Основы естествознания

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Сформулируйте постулаты специальной теории относительности

Классическая механика Ньютона прекрасно описывает движение макротел, движущихся с малыми скоростями (U<С). Однако в конце XIX в. выяснилось, что выводы классической механики противоречат некоторым опытным данным, в частности при изучении движения быстрых заряженных частиц оказалось, что их движет не подчиняется законам механики. Далее возникли затруднения при попытках применить механику Ньютона к объяснению распространения света. Если источник и приемник света движутся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, то, согласно классической механике, измеренная скорость должна зависеть от относительной скорости их движения. Американский физик А. Майкельсон (1852--1913) в своем знаменитом опыте в 1881 г., а затем в 1887 г. совместно с Е. Морли (американский физик, 1838--1923) -- опыт Майкельсона -- Морли -- пытался обнаружить движение Земли относительно эфира (эфирный ветер), применяя интерферометр Майкельсона. Обнаружить эфирный ветер Майкельсону не удалось, как, впрочем, не удалось его обнаружить и в других многочисленных опытах. Опыты «упрямо» показывали, что скорости света в двух движущихся друг относительно друга системах равны. Это противоречило правилу сложения скоростей классической механики.

Одновременно было показано противоречие между классической теорией и уравнениями Дж. К. Максвелла (английский физик, 1831 --1879), лежащими в основе понимания света как электромагнитной волны.

Для объяснения этих и некоторых других опытных данных необходимо было создать новую механику, которая, объясняя эти факты, содержала бы ньютоновскую механику как предельный случай для малых скоростей (u<<с). Это и удалось сделать А. Эйнштейну, одному из основателей современной физики, который, по словам В. И. Ленина, является одним «из великих преобразователей естествознания». А. Эйнштейн пришел к выводу о том, что мирового эфира -- особой среды, которая могла бы быть принята в качестве абсолютной системы,-- не существует. Существование постоянной скорости распространения света в вакууме находилось в согласии с уравнениями Максвелла.

Таким образом, А. Эйнштейн заложил основы специальной теории относительности. Эта теория представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Специальная теория относительности часто называется также релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией,-- релятивистскими эффектами.

В основе специальной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна, сформулированные им в 1905 г.

I.Принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные внутри даннойинерциальной системы отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой.

II.Принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источник света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Первый постулат Эйнштейна, являясь обобщением механического принципа относительности Галилея на любые физические процессы, утверждает, таким образом, что физические законы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчета, а уравнения, описывающие эти законы, одинаковы по форме во всех инерциальных системах отсчета. Согласно этому постулату, все инерциальные системы отсчета совершенно равноправны, т. е. явления (механические, электродинамические, оптические и др.) во всех инерциальных системах отсчета протекают одинаково.

Согласно второму постулату Эйнштейна, постоянство скорости света -- фундаментальное свойство природы, которое констатируется как опытный факт.

Специальная теория относительности потребовала отказа от привычных представлений о пространстве и времени, принятых в классической механике, поскольку они противоречили принципу постоянства скорости света. Потеряло смысл не только абсолютное пространство, но и абсолютное время.

Постулаты Эйнштейна и теория, построенная на их основе, установили новый взгляд на мир и новые пространственно-временные представления, такие, например, как относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности событий. Эти и другие следствия из теории Эйнштейна находят надежное экспериментальное подтверждение, являясь тем самым обоснованием постулатов Эйнштейна -- обоснованием специальной теории относительности.

2. Какие научные открытия в биологии вывели ее на лидирующее место в современном естествознании?

Биологию на лидирующее место вывели открытия в области молекулярной генетики. Развитие в данной области связано с изучением процессов в живой природе с помощью физико-химических методов. Была создана клеточная теория, велось изучение химического состава клеток. Была установлена связь состояния генов с синтезом белков, открыто кодирование белковых структур.

Долгое время второе начало термодинамики - закон возрастания энтропии - связывалось со стремлением к молекулярному хаосу, которому соответствует состояние равновесия или состояние с максимальной вероятностью. Тем самым эволюция и необратимость, связанные с пониманием времени, входили в науку в связке со сложностью коллективных взаимодействий в системах, состоящих из достаточно простых объектов. Сейчас ясно, что микрообъекты сами сложны, они могут распадаться и рождаться, поэтому концепция представления сложного из простого, рождённая во времена становления европейской науки, устарела. изменилась и роль необратимых процессов, воспринимаемая ранее как некоторое дополнительное приближение к законам динамики, то есть понимаемая различно в физике и биологии.

3. Поясните понятие научной революции. Приведите примеры научных революций в физике

Научная революция - это переход от одного представления к другому.

Примеры научных революций в физике:

А) Формирование механической картины мира.

Открыт закон всемирного тяготения (Ньютон), благодаря которому Вселенная стала восприниматься как хорошо отлаженный часовой механизм, основанный на простых принципах.

Б) Формирование электромагнитной картины мира.

Разработана теория относительности, открыт закон взаимосвязи массы и энергии (Эйнштейн).

4. Что лежит в основе стереоскопического зрения человека и животных?

В основе стереоскопического зрения человека и животных лежит явление геометрического параллакса, то есть если смотреть на объект с двух разных точек зрения, расстояние между которыми h, то угол А и В, образованные между направлениями на исследуемый объект, до которого определяется расстояние, и прямой, соединяющей эти точки, не будет дополнять друг друга до 180.

5. Перечислите и поясните основные свойства времени

Свойства времени:

Однородность

Означает, что любые явления, происходящие в одних и тех же условиях, но в разные моменты времени, протекают совершенно одинаково.

