Các chu trình tuần hoàn và sinh địa hoá của các chất. Các chu kỳ sinh học và địa chất
Chu trình của các chất trong tự nhiên là khái niệm sinh thái quan trọng nhất.
Trên hình. chu trình sinh học được trình bày kết hợp với một sơ đồ đơn giản hóa của dòng năng lượng. Các chất tham gia vào quá trình tuần hoàn, và dòng năng lượng là một chiều từ thực vật chuyển năng lượng của mặt trời thành năng lượng của các liên kết hóa học, đến động vật sử dụng năng lượng này, và xa hơn nữa là các vi sinh vật phá hủy chất hữu cơ.
Dòng năng lượng một chiều tạo ra chuyển động tuần hoàn của các chất. Mỗi nguyên tố hóa học, tạo nên một chu trình trong hệ sinh thái, luân phiên chuyển từ dạng hữu cơ sang dạng vô cơ và ngược lại.
Cơm. 1. Dòng năng lượng và tuần hoàn của các nguyên tố sinh vật trong sinh quyển
Quang hợp- sự sáng tạo chất hữu cơ(glucoza, tinh bột, xenluloza, v.v.) từ cacbon đioxit và nước với sự tham gia của chất diệp lục dưới tác dụng của năng lượng mặt trời:
6CO 2 + 12H 2 O + hν (673 kcal) \ u003d C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O
Quang hợp là quá trình thu năng lượng mặt trời của các sinh vật quang hợp và chuyển nó thành năng lượng sinh khối.
Hàng năm, thế giới thực vật dự trữ năng lượng tự do cao gấp 10 lần lượng năng lượng khoáng tiêu thụ mỗi năm của toàn bộ dân số Trái đất. Bản thân các khoáng chất này (than đá, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên) cũng là sản phẩm của quá trình quang hợp diễn ra hàng triệu năm trước.
Hàng năm, quá trình quang hợp hấp thụ 200 tỷ tấn carbon dioxide và thải ra 320 tỷ tấn oxy. Tất cả carbon dioxide của khí quyển đi qua vật chất sống trong 6-7 năm.
Trong sinh quyển cũng diễn ra các quá trình phân hủy chất hữu cơ đến các phân tử đơn giản nhất: CO 2, H 2 O, NH 3. Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ xảy ra ở sinh vật động vật, thực vật trong quá trình hô hấp với sự tạo thành CO 2 và H 2 O.
Quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ, sự phân hủy các chất hữu cơ chết thành các hợp chất vô cơ đơn giản, diễn ra dưới tác dụng của vi sinh vật.
Các quá trình hình thành và phá hủy chất hữu cơ đối lập nhau trong sinh quyển tạo thành một chu trình sinh học đơn nhất của các nguyên tử. Trong quá trình khoáng hóa các hợp chất hữu cơ, năng lượng đã được hấp thụ trong quá trình quang hợp được giải phóng. Nó được giải phóng dưới dạng nhiệt và cũng như năng lượng hóa học.
Chu kỳ sinh họclà một tập hợp các quá trình xâm nhập của các nguyên tố hóa học vào cơ thể sống, sinh tổng hợp các hợp chất phức tạp mới và đưa các nguyên tố trở lại đất, khí quyển và thủy quyển.
Cường độ của chu kỳ sinh học (BIC) được xác định bởi nhiệt độ môi trường và lượng nước. Chu kỳ sinh học diễn ra mạnh mẽ hơn trong các khu rừng mưa nhiệt đới hơn là trong lãnh nguyên.
Kết quả quan trọng nhất của chu trình sinh học của các chất là hình thành chân trời đất mùn trên đất liền.
Chu kỳ sinh học được đặc trưng bởi các chỉ số sau.
Sinh khối - khối lượng vật chất sống được tích lũy tại một thời điểm nhất định (phyto-, động vật-, vi sinh vật).
sinh khối thực vật(phytomass) - khối lượng sinh vật thực vật sống và chết.
Mùa thu - lượng chất hữu cơ của thực vật bị chết trên một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian.
Sự phát triển- sinh khối tích lũy trên một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian.
Thành phần hóa học của thực vật phụ thuộc vào hai yếu tố chính:
1) sinh thái, - các điều kiện phát triển của thực vật, - mức độ hàm lượng của các yếu tố trong môi trường, các dạng hiện diện, kể cả các dạng di động, sẵn có đối với thực vật;
2) di truyền, liên quan đến đặc điểm nguồn gốc của các loài thực vật.
Trong điều kiện ô nhiễm môi trường, nồng độ các nguyên tố trong thực vật do yếu tố đầu tiên quyết định. Cả hai yếu tố này đều quan trọng đối với phong cảnh nền (không bị xáo trộn).
Tùy theo phản ứng với yếu tố hóa học của môi trường (đến hàm lượng nguyên tố hóa học), có thể phân biệt 2 nhóm thực vật:
1) thích nghi thay đổi nồng độ của các nguyên tố hóa học;
2) không thích nghiđến sự thay đổi nồng độ của các nguyên tố hóa học.
Sự thay đổi nồng độ của các nguyên tố hóa học trong môi trường ở cây trồng chưa được chăm bón gây rối loạn sinh lý dẫn đến dịch bệnh; sự phát triển của thực vật bị kìm hãm, các loài sinh vật chết dần.
Một số loài thực vật thích nghi tốt để chịu được nồng độ cao của các nguyên tố. Đây là những cây dại mọc lâu năm ở một khu vực nhất định, do chọn lọc tự nhiên, chúng có khả năng chống chịu với các điều kiện bất lợi của môi trường.
Thực vật tập trung các nguyên tố hóa học được gọi là tập trung. Ví dụ: hướng dương, khoai tây đậm đặc kali, chè - nhôm, rêu - sắt. Vàng được tích lũy bởi cây ngải cứu, cỏ đuôi ngựa, ngô và sồi.
12.1. Khái niệm về chu trình sinh học
Chu trình sinh học là chu trình của các nguyên tố và chất hóa học phát sinh đồng thời với sự xuất hiện của sự sống trên Trái đất, được thực hiện bởi hoạt động sống của sinh vật. Nó đóng một vai trò đặc biệt trong sinh quyển. Nhân dịp này, N. V. Timofeev-Resovsky đã viết: “Có một chu trình sinh học khổng lồ, vĩnh cửu, hoạt động liên tục trong sinh quyển, một số chất, một số dạng năng lượng liên tục luân chuyển trong chu kỳ lớn này của sinh quyển” (M. M. Kamshilov , 1974; V. A. Vronsky, 1997). Vấn đề tồn tại và phát triển lâu dài của sự sống được giải quyết trong các quy luật của chu kỳ sinh học. Trên một vật thể có thể tích hữu hạn là Trái đất, trữ lượng các nguyên tố khoáng sẵn có cần thiết cho việc thực hiện chức năng của sự sống không thể là vô hạn. Nếu chúng chỉ được tiêu thụ, cuộc sống sớm muộn gì cũng phải kết thúc. W. R. Williams viết: “Cách duy nhất để cung cấp cho một số lượng giới hạn thuộc tính của một số vô hạn là làm cho nó quay dọc theo một đường cong khép kín.” Cuộc sống đã sử dụng chính xác phương pháp này. “Cây xanh tạo ra chất hữu cơ, cây không phải cây xanh sẽ phá hủy nó. Từ các hợp chất khoáng thu được từ sự phân hủy của chất hữu cơ, cây xanh mới tạo ra chất hữu cơ mới, và cứ thế không ngừng. Với ý nghĩ này, mỗi loại sinh vật là một mắt xích trong chu trình sinh học. Sử dụng xác hoặc sản phẩm thối rữa của một số sinh vật làm phương tiện sinh sống, anh ta phải cung cấp cho môi trường những gì những sinh vật khác có thể sử dụng. Vai trò của vi sinh vật đặc biệt to lớn. Bằng cách khoáng hóa các chất hữu cơ còn sót lại của động vật và thực vật, vi sinh vật biến chúng thành một loại "đơn vị tiền tệ" - muối khoáng và các hợp chất hữu cơ đơn giản nhất như chất kích thích sinh học, lại được cây xanh sử dụng trong quá trình tổng hợp chất hữu cơ mới. Một trong những nghịch lý chính của cuộc sống là tính liên tục của nó được đảm bảo bởi các quá trình phân rã, hủy diệt. Phức tạp hợp chất hữu cơ, năng lượng được giải phóng, kho thông tin vốn có trong các cơ thể sống có tổ chức phức tạp bị mất. Là kết quả của hoạt động của các loài phá hủy, chủ yếu là vi sinh vật, bất kỳ dạng sống nào chắc chắn sẽ được đưa vào chu trình sinh học. Do đó, với sự giúp đỡ của họ, quá trình tự điều chỉnh tự nhiên của sinh quyển được thực hiện. Hai đặc tính cho phép vi sinh vật đóng vai trò như vậy vai trò quan trọng: khả năng thích ứng tương đối nhanh với các điều kiện khác nhau và khả năng sử dụng nhiều loại giá thể làm nguồn cacbon và năng lượng. Các sinh vật bậc cao không có khả năng như vậy. Vì vậy, chúng chỉ có thể tồn tại với tư cách là một loại kiến trúc thượng tầng trên nền tảng vững chắc của vi sinh vật. Chu kỳ sinh học, dựa trên sự tương tác của tổng hợp và tiêu hủy chất hữu cơ, là một trong những hình thức tổ chức sự sống quan trọng nhất trên quy mô hành tinh. Chỉ có anh ta mới đảm bảo sự liên tục của cuộc sống và sự phát triển ngày càng tiến bộ của nó.
Các cá thể và các loài sinh vật khác nhau nhóm có hệ thống, tương tác trực tiếp và gián tiếp với sự trợ giúp của nhiều liên kết trực tiếp và phản hồi đa phương. Chu kỳ sinh học của hành tinh cũng dường như là một hệ thống phức tạp của các chu trình riêng - các hệ thống sinh thái liên kết với nhau đa dạng mẫu mã các tương tác.
Chu trình sinh học được thực hiện chủ yếu dọc theo chuỗi (thức ăn) dinh dưỡng (Hình 12.1).
Với vai trò quan trọng của thực vật và động vật, dòng chảy của các nguyên tố sinh học như nitơ, phốt pho, lưu huỳnh qua các quần thể vi sinh vật trong chu trình xấp xỉ một bậc lớn hơn so với qua các quần thể thực vật và động vật. Một chỉ số quan trọng về cường độ của chu kỳ sinh học là tốc độ tuần hoàn của các nguyên tố hóa học. Như một chỉ báo về cường độ này, người ta có thể sử dụng tốc độ tích tụ và phân hủy các chất hữu cơ chết, được hình thành do sự rụng lá hàng năm và cái chết của các sinh vật.
