Самооценка и любовь к себе 

Круговорот и биогеохимические циклы веществ. Биологический и геологический круговороты

Круговорот веществ в природе - важнейшее экологическое понятие.

На рис. представлен биологический цикл в сочетании с упрощенной схемой потока энергии. Вещества вовлечены в круговорот, а энергетический поток однонаправлен от растений, преобразующих энергию солнца в энергию химических связей, к животным, использующим эту энергию, и далее к микроорганизмам, разрушающим органические вещества.

Однонаправленный поток энергии приводит в движение круговорот веществ. Каждый химический элемент, совершая круговорот в экосистеме, попеременно переходит из органической формы в неорганическую и наоборот.

Рис. 1. Поток энергии и круговорот биогенных элементов в биосфере

Фотосинтез – создание органических веществ (глюкозы, крахмала, целлюлозы и др.) из углекислого газа и воды с участием хлорофилла под действием солнечной энергии:

6СО 2 + 12Н 2 О + hν (673 ккал) = С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 + 6Н 2 О

Фотосинтез - процесс улавливания солнечной энергии фотосинтезирующими организмами и превращения ее в энергию биомассы.

Ежегодно растительный мир запасает свободной энергии в 10 раз выше потребляемого за год всем населением Земли количества энергии полезных ископаемых. Сами эти полезные ископае­мые (уголь, нефть и природный газ) тоже продукты фотосинтеза, происходившего миллионы лет назад.

Ежегодно при фотосинтезе усваивается 200 млрд. тонн углекислого газа и выделяется до 320 млрд. тонн кислорода. Весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество за 6-7 лет.

В биосфере протекают также процессы разрушения органического вещества до простейших молекул: CO 2 , H 2 O, NH 3 . Распад органических соединений протекает в организмах животных, в растениях в процессе дыхания с образованием CO 2 и H 2 O.

Минерализация органических веществ, разложение отмершей органики до простых неорганических соединений происходит под действием микроорганизмов.

Противоположные процессы образования и разрушения органического вещества в биосфере образуют единый биологический кру­говорот атомов. В процессе минерализации органических соединений освобождается энергия, которая была поглощена при фотосинтезе. Она освобождается в виде тепла, а также в виде химической энергии.

Биологический круговорот представляет собой совокупность процессов поступления химических элементов в живые организмы, биосинтеза новых сложных соединений и возвращения элементов в почву, атмосферу и гидросферу.

Интенсивность биологического круговорота (БИК) определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре.

Наиболее важным результатом биологического круговорота веществ является образование на суше гумусового горизонта почв.

Биологический круговорот характеризуется следующими показателями.

Биомасса - масса живого вещества, накопленная к данному моменту времени (фито-, зоо-, микробиомасса).

Биомасса растений (фитомасса) - масса живых и отмерших растительных организмов.

Опад - количество органического вещества растений, отмерших на единице площади за единицу времени.

Прирост - биомасса, накопленная на единице площади за единицу времени.

Химический состав растений зависит от двух главных факторов:

1) экологического, - обстановки произрас­тания растений, - уровни содержания элементов в окружающей среде, формы нахождения, в том числе подвижные, доступные для растений;

2) генетического, в связи с особенностями происхождения вида растений.

В условиях загрязнения среды концентрация элементов в растениях определяется первым фактором. В фоновых (ненарушенных) ландшафтах важны оба фактора.

В зависимости от реакции на химический фактор среды (на содер­жание химических элементов) можно выделить 2 группы растений:

1) адаптированные к изменениям концентрации химических элементов;

2) не адаптированные к изменениям концентрации химических элементов.

Изменение концентраций химических элементов в среде у не адаптированных растений вызывает физиологические на­рушения, приводящие к заболеваниям; развитие растений угнетается, вид вымирает.

Некоторые виды растений оказываются хорошо приспособленными к перенесению высоких концентраций элементов. Это дикорастущие растения, длительно произрастающие в данной местности, которые в результате естественного отбора приобретают устойчивость к неблагоприятным условиям обитания.

Растения, концентрирующие химические элементы, называются концентраторами. Например: подсолнечник, картофель концентрируют калий, чай – алюминий, мхи – железо. Золото накапливают полынь, хвощ полевой, кукуруза, дуб.

12.1. Понятие о биологическом круговороте

Биологический круговорот – это возникший одновременно с появлением жизни на Земле круговорот химических элементов и веществ, осуществляемый жизнедеятельностью организмов. Он играет особую роль в биосфере. По этому поводу Н. В. Тимофеев-Ресовский писал: «Происходит огромный, вечный, постоянно работающий биологический круговорот в биосфере, целый ряд веществ, целый ряд форм энергии постоянно циркулируют в этом большом круговороте биосферы» (М. М. Камшилов, 1974; В. А. Вронский, 1997). В закономерностях биологического круговорота решена проблема длительного существования и развития жизни. На теле конечного объема, какова Земля, запасы доступных минеральных элементов, необходимых для осуществления функции жизни, не могут быть бесконечными. Если бы они только потреблялись, жизнь рано или поздно должна была бы прекратиться. «Единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечного, – пишет В. Р. Вильямс, – заставить его вращаться по замкнутой кривой». Жизнь использовала именно этот метод. «Зеленые растения создают органическое вещество, незеленые разрушают его. Из минеральных соединений, полученных от распада органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое вещество и так без конца». С учетом этого, каждый вид организмов представляет собой звено в биологическом круговороте. Используя в качестве средств существования тела или продукты распада одних организмов, он должен отдавать в среду то, что могут использовать другие. Особенно велика роль микроорганизмов. Минерализуя органические остатки животных и растений, микроорганизмы превращают их в «единую валюту» – минеральные соли и простейшие органические соединения типа биогенных стимуляторов, снова используемые зелеными растениями при синтезе нового органического вещества. Один из главных парадоксов жизни заключается в том, что ее непрерывность обеспечивается процессами распада, деструкцией. Разрушаются сложные органические соединения, высвобождается энергия, теряется запас информации, свойственный сложно организованным живым телам. В результате деятельности деструкторов, преимущественно микроорганизмов, любая форма жизни неизбежно будет включаться в биологический круговорот. Поэтому с их помощью осуществляется естественная саморегуляция биосферы. Два свойства позволяют микроорганизмам играть столь важную роль: возможность сравнительно быстро приспосабливаться к различным условиям и способность использовать в качестве источника углерода и энергии самые различные субстраты. Высшие организмы не обладают такими способностями. Поэтому они могут существовать лишь в качестве своеобразной надстройки на прочном фундаменте микроорганизмов. Биологический круговорот, основанный на взаимодействии синтеза и деструкции органического вещества, – один из самых существенных форм организации жизни в планетарном масштабе. Только он обеспечивает непрерывность жизни и ее прогрессивное развитие.

В качестве звеньев биологического круговорота выступают особи и виды организмов разных систематических групп, взаимодействующие между собой непосредственно и косвенно с помощью многочисленных и многосторонних прямых и обратных связей. Биологический круговорот планеты также представляется сложной системой частных круговоротов – экологических систем, связанных между собой различными формами взаимодействия.

