості системи неможливо осягнути лише на підставі властивостей її частин. Вирішальне значення має взаємодія між елементами. За окремими деталями машини перед складання не можна судити про її дію. Вивчаючи окремо деякі форми грибів та водоростей, не можна передбачити існування їхнього симбіозу у вигляді лишайника. Спільна дія двох або більше різних факторів на організм майже завжди відрізняється від суми їх окремих ефектів. Ступінь незведення властивостей системи до суми властивостей окремих елементів, з яких вона складається, визначає емерджентністьсистеми.

4.Виділення системи ділить її світ на дві частини - саму систему та її середовище. Залежно від наявності (відсутності) обміну речовиною, енергією та інформацією із середовищем принципово можливі: ізольованісистеми (ніякий обмін неможливий); замкнутісистеми (неможливий обмін речовиною); відкритісистеми (можливий обмін речовиною та енергією). Обмін енергії визначає обмін інформацією. У живій природі існують лише відкриті динамічнісистеми, між внутрішніми елементами яких та елементами середовища здійснюються переноси речовини, енергії та інформації. Будь-яка жива система - від вірусу до біосфери - є відкритою динамічною системою.

5. Переважання внутрішніх взаємодій у системі над зовнішніми та лабільність системи по відношенню до зовнішніх віз
діям визначають її здатність до самозбереженнязавдяки якостям організованості, витривалості та стійкості. Зовнішній вплив на систему, що перевищує силу та гнучкість її внутрішніх взаємодій, призводить до незворотних змін
та загибелі системи. Стійкість динамічної системи підтримується безперервно виконуваною нею зовнішньою циклічною роботою. Для цього потрібні потік і перетворення енергії на це. тему. Імовірність досягнення головної мети системи - самозбереження (у тому числі і шляхом самовідтворення) визначається як її потенційну ефективність.

6. Дія системи у часі називають її поведінкою.Викликане зовнішнім фактором зміна поведінки позначають як реакціюсистеми, а зміна реакції системи, пов'язане зі зміною структури і спрямоване на стабілізацію поведінки, як її. пристосування,або адаптацію.Закріплення адаптивних змін структури та зв'язків системи в часі, при якому її потенційна ефективність збільшується, розглядається як розвиток,або еволюція,системи. Виникнення та існування всіх матеріальних систем у природі обумовлено еволюцією. Динамічні системи еволюціонують у бік від більш можливої ​​до менш можливої ​​організації, тобто. розвиток йде шляхом ускладнення організації та утворення підсистем у структурі системи. У природі всі форми поведінки систем – від елементарної реакції до глобальної еволюції – суттєво нелінійні.Важливою особливістю еволюції складних систем є
нерівномірність; відсутність монотонності.Періоди поступового накопичення незначних змін іноді перериваються різкими якісними стрибками, що суттєво змінюють властивості системи. Зазвичай вони пов'язані з так званими точками біфуркації- роздвоєнням, розщепленням колишнього шляху еволюції. 0т вибору того чи іншого продовження шляху в точці біфуркації дуже багато залежить, аж до появи та процвітання нового світу частинок, речовин, організмів, соціумів або, навпаки, загибелі системи. Навіть для вирішальних систем результат вибору часто непередбачуваний, а сам вибір у точці біфуркації може бути зумовлений випадковим імпульсом. Будь-яка реальна система може бути представлена ​​у вигляді деякого матеріального подоби чи знакового образу, тобто. відповідно аналоговий або знаковий модель системи.Моделювання неминуче супроводжується деяким спрощенням та формалізацією взаємозв'язків у системі. Ця формалізація може бути
здійснена у вигляді логічних (причинно-наслідкових) та/або математичних (функціональних) відносин. У міру зростання складності систем у них з'являються нові емерджентні якості. При цьому зберігаються якості простіших систем. Тому загальна різноманітність якостей системи зростає в міру її ускладнення (рис. 2.2).

Мал. 2.2. Закономірності змін властивостей ієрархій систем із підвищенням їхнього рівня (за Флейшманом, 1982):

1 – різноманітність, 2 – стійкість, 3 – емерджентність, 4 – складність, 5 – неідентичність, 6 – поширеність

У порядку зростання активності по відношенню до зовнішніх впливів якості системи можуть бути впорядковані в наступній послідовності: 1 - стійкість, 2 - надійність, обумовлена ​​інформованістю про середовище (перешкодостійкість), 3 - керованість, 4 - самоорганізація. У цьому ряду кожна наступна якість має сенс за наявності попередньої.