Ví dụ, tỷ lệ giữa khối lượng của chất độn chuồng với phần chất đó tạo thành chất độn chuồng, được coi như một chỉ số về tốc độ phân hủy của chất độn chuồng và sự giải phóng các nguyên tố hóa học. Chỉ số này càng cao thì cường độ của chu kỳ sinh học trong một hệ sinh thái nhất định càng giảm. Giá trị lớn nhất của chỉ số (hơn 50) được đặc trưng bởi rừng đầm lầy và lãnh nguyên. Trong rừng lá kim sẫm màu, chỉ số là 10-17, trong rừng lá rộng - 3-4, ở thảo nguyên - 1,0-1,5, ở thảo nguyên - không quá 0,2. Trong các khu rừng nhiệt đới ẩm, tàn dư thực vật hầu như không tích lũy (chỉ số không quá 0,1). Do đó, ở đây chu kỳ sinh học diễn ra gay gắt nhất.
Tất cả các chất trên hành tinh đều đang trong quá trình tuần hoàn. Năng lượng mặt trời tạo ra hai chu kỳ của vật chất trên Trái đất: lớn (địa chất, sinh quyển) và nhỏ (sinh học).
Sự tuần hoàn lớn của các chất trong sinh quyển được đặc trưng bởi hai điểm quan trọng: nó được thực hiện xuyên suốt toàn bộ quá trình phát triển địa chất của Trái đất và là một quá trình hành tinh hiện đại đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển hơn nữa của sinh quyển.
Chu kỳ địa chất gắn liền với sự hình thành và phá hủy của đá và sự di chuyển tiếp theo của các sản phẩm phá hủy - vật chất vụn và các nguyên tố hóa học. Một vai trò quan trọng trong các quá trình này đã được thực hiện và tiếp tục được thực hiện bởi các đặc tính nhiệt của bề mặt đất và nước: hấp thụ và phản xạ ánh sáng mặt trời, dẫn nhiệt và nhiệt dung. Chế độ thủy nhiệt không ổn định của bề mặt Trái đất cùng với hệ thống hoàn lưu khí quyển của hành tinh đã quyết định sự tuần hoàn địa chất của các chất, mà ở giai đoạn đầu phát triển của Trái đất, cùng với các quá trình nội sinh, gắn liền với sự hình thành lục địa, đại dương và hiện đại. hạt địa cầu. Với sự hình thành của sinh quyển, các sản phẩm của hoạt động sống của sinh vật đã được đưa vào chu kỳ lớn. Chu kỳ địa chất cung cấp cho các sinh vật sống các chất dinh dưỡng và quyết định phần lớn các điều kiện cho sự tồn tại của chúng.
Các nguyên tố hóa học chính thạch cầu: oxy, silic, nhôm, sắt, magiê, natri, kali và những chất khác - tham gia vào một vòng tuần hoàn lớn, đi từ các phần sâu của lớp phủ trên đến bề mặt của thạch quyển. Đá lửa hình thành trong quá trình kết tinh của magma, đã đến bề mặt thạch quyển từ độ sâu của Trái đất, trải qua quá trình phân hủy và phong hóa trong sinh quyển. Các sản phẩm phong hóa chuyển sang trạng thái di động, bị nước, gió cuốn đi đến những nơi thấp thoáng, rơi xuống sông, biển và tạo thành những lớp đá trầm tích dày, theo thời gian, chúng chìm xuống độ sâu ở những vùng có nhiệt độ và áp suất cao. , trải qua quá trình biến chất, tức là "nấu lại". Trong quá trình nấu chảy lại này, một loại đá biến chất mới xuất hiện, đi vào các chân trời phía trên vỏ trái đất và tham gia lại chu trình của các chất (cơm.).
Các chất dễ di động - khí và nước tự nhiên tạo nên khí quyển và thủy quyển của hành tinh - trải qua quá trình tuần hoàn nhanh và mạnh nhất. Vật chất của thạch quyển chu kỳ chậm hơn nhiều. Nói chung, mỗi chu kỳ của bất kỳ nguyên tố hóa học nào đều là một phần của tổng thể chu kỳ lớn các chất trên Trái đất, và tất cả chúng đều có quan hệ mật thiết với nhau. Vật chất sống của sinh quyển trong chu trình này thực hiện rất tốt công việc phân phối lại các nguyên tố hóa học liên tục tuần hoàn trong sinh quyển, chuyển từ môi trường bên ngoài vào sinh vật và trở lại môi trường.
Vòng tuần hoàn nhỏ, hoặc sinh học của các chất- Cái này
lưu thông các chất giữa thực vật, động vật, nấm, vi sinh vật và đất. Bản chất của chu trình sinh học là dòng chảy của hai quá trình đối lập, nhưng có quan hệ với nhau - tạo ra các chất hữu cơ và phá hủy chúng. Giai đoạn đầu Sự xuất hiện của các chất hữu cơ là do quá trình quang hợp của cây xanh, tức là quá trình hình thành vật chất sống từ khí cacbonic, nước và các hợp chất khoáng đơn giản sử dụng năng lượng mặt trời. Các nhà máy (nhà sản xuất) chiết xuất các phân tử lưu huỳnh, phốt pho, canxi, kali, magiê, mangan, silic, nhôm, kẽm, đồng và các nguyên tố khác từ đất trong một dung dịch. Động vật ăn cỏ (sinh vật tiêu thụ bậc 1) hấp thụ các hợp chất của các nguyên tố này đã có ở dạng thức ăn có nguồn gốc thực vật. Động vật ăn thịt (sinh vật tiêu thụ bậc hai) ăn động vật ăn cỏ, tiêu thụ thức ăn có thành phần phức tạp hơn, bao gồm protein, chất béo, axit amin và các chất khác. Trong quá trình vi sinh vật phân hủy (phân hủy) các chất hữu cơ của thực vật và xác động vật chết, các hợp chất khoáng đơn giản xâm nhập vào môi trường đất và môi trường nước, được thực vật đồng hóa và bắt đầu vòng tiếp theo của chu kỳ sinh học. (Hình 33).
Sự xuất hiện và phát triển của noosphere
Sự phát triển thế giới hữu cơ trên Trái đất đã trải qua một số giai đoạn, giai đoạn thứ nhất gắn liền với sự xuất hiện của chu trình sinh học của các chất trong sinh quyển. Lần thứ hai đi kèm với sự hình thành các sinh vật đa bào. Hai giai đoạn này được gọi là quá trình phát sinh sinh học. Giai đoạn thứ ba gắn liền với sự xuất hiện của xã hội loài người, dưới ảnh hưởng của điều kiện hiện đại có sự tiến hóa của sinh quyển và sự biến đổi của nó thành phạm vi của tâm-noosphere (từ gr.-mind, -ball). Noosphere là một trạng thái mới của sinh quyển, khi hoạt động thông minh của con người trở thành nhân tố chính quyết định sự phát triển của nó. Thuật ngữ "noosphere" được đưa ra bởi E. Leroy. VI Vernadsky đào sâu và phát triển học thuyết về tầng quyển. Anh viết: "Noosphere is the new hiện tượng địa chất trên hành tinh của chúng ta. Trong đó, con người trở thành một lực lượng địa chất chính ”. V. I. Vernadsky đã xác định những điều kiện tiên quyết cần thiết để tạo ra bầu khí quyển: 1. Nhân loại đã trở thành một tổng thể duy nhất. 2. Khả năng trao đổi thông tin tức thời. 3. Bình đẳng thực sự của con người. 4. Tăng trưởng mức độ chung cuộc sống.5.Sử dụng các dạng năng lượng mới. 6. Loại trừ các cuộc chiến tranh ra khỏi đời sống của xã hội. Việc tạo ra những điều kiện tiên quyết này trở nên khả thi do kết quả của sự bùng nổ tư tưởng khoa học trong thế kỷ XX.
Chủ đề - 6. Tự nhiên - con người: một cách tiếp cận có hệ thống. Mục đích của bài giảng: Hình thành một cái nhìn tổng thể về hệ thống các định đề về sinh thái học.
Các câu hỏi chính: 1. Khái niệm về hệ thống và các hệ thống sinh học phức tạp 2. Đặc điểm của hệ thống sinh học 3. Định đề hệ thống: quy luật truyền thông phổ quát, luật môi trường B. Thường dân, Pháp luật những con số lớn, Nguyên lý của Le Chatelier, quy luật phản hồi trong tự nhiên và quy luật về sự không đổi của lượng vật chất sống.
hệ sinh thái- đối tượng chính của sinh thái học. Hệ sinh thái có bản chất là hệ thống và ở dạng lý thuyết của nó gần với lý thuyết chung các hệ thống. Theo lý thuyết chung về hệ thống, hệ thống là một tập hợp các bộ phận thực hoặc có thể hình dung được, các thuộc tính tích phân của chúng được xác định bởi sự tương tác giữa các bộ phận (phần tử) của hệ thống. Trong cuộc sống thực, một hệ thống được định nghĩa là một tập hợp các đối tượng được tập hợp lại với nhau bằng một số hình thức tương tác thường xuyên hoặc phụ thuộc lẫn nhau để thực hiện một chức năng nhất định. Trong vật liệu có một số thứ bậc nhất định - trình tự có thứ tự của sự phụ thuộc không gian-thời gian và sự phức tạp của các hệ thống. Tất cả các giống trong thế giới của chúng ta có thể được biểu thị dưới dạng ba thứ bậc xuất hiện tuần tự. Đây là hệ thống phân cấp chính, tự nhiên, lý hóa - sinh học (P, X, B) và hai thứ bậc phụ phát sinh trên cơ sở của nó, phân cấp xã hội (S) và kỹ thuật (T). Sự tồn tại của cái sau về mặt tập hợp các phản hồi theo một cách nhất định ảnh hưởng đến hệ thống phân cấp chính. Việc kết hợp các hệ thống từ các hệ thống phân cấp khác nhau dẫn đến các lớp hệ thống "hỗn hợp". Do đó, sự kết hợp của các hệ thống từ phần lý hóa của hệ thống phân cấp (F, X - "môi trường") với các hệ thống sống của phần sinh học của hệ thống phân cấp (B - "quần thể sinh vật") dẫn đến một loại hệ thống hỗn hợp được gọi là sinh thái học. Một liên hiệp các hệ thống từ các cấu trúc phân cấp C
("con người") và T ("công nghệ") dẫn đến một loại kinh tế, hoặc kỹ thuật và kinh tế, các hệ thống. 