Биологический круговорот осуществляется в основном по трофическим (пищевым) цепям (рисунок 12.1).

При важной роли в нем растений и животных, поток биогенных элементов, как азот, фосфор, сера через популяции микроорганизмов в круговороте примерно на порядок выше, чем через популяции растений и животных. Важным показателем интенсивности биологического круговорота является скорость обращения химических элементов. В качестве показателя этой интенсивности можно использовать скорость накопления и разложения мертвого органического вещества, образующегося в результате ежегодного опада листьев и отмирания организмов.

Отношение, например, массы подстилки к той части опада, которая формирует подстилку, служит показателем скорости разложения опада и освобождения химических элементов. Чем выше этот индекс, тем меньше интенсивность биологического круговорота в данной экосистеме. Наибольшей величиной индекса (более 50) характеризуются заболоченные леса и тундра. В темнохвойных лесах индекс составляет 10–17, в широколиственных – 3–4, в степях – 1,0–1,5, в саваннах – не более 0,2. Во влажных тропических лесах растительные остатки практически не накапливаются (индекс не более 0,1). Поэтому здесь биологический круговорот наиболее интенсивный.

Все вещества на планете находятся в процессе кругово­рота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговоро­та веществ: большой (геологический, биосферный) и малый (биологический).

Большой круговорот веществ в биосфере характеризует­ся двумя важными моментами: он осуществляется на про­тяжении всего геологического развития Земли и представ­ляет собой современный планетарный процесс, принимаю­щий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.

Геологический круговорот связан с образованием и раз­рушением горных пород и последующим перемещением продуктов разрушения - обломочного материала и хими­ческих элементов. Значительную роль в этих процессах иг­рали и продолжают играть термические свойства поверх­ности суши и воды: поглощение и отражение солнечных лу­чей, теплопроводность и теплоемкость. Неустойчивый гид­ротермический режим поверхности Земли вместе с плане­тарной системой циркуляции атмосферы обусловливал гео­логический круговорот веществ, который на начальном этапе развития Земли, наряду с эндогенными процессами, был связан с формированием континентов, океанов и совре­менных геосфер. Со становлением биосферы в большой кру­говорот включились продукты жизнедеятельности орга­низмов. Геологический круговорот поставляет живым ор­ганизмам элементы питания и во многом определяет усло­вия их существования.

Главные химические элементы литосферы: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, натрий, калий и дру­гие - участвуют в большом круговороте, проходя от глу­бинных частей верхней мантии до поверхности литосферы. Магматическая порода, возникшая при кристаллизации магмы, поступив на поверхность литосферы из глубин Зем­ли, подвергается разложению, выветриванию в области био­сферы. Продукты выветривания переходят в подвижное состояние, сносятся водами, ветром в пониженные места рельефа, попадают в реки, океан и образуют мощные толщи осадочных пород, которые со временем, погружаясь на глу­бину в областях с повышенной температурой и давлением, подвергаются метаморфозу, т. е. «переплавляются». При этой переплавке возникает новая метаморфическая порода, поступающая в верхние горизонты земной коры и вновь входящая в круговорот веществ (рис.).


Наиболее интенсивному и быстрому круговороту подвер­гаются легкоподвижные вещества - газы и природные во­ды, составляющие атмосферу и гидросферу планеты. Зна­чительно медленнее совершает круговорот материал литос­феры. В целом каждый круговорот любого химического элемента является частью общего большого круговорота ве­ществ на Земле, и все они тесно связаны между собой. Жи­вое вещество биосферы в этом круговороте выполняет ог­ромную работу по перераспределению химических элемен­тов, беспрерывно циркулирующих в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и снова во внешнюю среду.

Малый, или биологический, круговорот веществ - это

циркуляция веществ между растениями, животными, гриба­ми, микроорганизмами и почвой. Суть биологического круго­ворота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов - создания органических ве­ществ и их разрушения. Начальный этап возникновения ор­ганических веществ обусловлен фотосинтезом зеленых расте­ний, т. е. образованием живого вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных соединений с использованием энергии Солнца. Растения (продуценты) извлекают из почвы в растворе молекулы серы, фосфора, кальция, калия, маг­ния, марганца, кремния, алюминия, цинка, меди и других элементов. Растительноядные животные (консументы I по­рядка) поглощают соединения этих элементов уже в виде пи­щи растительного происхождения. Хищники (консументы II порядка) питаются растительноядными животными, потреб­ляя пищу более сложного состава, включающую белки, жи­ры, аминокислоты и другие вещества. В процессе разруше­ния микроорганизмами (редуцентами) органических ве­ществ отмерших растений и останков животных, в почву и водную среду поступают простые минеральные соединения, доступные для усвоения растениям, и начинается следую­щий виток биологического круговорота (рис. 33).


Возникновение и развитие ноосферы

Эволюция органического мира на Земле прошла несколько этапов.Первый –связан с возникновением биологического круговорота веществ в биосфере. Второй- сопровождался формированием многоклеточных организмов. Эти два этапа называют биогенезом.Третий этап связан с появлением человеческого общества, под влиянием которого в современных условиях происходит эволюция биосферы и превращение ее в сферу разума-ноосферу(от гр.-разум,-шар). Ноосфера- новое состояние биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным фактором, обуславливающим ее развитие. Термин «»ноосфера» был введен Э. Леруа. В. И. Вернадский углубил и развил учение о ноосфере. Он писал: «Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете.В ней человек становится крупной геологической силой». В. И. Вернадский выделил необходимые предпосылки для создания ноосферы:1.Человечество стало единым целым.2.Возможность мгновенного обмена информацией.3.Реальное равенство людей.4.Рост общего уровня жизни.5.Использование новых видов энергии. 6.Исключение войн из жизни общества. Создание этих предпосылок становится возможным в результате взрыва научной мысли в ХХ веке.

Тема – 6. Природа – человек: системный подход. Цель лекции: Сформировать целостное представление о системных постулатах экологии.

Основные вопросы:1.Понятие о системе и о сложных биосистемах.2.Особенности биологических систем.3.Системные постулаты: закон всеобщей связи, экологические законы Б. Коммонера, Закон больших чисел, Принцип Ле Шателье, Закон обратной связи в природе и закон константности количества живого вещества.4.Модели взаимодействий в системах «природа- человек» и « человек-экономика-биота-среда».