Пар Складність структури системи визначається числом пїї елементів та числом т

зв'язків між ними. Якщо будь-якій системі досліджується кількість приватних дискретних станів, то складність системи Звизначається логарифмом числа зв'язків:

C=lgm.(2.1)

Системи умовно класифікуються за складністю так: 1) системи, що мають до тисячі станів (О <С < 3), относятся к простим; 2) системи, що мають до мільйона станів (3< С < 6), являют собой складні системи; 3) системи з кількістю станів понад мільйон (С > 6) ідентифікуються як дуже складні.

Усі реальні природні біосистеми дуже складні. Навіть у структурі одиничного вірусу число біологічно значимих молекулярних станів перевищує останнє значення.

Життєдіяльність екосистеми та кругообіг речовин у ній можливі лише за умови постійного припливу енергії. Основне джерело енергії Землі - сонячне випромінювання. Енергія Сонця переводиться фотосинтезуючими організмами в енергію хімічних зв'язків органічних сполук. Передача енергії по харчових ланцюгах підпорядковується другому закону термодинаміки: перетворення одного виду енергії на інший йде з втратою частини енергії. У цьому її перерозподіл підпорядковується суворої закономірності: енергія, одержувана екосистемою і засвоювана продуцентами, розсіюється чи разом із біомасою незворотно передається консументам першого, другого тощо. порядків, а потім редуцентів з падінням потоку енергії на кожному трофічному рівні. У зв'язку з цим кругообігу енергії не буває.

На відміну від енергії, яка використовується в екосистемі лише один раз, речовини використовуються багаторазово через те, що їхнє споживання та перетворення відбувається по колу. Цей кругообіг здійснюється живими організмами екосистеми (продуцентами, консументами, редуцентами) і називається біологічним кругообігом речовин.

Біологічний кругообіг речовин, або малий — надходження речовин із ґрунту та атмосфери в живі організми з відповідною зміною їх хімічної форми, повернення їх у ґрунт та атмосферу в процесі життєдіяльності організмів та з посмертними залишками та повторне надходження у живі організми після процесів деструкції та мінерал мікроорганізмів. Таке розуміння біологічного кругообігу речовин (за Н.П. Ремезовом, Л.Є. Батьківщиною та Н.І. Базилевичем) відповідає біогеоценотичному рівню. Точніше говорити про біологічний кругообіг хімічних елементів, а не речовин, оскільки на різних стадіях круговороту речовини можуть хімічно видозмінюватися. За даними В.А. Ковди (1973), щорічна величина біологічного круговороту зольних елементів у системі ґрунт-рослина значно перевищує величину річного геохімічного стоку цих елементів у річки та моря та вимірюється колосальною цифрою 109 т/р.

Екологічні системи суші та світового океану пов'язують та перерозподіляють сонячну енергію, вуглець атмосфери, вологу, кисень, водень, фосфор, азот, сірку, кальцій та інші елементи. Життєдіяльністю рослинних організмів (продуцентів) та їх взаємодіями з тваринами (консументами), мікроорганізмами (редуцентами) та неживою природою забезпечується механізм накопичення та перерозподілу сонячної енергії, що надходить на Землю.

Кругообіг речовин ніколи не буває повністю замкнутим. Частина органічних і неорганічних речовин виноситься межі екосистеми, й те водночас їх запаси можуть поповнюватися з допомогою припливу ззовні. В окремих випадках ступінь відтворення деяких циклів круговороту речовин становить 90-98 %. Неповна замкнутість циклів у масштабах геологічного часу призводить до накопичення елементів у різних природних сферах Землі. Таким чином накопичуються корисні копалини – вугілля, нафта, газ, вапняки тощо.

2. Принципові особливості сучасного природознавства наукової картини світу

Природознавство - наука про явища та закони природи. Сучасне природознавство включає багато природничо-наукових галузей: фізику, хімію, біологію, а також численні суміжні галузі, такі, як фізична хімія, біофізика, біохімія та ін. єдине ціле.

Сучасна різноманітна техніка - плід природознавства, яке і до сьогодні є основною базою для розвитку численних перспективних напрямів - від наноелектроніки до найскладнішої космічної техніки, і це очевидно для багатьох.