Непрерывность

Подразумевает, что между двумя моментами времени, как близко бы они не располагались, всегда можно выделить третий.

Однонаправленность или необратимость

Определяется следствием второго начала термодинамики или закона возрастания энтропии.

6. Какие виды взаимодействий существуют в природе, чем они характеризуются?

Виды взаимодействия:

Сильное взаимодействие. Обеспечивает связь нуклонов в ядре атома. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие, составляет 10^-13 см.

Слабое взаимодействие. Отвечает за все виды распада ядер, за многие процессы распада частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Является короткодействующим. Радиус действия 10^-15 см.

Электромагнитное взаимодействие. Имеет неограниченный радиус действия. Обусловлено взаимодействием движущихся электрических зарядов.

Гравитационное взаимодействие. Состоит во взаимном притяжении тел. Проявляет себя в макро- и мегамире. Мера измерения определяется в ньютонах.

7. Какое применение нашли гироскопы в современной технике? Чем это обусловлено?

Гироскопы нашли широкое применение в авиации и космонавтике, в устройствах, обеспечивающих ориентацию судов в близи магнитного поля Земли, так как ось вращения сохраняет своё направление в пространстве неизменным благодаря моменту инерции.

8. Что такое первая и вторая космическая скорость? Как они определяются?

Первая космическая скорость - это скорость искусственного спутника Земли в отсутствие сопротивления атмосферы при движении по круговой орбите. У поверхности Земли первая космическая скорость равна 7,9 км/с.

Второй космической скоростью называется наименьшая скорость, которую нужно сообщить телу, чтобы оно могло преодолеть земное притяжение и превратиться в искусственный спутник Солнца. Вторая космическая скорость у поверхности Земли равна 11,2 км/с.

9. Назовите ближайшие к нам другие галактики. Какую форму имеют большинство галактик во Вселенной и почему?

Ближайшие к нам галактики Большое и Малое Магеллановы облака спутники млечного пути. Магеллановы облака видны в южном полушарии. Большое облако находится от нас на расстоянии 165000 световых лет, а Малое 200000 световых лет. Большинство галактик во Вселенной имеет либо спиральную, либо эллиптическую форму.



10. Чем объяснить настойчивые попытки ученых развитых стран найти способы осуществления управляемого термоядерного синтеза?

Учёные развитых стран настойчиво работают над изысканием способов осуществления управляемого термоядерного синтеза, так как в земных условиях пока были осуществлены неуправляемые термоядерные реакции при взрывах водородных бомб. При термоядерной реакции выделяется огромное количество внутренней энергии. Термоядерные реакции протекают в недра Солнца и звёзд.

11. Что такое теплопередача? Каким образом она происходит?

Теплопередача - это совокупность микроскопических (то есть охватывающих не всё тело, а отдельные его молекулы) процессов, приводящих к передаче энергии от тела к телу.

12. Каков основной сценарий образования небесных тел

На протяжении последних столетий предлагалось множество самых разных вариантов образования Солнечной системы, все они хорошо известны. Самая распространенная из них - гипотеза Лапласа о совместном образовании планет и Солнца из единого протосолнечного облака. Эта гипотеза логично объяснила основные особенности строения планетной системы, но была отклонена по известной причине, связанной с моментом вращения.

Оставив эту проблему нерешенной, ученые перешли к гипотезам образования звезд. По современным научным представлениям, переход протозвездного облака от его обширного разреженного состояния к компактной уплотненной форме происходит по варианту коллапса. Согласно этой гипотезе, когда сила тяжести превысит упругость газа, центральное вещество сгущается, образуя ядро. Лишившись опоры, все остальное вещество со скоростью свободно падающего тела устремляется (коллапсирует) к центру. Но, как говорят даже сами астрономы, этот вариант не может в принципе объяснить образование планетной системы; не добавляя ничего нового, не проясняет старого.

Автор настоящей работы обратил внимание на фотографии спиральных галактик, на которых запечатлен процесс стока вещества в ядро. Нечто подобное наблюдается в атмосфере Земли или потоках жидкости. Чтобы в деталях исследовать это природное явление, изучить его свойства, автор решил гидродинамическую задачу, "Вихревой сток" .Вот ее суть: "Дано однородное по плотности и вращению жидкое небесное тело. В какой-то момент, не выдержав тяжести, центральное вещество сгущается, образуя точечный сток. Жидкость вихревым потоком устремляется в точку стока. Необходимо изучить поведение тела в этот период, если локальный момент вращения сохраняется".

Специалисты знают, что гидродинамические задачи подобные этой и связанные с вращением считаются математически неразрешимыми. Автор, разработав свой метод, преодолел эту трудность.

Анализ картины вихревого стока показал, что жидкость стекает не в особую точку вихревого стока, а образует твердотельно вращающееся ядро скачком повышенной постоянной плотности. Причем, плотность ядра всего лишь в два раза больше плотности жидкости до начала стока (цифры условные). Когда вся жидкость перейдет в ядро, мы снова будем иметь однородное тело, радиус которого в два раза меньше радиуса тела до начала стока. Далее процесс повторяется: зарождается центральное ядро скачком повышенной постоянной плотности, вещество оболочки переходит в него, по завершению процесса, мы снова будем иметь однородное тело, радиус которого в два раза меньше предыдущего состояния, и т.д. Так, переходя из одного устойчивого состояния в другое, гравитирующая система, уплотняясь, и уменьшает свой размер. Многопериодная эволюция - это не фантазии, не предположения, не гипотеза автора, а именно такую картину развития событий показывает решение задачи "Вихревой сток". А вот и самый главный вывод. Оказывается, процесс сжатия вращающихся тел, идущий посредством вихреобразования, регулируется одним жестким требованием: затраты энергии на преодоление сил, препятствующих сжатию, должны быть наименьшими в каждый момент изменения системы.