Экологическая система – главный объект экологии. Экология по своей сущности системна и в теоретическом облике близка к общей теории систем. Согласно общей теории систем система- это реальная или мыслимая совокупность частей, целостные свойства которой определяются взаимодействием между частями (элементами) системы. В реальной жизни,систему определяют как совокуность объектов, объединенных некоторой формой регулярного взаимодействий или взаимозависимости для выполнения заданной функции. В материальном существуют определенные иерархии-упорядоченные последовательности пространственно-временного соподчинения и усложнения систем. Все многообразия нашего мира представить в виде трех последовательно возникших иерархий. Это основная,природная, физико- химико- биологическая(Ф,Х,Б) иерархия и побочные две, возникшие на ее основе, социальная (С) и техническая (Т) иерархии. Существование последних по совокупно­сти обратных связей определенным образом влияет на основную иерархию. Объединение систем из разных иерархий приводит к «смешанным» классам систем. Так, объединение систем из физико-химической части иерархии (Ф, X - «среда») с живыми системами биологической части иерархии (Б - «биота») приводит к смешан­ному классу систем, называемых экологическими. А объединение систем из иерархий С

(«человек») и Т («техника») приводит к клас­су хозяйственных, или технико-экономических, систем.

Рис. . Иерархии материальных систем:

Ф, X - физико-химическая, Б - биологическая, С - социальная, Т - техническая

Должно быть понятно, что отображенное на схеме воздействие человеческого общества на природу, опосредованное техникой и технологиями (техногенез), относится ко всей иерархии природных систем: нижняя ветвь - к абиотической среде, верхняя - к биоте биосферы. Ниже будет рассмотрена сопряженность экологических и технико-экономических сторон этого взаимодействия.

Всем системам присущи некоторые общие свойства:

1. Каждая система имеет определенную структуру, определяе­мую формой пространственно-временных связей или взаимодейст вий между элементами системы. Структурная упорядоченность сама по себе не определяет организацию системы. Систему можно на­звать организованной, если ее существование либо необходимо для поддержания некоторой функциональной (выполняющей опреде­ленную работу) структуры, либо, напротив, зависит от деятельности такой структуры.

2. Согласно принципу необходимого разнообразия система не мо­жет состоять из идентичных элементов, лишенных индивидуально­сти. Нижний предел разнообразия - не менее двух элементов (про­тон и электрон, белок и нуклеиновая кислота, «он» и «она»), верх­ний - бесконечность. Разнообразие - важнейшая информацион­ная характеристика системы. Оно отличается от числа разновидно­стей элементов и может быть измерено.3.Свойства системы невозможно постичь лишь на основании свойств ее частей. Решающее значение имеет именно взаимодейст­вие между элементами. По отдельным деталям машины перед сбор­кой нельзя судить о ее действии. Изучая по отдельности некоторые формы грибов и водорослей, нельзя предсказать существование их симбиоза в виде лишайника. Совместное действие двух или более различных факторов на организм почти всегда отличается от суммы их раздельных эффектов. Степень несводимости свойств системы к сумме свойств отдельных элементов, из которых она состоит, опре­деляет эмерджентность системы.

4.Выделение системы делит ее мир на две части - саму систе­му и ее среду. В зависимости от наличия (отсутствия) обмена веще­ством, энергией и информацией со средой принципиально возмож­ны: изолированные системы (никакой обмен невозможен); замкну­тые системы (невозможен обмен веществом); открытые системы(возможен обмен веществом и энергией). Обмен энергии определя­ет обмен информацией. В живой природе существуют только от­крытые динамические системы, между внутренними элементами ко­торых и элементами среды осуществляются переносы вещества, энергии и информации. Любая живая система - от вируса до биосферы - представляет собой открытую динамическую систему.

5. Преобладание внутренних взаимодействий в системе над внешними и лабильность системы по отношению к внешним воз­
действиям определяют ее способность к самосохранению благодаря качествам организованности, выносливости и устойчивости. Внеш­нее воздействие на систему, превосходящее силу и гибкость еевнутренних взаимодействий, приводит к необратимым изменениям
и гибели системы. Устойчивость динамической системы поддержи­вается непрерывно выполняемой ею внешней циклической работой. Для этого необходимы поток и преобразование энергии в сие. теме. Вероятность достижения главной цели системы - самосохранения (в том числе и путем самовоспроизведения) определяется кaк ее потенциальная эффективность.

6. Действие системы во времени называют ее поведением. Вызванное внешним фактором изменение поведения обозначают как реакцию системы, а изменение реакции системы, связанное с изменением структуры и направленное на стабилизацию поведения, -.как ее приспособление, или адаптацию. Закрепление адаптивных изменений структуры и связей системы во времени, при котором ее потенциальная эффективность увеличивается, рассматривается кaк развитие, или эволюция, системы. Возникновение и существование всех материальных систем в природе обусловлено эволюцией. Динамические системы эволюционируют в направлении от более вероятной к менее вероятной организации, т.е. развитие идет по пути усложнения организации и образования подсистем в структуре системы. В природе все формы поведения систем - от элементарной реакции до глобальной эволюции - существенно нелинейны. Важной особенностью эволюции сложных систем является
неравномерность, отсутствие монотонности. Периоды постепенного накопления незначительных изменений иногда прерываются резкими качественными скачками, существенно меняющими свойства системы. Обычно они связаны с так называемыми точками бифуркации - раздвоением, расщеплением прежнего пути эволюции. 0т выбора того или иного продолжения пути в точке бифуркации очень многое зависит, вплоть до появления и процветания нового мира частиц, веществ, организмов, социумов или, наоборот, гибели системы. Даже для решающих систем результат выбора часто непредсказуем, а сам выбор в точке бифуркации может быть обусловлен случайным импульсом. Любая реальная система может быть представлена в виде некоторого материального подобия или знакового образа, т.е. соответственно аналоговой или знаковой моделью системы. Моделирование неизбежно сопровождается некоторым упрощением и формализацией взаимосвязей в системе. Эта формализация может быть
осуществлена в виде логических (причинно-следственных) и/или математических (функциональных) отношений.По мере возрастания сложности систем у них появляются новые эмерджентные качества. При этом сохраняются качества более простых систем. Поэтому общее разнообразие качеств системы возрастает по мере ее усложнения (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Закономерности изменений свойств иерархий систем с повышением их уровня (по Флейшману, 1982):

1 - разнообразие, 2 - устойчивость, 3 - эмерджентность, 4 - сложность, 5 - неидентичность, 6 - распространенность

В порядке возрастания активности по отношению к внешним воз­действиям качества системы могут быть упорядочены в следующей последовательности: 1 - устойчивость, 2 - надежность, обусловлен­ная информированностью о среде (помехоустойчивость), 3 - управляемость, 4 - самоорганизация. В этом ряду каждое последующее ка­чество имеет смысл при наличии предыдущего.

Пар Сложность структуры системы опреде­ляется числом п ее элементов и числом т

связей между ними. Если в какой-либо системе исследуется число частных дискретных состояний, то сложность системы С определя­ется логарифмом числа связей:

C=lgm. (2.1)

Системы условно классифицируются по сложности следующим образом: 1) системы, имеющие до тысячи состояний (О <С < 3), относятся к простым; 2) системы, имеющие до миллиона состояний (3 < С < 6), являют собой сложные системы; 3) системы с числом состояний свыше миллиона (С > 6) идентифицируются как очень сложные.

Все реальные природные биосистемы очень сложны. Даже в структуре единичного вируса число биологически значимых моле­кулярных состояний превышает последнее значение.

