Пространственные уровни мироздания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пространственные уровни мироздания

План

1. Микромир

2. Мегамир

2.1 Существующие модели происхождения и эволюции Вселенной

2.2 Галактики

2.3 Хронология возникновения различных элементов Вселенной

2.4 Галактика - «Млечный путь»

2.5 Солнечная система

3. Макромир

4. Биосфера как экологическая система

4.1 Обменные процессы в биосфере

4.2 Отличие живого от неживого

5. Баланс солнечной энергии на Земле

6. Принципы эволюции

6.1 Нелинейность в биологических системах

1. Микромир

Итак, в современной ЕНКМ были выделены три основных структурных уровня - микро-, макро- и мегамир.

Микромир включает в себя: субэлементарные частицы (кварки), элементарные частицы, атомы, молекулы, клетки.

Элементарные частицы и их античастицы принято подразделять на три группы - фотоны, лептоны, адроны.

Первая - фотоны. Эта группа, состоящая только из одной частицы -- фотона -- кванта электромагнитного взаимодействия, охватывающего в той или иной степени все частицы, как заряженные, так и нейтральные (кроме нейтрино).

Вторая - лептоны (от греческого "лептос" -- легкий), участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К группе лептонов относятся электрон, мюон, таон и соответствующие им нейтрино.

Третья - адроны - (от греческого "адрос" -- крупный, сильный), которые составляют основную часть элементарных частиц. Эта группа состоит из подгруппы мезонов (от греч. "мезос" -- средний: пионы и каоны), эта-мезонов и барионов (от греч. "барoс" -- тяжелый: нуклоны, гипероны). Адроны участвуют в сильном взаимодействии наряду с электромагнитным и слабым.

Для всех типов взаимодействий элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и заряда.

В 60-е годы разработана кварковая модель адронов, согласно современному варианту, которой все адроны рассматриваются как комбинации шести фундаментальных частиц - кварков и соответственно шести антикварков в состояниях с определенным моментом импульса. Смелым шагом в теории явилось, в частности, предположение о дробном электрическом заряде кварков. Самое необычное свойство состоит в том, что кварки существуют только внутри адронов и не наблюдаются как изолированные объекты.

Итак, в микромире выделяются следующие модели:

1. Протонно-нейтронная модель ядра.

2. Ядерная модель

3. Концепции ядерных реакций.

4. Концепции, связанные с различными видами физических взаимодействий.

2. Мегамир

Мегамир включает в себя планеты (со спутниками), звезды и звездные системы, галактики, сверхгалактики, Метагалактика, Вселенная.

2.1 Существующие модели происхождения и эволюции Вселенной

Существует огромное многообразие моделей возникновения Вселенной, построенные на основании первичного гигантского взрыва. Но наиболее приемлемые были три из них:

1. Теория расширяющейся Вселенной (горячей Вселенной), предложенная Г. Гамовым в 1948 г.

2. Теория стационарной Вселенной, выдвинутая Хойлом.

3. Теория холодной Вселенной (протонно-электронная), предложенная Зельдовичем.

Наиболее обоснованная в настоящее время теория - теория расширяющейся Вселенной, которая принята за стандартную модель.

Основные открытия, послужившие созданию различных моделей возникновения Вселенной.

1. Петроградский физик и математик А.А. Фридман (1888-1925) заметил, что исходя из теории относительности искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться или сжиматься вследствие действия гравитационных сил во Вселенной (1922).

2. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл (1889-1953) установил, что свет, идущий от далеких галактик смещается в сторону красного конца спектра (красное смещение). Согласно принципу Допплера это свидетельствует об удалении («разбегании») галактик от наблюдателя.

3. Американский физик Г. Гамов (1904-1968) проводил исследования физических процессов, происходивших на разных стадиях расширяющейся Вселенной. В результате исследований установил, что Вселенная произошла от гигантского взрыва, истоком которого являлся физический вакуум.

Стандартная модель эволюции Вселенной

Эта модель предполагает, что начальная температура внутри сингулярности превышала градусов по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало шкалы отсчета соответствует -273 градусам шкалы Цельсия. Плотность материи равнялась приблизительно 10⁹³ г/см³. В подобном состоянии неизбежно должен был произойти «Большой взрыв», с которым связывают начало эволюции в стандартной модели Вселенной, называемой поэтому также моделью «Большого взрыва». Предполагают, что такой взрыв произошел примерно 15-20 млрд. лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более умеренным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее эволюции.

Выделяют четыре эры (зоны) эволюции Вселенной: адронов, лептонов, фотонов, звезд (галактик).

Наиболее интересная с точки зрения существования материи - это начальная стадия эволюции Вселенной.

Эра адронов продолжалась 0,0001 секунды с выделением значительной энергии гамма-квантов. При высоких температурах здесь могли существовать частицы только больших масс, для которых преимущественно гравитационное взаимодействие. Это эра тяжелых частиц и мезонов (плотность 10¹⁴, Т10¹² К).

Основную роль здесь играют излучения количества вещества и антивещества, приблизительно они равны. В конце адронной эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов.

Эра лептонов. Продолжительность от 0,0001 до 10 секунд. 10¹⁰Т10¹²К, плотность 10⁴d10¹⁴. Основную роль здесь играют легкие частицы, участвующие в реакциях между протонами и нейтронами. В конце эры лептонов происходит эра аннигиляция электронов и позитронов. Спустя 0,2 секунды Вселенная становится «прозрачной» для электронных нейтрино и они перестают взаимодействовать с веществом. В конце лептонной эры происходили взаимные превращения протонов и нейтронов друг в друга. К началу эры фотонов количество их были приблизительно равные. Таким образом, на этой стадии происходило непрерывное превращение вещества в излучение, и наоборот. Вследствие этого между веществом и излучением сохранялась симметрия.