Согласно современных научных представлений сжатие вращающегося разреженного облака начинается с того, что, не выдержав тяжести, центральное вещество сгущается, образуя ядро. По мнению астрономов (вариант коллапса) плотность ядра на много порядков больше "средней плотности облака". Так вот, математическая модель "Вихревой сток" показывает, что допущение о большой плотности ядра - это грубая и роковая ошибка. Все последующие расчеты коллапса становятся бесполезными, а выводы из них - ложными. Никакого распада вращающегося тела в конце его эволюции - как то утверждают астрономы - в действительности не существует. Это не голословное утверждение автора, а подтверждено теоретически. Все дело в поведении центробежных сил. А характер их поведения можно выявить только посредством анализа математической эволюционной модели, но невозможно это сделать при численном моделировании, которое применяют астрономы. Тем более, что поле центробежных сил не является потенциальным, как то считают создатели варианта "Коллапс.

13. Дайте определение понятия жизни

Наблюдая окружающую природу, человек с незапамятных времен разделил ее на мир живых и неживых тел. К живым относятся люди, животные, растения; к неживым - камни, песок, вода, а также трупы животных и растений. Чем же отличаются живые тела от неживых? Конечно, даже неискушенный в науке человек легко подмечает то общее, что позволяет ему отнести к живым существам человека и дерево, кита и паучка, птицу и слизняка. И когда простой шлифовальщик стекол Левенгук впервые увидел под микроскопом микробов, он без колебания признал их живыми существами. Однако при попытке определить понятия "живое" и "неживое", как правило, испытывают немалые затруднения даже искушенные в науке люди. относительность биология естествознание

Многие считают характерным свойством живого тела его способность к движению. После смерти оно утрачивает подвижность. Однако, если бы мы решились дать определение живому телу как телу, способному к движению, мы бы, конечно, ошиблись, так как, с одной стороны, известно множество несомненно живых тел, но неподвижных, например: губки, почти все растения. С другой стороны, известен ряд тел, способных к активному движению, но, несомненно, неживых, например все движущиеся машины и механизмы, созданные человеком. Таким образом, определить живое тело по одной способности его к движению нельзя.

Другим признаком, считающимся характерным для живых организмов, является их способность к дыханию. Дышат люди, животные и растения. После смерти дыхание исчезает. Однако этот критерий также недостаточен, так как, с одной стороны, известны организмы, совершенно не потребляющие кислорода (некоторые паразитические черви кишечника, многие простейшие и микробы), а с другой стороны, существуют неживые системы, активно поглощающие кислород и выделяющие углекислоту (горящая свеча, работающий бензиновый двигатель). Любая реакция окисления органических веществ сопровождается поглощением кислорода и выделением углекислого газа.

Еще один признак живых тел - это способность их к размножению. Действительно, способность к порождению себе подобных - очень характерное свойство живого. Однако и этот признак не может считаться постоянным и верным признаком жизни, так как, с одной стороны, существует ряд несомненно живых существ, не способных к воспроизведению потомства, например рабочие пчелы, мулы или кастрированные животные; с другой стороны, современная техника (техническая кибернетика) может конструировать и создавать машины, способные воспроизводить подобные себе машины.

Мы выбрали три признака и видим, что ни один из них не является вполне характерным для живых тел и не может быть использован в качестве определения жизни.

Как видим, охарактеризовать явление жизни представляет непростую задачу. Попытки найти самое существенное в жизни и дать ее определение делались в прошлом неоднократно. Среди авторов определений жизни были знаменитые ученые, философы и естествоиспытатели: Аристотель, Кант, Ламарк, Кювье и многие другие. Среди старых определений жизни нет, однако, ни одного сколько-нибудь удовлетворительного. Некоторые определения настолько туманны, что нет возможности постигнуть их смысл. Вот, например, одно из таких определений: "Жизнь есть душа мира, уравнение вселенной". Другие определения хотя и более понятны, но ничего не объясняют. Так, например, во французской энциклопедии давалось такое определение: "Жизнь есть противоположность смерти".

Основоположник научного коммунизма - Фридрих Энгельс в книге "Анти-Дюринг" указывает на успехи, достигнутые естествознанием и дает следующее ставшее классическим определение жизни: "Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел". Как видим, Энгельс не ограничивается одним лишь указанием на признаки жизни, но он подчеркивает самые существенные ее черты. Определение Энгельса состоит из двух частей. В первой указывается на характерное для живых тел, отличающее их от неживых тел, содержание в них белка. Белки являются главной и постоянной составной частью всех живых систем - от самых примитивных до самых сложных. "Повсюду, где мы встречаем жизнь, - пишет Энгельс, - мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, не находящееся в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явления жизни".

Но белки - вещества с легко изменяемой структурой. Для живого состояния характерно присутствие не любого белка (труп состоит также из белка), но лишь белка, сохраняющего свою уникальную конфигурацию, свою первичную, вторичную и третичную структуры, с присущими ему природными свойствами. При умирании организма белки его утрачивают нативную структуру, макромолекулы развертываются и белки переходят в денатурированное состояние. Для поддержания белка в нативной, присущей живому состоянию форме необходимо наличие условий, при которых может быть устойчивой нативная форма белка. Во второй части определения Энгельс и говорит о способе существования белка. Этот способ - обмен веществ, при помощи которого создаются и поддерживаются условия для сохранения белка в нативном состоянии в живой системе и выполнения присущих ему функций. Определение жизни, сформулированное Энгельсом, прекрасное по форме и глубокое по содержанию, оказало существенное влияние на развитие исследований белка как основного субстрата жизни и до сих пор пользуется широким признанием.