Жизнедеятельность экосистемы и круговорот веществ в ней возможны только при условии постоянного притока энергии. Основной источник энергии на Земле - солнечное излучение. Энергия Солнца переводится фотосинтезирующими организмами в энергию химических связей органических соединений. Передача энергии по пищевым цепям подчиняется второму закону термодинамики: преобразование одного вида энергии в другой идет с потерей части энергии. При этом ее перераспределение подчиняется строгой закономерности: энергия, получаемая экосистемой и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго и т.д. порядков, а затем редуцентам с падением потока энергии на каждом трофическом уровне. В связи с этим круговорота энергии не бывает.

В отличие от энергии, которая используется в экосистеме только один раз, вещества используются многократно из-за того, что их потребление и превращение происходит по кругу. Этот круговорот осуществляется живыми организмами экосистемы (продуцентами, консументами, редуцентами) и называется биологическим круговоротом веществ.

Биологический круговорот веществ, или малый — поступление веществ из почвы и атмосферы в живые организмы с соответствующим изменением их химической формы, возвращение их в почву и атмосферу в процессе жизнедеятельности организмов и с посмертными остатками и повторное поступление в живые организмы после процессов деструкции и минерализации с помощью микроорганизмов. Такое понимание биологического круговорота веществ (по Н.П. Ремезову, Л.Е. Родину и Н.И. Базилевич) соответствует биогеоценотическому уровню. Точнее говорить о биологическом круговороте химических элементов, а не веществ, поскольку на разных стадиях круговорота вещества могут химически видоизменяться. По данным В.А. Ковды (1973), ежегодная величина биологического круговорота зольных элементов в системе почва-растение значительно превышает величину годового геохимического стока этих элементов в реки и моря и измеряется колоссальной цифрой 109 т/г.

Экологические системы суши и мирового океана связывают и перераспределяют солнечную энергию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, фосфор, азот, серу, кальций и другие элементы. Жизнедеятельностью растительных организмов (продуцентов) и их взаимодействиями с животными (консументами), микроорганизмами (редуцентами) и неживой природой обеспечивается механизм накопления и перераспределения солнечной энергии, поступающей на Землю.

Круговорот веществ никогда не бывает полностью замкнутым. Часть органических и неорганических веществ выносится за пределы экосистемы, и в то же время их запасы могут пополняться за счет притока извне. В отдельных случаях степень повторяющегося воспроизводства некоторых циклов круговорота веществ составляет 90-98 %. Неполная замкнутость циклов в масштабах геологического времени приводит к накоплению элементов в различных природных сферах Земли. Таким образом накапливаются полезные ископаемые - уголь, нефть, газ, известняки и т.п.

2. Принципиальные особенности современного естествознания научной картины мира

Естествознание - наука о явлениях и законах природы. Современное естествознание включает многие естественно-научные отрасли: физику, химию, биологию, а также многочисленные смежные отрасли, такие, как физическая химия, биофизика, биохимия и др. Естествознание затрагивает широкий спектр вопросов о многочисленных и многосторонних проявлениях свойств природы, которую можно рассматривать как единое целое.

Современная многообразная техника - плод естествознания, которое и по сей день является основной базой для развития многочисленных перспективных направлений - от наноэлектроники до сложнейшей космической техники, и это очевидно для многих.

Философы всех времен опирались на новейшие достижения науки и, в первую очередь, естествознания. Достижения последнего столетия в физике, химии, биологии и в других науках позволили по-новому взглянуть на сложившиеся веками философские представления. Многие философские идеи рождались в недрах естествознания, а естествознание в свою очередь в начале развития носило натурфилософский характер. Про такую философию можно сказать словами немецкого философа Артура Шопенгауэра (1788-1860): «Моя философия не дала мне совершенно никаких доходов, но она избавила меня от очень многих трат».

Человек, обладающий хотя бы общими и в то же время концептуальными естественно-научными знаниями, т.е. знаниями о природе, будет производить свои действия непременно так, чтобы польза, как результат его действий, всегда сочеталась с бережным отношением к природе и с ее сохранением не только для нынешнего, но и для грядущих поколений.

Познание естественно-научной истины делает человека свободным, свободным в широком философском смысле этого слова, свободным от некомпетентных решений и действий, и наконец, свободным в выборе пути своей благородной и созидательной деятельности.

Нет смысла перечислять достижения естествознания, каждый из нас знает рожденные им технологии и пользуется ими. Передовые технологии базируются в основном на естественно-научных открытиях последних десятилетий XX в., однако, несмотря на ощутимые достижения, возникают проблемы, вызванные главным образом осознанием угрозы экологическому равновесию нашей планеты. Самые разные сторонники рыночной экономики согласятся, что свободный рынок не может защитить слонов в Африке от охотников или исторические памятники Месопотамии - от кислотных дождей и туристов. Только правительства способны устанавливать законы, стимулирующие обеспечение рынка всем тем, что нужно человеку, без разрушения среды его обитания.

Вместе с тем правительства не в силах проводить подобную политику без помощи ученых, и прежде всего ученых, владеющих современным естествознанием. Нужна связь между естествознанием и управляющими структурами в вопросах, касающихся окружающей среды, материального обеспечения и др. Без науки трудно сохранить чистоту планеты: уровень загрязнений нужно измерять, прогнозировать их последствия - только так мы можем узнать о бедах, которые необходимо предотвратить. Лишь с помощью самых современных естественно-научных и в первую очередь физических методов можно следить за толщиной и однородностью озонового слоя, защищающего человека от ультрафиолетового облучения. Только научные исследования помогут понять причины и следствия кислотных осадков и смога, сказывающихся на жизни каждого человека, дать знания, необходимые для полета человека на Луну, исследования глубин океана, найти способы избавления человека от многих тяжелых болезней.

В результате анализа популярных в 70-е годы математических моделей ученые пришли к выводу, что дальнейшее развитие экономики вскоре станет невозможным. И хотя они не привнесли новых знаний, они все-таки сыграли важную роль. Они продемонстрировали возможные последствия наметившихся сегодня тенденций развития. В свое время подобные модели действительно убедили миллионы людей, что защита природы необходима, а это немалый вклад в прогресс. Несмотря на различия в рекомендациях, все модели содержат один главный вывод: природу нельзя дальше загрязнять так, как сегодня

С естественно-научными знаниями можно связать многие проблемы на Земле. Однако проблемы эти порождаются незрелостью самой науки. Дайте ей продолжить свой курс - и человечество преодолеет сегодняшние трудности - таково мнение большинства ученых. Для других, в большей степени тех, кто лишь причисляет себя к когорте ученых, наука потеряла свою значимость.

Естествознание в значительной мере отражает потребности практиков и в то же время финансируется в зависимости от постоянно меняющихся симпатий государства и общественности.

Наука и техника - не только главный инструмент, позволяющий людям приспособиться к постоянно изменяющимся природным условиям, но и главная сила, прямо или косвенно вызывающая такие изменения.