Cơm. . Cấu trúc phân cấp của hệ thống vật liệu:
F, X - vật lý và hóa học, B - sinh học, C - xã hội, T - kỹ thuật
Cần phải rõ rằng tác động của xã hội loài người lên tự nhiên, được phản ánh trong biểu đồ, qua trung gian của công nghệ và công nghệ (technogenesis), đề cập đến toàn bộ hệ thống phân cấp. hệ thống tự nhiên: nhánh dưới - đến môi trường phi sinh học, thượng - tới quần thể của sinh quyển. Dưới đây, chúng tôi sẽ xem xét tính dự phòng của các khía cạnh môi trường và kỹ thuật và kinh tế của sự tương tác này.
Tất cả các hệ thống đều có một số thuộc tính chung:
1. Mỗi hệ thống có một cấu trúc,được xác định bởi dạng liên kết không-thời gian hoặc tương tác giữa các phần tử của hệ thống. Chỉ riêng trật tự cấu trúc không quyết định tổ chức của một hệ thống. Hệ thống có thể được gọi là được tổ chức nếu sự tồn tại của nó hoặc là cần thiết để duy trì một cấu trúc chức năng nào đó (thực hiện một số công việc nhất định), hoặc ngược lại, phụ thuộc vào hoạt động của cấu trúc đó.
2. Theo nguyên tắc của sự đa dạng cần thiết hệ thống không thể bao gồm các yếu tố giống hệt nhau mà không có tính riêng lẻ. Giới hạn dưới của sự đa dạng là ít nhất hai nguyên tố (proton và electron, protein và axit nucleic, "he" và "she"), giới hạn trên là vô cùng. Tính đa dạng là đặc tính thông tin quan trọng nhất của hệ thống. Nó khác với số lượng các nguyên tố và có thể được đo lường 3. Các thuộc tính của một hệ thống không thể được hiểu chỉ dựa trên cơ sở các thuộc tính của các bộ phận của nó. Chính sự tác động qua lại giữa các yếu tố có ý nghĩa quyết định. Không thể đánh giá hoạt động của máy từ các bộ phận riêng lẻ của máy trước khi lắp ráp. Nghiên cứu riêng biệt một số dạng nấm và tảo, không thể dự đoán được sự tồn tại của sự cộng sinh của chúng dưới dạng địa y. Tác động tổng hợp của hai hoặc nhiều yếu tố khác nhau lên một sinh vật hầu như luôn luôn khác với tổng các tác động riêng biệt của chúng. Mức độ bất khả quy của các thuộc tính của hệ thống với tổng các thuộc tính của các phần tử riêng lẻ mà nó bao gồm sự xuất hiện các hệ thống.
4. Sự phân bổ của hệ thống chia thế giới của nó thành hai phần - bản thân hệ thống và môi trường của nó. Tùy thuộc vào sự hiện diện (vắng mặt) của trao đổi vật chất, năng lượng và thông tin với môi trường, về cơ bản có thể xảy ra những điều sau đây: bị cô lập hệ thống (không thể trao đổi); đóng cửa hệ thống (không thể trao đổi vật chất); mở hệ thống (có thể trao đổi vật chất và năng lượng). Sự trao đổi năng lượng quyết định sự trao đổi thông tin. Trong tự nhiên, chỉ có mở năng động hệ thống, giữa các yếu tố bên trong trong đó và các yếu tố của môi trường thực hiện chuyển giao vật chất, năng lượng và thông tin. Không tí nào hệ thống sống- từ virus đến sinh quyển - là một hệ thống động mở.
5. Mức độ ưu thế của các tương tác bên trong hệ thống so với các tương tác bên ngoài và tính linh hoạt của hệ thống trong mối quan hệ với các lực lượng bên ngoài
hành động xác định nó khả năng tự bảo quản nhờ tố chất tổ chức, sức bền và tính ổn định. Ảnh hưởng bên ngoài đối với một hệ thống vượt quá sức mạnh và tính linh hoạt của các tương tác bên trong của nó dẫn đến những thay đổi không thể đảo ngược.
và khai tử hệ thống. Sự ổn định của một hệ thống động lực được duy trì bởi sự làm việc liên tục theo chu kỳ bên ngoài của nó. Điều này đòi hỏi dòng chảy và chuyển hóa năng lượng thành này. chủ đề. Xác suất đạt được mục tiêu chính của hệ thống - tự bảo toàn (bao gồm cả thông qua quá trình tự tái tạo) được định nghĩa là hiệu quả tiềm năng.
6. Hành động của hệ thống đúng lúc được gọi là hành vi. Sự thay đổi hành vi do một yếu tố bên ngoài gây ra được biểu thị là sự phản ứng lại hệ thống và sự thay đổi trong phản ứng của hệ thống, liên quan đến sự thay đổi trong cấu trúc và nhằm mục đích ổn định hành vi, vì vật cố định, hoặc sự thích nghi. Sự hợp nhất của những thay đổi thích ứng trong cấu trúc và kết nối của hệ thống trong thời gian, trong đó hiệu quả tiềm năng của nó tăng lên, được coi là sự phát triển, hoặc sự phát triển, các hệ thống. Sự xuất hiện và tồn tại của mọi hệ thống vật chất trong tự nhiên là do quá trình tiến hóa. Các hệ thống động phát triển theo hướng từ tổ chức có khả năng xảy ra cao hơn sang tổ chức ít xác suất hơn, tức là sự phát triển đang được tiến hành cùng với sự phức tạp của tổ chức và
hình thành các hệ thống con trong cấu trúc của hệ thống. Về bản chất, tất cả các dạng hành vi của hệ thống - từ phản ứng cơ bản đến quá trình tiến hóa toàn cầu - về cơ bản là phi tuyến tính. Một tính năng quan trọng của sự tiến hóa hệ thống phức tạp là một
sự không đồng đều, thiếu đơn điệu. Các giai đoạn tích lũy dần dần những thay đổi nhỏ đôi khi bị gián đoạn bởi những bước nhảy mạnh về chất làm thay đổi đáng kể các thuộc tính của hệ thống. Chúng thường được kết hợp với cái gọi là điểm phân đôi- sự phân đôi, tách đôi của con đường tiến hóa trước đây. Rất nhiều phụ thuộc vào sự lựa chọn của một hay cách tiếp tục của con đường tại điểm phân đôi, cho đến sự xuất hiện và thịnh vượng của một thế giới mới của các hạt, chất, sinh vật, xã hội, hoặc ngược lại, cái chết của hệ thống. Ngay cả đối với các hệ thống quyết định, kết quả lựa chọn thường không thể đoán trước, và bản thân sự lựa chọn tại điểm phân đôi có thể là do một xung lực ngẫu nhiên. Bất kỳ hệ thống thực nào cũng có thể được biểu diễn dưới dạng một số loại vật chất giống hoặc hình ảnh mang tính biểu tượng, tức là tương ứng là tương tự hoặc dấu hiệu mô hình hệ thống. Mô hình hóa chắc chắn đi kèm với một số đơn giản hóa và chính thức hóa các mối quan hệ trong hệ thống. Việc chính thức hóa này có thể được
được thực hiện dưới dạng các mối quan hệ lôgic (nhân quả) và / hoặc toán học (chức năng). Khi mức độ phức tạp của các hệ thống tăng lên, chúng sẽ có được những phẩm chất mới xuất hiện. Đồng thời, các phẩm chất của các hệ thống đơn giản hơn được bảo toàn. Do đó, tính đa dạng tổng thể của các chất lượng của hệ thống tăng lên khi nó trở nên phức tạp hơn (Hình 2.2).
Cơm. 2.2. Các mô hình thay đổi thuộc tính của hệ thống phân cấp với sự gia tăng cấp độ của chúng (theo Fleishman, 1982):
1 - đa dạng, 2 - ổn định, 3 - xuất hiện, 4 - phức tạp, 5 - không đồng nhất, 6 - phổ biến
Để tăng cường hoạt động liên quan đến các tác động bên ngoài, các phẩm chất của hệ thống có thể được sắp xếp theo trình tự sau: 1 - tính ổn định, 2 - độ tin cậy do nhận thức về môi trường (khả năng chống ồn), 3 - khả năng kiểm soát, 4 - tự cơ quan. Trong loạt bài này, mỗi chất lượng tiếp theo đều có ý nghĩa khi có sự hiện diện của chất lượng trước đó.
Khó khăn về hơi nước cấu trúc hệ thống được xác định bởi số P các yếu tố của nó và số lượng t
kết nối giữa chúng. Nếu trong bất kỳ hệ thống nào, số lượng các trạng thái rời rạc riêng được khảo sát, thì độ phức tạp của hệ thống Vớiđược xác định bằng logarit của số liên kết:
C = logm.(2.1)
Các hệ thống được phân loại theo quy ước theo độ phức tạp theo cách sau: 1) hệ thống lên đến một nghìn trạng thái (O <С < 3), относятся к giản dị; 2) hệ thống lên đến một triệu trạng thái (3< С < 6), являют собой hệ thống phức tạp; 3) các hệ thống có hơn một triệu trạng thái (C> 6) được xác định là rất phức tạp.
Tất cả các hệ thống sinh học tự nhiên thực sự đều rất phức tạp. Ngay cả trong cấu trúc của một vi rút đơn lẻ, số lượng các trạng thái phân tử có ý nghĩa sinh học vượt quá giá trị thứ hai.
Hoạt động quan trọng của một hệ sinh thái và sự tuần hoàn của các chất trong đó chỉ có thể thực hiện được với điều kiện được cung cấp năng lượng liên tục. Nguồn năng lượng chính trên trái đất là bức xạ năng lượng mặt trời. Năng lượng của Mặt trời được chuyển hóa bởi các sinh vật quang hợp thành năng lượng của các liên kết hóa học của các hợp chất hữu cơ. Sự chuyển hóa năng lượng qua các chuỗi thức ăn tuân theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học: sự chuyển hóa một dạng năng lượng này thành một dạng năng lượng khác đi kèm với sự mất mát một phần năng lượng. Đồng thời, sự phân phối lại của nó phải tuân theo một mô hình nghiêm ngặt: năng lượng mà hệ sinh thái nhận được và được người sản xuất đồng hóa sẽ bị tiêu tán hoặc cùng với sinh khối của chúng, không thể đảo ngược được chuyển đến người tiêu dùng thứ nhất, thứ hai, v.v. đơn đặt hàng, và sau đó phân hủy với sự sụt giảm dòng năng lượng ở mỗi cấp độ dinh dưỡng. Kết quả là, không có sự lưu thông của năng lượng.