После опубликования "Анти-Дюринга" прошло уже более 80 лет. За этот период в разных областях естествознания были сделаны крупные открытия. Значительны и успехи науки о жизни. Были открыты нуклеиновые кислоты, открыт механизм их редупликации, выяснено их значение в передаче наследственных свойств. Возникли новые биологические науки: биофизика и биохимия, бионика и молекулярная биология. В связи с развитием кибернетики получило значительное распространение моделирование жизненных явлений - конструирование и построение аппаратов, имитирующих разные стороны жизненного процесса. Были осуществлены, наконец, полеты в космос, и стала реальностью возможность обнаружения новых форм жизни на других планетах. Все эти обстоятельства, естественно, стимулировали исследователей на поиски новых определений жизни, в которых отразились бы новейшие достижения биологии.

В новых определениях жизни, прежде всего, нашли отражение результаты проникновения в биологию точных наук: физики, математики, химии, кибернетики. Так, например, почти во всех новых определениях жизни одним из первых пунктов является указание на то, что живое тело - это открытая система. Понятие "открытая система" заимствовано из физики. Под открытыми системами понимают динамические (т.е. не находящиеся в покое) системы, устойчивые при условии непрерывного доступа к ним энергии и материи извне. Наглядным примером открытой системы может служить резервуар, постоянство уровня воды в котором достигается непрерывным поступлением воды из крана и непрерывным выведением воды в сток. Открытые системы - это большинство двигателей: автомашины, паровые машины, электровозы. Все они действуют при условии непрерывного поступления горючего или электроэнергии извне. Живое тело представляет собой, несомненно, также открытую систему, так как оно существует, пока в него поступает энергия и материя в виде пищи из внешней среды, а отбросы выделяются в окружающую среду. Так как любое живое тело - от простейшего до самого сложного - открытая система, то, очевидно, разумно ввести эту характеристику в определение жизни.

Второе универсальное свойство живых тел - это их способность к авторегуляции, способность автоматически сохранять и поддерживать постоянство своего состава и свойства.

Третья особенность живых тел - это специфика их химического состава. Кроме белка, значение которого для жизни уже выдвинул Энгельс, существенной и постоянной составной частью живых тел служат нуклеиновые кислоты. В определении жизни поэтому, кроме указания на роль белка в построении живых систем, подчеркивается также значение и нуклеиновых кислот. Приведем одно из современных определений жизни, постарайтесь его объяснить.

"Живые тела, существующие на Земле, представляют собою открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров - белков и нуклеиновых кислот".

Обратите внимание на оговорку, сделанную автором этого определения: "Живые тела, существующие на Земле…" Очевидно, не исключается возможность, что на других планетах могут быть обнаружены живые тела, существенно отличающиеся от земных.

14.Перечислите абиотические факторы среды

Абиотические факторы - это прямо или косвенно действующие на организм факторы неживой природы - свет, температура, влажность, химический состав воздушной, водной и почвенной среды и др. (т. е. свойства среды, возникновение и воздействие которых прямо не зависит от деятельности живых организмов).

Свет

(cолнечная радиация) - экологический фактор, характеризующийся нитенсивностью и качеством лучистой энергии Солнца, которая используется фотосинтезирующими зелеными растениями для создания растительной биомассы. Солнечный свет, достигающий поверхности Земли, - основной источник энергии для поддержания теплового баланса планеты, водного обмена организмов, создания и превращения органического вещества автотрофным звеном биосферы, что в конечном итоге делает возможным формирование среды, способной удовлетворять жизненные потребности организмов.

Сезонные и суточные изменения освещенности являются самыми точными часами, ход которых четко закономерен и практически не изменился в течение последнего периода эволюции.

Благодаря этому появилась возможность искусственного регулирования развития животных и растений. Например, создание растениям в теплицах, оранжереях или парниках светового дня длительностью 12-15 ч позволяет даже зимой выращивать овощные культуры, декоративные растения, ускорять рост и развитие рассады. Наоборот, затенение растений летом ускоряет появление цветков или семян позднецветущих осенних растений.

Продолжением дня за счет искусственного освещения зимой можно увеличить период яйценосности кур, гусей, уток, регулировать размножение пушных зверей на зверофермах. Огромную роль играет световой фактор и в других жизненных процессах животных. Прежде всего он является необходимым условием видения, их зрительной ориентации в пространстве в результате восприятия органами зрения прямых, рассеянных или отраженных от окружающих предметов световых лучей. Велика информативность для большинства животных поляризованного света, способности различать цвета, ориентироваться по астрономическим источникам света в осенних и весенних миграциях птиц, в навигационных способностях других животных.

На основе фотопериодизма у растений и животных в процессе эволюции выработались специфические годичные циклы периодов роста, размножения, подготовки к зиме, которые получили название годичных или сезонных ритмов. Эти ритмы проявляются в изменении интенсивности характера биологических процессов и повторяются с годичной периодичностью. Совпадение периодов жизненного цикла с соответствующим временем года имеет огромное значение для существования вида. Сезонные ритмы обеспечивают растениям и животным наиболее благоприятные условия для роста и развития.