Фотонная эра от 10 секунд до 1 млн. лет. Основную долю энергии составляют фотоны, которые взаимодействуют с веществом. В первые 5 минут происходили события, которые и определили устройство нашего мира.

При дальнейшем расширении Вселенной эта симметрия нарушалась вследствие уменьшения температуры и, соответственно, увеличения числа протонов. Именно на этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы - протоны и нейтроны. Самым главным результатом этой стадии (микроэволюции) было образование незначительного перевеса вещества над излучением (из-за небольшого преобладания протонов и нейтронов над фотонами). Именно из-за этой асимметрии возникло огромное разнообразие материальных объектов, явлений и форм, начиная от молекул, кристаллов и до звезд, звездных систем, галактик.

Звездная эра. Продолжительность от 1 до 10 млн. лет. Сначала здесь происходит процесс образования протозвезд и протогалактик.

2.2 Галактики

Галактики представляют собой огромные скопления звезд. Различаю эллиптические, спиральные и неправильные галактики.

В начале галактика представляла собой медленно вращающееся газовое облако. Под действием собственной гравитации облако сжималось (коллапсировало), так что центробежная сила и газовое давление не могло противостоять этому. В ходе коллапса рождались первые звезды.

Выделяющиеся при коллапсе облака энергии гравитации переходила в кинетическую энергию движения звезд и газа. В звездной подсистеме повышение кинетической энергии прекратило дальнейшее сжатие. Поэтому подсистема звезд (уже старых), возникшая в начале коллапса протогалактики, сохранила свою первоначальную почти сферическую форму, образовав гало.

Из-за сохранения углового момента при сжатии - скорость вращение увеличивалась. Возросшие центробежные силы прекратили сжатие поперек оси вращения, тогда как сжатие вдоль оси продолжалось. Так сформировался тонкий газовый диск, а родившиеся там звезды образовали вращающуюся дисковую подсистему. В галактике происходит непрерывное превращение некоторой доли межзвездного газа в звездах различных масс.

Сверхгалактика - сверхсистема галактик, гигантская совокупность галактик. Диаметр сверхгалактики - 20-30 Мпс (мегапарсек), что значительно больше диаметра обычных скоплений галактик. Число галактик в сверхгалактике десятки тысяч. От обычных скоплений галактик сверхгалактика отличается также сильной сплюснутостью формы.

Парсек (сокращенно от параллакс+секунда) - единица длины, применяемая в астрономии, обозначается пс или пк (СИ).

1 пс=206.265 а.е =3,263 светового года=3,086·10¹⁶ м.

Параллакс (греч. - отклонение) видимое изменение положения небесного светила вследствие перемещения наблюдателя. Вследствие вращения Земли - суточный параллакс; обращение Земли вокруг Солнца - годичный параллакс, движения солнечной системы в Галактике - вековой параллакс.

Полагают, например, что через 0,01 секунды после взрыва плотность материи с невообразимо большой величины должна была упасть до 10¹⁰ г/см³, через три минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия. Остальные химические элементы образовались из этого дозвездного вещества в результате ядерных реакций. В настоящее время наблюдается реликтовое излучение как остаток образования нейтральных атомов водорода и гелия.

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших раньше симметрий и возникновения на этой основе новых структур.

Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением симметрии, непосредственно следует из принципа положительной обратной связи, согласно которому неравновесность и неустойчивость, возникающая в открытой системе, вследствие взаимодействия системы со средой со временем не ликвидируется, а наоборот, усиливается. Это приводит в конечном счете к разрушению прежних симметрий и, как следствие, к возникновению новой структуры.

В общих чертах формирование Вселенной, согласно стандартной модели, представляется следующим образом. Когда температура Вселенной после взрыва упала до 6 млрд. градусов по Кельвину, первые 8 секунд после взрыва там существовало в основном смесь электронов и позитронов. Пока эта смесь находилась в тепловом равновесии, количество частиц разного рода оставалось приблизительно одинаково. Между частицами происходили непрерывные столкновения, в результате чего возникали пары фотонов, а из столкновения последних - электрон и позитрон.

На этой стадии происходило непрерывное превращение вещества в излучение и наоборот, излучения в вещество. Вследствие этого между веществом и излучением сохранялась симметрия.

Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и соответственно понижения ее температуры. Именно на этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы - протоны и нейтроны. Самым же главным результатом этой стадии микроэволюции в рамках организации Вселенной было образование крайне незначительного перевеса вещества над излучением, которое оценивается примерно как излишек одного протона или нейтрона на миллиард фотонов. Как раз из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникло то огромное богатство и разнообразие материальных образований, явлений и форм, начиная от атомов, молекул, кристаллов, минералов и кончая разнообразными горными образованиями, планетами, звездами и звездными ассоциациями, галактиками и скоплениями галактик.

Процессы микроэволюции Вселенной, продолжавшиеся не менее 10 млрд. лет, привели к образованию молекул и тем самым явились предпосылкой для начала макроэволюции Вселенной, в результате которой и возникли окружающие нас макротела, разнообразные их системы вплоть до галактических. Здесь существенная роль принадлежит уже нарушению симметрии между различными физическим взаимодействиями.