Không giống như năng lượng, chỉ được sử dụng một lần trong hệ sinh thái, các chất được sử dụng nhiều lần do thực tế là sự tiêu thụ và chuyển hóa của chúng xảy ra theo vòng tròn. Chu trình này được thực hiện bởi các sinh vật sống của hệ sinh thái (người sản xuất, tiêu thụ, sinh vật phân hủy) và được gọi là chu trình sinh học của các chất.
Chu trình sinh học của các chất, hay nhỏ - sự xâm nhập của các chất từ đất và khí quyển vào cơ thể sống với sự thay đổi tương ứng về dạng hóa học của chúng, sự trở lại của chúng với đất và khí quyển trong quá trình sống của sinh vật và với tàn dư sau khi giết mổ và tái - Nhập vào cơ thể sống sau quá trình tiêu hủy và khoáng hóa với sự trợ giúp của vi sinh vật. Sự hiểu biết như vậy về chu trình sinh học của các chất (theo N.P. Remezov, L.E. Rodin và N.I. Bazilevich) tương ứng với cấp bậc đại học sinh học. Chính xác hơn là nói về chu trình sinh học của các nguyên tố hóa học chứ không phải các chất, vì ở các giai đoạn khác nhau của chu trình, các chất có thể bị biến đổi về mặt hóa học. Theo V.A. Kovdy (1973), giá trị hàng năm của chu kỳ sinh học của các nguyên tố tro trong hệ thống đất-thực vật vượt quá giá trị của dòng chảy địa hóa hàng năm của các nguyên tố này vào sông và biển và được đo bằng một con số khổng lồ là 109 tấn / năm.
Các hệ thống sinh thái của đất liền và đại dương liên kết và phân phối lại năng lượng mặt trời, carbon trong khí quyển, độ ẩm, oxy, hydro, phốt pho, nitơ, lưu huỳnh, canxi và các nguyên tố khác. Hoạt động quan trọng của sinh vật thực vật (người sản xuất) và tương tác của chúng với động vật (người tiêu thụ), vi sinh vật (sinh vật phân hủy) và thiên nhiên vô tri cơ chế tích tụ và phân phối lại năng lượng mặt trời đến Trái đất được cung cấp.
Vòng tuần hoàn của vật chất không bao giờ hoàn toàn đóng lại. Một phần các chất hữu cơ và vô cơ được đưa ra khỏi hệ sinh thái, đồng thời, nguồn dự trữ của chúng có thể được bổ sung do dòng chảy từ bên ngoài vào. Trong một số trường hợp, mức độ tái sản xuất lặp đi lặp lại của một số vòng tuần hoàn của các chất là 90-98%. Sự khép kín không hoàn toàn của các chu kỳ trên quy mô thời gian địa chất dẫn đến sự tích tụ của các nguyên tố trong các hình cầu tự nhiên khác nhau của Trái đất. Do đó, các khoáng sản được tích tụ - than đá, dầu mỏ, khí đốt, đá vôi, v.v.
2. Những nét cơ bản của khoa học tự nhiên hiện đại về bức tranh khoa học thế giới
Khoa học tự nhiên là khoa học về các hiện tượng và quy luật của tự nhiên. Khoa học tự nhiên hiện đại bao gồm nhiều ngành khoa học tự nhiên: vật lý, hóa học, sinh học, cũng như nhiều ngành liên quan, chẳng hạn như hóa lý, lý sinh, hóa sinh, v.v. Khoa học tự nhiên đặt ra nhiều câu hỏi về các biểu hiện đa dạng và đa dạng của các thuộc tính bản chất, có thể được coi là một tổng thể duy nhất.
Công nghệ đa dạng hiện đại là thành quả của khoa học tự nhiên, cho đến ngày nay là cơ sở chính cho sự phát triển của nhiều lĩnh vực đầy hứa hẹn - từ điện tử nano đến công nghệ vũ trụ phức tạp nhất, và điều này là hiển nhiên đối với nhiều người.
Các triết gia của mọi thời đại đều dựa vào những thành tựu mới nhất của khoa học và trên hết là khoa học tự nhiên. Những thành tựu của thế kỷ trước trong vật lý, hóa học, sinh học và các ngành khoa học khác đã giúp chúng ta có một cái nhìn mới mẻ về những ý tưởng triết học đã phát triển qua nhiều thế kỷ. Nhiều ý tưởng triết học ra đời trong chiều sâu của khoa học tự nhiên, đến lượt nó, khoa học tự nhiên khi bắt đầu phát triển đã mang bản chất triết học - tự nhiên. Chúng ta có thể nói về một triết lý như vậy theo lời của nhà triết học người Đức Arthur Schopenhauer (1788-1860): “Triết lý của tôi không mang lại cho tôi thu nhập nào cả, nhưng nó đã tiết kiệm cho tôi rất nhiều chi phí”.
Một người ít nhất có kiến thức tổng quát đồng thời mang tính khái niệm về khoa học tự nhiên, tức là hiểu biết về thiên nhiên, sẽ thực hiện các hành động của mình mà không thất bại để những lợi ích, kết quả của hành động của mình, luôn được kết hợp với thái độ cẩn thận đối với thiên nhiên và việc bảo tồn nó, không chỉ cho hiện tại mà còn cho các thế hệ tương lai.
Sự hiểu biết về chân lý khoa học tự nhiên làm cho một người tự do, tự do theo nghĩa triết học rộng rãi của từ này, thoát khỏi những quyết định và hành động thiếu năng lực, và cuối cùng, tự do trong việc lựa chọn con đường hoạt động cao cả và sáng tạo của mình.
Không có nghĩa lý gì khi liệt kê những thành tựu của khoa học tự nhiên, mỗi chúng ta đều biết đến những công nghệ do mình sinh ra và sử dụng chúng. Các công nghệ tiên tiến chủ yếu dựa trên những khám phá khoa học tự nhiên của những thập kỷ cuối của thế kỷ 20, tuy nhiên, bất chấp những thành tựu hữu hình, các vấn đề vẫn nảy sinh, chủ yếu là do nhận thức về mối đe dọa đối với sự cân bằng sinh thái của hành tinh chúng ta. Những người ủng hộ đa dạng nhất nền kinh tế thị trườngđồng ý rằng thị trường tự do không thể bảo vệ voi châu Phi khỏi thợ săn hoặc di tích lịch sử Lưỡng Hà khỏi mưa axit và khách du lịch. Chỉ các chính phủ mới có khả năng ban hành luật khuyến khích cung cấp cho thị trường tất cả những gì con người cần mà không phá hủy môi trường sống của họ.
Đồng thời, các chính phủ không thể theo đuổi một chính sách như vậy nếu không có sự giúp đỡ của các nhà khoa học, và hơn hết là các nhà khoa học biết khoa học tự nhiên hiện đại. Chúng ta cần sự kết nối giữa khoa học tự nhiên và các cơ cấu quản lý trong các vấn đề liên quan đến môi trường, hỗ trợ vật chất, v.v. Nếu không có khoa học, rất khó để giữ cho hành tinh trong sạch: mức độ ô nhiễm phải được đo lường, dự đoán hậu quả của chúng - chỉ bằng cách này chúng ta có thể tìm hiểu về những rắc rối cần được ngăn chặn. Chỉ với sự trợ giúp của khoa học tự nhiên hiện đại nhất và trước hết, phương pháp vật lý bạn có thể theo dõi độ dày và tính đồng nhất của tầng ôzôn bảo vệ một người khỏi bức xạ tia cực tím. Chỉ có nghiên cứu khoa học mới giúp hiểu được nguyên nhân và tác động mưa axit và sương khói, ảnh hưởng đến cuộc sống của mỗi người, để cung cấp kiến thức cần thiết cho một người bay lên mặt trăng, khám phá độ sâu của đại dương, tìm cách thoát khỏi nhiều căn bệnh hiểm nghèo.
Kết quả của việc phân tích các mô hình toán học phổ biến trong những năm 1970, các nhà khoa học đã đi đến kết luận rằng sự phát triển hơn nữa của nền kinh tế sẽ sớm trở nên bất khả thi. Và dù không mang lại kiến thức mới nhưng chúng vẫn đóng một vai trò quan trọng. Họ đã chứng minh những hậu quả có thể có của các xu hướng phát triển ngày nay. Tại một thời điểm, những mô hình như vậy đã thực sự thuyết phục hàng triệu người rằng việc bảo vệ thiên nhiên là cần thiết, và đây là một đóng góp đáng kể cho sự tiến bộ. Bất chấp sự khác biệt trong các khuyến nghị, tất cả các mô hình đều có một kết luận chính: thiên nhiên không thể bị ô nhiễm thêm như hiện nay.
Nhiều vấn đề trên Trái đất có thể được kết nối với kiến thức khoa học tự nhiên. Tuy nhiên, những vấn đề này được tạo ra bởi sự non nớt của chính khoa học. Hãy để nó tiếp tục diễn ra - và nhân loại sẽ vượt qua những khó khăn ngày nay - đó là ý kiến của hầu hết các nhà khoa học. Đối với những người khác, trong hơnđối với những người chỉ coi mình là một trong số các nhà khoa học, khoa học đã mất đi ý nghĩa của nó.
Khoa học tự nhiên phần lớn phản ánh nhu cầu của các nhà thực hành, đồng thời, được tài trợ tùy thuộc vào sự đồng tình luôn thay đổi của nhà nước và công chúng.
Khoa học và công nghệ không chỉ là công cụ chính cho phép con người thích ứng với sự thay đổi liên tục điều kiện tự nhiên, nhưng cũng lực lượng chính trực tiếp hoặc gián tiếp gây ra những thay đổi đó.
Cùng với rõ ràng những đặc điểm tích cực vốn có trong khoa học tự nhiên, người ta cũng nên nói về những thiếu sót gây ra bởi cả bản chất của kiến thức và do sự hiểu lầm về sân khấu này một số thuộc tính rất quan trọng của thế giới vật chất do sự hiểu biết còn hạn chế của con người. Ví dụ, các nhà toán học thuần túy đã thực hiện một khám phá mâu thuẫn với ý tưởng của các nhà tư tưởng trong quá khứ: các quá trình ngẫu nhiên, hỗn loạn có thể được mô tả bằng các mô hình toán học chính xác. Hơn nữa, hóa ra ngay cả một mô hình đơn giản được trang bị phản hồi hiệu quả cũng rất nhạy cảm với những thay đổi nhỏ nhất trong điều kiện ban đầu, đến mức không thể đoán trước được tương lai của nó. Sau đó, liệu có đáng tranh luận về việc liệu Vũ trụ có tính xác định hay không, nếu một mô hình xác định nghiêm ngặt cho kết quả không khác với các mô hình xác suất?