Более того, физиологические процессы растений и животных находятся в строгой зависимости от суточной ритмичности, что выражается определенными биологическими ритмами. Следовательно, биологические ритмы - это периодически повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов и явлений. У растений биологические ритмы проявляются в суточном движении листьев, лепестков, изменении фотосинтеза, у животных - в колебании температуры, изменении секреции гормонов, скорости деления клеток и т. д. У человека также наблюдаются суточные колебания частоты дыхания, пульса, артериального давления, бодрствования и сна и др. Биологические ритмы являются наследственно закрепленными реакциями, поэтому познание их механизмов имеет важное значение при организации труда и отдыха человека.

Температура

- один из важнейших абиотических факторов, от которого в значительной степени зависит существование, развитие и распространение организмов на Земле.

Значение температуры состоит прежде всего в непосредственном ее влиянии на скорость и характер протекания реакций обмена веществ в организмах. Поскольку суточные и сезонные колебания температур возрастают по мере удаления от экватора, растения и животные, приспосабливаясь к ним, проявляют различную потребность в тепле.

Способы приспособления

Миграция - переселение в более благоприятные условия. Регулярно в течение года мигрируют киты, многие виды птиц, рыб, насекомых и других животных.

Оцепенение - состояние полной неподвижности, резкое снижение жизнедеятельности, прекращение питания. Наблюдается у насекомых, рыб, земноводных, млекопитающих при понижении температуры среды осенью, зимой (зимняя спячка) или при повышении ее летом в пустынях (летняя спячка).

Анабиоз - состояние резкого угнетения жизненных процессов, когда видимые проявления жизни временно прекращаются. Это явление обратимое. Отмечается у микробов, растений, низших животных. Семена некоторых растений в анабиозе могут находиться до 50 лет. Микробы в состоянии анабиоза образуют споры, простейшие - цисты.

Многие растения и животные при соответствующей подготовке успешно переносят в состоянии глубокого покоя или анабиоза предельно низкие температуры. В лабораторных экспериментах семена, пыльца, споры растений, нематоды, коловратки, цисты простейших и других организмов, сперматозоиды после обезвоживания или помещения в растворы специальных защитных веществ - криопротекторов - переносят температуры, близкие к абсолютному нулю.

В настоящее время достигнуты успехи по практическому использованию веществ с криопротекторными свойствами (глицерин, полиэтиленоксид, диметилсульфоксид, сахароза, маннит и др.) в биологии, сельском хозяйстве, медицине. В растворах криопротекторов осуществляется длительное хранение консервированной крови, спермы для искусственного осеменения сельскохозяйственных животных, некоторых органов и тканей для трансплантации; защита растений от зимних морозов, ранневесенних заморозков и т. п. Оказанные проблемы относятся к компетенции криобиологии и криомедицины и решаются многими научными учреждениями.

Терморегуляция. У растений и животных в процессе эволюции выработались различные механизмы терморегуляции:

у растений

физиологический - накопление в клетках сахара, за счет которого повышается концентрация клеточного сока и снижается обводненность клеток, что способствует морозоустойчивости растений. Например, у карликовой березы, можжевельника верхние ветви при чрезмерно низкой температуре омертвевают, а стелющиеся перезимовывают под снегом и не погибают.

Физический:

устьичная транспирация - отведения избытка тепла и предотвращение ожогов путем выведения воды (испарения) из тела растения

морфологический - направленный на предотвращение перегрева: густая опушенность листьев для рассеивания солнечных лучей, глянцевитая поверхность для их отражения, уменьшение поглощающей лучи поверхности - свертывание листовой пластинки в трубочку (ковыль, овсяница), расположение листа ребром к солнечным лучам (эвкалипт), редуцирование листвы (саксаул, кактус); направленный на предотвращение замерзания: особые формы роста - карликовость, образование стелющихся форм (зимовка под снегом), темная окраска (помогает лучше поглощать тепловые лучи и нагреваться под снегом).

У животных холоднокровных (пойкилотермных, эктотермных) [беспозвоночные, рыбы, земноводные и пресмыкающиеся] - регуляция температуры тела осуществляется пассивно за счет усиления мышечной работы, особенностей структуры и цвета покровов, отыскивания мест, где возможно интенсивное поглощение солнечных лучей, и т.д., т.к. они не могут поддерживать температурный режим обменных процессов и их активность зависит главным образом, от тепла, поступающего извне, а температура тела - от значений температуры окружающей среды и энергетического баланса (соотношения поглощения и отдачи лучистой энергии).

теплокровных (гомойотермных, эндотермных) [птицы и млекопитающие] - способны поддерживать постоянную температуру тела независимо от температуры среды. Это свойство дает возмоность многим видами животных жить и размножаться при температуре ниже нуля (северный олень, белый медведь, ластоногие, пингвины). В процессе эволюции у них выработались два механизма терморегуляции, с помощью которых они поддерживают постоянную температуру тела: химический и физический.

Частным случаем гомойотермии является гетеротермия - разный уровень температуры тела в зависимости от функциональной активности организма. Гетеротермия свойственна животным, впадающим в неблагоприятный период года в спячку или временное оцепенение. При этом высокая температура их тела заметно снижается за счет замедленного обмена веществ (суслики, ежи, летучие мыши, птенцы стрижей и др.).

Пределы выносливости больших значений температурного фактора различны как у пойкилотермных, так и у гомойотермных организмов.

Эвритермные виды способны переносить колебания температуры в широких пределах.

Стенотермные организмы живут в условиях узких пределов температуры, подразделяясь на теплолюбивые стенотермные виды (орхидеи, чайный куст, кофе, кораллы, медузы и др.) и на холодолюбивые (кедровый стланик, предледниковая и тундровая растительность, рыбы полярных бассейнов, животные абиссали - области наибольших океанических глубин и т. п.).