Наряду с явными положительными чертами, присущими естествознанию, следует вести речь и о недостатках, обусловленных и природой самого знания, и непониманием на данном этапе каких-то очень важных свойств материального мира из-за ограниченности познания человека. Скажем, чистые математики сделали открытие, противоречащее представлениям мыслителей прошлого: случайные, хаотические процессы можно описать точными математическими моделями. Причем оказалось, что даже простая модель, оснащенная эффективной обратной связью, настолько чувствительна к малейшим изменениям начальных условий, что ее будущее становится непредсказуемым. Стоит ли тогда спорить о том, детерминистична ли Вселенная, если строго детерминистская модель дает результаты, не отличающиеся от вероятностных?

Цель естествознания - описать, систематизировать и объяснить совокупность природных явлений и процессов. Слово «объяснить» в методологии науки само требует объяснения. В большинстве случаев оно означает понимать. Что обычно подразумевает человек, говоря «Я понимаю»? Как правило, это означает: «Я знаю, откуда это взялось» и «Я знаю, к чему это приведет». Так образуется причинно-следственная связь: причина - явление - следствие. Расширение такой связи и образование многомерной структуры, охватывающей множество явлений, служит основой научной теории, характеризующейся четкой логической структурой и состоящей из набора принципов или аксиом и теорем со всеми возможными выводами. По такой схеме строится любая математическая дисциплина, например, Евклидова геометрия или теория множеств, которые могут служить характерными примерами научных теорий. Построение теории, конечно, предполагает создание особого научного языка, специальной терминологии, системы научных понятий, имеющих однозначный смысл и связанных между собой строгими правилами логики.

После того как теория «проверена опытом, наступает следующая стадия познания действительности, в которой устанавливаются границы истинности наших знаний или границы применимости теорий и отдельных научных утверждений. Данная стадия обусловливается объективными и субъективными факторами. Один из существенных объективных факторов - динамизм окружающего нас мира. Вспомним мудрые слова древнегреческого философа Гераклита (конец VI - начало V вв. до н.э.); «Все течет, все изменяется; в одну и ту же реку нельзя войти дважды» Подводя итог, сформулируем кратко три основных принципа научного познания действительности.

1. Причинность. Первое и достаточно емкое определение причинности содержится в высказывании Демокрита: «Ни одна вещь не возникает беспричинно, но все возникает на каком-нибудь основании и в силу необходимости».

2. Критерий истины. Естественно-научная истина проверяется (доказывается) только практикой: наблюдениями, опытами, экспериментами, производственной деятельностью: Если научная теория подтверждена практикой, то она истинна. Естественно-научные теории проверяются Экспериментом, связанным с наблюдениями, измерениями и математической обработкой получаемых результатов. Подчеркивая важность измерений, выдающийся ученый Д.И. Менделеев (1834 - 1907) писал: «Наука, началась тогда, когда люди научились мерить; точная наука немыслима без меры».

3. Относительность научного знания. Научное знание (понятия, идеи, концепции, модели, теории, выводы из них и т.п.) всегда относительно и ограничено.

Часто встречающееся утверждение: главная цель естествознания - установление законов природы, открытие скрытых истин - явно или неявно предполагает, что истина где-то уже есть и существует в готовом виде, ее надо только найти, отыскать как некое сокровище. Великий философ древности Демокрит говорил: «Истина скрыта в глубине (лежит на дне морском)». Другой объективный фактор связан с несовершенством техники эксперимента, служащей материальной базой любого опыта.

Естествознание тем или иным способом систематизирует наши наблюдения над природой. При этом не следует считать, например, теорию кривых второго порядка приближенной на том основании, что в природе в точности кривых второго порядка нет. Нельзя говорить, что неевклидова геометрия уточняет Евклидову - каждая занимает в системе моделей свое место, являясь точной в соответствии с внутренними критериями точности, и находит применение там, где необходимо. Точно так же неверно утверждать, что теория относительности уточняет классическую механику - это разные модели, имеющие, вообще говоря, и разные сферы приложения.

В современном представлении истина - правильное, адекватное отражение познающим субъектом предметов и явлений действительности, воспроизводящее их так, как они существуют вне и независимо от сознания. Как результат деятельности человеческого мышления истина объективна по содержанию, но субъективна по форме. Можно говорить об относительной истине, отражающей предмет не полностью, а в объективно обусловленных пределах. Абсолютная истина полностью исчерпывает предмет познания. Всякая относительная истина содержит элемент абсолютного знания. Абсолютная истина есть сумма относительных истин. Истина всегда конкретна.

Каким бы ни представлялось содержание истины, занимающей умы великих ученых с древних времен, и как бы ни решался сложный вопрос о предмете науки в целом и естествознании в частности, - одно очевидно: естествознание есть чрезвычайно эффективный, мощный инструмент, не только позволяющий познать окружающий мир, но и приносящий громадную пользу.

С течением времени и особенно в конце последнего столетия наблюдается изменение функции науки и в первую очередь - естествознания. Если раньше основная функция науки заключалась в описании, систематизации и объяснении исследуемых объектов, то сейчас наука становится неотъемлемой частью производственной деятельности человека, в результате чего современное производство - будь то выпуск сложнейшей космической техники, современных супер- и персональных компьютеров или высококачественной аудио- и видеоаппаратуры - приобретает наукоемкий характер. Происходит сращивание научной и производственно-технической деятельности, в итоге появляются крупные научно-производственные объединения - межотраслевые научно-технические комплексы «наука - техника - производство», в которых науке принадлежит ведущая роль. Именно в таких комплексах были созданы первые космические системы, первые атомные электростанции и многое другое, что принято считать наивысшими достижениями науки и техники.

В последнее время специалисты гуманитарных наук считают, что наука - производительная сила. При этом имеется в виду прежде всего естествознание. Хотя наука и не производит непосредственно материальную продукцию, но очевидно, что в основе производства любой продукции лежат научные разработки. Поэтому, когда говорят о науке как о производительной силе, то принимают во внимание не конечную продукцию тоге или иного производства, а ту научную информацию - своего рода продукцию, на базе которой и организуется, и реализуется производство материальных ценностей.

Учитывая такой важный показатель, как количество научной информации, можно сделать не только качественную, но и количественную оценку временного изменения данного показателя и, таким образом, определить закономерность развития науки.

Количественный анализ показывает, что темп развития науки как в целом, так и для таких отраслей естествознания, как физика, биология и т.п., а также для математики, характеризуется приростом на 5-7% в год на протяжении последних 300 лет. При анализе учитывались конкретные показатели: число научных статей, научных сотрудников и т.д. Такой темп развития науки можно охарактеризовать и по-другому. За каждые 15 лет (половина средней разницы в возрасте между родителями и детьми) объем научной продукции возрастает в е раз (е = 2,72 - основание натуральных логарифмов). Это утверждение составляет сущность закономерности экспоненциального развития науки.

Из данной закономерности вытекают следующие выводы. За каждые 60 лет научная продукция увеличивается примерно в 50 раз. За последние 30 лет такой продукции создано приблизительно в 6,4 раза больше, чем за всю историю человечества. В данной связи к многочисленным характеристикам XX в. вполне оправданно можно добавить еще одну - «век науки».