Mục đích của khoa học tự nhiên là mô tả, hệ thống hóa và giải thích tổng thể hiện tượng tự nhiên và các quy trình. Bản thân từ "giải thích" trong phương pháp luận của khoa học cũng cần phải giải thích. Trong hầu hết các trường hợp, nó có nghĩa là hiểu. Một người thường nói "Tôi hiểu" nghĩa là gì? Theo quy luật, điều này có nghĩa là: "Tôi biết điều này đến từ đâu" và "Tôi biết điều này sẽ dẫn đến đâu." Đây là cách hình thành mối quan hệ nhân quả: nguyên nhân - hiện tượng - kết quả. Sự mở rộng mối liên hệ này và sự hình thành một cấu trúc đa chiều, bao hàm nhiều hiện tượng, là cơ sở của một lý thuyết khoa học, được đặc trưng bởi một cấu trúc logic rõ ràng và bao gồm một tập hợp các nguyên tắc hoặc tiên đề và định lý với tất cả các kết luận có thể có. Bất kỳ ngành toán học nào cũng được xây dựng theo sơ đồ này, ví dụ, hình học Euclid hoặc lý thuyết tập hợp, có thể đóng vai trò như ví dụ điển hình lý thuyết khoa học. Tất nhiên, việc xây dựng một lý thuyết liên quan đến việc tạo ra một ngôn ngữ khoa học đặc biệt, thuật ngữ đặc biệt, một hệ thống khái niệm khoa học, có ý nghĩa rõ ràng và được kết nối với nhau bằng các quy tắc logic chặt chẽ.
Sau khi lý thuyết “được kiểm chứng bằng kinh nghiệm, giai đoạn tiếp theo của nhận thức về thực tế bắt đầu, trong đó các giới hạn của sự thật trong hiểu biết của chúng ta hoặc các giới hạn về khả năng áp dụng của các lý thuyết và các tuyên bố khoa học riêng lẻ được thiết lập. Giai đoạn này do các yếu tố khách quan và chủ quan quyết định. Một trong những yếu tố khách quan cần thiết là sự năng động của thế giới xung quanh chúng ta. Chúng ta hãy nhớ lại những lời khôn ngoan của triết gia Hy Lạp cổ đại Heraclitus (cuối thế kỷ 6 - đầu thế kỷ 5 trước Công nguyên); “Mọi thứ đều chảy, mọi thứ đều thay đổi; bạn không thể bước vào cùng một dòng sông hai lần. ”Tóm lại, chúng tôi sẽ hình thành ngắn gọn ba nguyên tắc cơ bản kiến thức khoa học thực tế.
1. Nhân quả. Định nghĩa đầu tiên và khá hấp dẫn về quan hệ nhân quả được nêu trong tuyên bố của Democritus: "Không phải một điều duy nhất nảy sinh mà không có nguyên nhân, mà mọi thứ phát sinh trên cơ sở nào đó và do sự cần thiết."
2. Tiêu chí của sự thật. Sự thật khoa học tự nhiên chỉ được kiểm chứng (chứng minh) bằng thực tiễn: quan sát, thí nghiệm, thực nghiệm, hoạt động sản xuất: Nếu lý thuyết khoa học xác nhận bằng thực tế, sau đó nó là sự thật. Các lý thuyết khoa học tự nhiên được kiểm tra bằng một thí nghiệm kết nối với các quan sát, đo lường và xử lý toán học của các kết quả thu được. Nhấn mạnh tầm quan trọng của các phép đo, nhà khoa học kiệt xuất D.I. Mendeleev (1834 - 1907) đã viết: “Khoa học bắt đầu khi con người học cách đo lường; khoa học chính xác là không thể tưởng tượng được nếu không có thước đo.
3. Tính tương đối của tri thức khoa học. Kiến thức khoa học (khái niệm, ý tưởng, khái niệm, mô hình, lý thuyết, kết luận từ chúng, v.v.) luôn mang tính tương đối và hạn chế.
Tuyên bố chung: mục tiêu chính Khoa học tự nhiên - sự thiết lập các quy luật của tự nhiên, khám phá ra những chân lý bị che giấu - một cách rõ ràng hoặc ngầm hiểu rằng chân lý đã tồn tại ở đâu đó và tồn tại ở dạng hoàn chỉnh, nó chỉ cần được tìm thấy, được tìm thấy như một loại kho báu. Triết gia vĩ đại Thời cổ đại, Democritus đã nói: “Sự thật được cất giấu dưới đáy sâu (nằm dưới đáy biển)”. Một yếu tố khách quan khác liên quan đến tính không hoàn hảo của kỹ thuật thí nghiệm, được coi là cơ sở vật chất của bất kỳ thí nghiệm nào.
Khoa học tự nhiên, bằng cách này hay cách khác, hệ thống hóa các quan sát của chúng ta về tự nhiên. Đồng thời, không nên coi lý thuyết về đường cong bậc hai là gần đúng với lý do không có đường cong bậc hai chính xác trong tự nhiên. Không thể nói rằng hình học phi Euclide tinh chế Euclid - mỗi hình học đều có vị trí trong hệ thống các mô hình, chính xác theo tiêu chí độ chính xác bên trong và tìm ứng dụng khi cần thiết. Tương tự, thật sai lầm khi tuyên bố rằng thuyết tương đối cải tiến cơ học cổ điển - nó là các mô hình khác nhau mà nói chung, có các lĩnh vực ứng dụng khác nhau.
Dù nội dung của sự thật đã chiếm trọn tâm trí của các nhà khoa học vĩ đại từ thời cổ đại, và cho dù vấn đề phức tạp của bộ môn khoa học nói chung và khoa học tự nhiên nói riêng được giải quyết như thế nào, thì một điều hiển nhiên là: khoa học tự nhiên là một cực kỳ hiệu quả, công cụ đắc lực, không chỉ cho phép biết thế giới mà còn mang lại lợi ích to lớn.
Theo thời gian, và đặc biệt là vào cuối thế kỷ trước, đã có sự thay đổi về chức năng của khoa học và trước hết là khoa học tự nhiên. Nếu trước đây chức năng chính của khoa học là mô tả, hệ thống hóa và giải thích các đối tượng đang nghiên cứu thì hiện nay khoa học đang trở thành một bộ phận cấu thành trong hoạt động sản xuất của con người, do đó sản xuất hiện đại- có thể là sản xuất công nghệ vũ trụ phức tạp nhất, máy tính cá nhân và siêu cấp hiện đại, hoặc thiết bị âm thanh và video chất lượng cao - nó đang trở nên chuyên sâu về mặt khoa học. Có sự hợp nhất của hoạt động khoa học và sản xuất - kỹ thuật, kết quả là xuất hiện các hiệp hội khoa học và sản xuất lớn - các tổ hợp khoa học kỹ thuật liên ngành “khoa học - công nghệ - sản xuất”, trong đó khoa học giữ vai trò chủ đạo. Chính trong những phức hợp như vậy mà các hệ thống vũ trụ đầu tiên, nhà máy điện hạt nhân và nhiều thứ khác được coi là thành tựu cao nhất của khoa học kỹ thuật.
TẠI thời gian gần đây các chuyên gia trong lĩnh vực nhân văn tin rằng khoa học là một lực lượng sản xuất. Điều này chủ yếu đề cập đến khoa học tự nhiên. Mặc dù khoa học không trực tiếp sản xuất ra sản phẩm vật chất nhưng hiển nhiên việc sản xuất ra bất kỳ sản phẩm nào cũng đều dựa trên những phát triển của khoa học. Vì vậy, khi nói khoa học với tư cách là lực lượng sản xuất, họ không tính đến sản phẩm cuối cùng của quá trình sản xuất này hay sản xuất khác, mà là thông tin khoa học - một loại sản phẩm trên cơ sở tổ chức sản xuất ra các giá trị vật chất và được thực hiện.
Với một chỉ số quan trọng như số thông tin khoa học, có thể đánh giá không chỉ định tính mà còn cả định lượng về sự thay đổi theo thời gian của chỉ số này và do đó xác định mô hình phát triển của khoa học.
Phân tích định lượng cho thấy tốc độ phát triển của khoa học, cả nói chung và các ngành khoa học tự nhiên như vật lý, sinh học, v.v., cũng như toán học, được đặc trưng bởi sự gia tăng 5-7% mỗi năm trong quá khứ. 300 năm. Phân tích đã tính đến các chỉ số cụ thể: số lượng bài báo khoa học, nhà nghiên cứu, v.v. Tốc độ phát triển này của khoa học có thể được mô tả theo một cách khác. Cứ sau 15 năm (nửa tuổi trung bình chênh lệch giữa cha mẹ và con cái), khối lượng sản xuất khoa học tăng thêm một hệ số e (e = 2,72 - cơ số của logarit tự nhiên). Câu nói này là bản chất của sự phát triển đều đặn theo cấp số nhân của khoa học.
Các kết luận sau đây tuân theo quy luật này. Cứ sau 60 năm, sản lượng khoa học tăng khoảng 50 lần. Trong 30 năm qua, số lượng sản phẩm như vậy được tạo ra nhiều hơn xấp xỉ 6,4 lần so với toàn bộ lịch sử nhân loại. Về vấn đề này, với nhiều đặc điểm của thế kỷ XX. người ta hoàn toàn có thể thêm một cách chính đáng nữa - "thời đại của khoa học".
Rõ ràng là trong giới hạn của các chỉ số được xem xét (tất nhiên, chúng không thể được coi là đầy đủ để mô tả vấn đề phức tạp của sự phát triển của khoa học), sự phát triển theo cấp số nhân của khoa học không thể tiếp tục vô thời hạn, nếu không, trong một thời gian tương đối ngắn. của thời gian, trong tương lai gần, toàn bộ dân số toàn cầu sẽ trở thành nhà khoa học. Như đã lưu ý trong đoạn trước, ngay cả một số lượng lớn các ấn phẩm khoa học cũng chứa một lượng tương đối nhỏ thông tin khoa học thực sự có giá trị. Và không phải nhà nghiên cứu nào cũng có đóng góp đáng kể cho khoa học chân chính. Sự phát triển hơn nữa của khoa học sẽ tiếp tục trong tương lai, nhưng không phải do sự phát triển rộng rãi về số lượng các nhà nghiên cứu và số lượng các ấn phẩm khoa học do họ sản xuất, mà là do sự tham gia của các phương pháp và công nghệ nghiên cứu tiên tiến, cũng như nâng cao chất lượng. của công trình khoa học.