Філософи всіх часів спиралися на нові досягнення науки і насамперед природознавства. Досягнення останнього століття у фізиці, хімії, біології та інших науках дозволили по-новому подивитись філософські уявлення, що склалися століттями. Багато філософські ідеї народжувалися в надрах природознавства, а природознавство у свою чергу на початку розвитку мало натурфілософський характер. Про таку філософію можна сказати словами німецького філософа Артура Шопенгауера (1788-1860): "Моя філософія не дала мені зовсім ніяких доходів, але вона позбавила мене від багатьох витрат".

Людина, що має хоча б загальними й у той самий час концептуальними природничо-науковими знаннями, тобто. знаннями про природу, вироблятиме свої дії неодмінно те щоб користь, як наслідок його дій, завжди поєднувалася з дбайливим ставленням до природі та її збереженням як нинішнього, але й майбутніх поколінь.

Пізнання природничо-наукової істини робить людину вільною, вільною в широкому філософському сенсі цього слова, вільною від некомпетентних рішень і дій, і, нарешті, вільною у виборі шляху своєї шляхетної та творчої діяльності.

Немає сенсу перераховувати досягнення природознавства, кожен із нас знає народжені ним технології та користується ними. Передові технології базуються в основному на природничо-наукових відкриттях останніх десятиліть XX ст., проте, незважаючи на відчутні досягнення, виникають проблеми, спричинені головним чином усвідомленням загрози екологічній рівновазі нашої планети. Найрізноманітніші прихильники ринкової економіки погодяться, що вільний ринок не може захистити слонів в Африці від мисливців чи історичні пам'ятки Месопотамії – від кислотних дощів та туристів. Тільки уряду здатні встановлювати закони, що стимулюють забезпечення ринку всім тим, що потрібно людині, без руйнування довкілля його проживання.

Разом про те уряду неспроможна проводити подібну політику без допомоги вчених, і насамперед учених, які мають сучасним природознавством. Потрібна зв'язок між природознавством і керуючими структурами у питаннях, що стосуються навколишнього середовища, матеріального забезпечення та ін. Без науки важко зберегти чистоту планети: рівень забруднень потрібно вимірювати, прогнозувати їх наслідки - тільки так ми можемо дізнатися про біди, які необхідно запобігти. Лише за допомогою найсучасніших природничо-наукових і в першу чергу фізичних методів можна стежити за товщиною та однорідністю озонового шару, що захищає людину від ультрафіолетового опромінення. Тільки наукові дослідження допоможуть зрозуміти причини і наслідки кислотних опадів і смогу, що впливають на життя кожної людини, дати знання, необхідні для польоту людини на Місяць, дослідження глибин океану, знайти способи позбавлення людини багатьох важких хвороб.

В результаті аналізу популярних у 70-ті роки математичних моделей вчені дійшли висновку, що подальший розвиток економіки незабаром стане неможливим. І хоча вони не привнесли нових знань, вони таки відіграли важливу роль. Вони продемонстрували можливі наслідки тенденцій розвитку, що намітилися сьогодні. Свого часу подібні моделі справді переконали мільйони людей, що захист природи необхідний, а це чималий внесок у прогрес. Незважаючи на відмінності у рекомендаціях, усі моделі містять один головний висновок: природу не можна далі забруднювати так, як сьогодні

З природничо-науковими знаннями можна пов'язати багато проблем Землі. Проте ці проблеми породжуються незрілістю самої науки. Дайте їй продовжити свій курс - і людство подолає сьогоднішні труднощі - такою є думка більшості вчених. Для інших, переважно тих, хто лише зараховує себе до когорти вчених, наука втратила свою значимість.

Природознавство значною мірою відбиває потреби практиків і водночас фінансується залежно від симпатій держави і громадськості, що постійно змінюються.

Наука і техніка - не тільки головний інструмент, що дозволяє людям пристосуватися до природних умов, що постійно змінюються, а й головна сила, що прямо чи опосередковано викликає такі зміни.

Поряд з явними позитивними рисами, властивими природознавству, слід вести мову і про недоліки, зумовлені і природою самого знання, і нерозумінням на даному етапі якихось дуже важливих властивостей матеріального світу через обмеженість пізнання людини. Скажімо, чисті математики зробили відкриття, що суперечить уявленням мислителів минулого: випадкові хаотичні процеси можна описати точними математичними моделями. Причому виявилося, що навіть проста модель, оснащена ефективним зворотним зв'язком, настільки чутлива до найменших змін початкових умов, що її майбутнє стає непередбачуваним. Чи варто тоді сперечатися про те, чи детерміністичний Всесвіт, якщо строго детерміністська модель дає результати, що не відрізняються від імовірнісних?