Для каждого организма или группы особей существует, оптимальная зона температуры, в пределах которой деятельность выражена особенно хорошо. Выше этой зоны находится зона временного теплового оцепенения, еще выше - зона продолжительной бездеятельности или летней спячки, граничащая с зоной высокой летальной температуры. При понижении последней ниже оптимума находится зона холодового оцепенения, зимней спячки и летальной низкой температуры.

Распределение особей в популяции в зависимости от изменения температурного фактора по территории подчиняется в целом такой же закономерности. Зоне оптимальных температур соответствует наибольшая плотность популяции, а по обе стороны от нее наблюдается снижение плотности вплоть до границы ареала, где она наименьшая.

Температурный фактор на большой территории Земли подвержен резко выраженным суточным и сезонным колебаниям, что в свою очередь обусловливает соответствующий ритм биологических явлений в природе. В зависимости от обеспеченности тепловой энергией симметричных участков обоих полушарий земного шара, начиная от экватора, различают следующие климатические зоны:

Тропическая зона. Минимальная среднегодовая температура превышает 16° C, в самые прохладные дни не опускается ниже 0° C. Колебания температуры во времени незначительны, амплитуда не превышает 5° C. Вегетация круглогодичная.

Субтропическая зона. Средняя температура самого холодного месяца не ниже 4° C, а самого теплого - выше 20° C. Минусовые температуры редки. Устойчивый снежный покров зимой отсутствует. Вегетационный период продолжается 9-11 мес.

Умеренная зона. Хорошо выражены летний вегетационный сезон и зимний период покоя растений. В основной части зоны устойчивый снежный покров. Весной и осенью типичны заморозки. Иногда эта зона подразделяется на две: умеренно теплую и умеренно холодную, для которых характерно четыре времени года.

Холодная зона. Среднегодовая темлература ниже О° C, заморозки возможны даже в течение короткого (2-3 мес) вегетационного периода. Очень велико годовое колебание температуры.

Закономерность вертикального размещения растительности, почв, животного мира в горных районах обусловлена главным образом также температурным фактором. В горах Кавказа, Индии, Африки можно выделить четыре-пять растительных поясов, последовательность которых снизу вверх отвечает последовательности широтных зон от экватора к полюсу на одной и той же высоте.

Температурные адаптации растений и животных

Влажность

- экологический фактор, характеризующийся содержанием воды в воздухе, почве, живых организмах. В природе существует суточный ритм влажности: она повышается ночью и понижается днем. Вместе с температурой и светом влажность играет важную роль в регуляции активности живых организмов. Источником воды для растений и животных служат главным образом атмосферные осадки и подземные воды, а также роса и туман.

Влага - необходимое условие существования всех живых организмов на Земле. В водной среде зародилась жизнь. Обитатели суши и поныне зависимы от воды. Для многих видов животных и растений вода продолжает оставаться средой обитания. Значение воды в процессах жизнедеятельности определяется тем, что она является основной средой в клетке, где осуществляются процессы метаболизма, выступает важнейшим исходным, промежуточным и конечным продуктом биохимических превращений. Значимость воды определяется и ее количественным содержанием. Живые организмы состоят не менее чем на 3/4 из воды.

По отношению к воде высшие растения делятся на:

гидрофиты - водные растения (кувшинка, стрелолист, ряска);

гигрофиты - обитатели избыточно увлажненных мест (аир, вахта);

мезофиты - растения нормальных условий влажности (ландыш, валериана, люпин);

ксерофиты - растения, живущие в условиях постоянного или сезонного дефицита влаги (саксаул, верблюжья колючка, эфедра) и их разновидности суккуленты (кактусы, молочаи).

Важной особенностью основных климатических факторов (света, температуры, влажности) является их закономерная изменчивость в течение годичного цикла и даже суток, а также в зависимости от географической зональности. В связи с этим приспособления живых организмов также имеют закономерный и сезонный характер. Приспособление организмов к условиям среды может быть быстрым и обратимым или довольно медленным, что зависит от глубины воздействия фактора.

В результате жизнедеятельности организмы способны изменять абиотические условия жизни. Например, растения низшего яруса оказываются в условиях меньшей освещенности; процессы распада органических веществ, которые происходят в водоемах, часто вызывают дефицит кислорода для других организмов. За счет деятельности водных организмов изменяется температурный и водный режимы, количество кислорода, углекислого газа, рН среды, спектральный состав света и др.

Воздушная среда и ее газовый состав

Освоение воздушной среды организмами началось после выхода их на сушу. Жизнь в воздушной среде потребовала специфических приспособлений и высокого уровня организации растений и животных. Низкая плотность и оводненность, высокое содержание кислорода, легкость перемещения воздушных масс, резкие перепады температуры и т. п. заметно сказались на процессе дыхания, водообмене и передвижении живых существ.

Подавляющее большинство наземных животных в ходе эволюции приобрели способность к полету (75 % всех видов наземных животных). Для многих видов характерна ансмохория - расселение с помощью воздушных потоков (споры, семена, плоды, цисты простейших, насекомые, пауки и т. п.). Некоторые растения стали ветроопыляемыми.

Для успешного существования организмов важны не только физические, но и химические свойства воздуха, содержание в нем нужных для жизни газовых компонентов.

Кислород. Для абсолютного большинства живых организмов кислород жизненно необходим. В бескислородной среде могут развиваться только анаэробные бактерии. Кислород обеспечивает осуществление экзотермических реакций, в ходе которых освобождается необходимая для жизнедеятельности организмов энергия. Он является конечным акцептором электрона, который отщепляется от атома водорода в процессе энергетического обмена.