Совершенно очевидно, что в пределах рассмотренных показателей (их, конечно, нельзя считать исчерпывающими для характеристики сложной проблемы развития науки) экспоненциальное развитие науки не может продолжаться бесконечно долго, иначе за сравнительно небольшой интервал времени, в ближайшем будущем все население земного шара превратилось бы в научных сотрудников. Как отмечалось в предыдущем параграфе, даже в большом числе научных публикаций содержится сравнительно небольшое количество по-настоящему ценной научной информации. И не каждый исследователь вносит существенный вклад в подлинную науку. Дальнейшее развитие науки будет продолжаться и в будущем, но, не за счет экстенсивного роста числа научных сотрудников и числа производимых ими научных публикаций, а за счет привлечения прогрессивных методов и технологий исследования, а также повышения качества научной работы.

Сегодня, как никогда, важна развернутая работа не только и не столько по критике и переосмыслению прошлого, сколько по исследованию путей в будущее, поиску новых идей и идеалов. Помимо вопросов экономики, это, наверное, самый значительный социальный заказ отечественной науке и культуре. Прошлые идеи себя исчерпывают или исчерпали, и если мы не заполним образовавшуюся пустоту, то она будет занята еще более старыми представлениями и фундаментализмом, утвержденными уже силой и авторитетом власти. Именно в этом состоит сегодня вызов разуму, уход от которого мы наблюдаем.

3. Во всех инерциальных системах отчета движение происходит по одинаковым закономерностям – это формулировка…

а) закона всемирного тяготения; б) принципы относительности Галилея; в) законы классической механики Ньютона

При́нцип относи́тельности - фундаментальный физический принцип, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

Данное определение относится к пункту «б» – принципы относительности Галилея.

4. Принципы относительности Галилея

Галилея принцип относительности, принцип физического равноправия инерциальных систем отсчёта в классической механике, проявляющегося в том, что законы механики во всех таких системах одинаковы. Отсюда следует, что никакими механическими опытами, проводящимися в какой-либо инерциальной системе, нельзя определить, покоится ли данная система или движется равномерно и прямолинейно. Это положение было впервые установлено Г. Галилеем в 1636. Одинаковость законов механики для инерциальных систем Галилей иллюстрировал на примере явлений, происходящих под палубой корабля, покоящегося или движущегося равномерно и прямолинейно (относительно Земли, которую можно с достаточной степенью точности считать инерциальной системой отсчёта): «Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно… Бросая какую-нибудь вещь товарищу, вы не должны будете бросать ее с большей силой, когда он будет находиться на носу, а вы на корме, чем когда ваше взаимное положение будет обратным; капли, как и ранее, будут падать в нижний сосуд, и ни одна не упадет ближе к корме, хотя, пока капля находится в воздухе, корабль пройдет много пядей» 1 .

Движение материальной точки относительно: её положение, скорость, вид траектории зависят от того, по отношению к какой системе отсчёта (телу отсчёта) это движение рассматривается. В то же время законы классической механики, т. е. соотношения, которые связывают величины, описывающие движение материальных точек и взаимодействие между ними, одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. Относительность механического движения и одинаковость (безотносительность) законов механики в разных инерциальных системах отсчёта и составляют содержание Галилеевского принципа относительности.

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

Пусть имеются две инерциальные системы отсчёта, одну из которых, S, условимся считать покоящейся; вторая система, S’, движется по отношению к S с постоянной скоростью u так, как показано на рисунке. Тогда преобразования Галилея для координат материальной точки в системах S и S’ будут иметь вид:

x’ = x — ut, у’ = у, z’ = z, t’ = t (1)

(штрихованные величины относятся к системе S’, нештрихованные - к S). Т. о., время в классической механике, как и расстояние между любыми фиксированными точками, считается одинаковым во всех системах отсчёта.

Из преобразований Галилея можно получить соотношения между скоростями движения точки и её ускорениями в обеих системах:

v’ = v — u, (2)

a’ = a.

В классической механике движение материальной точки определяется вторым законом Ньютона:

F = ma, (3)

Где m - масса точки, a F - равнодействующая всех приложенных к ней сил. При этом силы (и массы) являются в классической механике инвариантами, т. е. величинами, не изменяющимися при переходе от одной системы отсчёта к другой. Поэтому при преобразованиях Галилея уравнение (3) не меняется. Это и есть математическое выражение Галилеевского принципа относительности.

Галилеевский принцип относительности справедлив лишь в классической механике, в которой рассматриваются движения со скоростями, много меньшими скорости света. При скоростях, близких к скорости света, движение тел подчиняется законам релятивистской механики Эйнштейна, которые инвариантны по отношению к другим преобразованиям координат и времени - Лоренца преобразованиям
(при малых скоростях они переходят в преобразования Галилея).

5. Специальная теория относительности Эйнштейна

Специальная теория относительности базируется на двух постулатах. Первый постулат (обобщенный принцип относительности Эйнштейна) гласит: никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными и т.д.), производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения (иными словами, законы природы одинаковы во всех инерциальных системах координат, т.е. системах, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга). Этот постулат вытекает из результатов знаменитого опыта Майкельсона-Морлея, измерявших скорость света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Скорость света оказалась одинаковой во всех направлениях, независимо от факта движения источника (кстати, эти измерения отвергли идею существования мирового неподвижного эфира, колебаниями которого объясняли природу света).

Второй постулат говорит о том, что скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах координат. Этот постулат понимается (в том числе самим Эйнштейном) в смысле постоянства скорости света. Принято считать, что этот постулат также есть следствие опыта Майкельсона.

Постулаты были использованы Эйнштейном для анализа уравнений электродинамики Максвелла и следующих преобразований Лоренца, позволяющих выражать координаты и время для движущейся системы (отмечены штрихом сверху) через координаты и время для неподвижной системы (эти преобразования оставляют уравнения Максвелла неизменными):


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

t’ = (t – xV/c^2)/^0,5 (сек). (2)
Из этих преобразований непосредственно вытекает теорема сложения скоростей Эйнштейна:

Vc = (V1 + V2)/(1 + V1*V2/c^2) (м/сек). (3)

Обычный закон сложения (Vc = V1 + V2 ) действует только при малых скоростях.
На основе выполненного анализа Эйнштейн пришел к выводу, что факт движения системы (со скоростью V ) влияет на ее размеры, скорость течения времени и массу в соответствии с выражениями:

l = lo/^0,5 (м); (4)
delta t = delta to/^0,5 (сек); (5)
M = Mo/^0,5 (кг). (6)
Нулем отмечены величины, относящиеся к неподвижной (покоящейся) системе. Формулы (4) – (6) свидетельствуют о том, что длина движущейся системы сокращается, течение времени на ней (ход часов) замедляется, а масса возрастает. На основе формулы (5) возникла идея так называемого эффекта близнецов. Космонавт, который пролетел на корабле год (по часам корабля) со скоростью 0,9998с , возвратившись на Землю, встретит своего брата-близнеца, постаревшего на 50 лет. Соотношение (6), характеризующее эффект возрастания массы, привело Эйнштейна к формулировке его знаменитого закона (6):

E = Mс^2 (дж).