Мета природознавства - описати, систематизувати та пояснити сукупність природних явищ та процесів. Слово «пояснити» у методології науки саме вимагає пояснення. Найчастіше воно означає розуміти. Що зазвичай має на увазі людина, говорячи «Я розумію»? Як правило, це означає: "Я знаю, звідки це взялося" і "Я знаю, до чого це приведе". Так утворюється причинно-наслідковий зв'язок: причина – явище – слідство. Розширення такого зв'язку та утворення багатовимірної структури, що охоплює безліч явищ, є основою наукової теорії, що характеризується чіткою логічною структурою і складається з набору принципів або аксіом і теорем з усіма можливими висновками. За такою схемою будується будь-яка математична дисципліна, наприклад, Евклідова геометрія чи теорія множин, які можуть бути характерними прикладами наукових теорій. Побудова теорії, звичайно, передбачає створення особливої ​​наукової мови, спеціальної термінології, системи наукових понять, що мають однозначний зміст і пов'язані між собою суворими правилами логіки.

Після того як теорія «перевірена досвідом, настає наступна стадія пізнання дійсності, в якій встановлюються межі істинності наших знань або межі застосування теорій та окремих наукових тверджень. Ця стадія обумовлюється об'єктивними та суб'єктивними чинниками. Один із суттєвих об'єктивних факторів - динамізм навколишнього світу. Згадаймо мудрі слова давньогрецького філософа Геракліта (кінець VI – початок V ст. до н.е.); «Все тече, все змінюється; в одну й ту саму річку не можна увійти двічі» Підсумовуючи, сформулюємо коротко три основні принципи наукового пізнання дійсності.

1. Причинність. Перше і досить ємне визначення причинності міститься у висловлюванні Демокріта: «Жодна річ не виникає так, але все виникає на якійсь підставі і через необхідність».

2. Критерій істини. Природно-наукова істина перевіряється (доводиться) лише практикою: спостереженнями, дослідами, експериментами, виробничою діяльністю: Якщо наукова теорія підтверджена практикою, вона істинна. Природно-наукові теорії перевіряються Експериментом, пов'язаним із спостереженнями, вимірами та математичною обробкою одержуваних результатів. Наголошуючи на важливості вимірювань, видатний учений Д.І. Менделєєв (1834 – 1907) писав: «Наука, почалася тоді, коли люди навчилися міряти; точна наука немислима без міри».

3. Відносність наукового знання. Наукове знання (поняття, ідеї, концепції, моделі, теорії, висновки з них тощо) завжди відносно та обмежено.

Найпоширеніше твердження: головна мета природознавства - встановлення законів природи, відкриття прихованих істин - явно чи неявно припускає, що істина десь вже є і існує в готовому вигляді, її треба тільки знайти, відшукати як скарб. Великий філософ давнини Демокріт говорив: «Істина прихована в глибині (лежать на морському дні)». Інший об'єктивний чинник пов'язані з недосконалістю техніки експерименту, що є матеріальної базою будь-якого досвіду.

Природознавство у той чи інший спосіб систематизує наші спостереження над природою. При цьому не слід вважати, наприклад, теорію кривих другого порядку наближеної на тій підставі, що в природі точно кривих другого порядку немає. Не можна говорити, що неевклідова геометрія уточнює Евклідову - кожна займає в системі моделей своє місце, будучи точною відповідно до внутрішніх умов точності, і знаходить застосування там, де необхідно. Так само неправильно стверджувати, що теорія відносності уточнює класичну механіку - це різні моделі, що мають, взагалі кажучи, і різні сфери застосування.

Яким би не уявлявся зміст істини, що займає розуми великих учених з давніх часів, і як би не вирішувалося складне питання про предмет науки в цілому та природознавства зокрема, - одне очевидно: природознавство є надзвичайно ефективний, потужний інструмент, який не тільки дозволяє пізнати навколишній світ , Але і приносить величезну користь.