Если принять так называемую стандартную модель, то через 0,01 секунды после «взрыва» плотность вещества-излучения имела невообразимую величину 10⁹³ г/см³, затем упала до выразимо огромных 10¹⁰ г/см ³, и тогда могла появиться смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия), давшая начало ядерным реакциям, образовавшим остальные элементы таблицы Менделеева. Происходили непрерывные взрывные переходы вещество - излучение, поддерживавшие симметрию. Известно, что любая эволюция сопровождается нарушением симметрии, обеспечивающим переход к новым структурным образованиям и уровням. На следующей стадии «стaндapтнaя» модель предписывает образование тяжелых ядерных частиц-нейтронов и протонов, с крайне незначительным преобладанием вещества над излучением, предохраняющим от аннигиляции («исчезновений» вещества в излучении) - порядка одного (!) протона или нейтрона на один миллиард фотонов. Такое нарушение симметрии обеспечило процесс образования всего множества форм от атомов до галактик, до жизни и разума. Не вникая далее в детали, приведем своеобразный календарь американского астрофизика Карла Сагана (р. 1934).

Если космический год принять за 15 миллиардов земных лет, а секунду соответственно за 500 лет, то эволюция Вселенной выглядит таким образом.

2.3 Хронология возникновения различных элементов Вселенной

Большой взрыв - 1 января, 00 ч. 00 мин.

Образование галактик - 10 января

Образование Солнечной системы - 9 сентября

Образование Земли - 14 сентября

Жизнь на Земле - 25 сентября

Океанский планктон - 18 декабря

Первые рыбы - 19 декабря

Динозавры - 24 декабря

Первые млекопитающие - 26 декабря

Первые птицы - 27 декабря

Первые приматы - 29 декабря

Первые гоминиды - 30 декабря

Первые люди - 31 декабря, 22 ч. 30 мин.

2.4 Галактика - «Млечный путь»

В начале галактика представляет собой медленно вращающееся газовое облако. Под действием собственной гравитации облако сжимается (коллапсируется), входе коллапса рождаются новые звезды. Выделяют галактики эллиптические, спиральные и неправильные.

Наша галактика (Млечный Путь) является спиральной галактикой. Это гигантская звездная система (200 млрд. звезд), которая представляет собой тонкий диск с утолщением в центре - гало. Она образовалась 13 млрд. лет назад. Молодые звезды сконцентрированы в достаточно тонком диске, а старые - в сферическом объеме. Эти две подсистемы движутся с различными скоростями и имеют различный состав. Диаметр диска 100 000 световых лет, а толщина - 30 000 световых лет. Наша галактика напоминает живой организм, обладает своим внутренним обменом веществ (космическим метаболизмом). Различные объекты галактики тесно связаны между собой и находятся в процессах непрерывного взаимодействия на всех уровнях иерархий подсистем галактики.

На рисунке 17 представлена наша спиралевидная галактика, где видно, что наше Солнце вместе с системой планет находится на краю диска.

Рис.17. Схема положения Солнечной системы в Галактике и направления движения Солнца и Галактики относительно реликтового излучения

2.5 Солнечная система

В Солнечной системе все планеты по физическим характеристикам подразделяются на планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и группу планет-гигантов (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун).



Рис.18. Планеты Солнечной системы

Внутреннее строение планет земной группы приведено на рис. 19, а параметры планет Солнечной системы - в табл.8.

Рис.19. Внутреннее строение планет земной группы

Таблица 8. Солнечная система

Планета	Период обращения вокруг Солнца, лет	Масса, о.е	Радиус о.е.	Сутки	Спутники, кол-во	Расстояние до Солнца, астрон. ед.
Меркурий	0,24	0,06	0,38	56,7дн	0	0,4
Венера	0,62	0,82	0,95	243 дн	0	0,7
Земля	1	1	1	1дн.-23.93 ч	1	1
Марс	1,88	0,11	0,53	24,6 ч	2	1,6
Юпитер	11,86	317,8	11,2	9,8 ч	16	5,2
Сатурн	29,46	95,1	9,42	10,7 ч	20	10,0
Уран	84,01	14,5	4,10	17,24 ч	15	19,6
Нептун	164,8	17,2	3,88	16,1 ч	8	38,8
Плутон	247,7	0,002	0,18	6,4 дн	1	77,2

3. Макромир

Макромир включает в себя индивида, популяции, виды, сообщества и биосферу.

Земля оказывает влияние и на окружающее пространство.

Радиус гравитационной сферы влияния Земли может быть представлен либо как расстояние, на котором могут двигаться объекты, оставаясь спутниками Земли (1 500 000 км), либо - как радиус сферы, в которой земное притяжение больше притяжения Солнца (2 600 000 км).

Таблица 9. Химический состав геосфер и оболочек Земли

Оболочка, геосфера	Содержание (в весовых процентах)
	Азот	Водород	Углерод	Кислород	Сера	Металлы
Ядро	--	следы	--	следы	следы	99
Мантия	--	следы	следы	40,0	16,0	43,0
Земная кора	--	0,14	0,16	46,7	27,7	24,5
Гидросфера	следы	10,7	0,28	86,0	следы	1,28
Атмосфера	74,5	0,14	0,01	24,1	--	--
Биосфера	2,2	9,1	14,0	73,0	следы	1,0

Самый высокий уровень организации жизни на Земле - биосфера. Этот термин появился в конце XIX в. и характеризует область активной жизни, охватывающую нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В.И. Вернадский создал учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов, включая человека, является геохимическим фактором планетарного масштаба и значения. Он выделял в биосфере косное (солнечная энергия, почва и т.д.) и биокосное (органическое) вещества.