6. Общая теория относительности Эйнштейна

О́бщая тео́рия относи́тельности (ОТО) - геометрическая теория тяготения , опубликованная Альбертом Эйнштейном в - годах . В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности , постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей , находящихся в пространстве-времени , а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности (ОТО) - современная теория тяготения, связывающая его с кривизной четырехмерного пространства-времени.

Таким образом, в ОТО, как и в других метрических теориях , гравитация не является силовым взаимодействием. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в пространстве материей.

ОТО в настоящее время - самая успешная гравитационная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии
перигелия
Меркурия . Затем, в , Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения , что подтвердило предсказания общей теории относительности . С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории , включая гравитационное замедление времени , гравитационное красное смещение , задержку сигнала в гравитационом поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение . Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности - существования чёрных дыр .

Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности, утверждающий, что физические процессы в гравитационном поле неотличимы от аналогичных явлений при соответствующем ускоренном движении. Принцип эквивалентности стал основой новой теории, названной общей теорией относительности (ОТО). Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения принципа относительности движения, т.е. распространения его не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем. Если не приписывать абсолютный характер ускорению, то выделенность класса инерциальных систем потеряет свой смысл и можно формулировать физические законы таким образом, чтобы они относились к любой системе координат. В этом и заключается общий принцип относительности.

С точки зрения ОТО пространство нашего мира не обладает постоянной нулевой кривизной. Кривизна его меняется от точки к точке и определяется полем тяготения, И время в разных точках течет по-разному. Поле тяготения является не чем иным, как отклонением свойств реального пространства от свойств идеального (евклидова) пространства. Поле тяготения в каждой точке определяется значением кривизны пространства в этой точке. При этом искривление пространства-времени определяется не только полной массой вещества, из которого слагается тело, но и всеми видами энергии, присутствующими в нем, в том числе энергии всех физических полей. Так, в ОТО обобщается принцип тождества массы и энергии СТО: Е= mc 2 . Таким образом, важнейшее отличие ОТО от других физических теорий состоит в том, что она описывает тяготение как воздействие материи на свойства пространства-времени, эти свойства пространства-времени, со своей стороны, влияют на движение тел, на физические процессы в них.

В ОТО движение материальной точки в поле тяготения рассматривается как свободное «инерциальное» движение, но происходящее не в евклидовом, а в пространстве с изменяющейся кривизной. В результате движение точки уже не является прямолинейным и равномерным, а происходит по геодезической линии искривленного пространства. Отсюда следует, что уравнение движения материальной точки, а также и луча света должно быть записано в виде уравнения геодезической линии искривленного пространства. Для определения кривизны пространства необходимо знать выражение для компонент фундаментального тензора (аналога потенциала в ньютоновской теории тяготения). Задача заключается в том, чтобы, зная распределения тяготеющих масс в пространстве, определить функции координат и времени (компонент фундаментального тензора); тогда можно записать уравнение геодезической линии и решить проблему движения материальной точки, проблему распространения светового луча и т.д.

Эйнштейн нашел общее уравнение гравитационного поля (которое в классическом приближении переходило в закон тяготения Ньютона) и таким образом решил проблему тяготения в общем виде. Уравнения гравитационного поля в общей теории относительности представляют собой систему из 10 уравнений. В отличие от теории тяготения Ньютона, где есть один потенциал гравитационного поля, который зависит от единственной величины - плотности массы, в теории Эйнштейна гравитационное поле описывается 10 потенциалами и может создаваться не только плотностью массы, но также потоком массы и потоком импульса.

Еще одно кардинальное отличие ОТО от предшествующих ей физических теорий состоит в отказе от ряда старых понятий и формулировке новых. Так, ОТО отказывается от понятий «сила», «потенциальная энергия», «инерциальная система»» «евклидов характер пространства-времени» и др.; В ОТО используют нежесткие (деформирующиеся) телаотсчета, поскольку в гравитационных полях не существует твердых тел и ход часов зависит от состояния этих полей. Такая система отсчета (ее называют «моллюском отсчета») может двигаться произвольным образом, и ее форма может изменяться, у используемых часов может быть сколь угодно нерегулярный ход. ОТО углубляет понятие поля, связывая воедино понятия инерции, гравитации и метрики пространства-времени, допускает возможность гравитационных волн. Гравитационные волны создаются переменным гравитационным полем, неравномерным движением масс и распространяются в пространстве со скоростью света. Гравитационные волны в земных условиях очень слабы. Есть возможность реальной фиксации гравитационного излучения, возникающего в грандиозных катастрофических процессах во Вселенной - вспышках сверхновых звезд, столкновении пульсаров и др. Но их до сих пор экспериментально обнаружить не удалось.

Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории из-за появления неустранимых математических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени. Для решения этой проблемы был предложен ряд альтернативных теорий . Современные экспериментальные данные указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.
ФОРМИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА ПРИНЦИПЫ И ПОНЯТИЯ ЭЙНШТЕЙНОВСКОЙ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (ТЕОРИИ ГРАВИТАЦИИ) Концепции уровней биологических структур и организации живых систем ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

2014-11-17

Вещества поступают к живым организмам из почвы, воздуха, воды. Вода испаряется из океанов, поднимается к слоям атмосферы, образуя дождь. Зеленые растения пользуются поступившей в почву водой. Поддерживая свою жизнедеятельность, они одновременно выделяют необходимый для жизни кислород. В то же время, без воздействия кислорода не могли бы происходить процессы разложения и гниения растений. Как называется этот замкнутый круг, обеспечивающий возможность жизни на Земле, и в чем состоят его особенности?

Главное понятие экологии

Биологический круговорот - это обращение химических элементов, возникшее одновременно с зарождением жизни на нашей планете, и которое происходит при участии живых организмов.

Закономерности, присущие круговороту веществ, решают основные задачи поддержания жизни на Земле. Ведь запасы питательных веществ на всей поверхности Земли не безграничны, хотя и являются огромными. Если бы эти запасы только потреблялись живыми существами, то в один момент жизнь должна была бы подойти к своему концу. Ученый Р. Вильямс писал: «Единственный метод, который позволяет ограниченному количеству иметь свойство бесконечного, - это сделать так, чтобы оно вращалось по траектории замкнутой кривой линии». Сама жизнь распорядилась так, чтобы на Земле был использован этот метод. Органические вещества создаются зелеными растениями, а незеленые подвергают его разрушению.

В биологическом круговороте каждый вид живых существ занимает свое место. Основной парадокс жизни заключается в том, что она поддерживается при помощи процессов деструкции и постоянного распада. Сложные органические соединения рано или поздно разрушаются. Этот процесс сопровождается выделением энергии, потерей свойственной живому организму информации. Огромное значение в биологическом круговороте веществ и развитии жизни играют микроорганизмы - именно с их участием любая форма жизни включается в биотический круговорот.