З часом і особливо наприкінці останнього століття спостерігається зміна функції науки й у першу чергу – природознавства. Якщо раніше основна функція науки полягала в описі, систематизації та поясненні досліджуваних об'єктів, то зараз наука стає невід'ємною частиною виробничої діяльності людини, внаслідок чого сучасне виробництво – чи то випуск найскладнішої космічної техніки, сучасних супер- та персональних комп'ютерів чи високоякісної аудіо- та відеоапаратури. - набуває наукомісткого характеру. Відбувається зрощування наукової та виробничо-технічної діяльності, у результаті виникають великі науково-виробничі об'єднання - міжгалузеві науково-технічні комплекси «наука - техніка - виробництво», у яких науці належить провідна роль. Саме в таких комплексах було створено перші космічні системи, перші атомні електростанції та багато іншого, що прийнято вважати найвищими досягненнями науки та техніки.

Останнім часом фахівці гуманітарних наук вважають, що наука є продуктивною силою. У цьому мають на увазі насамперед природознавство. Хоча наука не виробляє безпосередньо матеріальну продукцію, але очевидно, що в основі виробництва будь-якої продукції лежать наукові розробки. Тому, коли говорять про науку як про продуктивну силу, то беруть до уваги не кінцеву продукцію тозі чи іншого виробництва, а ту наукову інформацію - свого роду продукцію, на основі якої організується, і реалізується виробництво матеріальних цінностей.

Враховуючи такий важливий показник, як кількість наукової інформації, можна зробити не лише якісну, а й кількісну оцінку тимчасової зміни даного показника та, таким чином, визначити закономірність розвитку науки.

Кількісний аналіз показує, що темп розвитку науки як загалом, так таких галузей природознавства, як фізика, біологія тощо., і навіть для математики, характеризується приростом на 5-7% на рік протягом останніх 300 років. Під час аналізу враховувалися конкретні показники: кількість наукових статей, наукових співробітників тощо. Такий темп розвитку науки можна охарактеризувати по-іншому. За кожні 15 років (половина середньої різниці у віці між батьками та дітьми) обсяг наукової продукції зростає в раз (е = 2,72 - основа натуральних логарифмів). Це твердження є сутністю закономірності експоненційного розвитку науки.

З цієї закономірності випливають такі висновки. За кожні 60 років наукова продукція збільшується приблизно 50 раз. За останні 30 років такої продукції створено приблизно у 6,4 разів більше, ніж за всю історію людства. У цьому до численних характеристик XX в. цілком виправдано можна додати ще одну – «століття науки».

Цілком очевидно, що в межах розглянутих показників (їх, звичайно, не можна вважати вичерпними для характеристики складної проблеми розвитку науки), експоненційний розвиток науки не може продовжуватися нескінченно довго, інакше за порівняно невеликий інтервал часу, в найближчому майбутньому все населення земної кулі перетворилося б на наукових. співробітників. Як зазначалося в попередньому параграфі, навіть у великій кількості наукових публікацій міститься порівняно невелика кількість по-справжньому цінної наукової інформації. І не кожен дослідник робить істотний внесок у справжню науку. Подальший розвиток науки буде продовжуватися і в майбутньому, але, не за рахунок екстенсивного зростання кількості наукових співробітників і числа наукових публікацій, а за рахунок залучення прогресивних методів і технологій дослідження, а також підвищення якості наукової роботи.

Сьогодні, як ніколи, важлива розгорнута робота не тільки і не стільки з критики та переосмислення минулого, скільки з дослідження шляхів у майбутнє, пошуку нових ідей та ідеалів. Окрім питань економіки, це, напевно, найзначніше соціальне замовлення вітчизняної науки та культури. Минули ідеї себе вичерпують або вичерпали, і якщо ми не заповнимо порожнечу, то вона буде зайнята ще більш старими уявленнями і фундаменталізмом, затвердженими вже силою та авторитетом влади. Саме в цьому полягає сьогодні виклик розуму, уникнення якого ми спостерігаємо.

3. У всіх інерційних системах звіту рух відбувається за однаковими закономірностями – це формулювання.

а) закону всесвітнього тяжіння; б) принципи відносності Галілея; в) закони класичної механіки Ньютона

Принцип відносності - фундаментальний фізичний принцип, згідно з яким усі фізичні процеси в інерційних системах відліку протікають однаково, незалежно від того, чи нерухома система чи вона перебуває в стані рівномірного та прямолінійного руху.

Дане визначення відноситься до пункту "б" - принципи відносності Галілея.