В атмосфере наиболее заселен слой толщиной до 50 метров. Вынос микроорганизмов на высоты более 15 км возможен конвекционными потоками. За верхнюю границу биосферы условно принимается озоновый слой (около 10-15 км), выше него мощный поток ультрафиолетового излучения убивает, вероятно, все живое. Однако исследования показывают, что защитить живые клетки от воздействия излучения и потоков ионизирующих частиц достаточно просто. Такую защиту может, в частности, обеспечить железный метеорит диаметром менее 0,6 мкм и стенками толщиной не более 0,1 мкм.

Нижняя граница распространения живых организмов в литосфере определяется температурой. По современным представлениям, живые организмы могут жить при температурах до 100 °С. Однако этот фактор может быть несущественным. Обнаружение грибов в ядерных реакторах говорит о возможности живого переносить огромные потоки ионизирующего излучения.

Считается, что средняя толщина биосферы - около 33 000 км, однако, известны и живые организмы, не нуждающиеся в кислороде, поэтому границы жизни могут быть гораздо шире.

Наиболее всеобъемлющей является биогеохимическая концепция биосферы, сформулированная В.И. Вернадским. В этой концепции основу биосферы как геологической оболочки составляет живое вещество, понимаемое как совокупность химических элементов, сосредоточенных во всех живых организмах, вместе взятых.

По мнению В.И. Вернадского, для данного геологического периода количество живого вещества биосферы постоянно.

Живое вещество характеризуется огромной энергией, которая может быть использована для совершения работы. Эта энергия есть солнечная энергия, превращенная в энергию химических связей в процессе фотосинтеза зеленых растений и распространяющаяся по поверхности Земли благодаря способности живого регулировать проявления собственных процессов. Живое вещество оказывает непрерывное, постоянное воздействие на окружающий мир. По подсчетам В.И. Вернадского, скорость распространения (растекания) живого вещества по поверхности меняется в зависимости от размеров организма и достигает 300 м/с для бактерий (это, в общем, скорость звука в воздухе, вероятно звуковая волна способна переносить живое вещество).

Живое вещество производит на Земле непрерывную, не прекращающуюся ни на мгновение работу по переработке своего окружения, по его изменению.

Эта функция живого вещества ставит биосферу в особое положение в структуре геологических оболочек. В механизме формирования земной коры она выступает активным началом, изменяющим газовый состав атмосферы, минеральный состав литосферы, почву, гидросферу. Глобальные геохимические функции живого вещества осуществляются через питание (концентрационная функция), дыхание (газовая функция) и размножение (транспортная функция) особей всех видов живых организмов во все этапы развития жизни на Земле.

Человек, являясь частью живого вещества, также, участвует в реализации геохимической функции живого вещества.

В настоящее время существует много различных вариантов происхождения жизни на Земле. Основные из них:

– креационизм (божественное сотворение живого);

– самопроизвольное зарождение жизни из неживого вещества;

– стационарное состояние, в соответствии с которым жизнь существовала всегда;

– панспермия (внеземное происхождение жизни);

– происхождение жизни на Земле в историческом прошлом в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

мегамир эволюция вселенная биосфера

4. Биосфера как экологическая система

Любое природное тело, процесс, явление могут быть представлены как совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых частей, элементов, иначе говоря, - в виде системы. Следовательно, организованность - важнейшее свойство окружающего нас мира, реализующееся в виде структурных различий составляющих частей. Эти различия проявляются в виде соподчиненных или структурных иерархических уровней.

В зависимости от выделяемых частей природный объект может быть представлен в виде физических, химических, биологических и иных систем. Однако представление природного объекта в виде какой-либо одной системы всегда неполно, отражает только отдельные его стороны.

Термин «экология» (греч. oikos - жилище, место обитания, logos - наука) предложил Э. Геккель в 1866 г. для обозначения науки, изучающей взаимоотношения животных с органической и неорганической средами. Возможны и иные определения понятия «экология». Вот некоторые из них.

«Экология - наука, исследующая закономерности жизнедеятельности организмов (в любых ее проявлениях, на всех уровнях интеграции) в их естественной среде обитания с учетом изменений, вносимых в среду деятельностью человека». «В глобальной экологии центральное место заняло влияние совокупной человеческой деятельности на природу в целом и на ее отдельные элементы». «Экология - наука, изучающая взаимодействие организмов с окружающей средой».

Представление объекта в виде экологической системы возможно только при выполнении единственного условия - хотя бы одна из частей системы должна быть какой-либо формой живого. При этом не особенно важно, каковы характеристики живого. Это могут быть биомасса, количество видов, количество хлорофилла и т. п. Принципиально только одно: и мир в целом, и отдельные образования рассматриваются как единство живого и неживого, его окружения. Живое является полноправным компонентом мироздания. В этом главная особенность и уникальность представления природных тел, процессов, явлений в виде экологической системы.

В самом общем виде под экологической системой следует понимать модель взаимосвязей между живыми организмами и неживой природой (окружающей средой).

При решении практических проблем выделение взаимосвязей между живыми организмами и окружающей средой, выбор показателей, характеризующих живое и среду, будет всегда свой для каждой конкретной задачи. Сколько задач - столько и экологических систем.

Поэтому биосфера как область распространения жизни, включающая наряду с живыми организмами и среду их обитания, является, по определению, экологической системой.

На основе общих представлений о живом и его окружении природный объект может быть изображен как экологическая система (см. рис.20).

Рис.20. Биологические системы и окружающая среда

Биота представлена в виде всего органического мира и практически эквивалентна понятию «живое вещество».

При этом очевидно, что понятие «органический мир» шире, так как содержит все органические молекулы, в том числе и вне живого. Однако эта связь подчеркивает, что органические и неорганические соединения сосуществуют в природе, обеспечивают существование друг друга, изменяются, переходя друг в друга.