Ngày nay, hơn bao giờ hết, công việc chi tiết không chỉ quan trọng và không chỉ quan trọng trong việc phê bình và suy nghĩ lại quá khứ, mà còn trong việc khám phá các con đường dẫn đến tương lai, tìm kiếm những ý tưởng và lý tưởng mới. Ngoài vấn đề kinh tế, đây có lẽ là trật tự xã hội có ý nghĩa nhất đối với khoa học và văn hóa nước nhà. Những ý tưởng trong quá khứ tự làm kiệt quệ hoặc đã tự kiệt quệ, và nếu chúng ta không lấp đầy khoảng trống dẫn đến, thì nó sẽ bị chiếm giữ bởi những ý tưởng và chủ nghĩa chính thống thậm chí cũ hơn, đã được quyền lực và thẩm quyền của nhà cầm quyền chấp thuận. Đây chính là thách thức đối với lý trí ngày nay, sự ra đi mà chúng ta đang chứng kiến.
3. Trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính, chuyển động xảy ra theo các quy luật giống nhau - đây là cách diễn đạt ...
một luật Trọng lực; b) Các nguyên lý của thuyết tương đối của Galileo; c) Định luật Newton của cơ học cổ điển
Nguyên lý tương đối là một nguyên lý vật lý cơ bản, theo đó tất cả các quá trình vật lý trong hệ quy chiếu quán tính đều tiến hành theo cùng một cách, bất kể hệ là đứng yên hay ở trạng thái chuyển động thẳng và thẳng đều.
Định nghĩa này đề cập đến đoạn "b" - các nguyên lý của thuyết tương đối của Galileo.
4. Nguyên lý thuyết tương đối của Galileo
Nguyên lý tương đối của Galilê ,
Nguyên tắc bình đẳng vật lý của các hệ quy chiếu quán tính trong cơ học cổ điển, biểu hiện ở chỗ các định luật cơ học giống nhau trong tất cả các hệ như vậy. Do đó, không có thí nghiệm cơ học nào được thực hiện trong bất kỳ hệ quán tính nào có thể xác định được liệu hệ đã cho đang ở trạng thái dừng hay chuyển động đều và tuyến tính. Vị trí này được G. Galileo thiết lập lần đầu tiên vào năm 1636. Galileo đã minh họa sự tương tự của các định luật cơ học đối với các hệ quán tính bằng cách sử dụng ví dụ về các hiện tượng xảy ra dưới boong của một con tàu đang dừng hoặc chuyển động đều và tuyến tính (so với Trái đất, có thể được coi với mức độ chính xác vừa đủ là một hệ quy chiếu quán tính): “Bây giờ hãy làm cho con tàu chuyển động với tốc độ bất kỳ, và sau đó (nếu chỉ chuyển động đều và không lăn theo hướng này hay hướng khác) trong tất cả các hiện tượng này bạn sẽ không tìm thấy sự thay đổi nhỏ nhất và bạn sẽ không thể xác định từ bất kỳ ai trong số họ liệu con tàu đang chuyển động hay đứng yên. bất động ... Ném một thứ gì đó cho đồng đội, bạn sẽ không phải ném nó với nhiều lực hơn khi anh ta là ở mũi tàu, và bạn ở đuôi tàu, hơn là khi vị trí lẫn nhau của bạn bị đảo ngược; như trước đây, giọt sẽ rơi vào tàu thấp hơn, và không một giọt nào rơi gần đuôi tàu hơn, mặc dù trong khi thả trên không, con tàu sẽ di chuyển nhiều nhịp.
Cử động điểm vật liệu tương đối: vị trí, tốc độ, loại quỹ đạo của nó phụ thuộc vào hệ quy chiếu (vật thể quy chiếu) mà chuyển động này được xem xét trong mối quan hệ với. Đồng thời, các định luật cơ học cổ điển ,
tức là các quan hệ nối các đại lượng mô tả chuyển động của các điểm vật chất và tương tác giữa chúng là như nhau trong tất cả các hệ quy chiếu quán tính. Tính tương đối của chuyển động cơ học và tính tương tự (không tương đối) của các định luật cơ học trong các hệ quy chiếu quán tính khác nhau tạo nên nội dung của thuyết tương đối Galilean.
Về mặt toán học, nguyên lý tương đối Galilê thể hiện tính bất biến (hằng số) của các phương trình cơ học đối với các phép biến đổi tọa độ của các điểm chuyển động (và thời gian) trong quá trình chuyển từ hệ quán tính này sang hệ thống quán tính khác - Phép biến hình Galilê.
Để có hai hệ quy chiếu quán tính, một trong số đó, S, chúng ta sẽ đồng ý coi là nghỉ; hệ thứ hai, S ', chuyển động đối với S với tốc độ không đổi u như trong hình. Khi đó các phép biến đổi Galilê cho tọa độ của một điểm vật chất trong hệ S và S 'sẽ có dạng:
x '= x - ut, y' = y, z '= z, t' = t (1)
(các giá trị gạch ngang tham chiếu đến hệ thống S ’, các giá trị không có tiêu chuẩn tham chiếu đến hệ thống S). Do đó, thời gian trong cơ học cổ điển, cũng như khoảng cách giữa bất kỳ điểm cố định nào, được coi là như nhau trong mọi hệ quy chiếu.
Từ các phép biến đổi của Galileo, người ta có thể thu được mối quan hệ giữa vận tốc của một điểm và gia tốc của nó trong cả hai hệ:
v '= v - u, (2)
a '= a.
Trong cơ học cổ điển, chuyển động của một điểm vật chất được xác định bởi định luật thứ hai của Newton:
F = ma, (3)
Ở đâu m- khối lượng điểm, a F- kết quả của tất cả các lực tác dụng lên nó. Trong trường hợp này, lực (và khối lượng) là bất biến trong cơ học cổ điển, tức là các đại lượng không thay đổi khi chuyển từ hệ quy chiếu này sang hệ quy chiếu khác. Do đó, theo phép biến đổi Galilê, phương trình (3) không thay đổi. Đây là biểu thức toán học của nguyên lý tương đối Galilê.
Nguyên lý tương đối của Galilean chỉ có giá trị trong cơ học cổ điển, trong đó các chuyển động có vận tốc nhỏ hơn nhiều tốc độ ánh sáng được coi là. Ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, chuyển động của các vật thể tuân theo định luật cơ học tương đối tính của Einstein ,
bất biến đối với các phép biến đổi tọa độ và thời gian khác - Phép biến đổi Lorentz
(ở tốc độ thấp, chúng đi đến các phép biến hình Galilean).
5. Thuyết tương đối hẹp của Einstein
Thuyết tương đối hẹp dựa trên hai định đề. Định đề đầu tiên(Nguyên lý tương đối tổng quát của Einstein) tuyên bố: không thí nghiệm vật lý(cơ học, điện từ, v.v.) được tạo ra trong một hệ quy chiếu nhất định, không thể phân biệt giữa trạng thái nghỉ và chuyển động thẳng đều (nói cách khác, các quy luật tự nhiên giống nhau trong tất cả các hệ tọa độ quán tính, tức là các hệ chuyển động. tương đối tuyến tính và đồng nhất với nhau). Định đề này dựa trên kết quả của thí nghiệm Michelson-Morley nổi tiếng, đo tốc độ ánh sáng theo hướng chuyển động của Trái đất và theo hướng vuông góc. Tốc độ ánh sáng hóa ra là như nhau theo mọi hướng, không phụ thuộc vào thực tế chuyển động của nguồn (nhân tiện, những phép đo này bác bỏ ý tưởng về sự tồn tại của một thế giới không chuyển động ête, có sự dao động giải thích bản chất ánh sáng).
Định đề thứ hai nói rằng tốc độ ánh sáng trong chân không là như nhau trong tất cả các hệ tọa độ quán tính. Định đề này được hiểu (kể cả bởi chính Einstein) theo nghĩa là sự không đổi của tốc độ ánh sáng. Người ta thường chấp nhận rằng định đề này cũng là hệ quả của thí nghiệm Michelson.
Các định đề đã được Einstein sử dụng để phân tích các phương trình điện động lực học của Maxwell và các phép biến đổi Lorentz sau đây, cho phép người ta biểu thị tọa độ và thời gian đối với một hệ chuyển động (được đánh dấu bằng dấu gạch ngang ở trên) dưới dạng tọa độ và thời gian đối với hệ đứng yên (các phép biến đổi này giữ nguyên phương trình Maxwell):
x '= (x - Vt) / ^ 0,5(m); y '= y(m); z '= z(m); (một)
t '= (t - xV / c ^ 2) / ^ 0,5(giây). (2)
Định lý cộng vận tốc của Einstein trực tiếp xuất phát từ các phép biến đổi này:
Vc = (V1 + V2) / (1 + V1 * V2 / c ^ 2)(bệnh đa xơ cứng). (3)
Luật bổ sung thông thường ( Vc = V1 + V2) chỉ hoạt động ở tốc độ thấp.
Dựa trên phân tích được thực hiện, Einstein đã đi đến kết luận rằng thực tế chuyển động của hệ thống (với tốc độ V) ảnh hưởng đến kích thước của nó, tốc độ thời gian và khối lượng phù hợp với các biểu thức:
l = lo / ^ 0,5(m); (4)
delta t = delta đến / ^ 0,5(giây); (5)
M = Mo / ^ 0,5(Kilôgam). (6)
Số không đánh dấu các đại lượng liên quan đến hệ bất động (nghỉ). Công thức (4) - (6) chỉ ra rằng chiều dài của hệ chuyển động giảm, thời gian trôi trên nó (đồng hồ) chậm lại và khối lượng tăng. Trên cơ sở của công thức (5), ý tưởng về cái gọi là hiệu ứng kép đã nảy sinh. Một phi hành gia đã bay trên con tàu trong một năm (tính theo đồng hồ của con tàu) với tốc độ 0,9998 với, quay trở lại Trái đất, sẽ gặp lại người anh em song sinh của mình, người đã 50 tuổi. Quan hệ (6), đặc trưng cho tác động của sự gia tăng khối lượng, đã khiến Einstein đưa ra định luật nổi tiếng của mình (6):
E = Mc ^ 2(j).