4. Принципи відносності Галілея

Галілея принцип відносності , принцип фізичної рівноправності інерційних систем відліку в класичній механіці, що виявляється в тому, що закони механіки у всіх таких системах однакові. Звідси випливає, що ніякими механічними дослідами, що проводяться в будь-якій інерційній системі, не можна визначити, чи дана система спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно. Це становище було вперше встановлено Г. Галілеєм в 1636. Однаковість законів механіки для інерційних систем Галілей ілюстрував на прикладі явищ, що відбуваються під палубою корабля, що спочиває або рухається рівномірно і прямолінійно (щодо Землі, яку можна з достатнім ступенем точності) «Змусіть тепер корабель рухатися з будь-якою швидкістю і тоді (якщо тільки рух буде рівномірним і без хитавиці в той і інший бік) у всіх названих явищах ви не виявите жодної зміни і по жодному з них не зможете встановити, чи рухається корабель чи варто нерухомо... Кидаючи якусь річ товаришу, ви не повинні кидати її з більшою силою, коли він перебуватиме на носі, а ви на кормі, ніж коли ваше взаємне становище буде зворотним; краплі, як і раніше, будуть падати в нижню посудину, і жодна не впаде ближче до корми, хоча поки крапля знаходиться в повітрі, корабель пройде багато п'ядей » 1 .

Рух матеріальної точки щодо: її становище, швидкість, вид траєкторії залежить від цього, стосовно якій системі відліку (тілу відліку) цей рух розглядається. Водночас закони класичної механіки , тобто співвідношення, які пов'язують величини, що описують рух матеріальних точок та взаємодію між ними, однакові у всіх інерційних системах відліку. Відносність механічного руху та однаковість (безвідносність) законів механіки в різних інерційних системах відліку та становлять зміст Галілеївського принципу відносності.

Математично Галілеївський принцип відносності виражає інваріантність (незмінність) рівнянь механіки щодо перетворень координат точок (і часу), що рухаються, при переході від однієї інерційної системи до іншої - перетворень Галілея.

Нехай є дві інерційні системи відліку, одну з яких, S, умовимося вважати, що відпочиває; друга система, S', рухається по відношенню до S з постійною швидкістю uтак, як показано малюнку. Тоді перетворення Галілея для координат матеріальної точки в системах S і S будуть мати вигляд:

x' = x - ut, у' = у, z' = z, t' = t (1)

(Штриховані величини відносяться до системи S', нештриховані - до S). Т. о., час у класичній механіці, як і відстань між будь-якими фіксованими точками, вважається однаковим у всіх системах відліку.

З перетворень Галілея можна отримати співвідношення між швидкостями руху крапки та її прискореннями в обох системах:

v' = v - u, (2)

a' = a.

У класичній механіці рух матеріальної точки визначається другим законом Ньютона:

F = ma, (3)

Де m -маса точки, a F -рівнодіюча всіх прикладених до неї сил. При цьому сили (і маси) є в класичній механіці інваріантами, тобто величинами, що не змінюються під час переходу від однієї системи відліку до іншої. Тому, при перетвореннях Галілея рівняння (3) не змінюється. Це і є математичний вираз Галілеївського принципу відносності.

Галілеївський принцип відносності справедливий лише в класичній механіці, в якій розглядаються рухи зі швидкостями, набагато меншими за швидкість світла. При швидкостях, близьких до швидкості світла, рух тіл підпорядковується законам релятивістської механіки Ейнштейна , які інваріантні по відношенню до інших перетворень координат і часу - Лоренца перетворенням
(при малих швидкостях вони перетворюються на перетворення Галілея).

5. Спеціальна теорія відносності Ейнштейна

Спеціальна теорія відносності базується на двох постулатах. Перший постулат(узагальнений принцип відносності Ейнштейна) свідчить: ніякими фізичними дослідами (механічними, електромагнітними тощо.), виробленими всередині цієї системи відліку, не можна встановити різницю між станами спокою та рівномірного прямолінійного руху (іншими словами, закони природи однакові в усіх інерційних системах координат , тобто системах, що рухаються прямолінійно та рівномірно один щодо одного). Цей постулат випливає з результатів знаменитого досвіду Майкельсона-Морлея, які вимірювали швидкість світла у напрямку Землі та в перпендикулярному напрямку. Швидкість світла виявилася однаковою в усіх напрямках, незалежно від руху джерела (до речі, ці виміри відкинули ідею існування світового нерухомого ефіру, коливаннями якого пояснювали природу світла).

Другий постулатговорить про те, що швидкість світла у вакуумі однакова у всіх інерційних системах координат. Цей постулат розуміється (зокрема самим Ейнштейном) у сенсі сталості швидкості світла. Вважають, що цей постулат також є наслідком досвіду Майкельсона.