В представлении об уровнях организации живой материи это биота будет включать в себя: субклеточные структуры, организм, популяцию, биоценоз, живое вещество. Окружающая среда будет представлять среду обитания (условия жизни и экологически факторы). Главная проблема состоит в том, что нет однозначного решения о разделении живой материи на некие уровни. Подходы могут быть многообразны и разносторонни.

Если учитывать связь организмов со средой обитания, то биота будет включать: растения, животные, птицы, микроорганизмы, а окружающая среда - это среда обитания (атмосфера, гидросфера, литосфера)

Ясно, что в зависимости от среды обитания конкретных видов живого будут меняться их взаимоотношения с неживым, взаимное влияние будет иметь разные скорости, последствия.

При включении в биоту человека взаимоотношения человека с окружающим миром не сводятся только к эксплуатации природы, но и к освоению ее наукой, философией, религией, искусством. Тогда в биоту будет входить: человек, особь (индивидуум, личность), группы, общества. Окружающая среда - это природная среда (социальная и духовная).

В условиях техногенной цивилизации происходит усиление роли антропогенных факторов в эволюции биосферы. Активная деятельность людей постепенно превращается в доминирующую геологическую силу. Наступает время, когда мощь техногенной цивилизации может оказаться опасной для человечества - с этого момента биосфера должна постепенно преобразовываться в ноосферу. Идея закономерного перехода биосферы в ноосферу была сформулирована Вернадским В. И. как целостная концепция управляемого взаимодействия человека и природы.

Ноосфера - сфера разума. Под ноосферой понимается та область биосферы, которая подвержена человеческой деятельности и процессы которой могут быть сознательно, целенаправленно управляемы человеком.

4.1 Обменные процессы в биосфере

В 1958 г. было обнаружено, что верхние слои атмосферы Земли (высоты от 100 до 300 км) излучают избыточную энергию в инфракрасном (тепловом) диапазоне длин волн. Исследования показали, что это излучение связано со сложными процессами взаимодействия коротковолнового (ультрафиолетового и рентгеновского) излучения Солнца с молекулами газов (в основном азота и кислорода). В настоящее время инфракрасному излучению верхних слоев атмосферы отводится важное место в проблеме влияния солнечной активности на погоду.

При среднем по величине всплеске солнечной активности на площади один миллион квадратных километров в течение суток выделится энергия около 10¹⁷ Дж. Это не так много, примерно в сто раз меньше энергии обычного циклона. Но почти вся эта энергия переходит в инфракрасное (тепловое) излучение, достигающее нижних слоев атмосферы. Происходит слабый нагрев атмосферы на высотах 10-30 км, вызывающий незначительное изменение давления. Перепад давлений приводит к появлению ветра со скоростью до 0,1 м/с и направлением с севера на юг.

Именно такое взаимодействие является одним из факторов, спусковых механизмов возникновения неустойчивостей в атмосфере (циклонов и антициклонов).

Рис.21. Принципиальная схема биологического круговорота

1. Популяция (фр. «население») - исходный и базовый элемент для надорганизменного уровня; совокупность организмов (особей) одного вида с единым генофондом, занимающих определенную территорию.

Термин введен в 1903 г. датским генетиком В. Иогансеном. Все живое существует в популяциях. Согласно правилу, сформулированному С.С. Четвериковым, любые виды живого объединены в популяции. У каждой из них есть свои количественные границы -- минимальная и максимальная численности, пределы воспроизводства. Место жизнедеятельности популяции получило название ареала (лат. «area» -- площадь, пространство). Границы ареала подвижны и причудливы по форме -- ленточные, островные, диффузные. Существует термин «кружево ареала».

2. Биоценоз (греч. «bios» - жизнь, «koinos» - общий) - совокупность популяций, живущих на единой территории. Термин введен в 1877 г. немецким биологом К. Мебиусом. Биоценоз является закрытой системой для чуждых популяций и открытой - для своих. Между последними устанавливаются разнообразные отношения - антагонизма, конкуренции, кооперации и паразитизма.

3. Биогеоценоз. Единство биоценоза с неживой природой, косной средой. Термин предложен В.Н. Сукачевым в 1940 г. Под косной средой, по Вернадскому, понимается вещество, поле и энергия. В зависимости от их переработки и усвоения выделяют три вида биологических образовании:

- непосредственно перерабатывающие косную материю (так называемые продуценты), к ним относятся водоросли, микроорганизмы, растения;

- использующие для переработки продуценты (консументы), растительноядные животные;

- живущие за счет консументов (редуценты), хищники, паразиты.

Через эти три уровня проходит круговорот вещества, т. е. при прямом и непосредственном участии жизни идет использование, переработка и восстановление вещественных структур, иначе - биогенная миграция атомов.

Отметим, что круговорота энергии в биогеоценозе нет. Это и понятно, энергия перерабатывается в тепло, распределяющееся в пространстве. С предшествующего уровня на последующий переходит только 10 % энергии.

4.2 Отличие живого от неживого

Жизнь - это строго упорядоченное взаимодействие ферментативных процессов.

Жизнь - это процесс обмена вещества на основе затраты энергии и информации, получаемой извне.

Жизнь - это процесс, который воедино связывает физический (вещество) и духовный (информация) мир в единую систему.

Культура древнего мира не признавала разделения на живое и мертвое. Все существующее в мире и доступное наблюдению представлялось живым (анимизм). С накоплением опыта общения с природой, наблюдения и экспериментирования сформировались представления о границе между живым и неживым.