6. Thuyết tương đối rộng của Einstein
Thuyết tương đối rộng (GR) là một lý thuyết hình học về lực hấp dẫn được Albert Einstein công bố trong nhiều năm. Trong lý thuyết này, đó là phát triển hơn nữa thuyết tương đối hẹp, người ta thừa nhận rằng các hiệu ứng hấp dẫn không phải do lực tương tác của các vật thể và trường định vị trong không-thời gian, mà là do sự biến dạng của chính không-thời gian, đặc biệt, có liên quan với sự hiện diện của khối lượng- năng lượng. Thuyết tương đối rộng (GR) - lý thuyết hiện đại lực hấp dẫn, kết nối nó với độ cong của không-thời gian bốn chiều.
Do đó, trong thuyết tương đối rộng, cũng như trong các lý thuyết hệ mét khác, lực hấp dẫn không phải là một lực tương tác. Thuyết tương đối rộng khác với các lý thuyết hấp dẫn theo hệ mét khác bằng cách sử dụng các phương trình của Einstein để liên hệ độ cong của không thời gian với vật chất hiện diện trong không gian.
Thuyết tương đối rộng hiện là lý thuyết hấp dẫn thành công nhất, được hỗ trợ tốt bởi các quan sát. Thành công đầu tiên của thuyết tương đối rộng là giải thích tuế sai dị thường
điểm cận nhật
Thủy ngân. Sau đó, Arthur Eddington đã báo cáo việc quan sát thấy sự lệch hướng của ánh sáng gần Mặt trời vào thời điểm xảy ra nguyệt thực toàn phần, điều này đã xác nhận những tiên đoán của thuyết tương đối rộng. Kể từ đó, nhiều quan sát và thí nghiệm khác đã xác nhận một số dự đoán đáng kể của lý thuyết, bao gồm sự giãn nở thời gian hấp dẫn, dịch chuyển đỏ trọng trường, độ trễ tín hiệu trong trường hấp dẫn, và cho đến nay chỉ là gián tiếp, bức xạ hấp dẫn. Ngoài ra, nhiều quan sát được hiểu là xác nhận một trong những dự đoán bí ẩn và kỳ lạ nhất của thuyết tương đối rộng - sự tồn tại của lỗ đen.
Einstein đã xây dựng nguyên lý tương đương, trong đó nói rằng các quá trình vật lý trong trường hấp dẫn không thể phân biệt được với các hiện tượng tương tự bằng chuyển động có gia tốc tương ứng. Nguyên tắc tương đương trở thành cơ sở lý thuyết mớiđược gọi là thuyết tương đối rộng (GR). Einstein đã nhìn thấy khả năng hiện thực hóa ý tưởng này trên con đường tổng quát hóa nguyên lý tương đối của chuyển động, tức là mở rộng nó không chỉ về tốc độ, mà còn về gia tốc của các hệ thống chuyển động. Nếu chúng ta không gán một đặc tính tuyệt đối cho gia tốc, thì sự phân biệt loại hệ thống quán tính sẽ mất đi ý nghĩa của nó và có thể hình thành các định luật vật lý theo cách mà chúng áp dụng cho bất kỳ hệ tọa độ nào. Đây là những gì Nguyên tắc chung thuyết tương đối.
Theo quan điểm của thuyết tương đối rộng, không gian của thế giới chúng ta không có độ cong không đổi. Độ cong của nó thay đổi từ điểm này sang điểm khác và được xác định bởi trường hấp dẫn, Và thời gian trôi theo cách khác nhau tại các điểm khác nhau. Trường hấp dẫn chẳng qua là sự sai lệch các đặc tính của không gian thực so với các đặc tính của không gian lý tưởng (Euclide). Trường hấp dẫn tại mỗi điểm được xác định bởi giá trị của độ cong không gian tại điểm đó. Đồng thời, độ cong của không-thời gian được xác định không chỉ bởi tổng khối lượng của chất mà vật thể được cấu tạo, mà còn bởi tất cả các dạng năng lượng có trong nó, bao gồm cả năng lượng của tất cả các trường vật chất. Vì vậy, trong thuyết tương đối rộng, nguyên lý đồng nhất khối lượng và năng lượng của SRT được tổng quát: Е = mc 2. Do đó, sự khác biệt quan trọng nhất giữa thuyết tương đối rộng và các lý thuyết vật lý khác là nó mô tả lực hấp dẫn là tác động của vật chất lên các đặc tính của không-thời gian, những đặc tính này của không-thời gian, đến lượt nó, ảnh hưởng đến chuyển động của các vật thể, các quá trình vật lý. trong chúng.
Trong thuyết tương đối rộng, chuyển động của một điểm vật chất trong trường hấp dẫn được coi là chuyển động "quán tính" tự do, nhưng không phải xảy ra trong Euclide, mà xảy ra trong không gian với độ cong thay đổi. Kết quả là, chuyển động của điểm không còn là tuyến tính và đều, mà xảy ra dọc theo đường trắc địa của không gian cong. Theo đó, phương trình chuyển động của một điểm vật chất, cũng như một tia sáng, phải được viết dưới dạng phương trình cho một đường trắc địa trong không gian cong. Để xác định độ cong của không gian, cần phải biết biểu thức cho các thành phần của tensor cơ bản (một chất tương tự của thế năng trong lý thuyết hấp dẫn Newton). Nhiệm vụ là biết sự phân bố của các khối lượng hấp dẫn trong không gian, xác định các hàm của tọa độ và thời gian (một thành phần của tenxơ cơ bản); sau đó có thể viết ra phương trình của một đường trắc địa và giải các bài toán về chuyển động của một điểm vật chất, bài toán về sự truyền của chùm sáng, v.v.
Einstein tìm thấy phương trình tổng quát trường hấp dẫn (mà trong phép gần đúng cổ điển biến thành định luật hấp dẫn của Newton) và do đó giải quyết vấn đề về lực hấp dẫn nói chung. Các phương trình trường hấp dẫn trong thuyết tương đối rộng là một hệ gồm 10 phương trình. Không giống như lý thuyết hấp dẫn của Newton, trong đó có một thế năng của trường hấp dẫn, phụ thuộc vào một đại lượng duy nhất - mật độ khối lượng, trong lý thuyết của Einstein, trường hấp dẫn được mô tả bằng 10 thế năng và có thể được tạo ra không chỉ bởi mật độ khối lượng, mà còn bởi thông lượng khối lượng và thông lượng động lượng.
Một điểm khác biệt cơ bản khác giữa thuyết tương đối rộng và các lý thuyết vật lý đi trước nó là việc bác bỏ một số khái niệm cũ và xây dựng các khái niệm mới. Do đó, thuyết tương đối rộng từ bỏ các khái niệm “lực”, “thế năng”, “hệ quán tính”, “đặc tính Euclide của không-thời gian”, v.v.; Các vật thể quy chiếu không cứng (có thể biến dạng) được sử dụng trong thuyết tương đối rộng, vì không có vật thể rắn nào trong trường hấp dẫn và tốc độ đồng hồ phụ thuộc vào trạng thái của các trường này. Một hệ quy chiếu như vậy (nó được gọi là "tham chiếu ngao") có thể chuyển động tùy ý, và hình dạng của nó có thể thay đổi, đồng hồ được sử dụng có thể có một khóa học bất thường tùy ý. Thuyết tương đối rộng làm sâu sắc thêm khái niệm trường, liên kết các khái niệm quán tính, lực hấp dẫn và các thước đo không-thời gian lại với nhau, đồng thời cho phép tồn tại sóng hấp dẫn. Sóng hấp dẫn được tạo ra bởi một trường hấp dẫn thay đổi, chuyển động không đều của các khối lượng và lan truyền trong không gian với tốc độ ánh sáng. Sóng hấp dẫn trong điều kiện trên cạn rất yếu. Có khả năng thực sự cố định bức xạ hấp dẫn xảy ra trong các quá trình thảm khốc lớn trong Vũ trụ - các vụ nổ siêu tân tinh, va chạm của các sao xung, v.v. Nhưng chúng vẫn chưa được phát hiện bằng thực nghiệm.
Mặc dù sự thành công vượt bậc của thuyết tương đối rộng, nhưng cộng đồng khoa học vẫn khó chịu rằng nó không thể được định dạng lại thành giới hạn cổ điển của lý thuyết lượng tử do sự xuất hiện của các phân kỳ toán học không thể thay đổi khi xem xét các lỗ đen và các điểm kỳ dị không-thời gian nói chung. Một số lý thuyết thay thế đã được đề xuất để giải quyết vấn đề này. Bằng chứng thực nghiệm hiện tại chỉ ra rằng bất kỳ loại sai lệch nào so với thuyết tương đối rộng đều phải rất nhỏ, nếu nó tồn tại.
HÌNH THÀNH HÌNH ẢNH VẬT LÝ HIỆN ĐẠI VỀ CÁC NGUYÊN TẮC THẾ GIỚI VÀ KHÁI NIỆM CỦA LÝ THUYẾT TƯƠNG QUAN CHUNG EINSTEIN (LÝ THUYẾT GRAVITATION) Các khái niệm về mức độ cấu trúc sinh học và tổ chức hệ thống sống
LUẬT BẢO TỒN
Các chất đến với cơ thể sống từ đất, không khí, nước. Nước bốc hơi từ các đại dương, bốc lên các lớp của khí quyển, tạo thành mưa. Cây xanh sử dụng nước đi vào đất. Trong khi duy trì hoạt động sống, chúng đồng thời giải phóng oxy cần thiết cho sự sống. Đồng thời, nếu không có sự tác động của oxy, các quá trình phân hủy và thối rữa của thực vật không thể xảy ra. Tên của vòng luẩn quẩn này là gì, cung cấp khả năng tồn tại sự sống trên Trái đất, và đặc điểm của nó là gì?
Khái niệm chính về sinh thái học
Chu kỳ sinh học là vòng tuần hoàn của các nguyên tố hóa học phát sinh đồng thời với sự ra đời của sự sống trên hành tinh của chúng ta, và diễn ra với sự tham gia của các sinh vật sống.
Các mô hình vốn có trong sự tuần hoàn của các chất giải quyết các vấn đề chính của việc duy trì sự sống trên Trái đất. Suy cho cùng, nguồn dự trữ chất dinh dưỡng trên toàn bộ bề mặt Trái đất không phải là vô hạn, mặc dù chúng rất lớn. Nếu những nguồn dự trữ này chỉ được tiêu thụ bởi những sinh vật sống, thì một lúc nào đó sự sống sẽ phải kết thúc. Nhà khoa học R. Williams đã viết: "Phương pháp duy nhất cho phép một số lượng giới hạn có tính chất của một cái vô hạn là làm cho nó quay dọc theo quỹ đạo của một đường cong khép kín." Chính sự sống đã ra lệnh sử dụng phương pháp này trên Trái đất. Chất hữu cơ được tạo ra bởi cây xanh, và những cây không phải cây xanh sẽ bị hủy hoại.