Постулати були використані Ейнштейном для аналізу рівнянь електродинаміки Максвелла і наступних перетворень Лоренца, що дозволяють виражати координати і час для системи, що рухається (відзначені штрихом зверху) через координати і час для нерухомої системи (ці перетворення залишають рівняння Максвелла

x' = (x – Vt)/^0,5(м); y’ = y(м); z' = z(м); (1)

t' = (t – xV/c^2)/^0,5(Сік). (2)
З цих перетворень безпосередньо випливає теорема складання швидкостей Ейнштейна:

Vc = (V1 + V2) / (1 + V1 * V2 / c^2)(М/с). (3)

Звичайний закон складання ( Vc = V1 + V2) діє лише за малих швидкостях.
На основі виконаного аналізу Ейнштейн дійшов висновку, що факт руху системи (зі швидкістю V) впливає на її розміри, швидкість перебігу часу та масу відповідно до виразів:

l = lo/^0,5(м); (4)
delta t = delta to/^0,5(Сік); (5)
M = Mo/^0,5(Кг). (6)
Нулем відзначені величини, що відносяться до нерухомої (спочиваючої) системи. Формули (4) - (6) свідчать про те, що довжина системи, що рухається, скорочується, протягом часу на ній (хід годинника) уповільнюється, а маса зростає. На основі формули (5) виникла ідея так званого ефекту близнюків. Космонавт, який пролетів на кораблі рік (години корабля) зі швидкістю 0,9998 з, повернувшись на Землю, зустріне свого брата-близнюка, який постарів на 50 років. Співвідношення (6), що характеризує ефект зростання маси, призвело Ейнштейна до формулювання його знаменитого закону (6):

E = Mс^2(Дж).

6. Загальна теорія відносності Ейнштейна

Загальна теорія відносності (ОТО) - геометрична теорія тяжіння, опублікована Альбертом Ейнштейном в роках. У рамках цієї теорії, що є подальшим розвитком спеціальної теорії відносності, постулюється, що гравітаційні ефекти обумовлені не силовою взаємодією тіл і полів, що знаходяться в просторі-часі, а деформацією самого простору-часу, яка пов'язана, зокрема, з присутністю маси-енергії. Загальна теорія відносності (ОТО) - сучасна теорія тяжіння, що з його кривизною чотиривимірного простору-часу.

Отже, у ВТО, як та інших метричних теоріях , гравітація перестав бути силовим взаємодією. Загальна теорія відносності відрізняється від інших метричних теорій тяжіння використанням рівнянь Ейнштейна для зв'язку кривизни простору-часу з наявною у просторі матерією.

ВТО нині - найуспішніша гравітаційна теорія, добре підтверджена спостереженнями. Перший успіх загальної теорії відносності полягав у поясненні аномальної прецесії.
перигелія
Меркурія. Потім, в , Артур Еддінгтон повідомив про спостереження відхилення світла поблизу Сонця в момент повного затемнення, що підтвердило передбачення загальної теорії відносності. З тих пір багато інших спостережень та експериментів підтвердили значну кількість передбачень теорії, включаючи гравітаційне уповільнення часу, гравітаційне червоне зміщення, затримку сигналу в гравітаційному полі і, поки що непрямо, гравітаційне випромінювання. Крім того, численні спостереження інтерпретуються як підтвердження одного з найбільш таємничих та екзотичних передбачень загальної теорії відносності – існування чорних дірок.

Ейнштейн сформулював принцип еквівалентності, який стверджує, що фізичні процеси в гравітаційному полі не відрізняються від аналогічних явищ за відповідного прискореного руху. Принцип еквівалентності став основою нової теорії, названої загальною теорією відносності. Можливість реалізації цієї ідеї Ейнштейн побачив по дорозі узагальнення принципу відносності руху, тобто. поширення його не тільки на швидкість, а й на прискорення систем, що рухаються. Якщо не приписувати абсолютний характер прискорення, то виділення класу інерційних систем втратить свій сенс і можна формулювати фізичні закони таким чином, щоб вони належали до будь-якої системи координат. У цьому полягає загальний принцип відносності.