Существует несколько подходов к определению живого вещества. Один из них состоит в том, что живая материя имеет следующие признаки:

- питание - пища необходима как источник нужных веществ, энергии и информации;

- дыхание - один из источников химической энергии, относится к процессам обмена вещества и энергии;

- выделение - способ выведения из организма продуктов обмена веществ;

- подвижность и рост - движение в пространстве и движение внутри единиц жизни;

- размножение - передача эстафеты жизни от одного поколения к другому;

- раздражимость - все живые существа реагируют на изменения внешней и внутренней среды;

- гомеостаз - способность поддержания внутреннего химического состава и протекания всех физиологических процессов при непрерывно изменяющихся внешних условиях; одно из ведущих отличий живого от неживого;

- дискретность - жизнь проявляется в дискретных формах.

Растения и животные существуют в тесной связи с окружающей неживой природой и другими организмами. В процессе исторического развития и естественного отбора на Земле сформировались группы организмов - сообщества, тесно связанные с определенными природными зонами и поясами. Они носят название биом.

5. Баланс солнечной энергии на Земле

На каждый квадратный метр поверхности Земли от Солнца ежесекундно приходит энергия 1370 Дж. Эта энергия неравномерно распределена по спектральному диапазону. Учитывая поглощение излучения атмосферой, можно сказать, что из дошедшего до Земли излучения 10% приходится на коротковолновый (ультрафиолетовый) диапазон, 45% - на видимую часть спектра, 45% - на инфракрасный диапазон. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее 0,3 мкм практически полностью поглощается озоновым слоем.

Общий баланс энергии на Земле в экологических компонентах биогеоценоза представлен на рисунке 22.

Рис.22. Основные экологические компоненты биогеоценоза

Земля отражает часть падающей солнечной энергии. Мера этого (альбедо) определяется через отношение падающей и отраженной энергии. Величина альбедо зависит от характера поверхности. Чистый сухой снег отражает 90-95% падающей энергии (поэтому в горах крайне опасно находиться без светозащитных очков, можно ослепнуть - снежная слепота); сырой снег - 40-45%; сплошной тонкий покров - 10-25%. В среднем 30% энергии Солнца отражается, 69% идет на нагрев поверхности Земли и испарение воды, 0,2% тратится на механическую работу волн, течений, ветра и лишь 0,8% поступает в живую природу через фотосинтез - процесс образования (при участии энергии солнечного излучения) клетками высших растений, водорослей и некоторыми бактериями органических веществ. Основная энергия поступает в неживую природу.

При этом только около 1% падающей на растение солнечной энергии превращается в потенциальную энергию химических связей синтезированных органических веществ. Более половины этой энергии расходуется на обеспечение жизни самих растений и т. д.

Низкая продуктивность биосферы есть проявление общесистемного правила: энергетическая стоимость поддержания структуры, зависит от ее размеров. Чем больше и сложнее система, тем больше энергии необходимо тратить на внутренние потребности самой системы (дыхание, движение, поддержание температуры и т.п.). Иначе - тем меньше чистая продукция, избыточная по отношению к необходимым внутренним расходам.

Ограничителем роста системы является соотношение прихода и расхода энергии. Когда они равны, рост системы прекращается. Количество живого вещества, поддерживаемое в этих условиях, называется максимальной емкостью среды.

Замкнутые пути, по которым циркулируют химические элементы, носят название биогеохимических круговоротов или циклов. Только два химических элемента покидают Землю - водород и гелий. Остальные остаются в сфере влияния Земли и полностью участвуют в биогеохимических циклах.

Каждый круговорот состоит из двух основных частей.

Первая содержит сосредоточенный в геологических оболочках запас химических элементов, подверженный медленным превращениям и переходам из одних форм в другие.

Вторая - запас, находящийся в живой природе, участвующий в относительно быстрых превращениях органического мира.

Любой круговорот имеет три основных показателя: скорость (количество вещества, входящего в цикл или выходящего из цикла в единицу времени), время оборота (необходимое для полной смены всего вещества, вовлеченного в цикл), коэффициент рециркуляции (отношение возвращаемой доли по отношению к общему количеству вещества, вовлеченного в цикл).

По разным оценкам гидросфера обновляется за период от 3000 до 2 миллионов лет, земные воды - за 5000 лет, почвенная влага - за 1 год. Углекислый газ совершает круговорот за 300 лет. Кислород оборачивается за 2000 лет. |

Скорость оборота для леса может быть определена, например, по отношению сухого вещества подстилки к сухой массе опавших растений. Так, для заболоченных лесов это отношение равно 50, тундры - больше 20, тайги - до 20, степи - до 2, субтропиков - до 1, саванны - до 0,2, тропических лесов - не более 0,1. Исключительно быстрый круговорот в тропических лесах приводит к тому, что в почвах практически не происходит накопления органического вещества. Достаточно убрать лес - образуется пустыня.

Энергия Солнца используется только один раз. Она связывается зелеными растениями и далее циркулирует по пищевым цепям, проходя через травоядных, хищников и деструкторов (микроорганизмы, грибы и т.п., питающиеся мертвым органическим веществом).

В итоге энергия Солнца высвобождается в виде тепла. Чем длиннее пищевые цепи, тем дольше солнечная энергия пребывает в структуре оборота живого вещества. Пищевые цепи не могут быть длинными, так как с одного звена на другое переходит не более 10% массы вещества, вовлеченного в кругооборот.

6. Принципы эволюции

Около 50 лет назад в результате развития термодинамики возникла новая дисциплина - синергетика (греч. - совместное действие), было впервые предложено на рубеже 70-80 гг. ХХ столетия немецким физиком Г. Хакеном.