В химически связанном состоянии кислород входит в состав многих очень важных органических и минеральных соединений живых организмов. Огромна его роль как окислителя в круговороте отдельных элементов биосферы.

Единственными продуцентами свободного кислорода на Земле являются зеленые растения, которые образуют его в процессе фотосинтеза. Определенное количество кислорода образуется в результате фотолиза паров воды ультрафиолетовыми лучами за пределами озонового слоя. Поглощение организмами кислорода из внешней среды происходит всей поверхностью тела (простейшие, черви) или специальными органами дыхания: трахеями (насекомые), жабрами (рыбы), легкими (позвоночные).

Кислород химически связывается и переносится по всему организму специальными пигментами крови: гемоглобином (позвоночные), гемоциапином (моллюски, ракообразные). У организмов, пребывающих в условиях постоянного недостатка кислорода, выработались соответствующие приспособления: повышенная кислородная емкость крови, более частые и глубокие дыхательные движения, большой объем легких (у жителей высокогорья, птиц) или уменьшение использования кислорода тканями благодаря повышению количества миоглобина - аккумулятора кислорода в тканях (у обитателей водной среды).

Вследствие высокой растворимости СО₂ и О₂ в воде относительное их содержание здесь выше (в 2-3 раза), чем в воздушной среде (рис. 1). Это обстоятельство очень важно для гидробионюв, использующих либо растворенный кислород для дыхания, либо СО₂ для фотосинтеза (водные фототрофы).

Углекислый газ. Нормальное количество этого газа в воздухе невелико - 0,03 % (по объему) или 0,57 мг/л. Вследствие этого даже небольшие колебания в содержании СО₂ существенно отражаются па непосредственно зависящем от него процессе фотосинтеза. Главные источники поступления СО₂ в атмосферу - дыхание животных и растений, процессы горения, извержения вулканов, деятельность почвенных микроорганизмов и грибов, промышленные предприятия и транспорт.

Обладая свойством поглощения в инфракрасной области спектра, углекислый газ влияет на оптические параметры и температурный режим атмосферы, обусловливая известный "парниковый эффект".

Важным экологическим аспектом является повышение растворимости кислорода и углекислого газа в воде по мере уменьшения ее температуры. Именно поэтому фауна водных бассейнов полярных и приполярных широт очень обильна и разнообразна, главным образом за счет повышенной концентрации в холодной воде кислорода. Растворение кислорода в воде, как и любого другого газа, подчиняется закону Генри: оно обратно пропорционально температуре и прекращается при достижении точки кипения. В теплых водах тропических бассейнов пониженная концентрация растворенного кислорода ограничивает дыхание, а следовательно, и жизнедеятельность и численность водных животных.

В последнее время наблюдается заметное ухудшение кислородного режима многих водоемов, вызванное увеличением количества органических загрязнителей, деструкция которых требует большого количества кислорода.

Географическая (широтная) зональность

В широтном направлении с севера на юг на территории РФ последовательно располагаются такие природные зоны: тундра, тайга, лиственный лес, степь, пустыня. Среди элементов климата, которые определяют зональность размещения и распространения организмов, ведущую роль играют абиотические факторы - температура, влажность, световой режим.

Наиболее заметно зональные изменения проявляются в характере растительности - ведущем компоненте биоценоза. Это в свою очередь сопровождается изменениями состава животных - потребителей и деструкторов органических остатков звеньев цепей питания.

Тундра - холодная, безлесная равнина северного полушария. Климатические условия ее мало пригодны для вегетации растений и разложения органических остатков (вечная мерзлота, относительно низкая температура даже летом, короткий период плюсовых температур). Тут сформировались своеобразные малочисленные по видовому составу (мхи, лишайники) биоценозы. Продуктивность биоценоза тундры в связи с этим малая: 5-15 ц/га органического вещества в год.

Зона тайги характеризуется относительно благоприятными почвенно-климатическими условиями, особенно для хвойных пород. Тут сформировались богатые и высокопродуктивные биоценозы. Ежегодное образование органического вещества составляет 15-50 ц/га.

Условия умеренной зоны привели к формированию сложных биоценозов лиственных лесов с самой высокой на территории РФ их биологической продуктивностью (до 60 ц/га в год). Разновидностями лиственных лесов являются дубравы, буково-кленовые, смешанные леса и др. Такие леса характеризуются хорошо развитым кустарниковым и травянистым подлесками, что способствует размещению разнообразной по видам и количеству фауны.

Степи - природная зона умеренного пояса полушарий Земли, которая характеризуется недостаточным водообеспечением, поэтому тут преобладает травянистая, преимущественно злаковая растительность (ковыль, типчак и др.). Животный мир разнообразен и богат (лисица, заяц, хомяк, мыши, много птиц, особенно перелетных). В степной зоне размещены важнейшие районы производства зерна, технических, овощных культур и животноводства. Биологическая продуктивность этой природной зоны относительно велика (до 50 ц/га в год).

Пустыни преобладают в Средней Азии. Вследствие незначительного количества осадков и высокой температуры летом растительность занимает менее половины территории этой зоны и имеет специфические приспособления к засушливым условиям. Животный мир разнообразен, его биологические особенности рассматривались раньше. Ежегодное образование органической массы в зоне пустынь не превышает 5 ц/га (рис. 107).

Соленость среды

Соленость водной среды характеризуется содержанием в ней растворимых солей. В пресной воде содержится 0,5-1,0 г/л, а в морской - 10-50 г/л солей.