З точки зору ВТО простір нашого світу не має постійної нульової кривизни. Кривизна його змінюється від точки до точки і визначається полем тяжіння, І час у різних точках тече по-різному. Поле тяжіння є чим іншим, як відхиленням властивостей реального простору від властивостей ідеального (евклідова) простору. Поле тяжіння у кожній точці визначається значенням кривизни простору цієї точки. При цьому викривлення простору-часу визначається не тільки повною масою речовини, з якої складається тіло, а й усіма видами енергії, що присутні в ньому, у тому числі енергії всіх фізичних полів. Так, у ВТО узагальнюється принцип тотожності маси та енергії СТО: Е = mc 2 . Отже, найважливіша відмінність ОТО з інших фізичних теорій у тому, що вона описує тяжіння як вплив матерії на властивості простору-часу, ці властивості простору-часу, зі свого боку, впливають рух тіл, на фізичні процеси у яких.

У ОТО рух матеріальної точки в полі тяжіння розглядається як вільний «інерційний» рух, але те, що відбувається не в евклідовому, а в просторі з кривизною, що змінюється. У результаті рух точки вже не є прямолінійним та рівномірним, а відбувається по геодезичній лінії викривленого простору. Звідси випливає, що рівняння руху матеріальної точки, а також променя світла має бути записане у вигляді рівняння геодезичної лінії викривленого простору. Для визначення кривизни простору необхідно знати вираз для компонентів фундаментального тензора (аналогу потенціалу в ньютонівській теорії тяжіння). Завдання полягає в тому, щоб, знаючи розподілу мас, що тяжіють у просторі, визначити функції координат і часу (компонент фундаментального тензора); тоді можна записати рівняння геодезичної лінії та вирішити проблему руху матеріальної точки, проблему поширення світлового променя тощо.

Ейнштейн знайшов загальне рівняння гравітаційного поля (яке в класичному наближенні переходило до закону тяжіння Ньютона) і таким чином вирішив проблему тяжіння у загальному вигляді. Рівняння гравітаційного поля в загальній теорії відносності є системою з 10 рівнянь. На відміну від теорії тяжіння Ньютона, де є один потенціал гравітаційного поля, який залежить від єдиної величини - щільності маси, теорія Ейнштейна гравітаційне поле описується 10 потенціалами і може створюватися не тільки щільністю маси, але також потоком маси і потоком імпульсу.

Ще одна кардинальна відмінність ОТО від попередніх їй фізичних теорій полягає у відмові від низки старих понять та формулюванні нових. Так, ВТО відмовляється від понять «сила», «потенційна енергія», «інерційна система», «евклідів, характер простору-часу» та ін; У ВТО використовують нежорсткі (деформуються) тіла відліку, оскільки у гравітаційних полях немає твердих тіл і перебіг годинників залежить стану цих полів. Така система відліку (її називають «молюском відліку») може рухатися довільним чином, і її форма може змінюватися, у використовуваних годин може бути як завгодно нерегулярний хід. ОТО поглиблює поняття поля, пов'язуючи поняття інерції, гравітації та метрики простору-часу, допускає можливість гравітаційних хвиль. Гравітаційні хвилі створюються змінним гравітаційним полем, нерівномірним рухом мас і поширюються у просторі зі швидкістю світла. Гравітаційні хвилі у земних умовах дуже слабкі. Є можливість реальної фіксації гравітаційного випромінювання, що виникає у грандіозних катастрофічних процесах у Всесвіті – спалахах наднових зірок, зіткненні пульсарів та ін. Але їх досі експериментально виявити не вдалося.

Незважаючи на приголомшливий успіх загальної теорії відносності, в науковому співтоваристві існує дискомфорт, пов'язаний з тим, що її не вдається переформулювати як класичний рубіж квантової теорії через появу непереборних математичних розбіжностей при розгляді чорних дірок і взагалі сингулярності простору-часу. Для вирішення цієї проблеми було запропоновано низку альтернативних теорій. Сучасні експериментальні дані вказують, що будь-якого типу відхилення від ОТО повинні бути дуже малими, якщо вони існують взагалі.
ФОРМУВАННЯ СУЧАСНОЇ ФІЗИЧНОЇ КАРТИНИ СВІТУ ПРИНЦИПИ ТА ПОНЯТТЯ ЕЙНШТЕЙНІВСЬКОЇ ЗАГАЛЬНОЇ ТЕОРІЇ ВІДНОСНОСТІ (ТЕОРІЇ ГРАВІТАЦІЇ) Концепції рівнів біологічних структур та організації живих систем ЗАКОНИ ЗБЕРІГАННЯ