Синергетика - это наука о самоорганизации самых различных систем (физических, химических, биологических и социальных).

Синергетика занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких, как электроны, атомы, молекулы, клетки, нейтроны, механические элементы, фотоны, органы, животные и даже люди.

В синергетике выделяют три основных направления:

- изучение явлений, которые возникают от совместного действия нескольких разных факторов, в то время как каждый фактор в отдельности к этому явлению (эффекту) не приводит;

- изучение самоорганизации, т.е. усложнении формы, или в более общем случае, структуры системы при медленном и плавном изменении ее параметров;

- изучение неожиданных явлений, где любое качественное изменение состояния системы (или режим ее работы) производит впечатление неожиданного.

6.1 Нелинейность в биологических системах

Животный мир демонстрирует множество высокоупорядоченных структур и великолепно функционирующих. Организм как целое непрерывно получает потоки энергии (солнечная энергия, например, у растений) и веществ (питательных) и выделяет в окружающую среду отходы жизнедеятельности. Живой организм - это система открытая. Живые системы при этом функционируют определенно в дали от равновесия. В биологических системах, процессы самоорганизации позволяют биологическим системам трансформировать энергию с молекулярного уровня на макроскопический. Такие процессы, например, проявляются в мышечном сокращении, приводящим к всевозможным движениям, в образовании заряда у электрических рыб, в распознавании образов, речи и в других процессах в живых системах. Сложнейшие биологические системы являются одним из главных объектов исследования в синергетике. Возможность полного объяснения особенностей биологических систем, например, их эволюции с помощью понятий открытых термодинамических систем и синергетики в настоящее время окончательно неясна. Однако можно указать несколько примеров явной связи между понятийным и математическим аппаратом открытых систем и биологической упорядоченностью.

На рисунке 23 представлены графики нелинейных структур, где отражены поведения системы: а) линейные, б) нелинейные.

Рис.23. Иллюстрация универсальной черты нелинейности в самоорганизации структур

Если же стационарное значение характеристики Х не линейно зависит от управляющего ограничения при некоторых значениях, то при одном и том же значении имеется несколько различных решений. Например, при ограничениях система имеет три стационарных решения, рисунок 24б. Такое универсальное отличие от линейного поведения наступает при достижении управляющим параметром некоторого критического значения, где проявляется бифуркация. При этом в нелинейной области небольшое увеличение может привести к неадекватно сильному эффекту - система может совершить скачок на устойчивую ветвь при небольшом изменении вблизи критического значения. Возмущениями могут служить либо внешнее воздействие, либо внутренние флуктуации в самой системе. Таким образом, системе с множественными стационарными состояниями присуще универсально свойствам внутренней возбудимость и изменчивости скачкам.

Бифуркация (раздвоение) в широком понимании - приобретение нового качества движениями динамической системы при малом изменении ее параметров (возникновение при некотором критическом значении параметра нового решения уравнений). Отметим, что при бифуркации выбор следующего состояния носит сугубо случайный характер, так что переход от одного необходимого устойчивого состояния к другому необходимому устойчивому состоянию проходит через границу случайного (диалектика необходимого и случайного).

Итак, при критическом значении параметром произошла бифуркация и возникла новая ветвь решений и, соответственно, новое состояние. В критической области, таким образом, событие развивается по такой схеме

Флуктуация Бифуркация Неравновесный фазовый переход Рождение упорядоченной структуры

Социальная система представляет собой определенное целостное образование, где основными элементами являются люди, их нормы и связи. Как целое система образует новое качество, которое не сводится к сумме качеств ее элементов. Понятийный и математический аппарат нелинейной неравновесной термодинамики и синергетики оказываются полезными в описании и анализе элементов самоорганизации в человеческом обществе.

Социальная самоорганизация - одно из проявлений спонтанных или вынужденных процессов в обществе, направленная на упорядочение жизни социальной системы, на большее саморегулирование. Социальная система является системой открытой способная, даже вынужденная обмениваться с внешним миром информацией, веществом, энергией. Социальная самоорганизация возникает как результат целенаправленных индивидуальных действий ее составляющих.

Особенность синергетических систем состоит в том, что их развитие протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. Процесс самоорганизации в открытых системах может быть описан следующим образом. С поступлением новой энергии или вещества в ходе постоянного обмена системы со средой, неравновесность в системе возрастает. В конечном счете, прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами возникают новые связи, приводящие к коллективному поведению элементов, их сотрудничеству. Эти изменения в состоянии системы имеют характер фазовых переходов.

Первая фаза - период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями. Малые изменения начальных условий возрастают до макроскопического уровня, приводящего в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию.

Вторая фаза - одномоментный выход из критического состояния и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности. Важная особенность второй фазы заключается в том, что переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров (точки бифуркации) система из состояния сильной неустойчивости резко переходит в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний. В этой точке эволюции путь системы разветвляется и выбирается одна из ветвей развития. Однако после того как система перешла в качественно новое устойчивое состояние - назад возврата нет. Здесь процесс необратим. Это значит, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты возможных путей эволюции системы, но нельзя однозначно предсказать, какой из них будет выбран.

Процесс самоорганизации становится возможным при наличии ряда условий: система должна быть открытой, неравновесной (находиться далеко от точки термодинамического равновесия), нелинейной (допускающей вариативность, множественность путей ее развития). Находясь в точке бифуркации, система выбирает один из возможных путей развития на основе случайного поиска. Случайность, таким образом, встроена в механизм эволюции, она становится элементом развития, появления нового.

С помощью синергетики впервые было показано, что процессы самоорганизации могут проходить в простейших системах неорганической природы, если для этого имеются соответствующие условия.