Trong chu kỳ sinh học, mỗi loài sinh vật đều có vị trí của mình. Nghịch lý chính của sự sống là nó được duy trì thông qua các quá trình hủy diệt và phân rã liên tục. Các hợp chất hữu cơ phức tạp sớm muộn gì cũng bị phá hủy. Quá trình này đi kèm với việc giải phóng năng lượng, mất thông tin vốn có trong cơ thể sống. Vi sinh vật có tầm quan trọng to lớn trong chu trình sinh học của các chất và sự phát triển của sự sống - với sự tham gia của chúng thì bất kỳ dạng sống nào cũng được đưa vào chu trình sinh học.
Các liên kết của biochain
Vi sinh vật có hai đặc tính cho phép chúng chiếm một vị trí quan trọng như vậy trong vòng tròn của sự sống. Thứ nhất, chúng có thể thích nghi rất nhanh với các điều kiện môi trường thay đổi. Thứ hai, chúng có thể sử dụng nhiều loại chất khác nhau, cũng như carbon, để bổ sung năng lượng dự trữ của chúng. Không có sinh vật bậc cao nào sở hữu những đặc tính như vậy. Chúng chỉ tồn tại như một kiến trúc thượng tầng trên nền tảng cơ bản của vương quốc vi sinh vật.
Các cá thể và các loài sinh vật thuộc các lớp sinh vật khác nhau là những mắt xích trong vòng tuần hoàn của các chất. Họ cũng tương tác với nhau thông qua nhiều loại khác nhau kết nối. Chu trình của các chất trên quy mô hành tinh bao gồm các chu trình sinh học riêng trong tự nhiên. Chúng được thực hiện chủ yếu dọc theo chuỗi thức ăn.
Những cư dân nguy hiểm của bụi nhà
Một vai trò quan trọng trong chu trình sinh học cũng được thực hiện bởi các sinh vật hoại sinh - những “cư dân” lâu dài của bụi nhà. Chúng ăn nhiều loại chất có trong bụi nhà. Đồng thời, hoại sinh tiết ra phân khá độc làm khởi phát dị ứng.
Ai là những sinh vật vô hình đối với mắt người? Saprophytes thuộc họ nhện. Họ đồng hành cùng một người trong suốt cuộc đời. Rốt cuộc, mạt bụi ăn bụi nhà, bao gồm cả da người. Các nhà khoa học tin rằng sinh vật hoại sinh từng là cư dân của tổ chim, và sau đó "chuyển" đến nơi ở của con người.
Mạt bụi, đóng vai trò quan trọng trong tuần hoàn sinh học, có kích thước rất nhỏ - từ 0,1 đến 0,5 mm. Nhưng chúng hoạt động tích cực đến mức chỉ trong 4 tháng, một con mạt bụi có thể đẻ khoảng 300 quả trứng. Một gam bụi nhà có thể chứa vài nghìn con mạt. Không thể tưởng tượng được có bao nhiêu con mạt bụi trong một ngôi nhà, vì người ta tin rằng có thể tích tụ tới 40 kg bụi trong một ngôi nhà của con người trong một năm.
Đạp xe trong rừng
Trong rừng, chu kỳ sinh học diễn ra mạnh mẽ nhất do sự xâm nhập của rễ cây vào sâu trong đất. Liên kết đầu tiên trong vòng quay này thường được coi là liên kết được gọi là liên kết sinh quyển. Thân rễ là một lớp đất mỏng (3 đến 5 mm) xung quanh cây. Đất xung quanh rễ cây (hay "đất thân rễ") có xu hướng rất giàu chất tiết ra từ rễ và các vi sinh vật khác nhau. Liên kết rhizosphere là một loại cổng giữa động vật hoang dã và không sống.
Liên kết tiêu thụ nằm trong rễ, chúng hấp thụ các chất khoáng từ đất. Tuy nhiên, một số chất bị rửa trôi do mưa trở lại đất phần lớn sự trở lại của các chất dinh dưỡng được thực hiện trong hai quá trình - chất thải và chất thải.
Vai trò của ngã và ngã
Chất thải và chất thải có ý nghĩa khác nhau trong chu trình sinh học của các chất. Chất độn chuồng bao gồm nón cây, cành, lá, xác cỏ. Các nhà nghiên cứu không bao gồm cây trong thảm mục - chúng được phân loại là thảm mục. Quá trình phân hủy chất thải có thể mất nhiều thập kỷ. Đôi khi chất thải có thể dùng làm nguyên liệu để nuôi các loài cây khác - nhưng chỉ sau khi đạt đến một giai đoạn phân hủy nhất định. Chất thải chứa nhiều chất thuộc loại tro. Chúng từ từ đi vào đất và được thực vật sử dụng để sống thêm.
Ngã phụ thuộc vào cái gì?
Chất độn chuồng có ý nghĩa hơi khác trong chu kỳ sinh học. Trong năm, toàn bộ khối lượng của nó chuyển vào lớp đệm lót và trải qua phân hủy hoàn toàn. Các phần tử tro xâm nhập vào vòng tuần hoàn sinh vật nhanh hơn nhiều. Tuy nhiên, trên thực tế, chất độn chuồng là một phần của chu kỳ sinh học khi lá ở trên cây. Tỷ lệ lứa đẻ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: khí hậu, thời tiết trong năm hiện tại và những năm trước, số lượng côn trùng. Trong lãnh nguyên rừng, nó đạt đến vài centers, trong các khu rừng, nó được tính bằng tấn. Lượng thảm mục lớn nhất trong các khu rừng xảy ra vào mùa xuân và mùa thu. Chỉ số này cũng khác nhau tùy theo từng năm.
Đối với thành phần hữu cơ của lá kim và lá, chúng trải qua những thay đổi giống nhau trong chu kỳ. Không giống như thảm mục, lá xanh thường giàu phốt pho, kali và nitơ. Chất độn chuồng thường giàu canxi. đến chu kỳ sinh học ảnh hưởng lớn do côn trùng và động vật cung cấp. Ví dụ, côn trùng ăn lá có thể tăng tốc đáng kể. Tuy nhiên, ảnh hưởng lớn nhất đến tốc độ chu kỳ của động vật trong quá trình phân hủy chất độn chuồng. Sâu non và sâu ăn và nghiền chất độn chuồng, trộn lẫn với các lớp đất phía trên.
Quang hợp trong tự nhiên
Thực vật có thể sử dụng ánh sáng mặt trời để bổ sung năng lượng dự trữ của chúng. Họ làm điều đó trong hai bước. Ở giai đoạn đầu, ánh sáng được lá bắt; thứ hai, năng lượng được sử dụng cho quá trình cô lập cacbon và hình thành các chất hữu cơ. Các nhà sinh vật học gọi cây xanh là cây tự dưỡng. Chúng là cơ sở cho sự sống trên toàn bộ hành tinh. Sinh vật tự dưỡng có giá trị lớn trong quang hợp và chu trình sinh học. Năng lượng của ánh sáng mặt trời được chúng chuyển hóa thành năng lượng dự trữ thông qua quá trình hình thành cacbohydrat. Điều quan trọng nhất trong số này là đường glucose. Quá trình này được gọi là quang hợp. Các sinh vật sống thuộc các lớp khác có thể tiếp cận năng lượng mặt trời bằng cách ăn thực vật. Như vậy, một chuỗi thức ăn xuất hiện, cung cấp chu trình của các chất.
Các mô hình quang hợp
Mặc dù tầm quan trọng của quang hợp, thời gian dài anh ấy vẫn chưa được khám phá. Chỉ vào đầu thế kỷ 20, nhà khoa học người Anh Frederick Blackman đã thiết lập một số thí nghiệm với sự giúp đỡ của họ để thiết lập quá trình này. Nhà khoa học cũng tiết lộ một số mô hình quang hợp: hóa ra nó bắt đầu trong điều kiện ánh sáng yếu, tăng dần theo các luồng ánh sáng. Tuy nhiên, điều này chỉ xảy ra ở một mức độ nhất định, sau đó sự khuếch đại ánh sáng không còn tăng tốc độ quang hợp nữa. Blackman cũng phát hiện ra rằng nhiệt độ tăng dần cùng với ánh sáng tăng lên sẽ thúc đẩy quá trình quang hợp. Tăng nhiệt độ trong điều kiện ánh sáng yếu không làm tăng tốc độ quá trình này, cũng như tăng nhiệt độ ánh sáng trong điều kiện nhiệt độ thấp.
Quá trình chuyển đổi ánh sáng thành carbohydrate
Quá trình quang hợp bắt đầu bằng quá trình thu nhận các photon của ánh sáng mặt trời vào các phân tử diệp lục nằm trong lá cây. Chất diệp lục là thứ mang lại cho thực vật màu xanh lục. Việc thu nhận năng lượng xảy ra theo hai giai đoạn, mà các nhà sinh vật học gọi là Hệ thống quang ảnh I và Hệ thống quang ảnh II. Điều thú vị là số lượng các hệ thống quang học này phản ánh thứ tự mà các nhà khoa học đã phát hiện ra chúng. Đây là một trong những điều kỳ lạ trong khoa học, vì các phản ứng lần đầu tiên xảy ra trong hệ thống quang thứ hai, và sau đó chỉ xảy ra ở hệ thống quang thứ nhất.
Một photon của ánh sáng mặt trời va chạm với 200-400 phân tử diệp lục trong lá. Trong trường hợp này, năng lượng tăng mạnh và được chuyển đến phân tử diệp lục. Quá trình này được kèm theo phản ứng hóa học: phân tử diệp lục mất hai điện tử (lần lượt chúng được chấp nhận bởi cái gọi là "chất nhận điện tử", một phân tử khác). Và cũng khi một photon va chạm với chất diệp lục, nước sẽ được hình thành. Chu trình trong đó ánh sáng mặt trời được chuyển hóa thành cacbohydrat được gọi là chu trình Calvin. Không thể đánh giá thấp tầm quan trọng của quá trình quang hợp và chu trình sinh học của các chất - chính nhờ những quá trình này mà trên trái đất mới có ôxy. Các chất khoáng do con người thu được - than bùn, dầu mỏ - cũng là những chất mang năng lượng được lưu trữ trong quá trình quang hợp.