Соленость водной среды имеет важное значение для ее обитателей. Существуют животные, приспособленные к обитанию только в пресной воде (карпообразные) или только в морской (сельдеобразные). У некоторых же рыб отдельные стадии индивидуального развития проходят при различной солености воды, например угорь обыкновенный обитает в пресных водоемах, а на нерест мигрирует в Саргассово море. Таким водным обитателям необходима соответствующая регуляция солевого баланса в организме.

Механизмы регуляции ионного состава организмов.

Сухопутные животные вынуждены регулировать солевой состав своих жидких тканей для поддержания внутренней среды в постоянном или почти постоянном химически неизмененном ионном состоянии. Основной способ поддерживать солевой баланс у гидробионтов и сухопутных растений - избегать местообитаний с неподходящей соленостью.

Особенно напряженно и безошибочно должны работать такие механизмы у мигрирующих рыб (лосося, кеты, горбуши, угря, осетра), которые периодически переходят из морской воды в пресную или наоборот.

Проще всего происходит осмотическая регуляция в пресной воде. Известно, что в последней концентрация ионов значительно меньше, чем в жидких тканях. Согласно законам осмоса внешняя среда по концентрационному градиенту через полупроницаемые мембраны поступает внутрь клеток, происходит как бы "разведение" внутреннего содержимого. Если бы такой процесс не контролировался, организм мог бы разбухнуть и погибнуть. Однако пресноводные организмы имеют органы, которые выводят наружу лишнюю воду. Сохранению необходимых для жизнедеятельности ионов способствует то, что моча у таких организмов довольно разбавленная (рис. 2, а). Отделение такого разведенного раствора от внутренних жидкостей, вероятно, требует активной химической работы специализированных клеток или органов (почек) и потребления ими значительной доли общей энергии основного обмена.

Наоборот, морские животные и рыбы пьют и усваивают только морскую воду, пополняя тем самым постоянный выход ее из организма во внешнюю среду, которая характеризуется высоким осмотическим потенциалом. При этом одновалентные ионы соленой воды активно выводятся наружу жабрами, а двухвалентные - почками (рис. 2, б). На откачку избыточной воды клетки затрачивают довольно много энергии, поэтому при возрастании солености и уменьшении воды в теле организмы обычно переходят к неактивному состоянию - солевому анабиозу. Это свойственно видам, обитающим в периодически пересыхающих лужах морской воды, лиманах, на литорали (коловратки, бо-коплавы, жгутиковые и др.)

Соленость верхнего слоя земной коры определяется содержанием в ней ионов калия и натрия, и также, как и соленость водной среды, имеет важное значение для ее обитателей и, в первую очередь, растений, которые имеют к ней соответствующую приспособленность. Этот фактор для растений не случаен, он сопровождает их в течение эволюционного процесса. К почвам с высоким содержанием калия и натрия приурочена так называемая солончаковая растительность (солянка, солодка и др.).

Верхний слой земной коры - это почва. Кроме солености почвы различают другие ее показатели: кислотность, гидротермический режим, аэрация почвы и т.п. В совокупности с рельефом эти свойства земной поверхности, получившие название эдафические факторы среды, оказывают экологическое воздействие на ее обитателей.

Эдафические факторы среды

- свойства земной поверхности, оказывающие экологическое воздействие на ее обитателей.

В зависимости от эдафических факторов можно выделить ряд экологических групп растений.

По реакции на кислотность почвенного раствора различают:

ацидофильные виды, растущие при рН ниже 6,5 (растения торфяных болот, хвощ, сосна, пихта, папоротник);

нейтрофильные, предпочитающие почву с нейтральной реакцией (рН 7) (большинство культурных растений);

базифильные - растения, которые лучше всего растут на субстрате, имеющем щелочную реакцию (рН более 7) (ель, граб, туя)

и индифферентные - могут произрастать на почвах с разным значением рН.

По отношению к химическому составу почвы растения делятся на

олиготрофные, малотребовательные к количеству питательных веществ;

мезотрофные, требующие умеренного количества минеральных веществ в почве (травянистые многолетники, ель),

мезотрофные, нуждающиеся в большом количестве доступных зольных элементов (дуб, плодовые).

По отношению к отдельным элементам питания

виды, особенно требовательные к высокому содержанию азота в почве, называются - нитрофилами (крапива, растения скотных дворов);

требующие много кальция - кальцефилами (бук, лиственница, порезник, хлопчатник, маслина);

растения засоленных почв называются галофитами (солянка, сарсазан), излишек солей некоторые из галофитов способны выделять наружу, где эти соли после высыхания образуют твердые пленки или кристаллические скопления

По отношению к механическому составу

растений сыпучих песков - псаммофиты (саксаул, акация песчаная)

растений каменистых осыпей, трещин и углублений скал и других подобных местообитаний - литофиты [петрофиты] (можжевельник, дуб скальный)

Рельеф местности и характер грунта существенно влияют на специфику передвижения животных, на распределение видов, жизнедеятельность которых временно или постоянно связана с почвой. От гидротермического режима почв, их аэрации, механического и химического составов зависят характер корневой системы (глубинная, поверхностная), образ жизни почвенной фауны. Химический состав почвы и разнообразие обитателей влияют на ее плодородие. Наиболее плодородными являются черноземные почвы, богатые перегноем.

Как абиотический фактор рельеф оказывает влияние на распределение климатических факторов и, таким образом, на формирование соответствующих флоры и фауны. Например, на южных склонах холмов или гор всегда более высокая температура, лучшая освещенность и соответственно меньшая влажность.

Размещено на Allbest.ru

...