Звенья биоцепочки

Микроорганизмы имеют два свойства, которые позволяют им занимать столь важное место в круге жизни. Во-первых, они очень быстро могут приспосабливаться к меняющимся условиям окружающей среды. Во-вторых, для пополнения запасов энергии они могут использовать самые разнообразные вещества, а также углерод. Такими свойствами не обладает ни один из высших организмов. Они существуют лишь как надстройка над фундаментальным основанием царства микроорганизмов.

Особи и виды различных биологических классов являются звеньями круговорота веществ. Они также взаимодействуют между собой при помощи различных типов связей. Круговорот веществ планетарного масштаба включает в себя частные биологические круговороты в природе. Они осуществляются, главным образом, по пищевым цепочкам.

Опасные обитатели домашней пыли

Немалую роль в биологическом круговороте играют и сапрофиты - постоянные «жители» домашней пыли. Они питаются разнообразными веществами, которые входят в состав домашней пыли. При этом сапрофиты выделяют довольно токсичные фекалии, которые провоцируют возникновение аллергии.

Кем же являются эти невидимые для человеческого глаза создания? Сапрофиты принадлежат к семейству паукообразных. Они сопровождают человека на протяжении всей жизни. Ведь пылевые клещи питаются домашней пылью, в состав которой также входит человеческая кожа. Ученые полагают, что когда-то сапрофиты были жителями птичьих гнезд, а затем «перебрались» в жилище человека.

Пылевые клещи, играющие большую роль в биологическом обороте, имеют очень малые размеры - от 0,1 до 0,5 мм. Но они настолько активны, что всего лишь за 4 месяца один пылевой клещ может отложить порядка 300 яиц. Один грамм домашней пыли может содержать несколько тысяч клещей. Невозможно представить, сколько пылевых клещей может быть в доме, ведь считается, что за один год в человеческом жилище может накапливаться до 40 кг пыли.

Круговорот в лесу

В лесу биологический круговорот обладает наибольшей мощностью по причине проникновения корней деревьев в глубины почвы. Первым звеном в этом обороте обычно считается так называемое ризосферное звено. Ризосферой называется тонкий (от 3 до 5 мм) слой почвы вокруг дерева. Почва вокруг корней дерева (или «ризосферная почва»), как правило, очень богата корневыми выделениями и различными микроорганизмами. Ризосферное звено представляет собой своеобразные ворота между живой природой и неживой.

Звено потребления находится в корнях, которые поглощают минеральные вещества из почвы. Некоторая часть веществ смывается осадками обратно в почву, однако большей частью возврат питательных веществ осуществляется во время двух процессов - опада и отпада.

Роль опада и отпада

Опад и отпад имеют разное значение в биологическом круговороте веществ. Опад включает в себя шишки деревьев, ветки, листья, остатки от травы. Исследователи не включают в опад деревья - они относятся к категории отпада. Разложение отпада может происходить в течение десятков лет. Иногда отпад может служить материалом для питания других древесных пород - но только по достижении определенной стадии разложения. Отпад содержит много веществ, относящихся к классу зольных. Они медленно поступают в почву и используются растениями для дальнейшей жизнедеятельности.

От чего зависит опад?

Опад имеет несколько иное значение в биологическом круговороте. В течение года весь его объем переходит в слой подстилки и подвергается полному разложению. Элементы золы гораздо быстрее поступают в биотический оборот. Однако фактически опад является частью биологического оборота уже когда листья находятся на дереве. Показатель опада зависит от многих факторов: климата, погоды в текущем и предыдущем годах, количества насекомых. В лесотундре она достигает нескольких центнеров, в лесах измеряется тоннами. Самое большое количество опада в лесах приходится на весну и осень. Различается этот показатель и в зависимости от года.

Что касается органического состава хвои и листьев, то в процессе круговорота они подвергаются одинаковым изменениям. В отличие от опада, зеленые листья обычно богаты фосфором, калием, азотом. Опад же, как правило, богат кальцием. На биологический круговорот большое влияние оказывают насекомые и животные. Например, листогрызущие насекомые могут значительно ускорить его. Однако самое большое влияние на скорость круговорота оказывают животные в процессе разложения опада. Личинки и черви поедают и измельчают опад, перемешивают с верхними слоями почвы.

Фотосинтез в природе

Растения для пополнения запасов энергии умеют использовать солнечный свет. Они делают это в два этапа. На первом этапе происходит улавливание света листьями; на втором энергия используется для процесса связывания углерода и образования органических веществ. Биологи называют зеленые растения автотрофами. Они являются основой для жизни на всей планете. Автотрофы имеют огромное значение в фотосинтезе и биологическом круговороте. Энергия солнечного света превращается ими в запасенную посредством образования углеводов. Самым главным из них является сахар глюкоза. Процесс этот получил название фотосинтеза. Живые организмы других классов могут получать доступ к солнечной энергии, употребляя в пищу растения. Таким образом появляется пищевая цепь, обеспечивающая круговорот веществ.

Закономерности фотосинтеза

Несмотря на важность процесса фотосинтеза, долгое время он оставался неизученным. Лишь в начале XX века английский ученый Фредерик Блэкман поставил несколько экспериментов, при помощи которых удалось установить этот процесс. Ученый выявил и некоторые закономерности фотосинтеза: оказалось, что он запускается при слабом освещении, постепенно усиливаясь с потоками света. Однако это происходит только до определенного уровня, после которого усиление света уже не ускоряет фотосинтез. Блэкман также установил, что постепенное повышение температуры при усилении освещения способствует фотосинтезу. Повышение температуры при слабом освещении не ускоряет этот процесс, как и усиление освещения при низкой температуре.

Процесс преобразования света в углеводы

Фотосинтез начинается с процесса попадания фотонов солнечного света в молекулы хлорофилла, расположенные в листьях растений. Именно хлорофилл придает растениям зеленый цвет. Улавливание энергии происходит в два этапа, которые биологи называют Фотосистема I и Фотосистема II. Интересно, что номера этих фотосистем отражают порядок их открытия учеными. Это одна из странностей в науке, так как вначале реакции происходят во второй фотосистеме, и лишь затем - в первой.

Фотон солнечного света сталкивается с 200-400 молекулами хлорофилла, находящимися в листе. При этом энергия резко возрастает и передается молекуле хлорофилла. Этот процесс сопровождается химической реакцией: хлорофилловая молекула теряет при этом два электрона (их, в свою очередь, принимает так называемый «акцептор электронов», другая молекула). А также при столкновении фотона с хлорофиллом происходит образование воды. Цикл, при котором солнечный свет превращается в углеводы, называется циклом Калвина. Значение фотосинтеза и биологического круговорота веществ нельзя недооценить - именно благодаря этим процессам на земле имеется кислород. Получаемые человеком полезные ископаемые - торф, нефть - также являются носителями запасенной в процессе фотосинтеза энергии.