Таким образом, весь окружающий мир и Вселенная представляют собой совокупность самоорганизующихся процессов. Идеи синергетики подводят базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционный синтез. Поэтому в ней видят одну из важнейших составляющих современной ЕНКМ.

Кроме того, эта гипотеза основывается на такой фундаментальной идее, как нарушение симметрий в процессе образования все новых и более сложных материальных структур и систем, которая лежит в фундаменте современного системного подхода и синергетической самоорганизации

Наиболее обобщенное выражение эволюционная идея в естествознании получила в концепции глобального эволюционизма. «Все существующее есть результат эволюции» - лозунг современного естествознания.

Глобальный эволюционизм -- это представление о всеобщем характере эволюции во Вселенной, подтверждаемое теорией Большого взрыва и неравновесной термодинамикой в физике, гипотезами предбиологической эволюции в химии, учением о дрейфе континентов в геологии, эволюционной генетикой и биологией, а также другими теоретическими построениями. По существу это одна из форм реализации диалектического принципа развития.

Выделим основные черты, характеризующие содержание идеи глобального эволюционизма:

- основными предпосылками обоснования глобального эволюционизма являются современные эволюционные теории в биологии, космологии и других науках. Глобальный эволюционизм разрабатывается на основе анализа естественнонаучных представлений о развитии, т.к. именно они выражают главные принципы эволюции мира;

- в глобальном эволюционизме отображается универсальная связь между неживой, живой и социальной материей. С точки зрения глобального эволюционизма, вся познанная история Вселенной как самоорганизующейся системы - от Большого взрыва до возникновения человечества - представляется в виде единого процесса с генетической и структурной преемственностью 4-х типов эволюции - космической, химической, биологической и социальной.

Как уже отмечалось выше, механизм эволюции определен Ч. Дарвином в его классической триаде: наследственность, изменчивость, естественный отбор. Достижения генетики, молекулярной биологии, общие положения теории самоорганизации потребовали пересмотра основ дарвиновской теории эволюции. Изменчивость в классической триаде предполагает случайное возникновение наследуемого изменения признака, подвергающегося затем действию естественного отбора, беспощадно отбраковывающего все то, что не приспособлено к условиям существования объекта. По современным понятиям минимальной, элементарной единицей эволюции биосферы считается не особь, а популяция - совокупность индивидов одного вида, способных скрещиваться между собой. Закрепление признака означает, что частота его появления в популяции превышает некоторый пороговый уровень. Дарвиновская изменчивость теперь связывается с мутациями, спонтанно возникающими в генном наследствен ном аппарате (геноме). Мутировавший ген создает у особи новый признак. Если он полезен для популяции, то закрепляется в ней. Эффективность мутировавшего гена определяется частотой возникновения в популяции признака, связанного с этим геном. Изложенные представления позволили сформировать синтез классического дарвинизма с новейшими достижениями генетики, получивший название синтетической теории эволюции. Но и такой синтез не решил все трудностей классической теории эволюции.

Многочисленные факты, полученные в наши дни, позволяют все более уверенно говорить о направленном характере биологической эволюции. Кроме того, отмечается ускорение эволюции со временем. Известны многочисленные примеры того, что направленно возникают новые свойства, новые поведения реакции, и их невозможно объяснить в рамках классической триады. Поэтому одним из направлений поиска стало выяснение тех факторов и механизмов, которые создают ускорение биологической эволюции. При этом обращают внимание на следующие обстоятельства: 1) не всякая мутация гена вызывает изменчивость связанного с ним признака; 2) существует, механизм стабилизации генома и даже реставрации поврежденных его участков; 3) известны случаи изменения признака без мутации гена, такие события вызываются внезапными изменениями положения так называемых скачущих генов, они не занимают в хромосоме раз и навсегда заданного места и могут неожиданно менять свое расположение в ней (скачущие гены составляют до 10 % генома); 4) мутации и перемещения скачущих генов не совсем случайны; предполагается, что изменения генома на самом деле регулируются и управляются пока неизвестным нам механизмом.

Таким образом, изменчивость генома можно рассматривать как один из факторов направленной биологической эволюции. Другим фактором можно считать вирусы. В последнее время становится все более очевидной роль вирусов как переносчиков генетической информации от одного вида к другому. Эта идея объясняет важную особенность жизни: ее генетико-информационное единство, которое вместе с единой химической основой и историческим единством характеризует живой мир как непрерывно обогащающуюся систему. Новые научные данные показывают, однако, что естественный отбор - не единственный движущий фактор эволюции.

К сказанному остается добавить, что эволюционный процесс в биосфере носит многоуровневый характер. В разное время эволюция протекала и продолжает протекать в наши дни на молекулярном, клеточном, тканевом уровнях, на уровне органов, организмов, популяций, биоценозов. Различаясь на каждом из этих уровней, процессы эволюции сливаются в единый процесс развития биосферы.

Человек - феномен природы. С биологической точки зрения появление человека разумного - вполне ординарное событие. Но человек - носитель разума, мысли - это особый феномен природы.

Итак, можно отметить основными направлениями развития современного естествознания являются:

1. Интеграция естественнонаучной и гуманитарной культур

2. Уровни организации материи

3. Уровни в познании веществ (химические, физические, биологические)

4. Принципы симметрии

5. Принципы относительности

6. Неопределенность квантовой механики

7. Системность

8. Неравновесность в системах

9. Место человека во Вселенной

10. Самоорганизация в природе и обществе

11. Синергетика

12. Эволюция

13. Модели механизма управления Размещено на Allbest.ru

...