Характеристика основных концепций развития естественнонаучных дисциплин

Одна из главных причин невозможности объяснения физического смысла периодического закона и Периодической системы элементов состояла в отсутствии на тот момент теории строениям атома. Поэтому важнейшей вехой на пути развития Периодической системы элементов явилось создание планетарной модели атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г. На ее основе голландский ученый А. ван ден Брук высказал предположение (1913), что порядковый номер элемента в Периодической системе элементов (атомный номер Z) численно равен заряду ядра атома (в единицах элементарного заряда). Это было экспериментально подтверждено Г. Мозли (1913--1914). Так удалось установить, что периодичность изменения свойств элементов зависит от атомного номера, а не от атомного веса. В результате на научной основе была определена нижняя граница Периодической системы элементов (водород как элемент с минимальным Z= 1); точно оценено число элементов между водородом и ураном; установлено, что «пробелы» в Периодической системе элементов соответствуют неизвестным элементам с Z =43;61;72;75;85;87.

Оставался, однако, неясным вопрос о точном числе редкоземельных элементов, и (что особенно важно) не были вскрыты причины периодического изменения свойств элементов в зависимости от Z. Эти причины были найдены в ходе дальнейшей разработки теории Периодической системы элементов на основе квантовых представлений о строении атома. Физическое обоснование периодического закона и открытие явления изотонии позволили научно определить понятие «атомная масса» («атомный вес»).

Таким образом, периодический закон стал одним из основных в системе естествознания. Именно в его рамках раскрывается взаимосвязь различных уровней материи: электронов, атомов, молекул, кристаллов. Введение порядкового или атомного номера в качестве фундаментальной характеристики элемента позволило ввести уточнение многих других свойств химических элементов, «например: установить взаимную связь между физическими (плотность, электролиз и др.) и химическими свойствами, оценить их изменения в зависимости от атомного номера.

Если периодический закон дал исходные теоретические принципы для обобщения экспериментальных данных в физике микромира, то развитие физических наук, в свою очередь, способствовало углублению содержания периодического закона. Именно физические исследования показали: по мере возрастания зарядов ядер в атомах элементов происходит последовательное увеличение количества электронов в виде периодического повторения исходных группировок во внешних слоях электронных оболочек. Тем самым периодичность получает подтверждение на микроуровне.

Особенности развития химии на рубеже ХIХ-ХХ вв.

В конце XIX -- начале XX в. для химии, как и для естествознания в целом, стали характерны кризисные тенденции. Это выражалось в том, что подверглась сомнению истинность сложившейся атомно-молекулярной концепции химизма. Оказалась под вопросом реалистичность «химической картины мира», основанной на целостной системе понятий («атом», «молекула», «химический элемент», «валентность» и др.). Если классическая концепция в химии исходила из «неделимого атома», то углубленное изучение вещества (выявление радиоактивного распада, открытие электрона и др.) показало его «делимость». Тем самым разрушались, как казалось многим химикам, основы объективного анализа химических процессов.

Преодолеть возникший «кризис» в химии призвана была в частности, теория «энергетизма». Один из ее основателей, немецкий физико-химик В. Оствальд (1853--1932) доказывал, что ценность физико-химических превращений связана с энергетическими процессами. Иными словами, предлагалось заменить атомно-молекулярную концепцию химизма энергетической. Позднее стало очевидным, что «химическая картина мира» оказалась сложнее, чем это представлялось в XIX в. Впрочем, химия постепенно готовилась к выходу на уровень микромолекулярных исследований. Это было связано с активным развитием физической химии, а также ее разнообразных направлений (химическая термодинамика, электрохимия, кристаллохимия, коллоидная химия и др.). Тем самым выявлялась взаимосвязь микро- и макроуровней изучения вещества. Произошло не крушение атомистической концепции в химии, а ее развитие.

Развитие химического атомизма в первой половине XX в. Квантовый уровень химии.

В химии продолжилось выявление и изучение качественного многообразия форм вещества. Анализировались атомные структуры (простые ионы, изотопы и др.), молекулярные структуры (сложенные ионы, свободные радикалы, комплексные частицы и др.), надмолекулярные структуры (мицеллы, макромолекулы и др.). Химия все более активно проникала как «вглубь» (микромир), так и «вширь» (макромир) вещества, уделяя особое внимание изучению его разнообразных дискретных форм. Атом, считавшийся прежде неделимым, предстал как сложная и изменчивая ядерно-электронная система. Молекулярные химические связи стали рассматриваться на электронном уровне, как «обобществление» электронных оболочек, взаимодействующих атомов. Атом уже не рассматривается в качестве неизменной частицы; отпал принцип абсолютной одинаковости атомов одного и того же химического элемента. Утратил свое значение и принцип универсальности молекулярной формы вещества. Оказалось, что многие вещества, особенно неорганические, состоят не из молекул, а из ионов (например, хлористый натрий). Вещество может находиться как в виде сложной химической частицы (молекулы, свободного радикала и др.), так и в виде макромолекулы или макротела. Все более активно химия выходит за пределы классической атомно-молекулярной концепции, Возникает квантовый уровень химии.

Квантовая трактовка химизма связана с представлениями корпускулярно-волнового дуализма (двойственности) электрона, дискретности (прерывности) изменений энергии. Именно квантово-механический подход содержит в себе возможность эффективного описания процессов, происходящих в электронных оболочках атомов и молекул. Тем самым анализ химических процессов выходит на фундаментальный теоретический уровень (квантовая химия). Ее объект -- субатомные частицы (атомные ядра и электроны). На этой основе складывается электронная теория вещества. Наиболее распространенный и эффективный метод -- спектральный анализ. Истинное познание вещества предполагает взаимодействие физических и химических теорий, характерное для квантовой химии. Проникновение физических методов в химию способствует повышению ее гносеологических (познавательных) возможностей.

Концепция химической эволюции.

Идея эволюции, развитая в химии, возникла и выкристаллизовалась не сразу. Первоначально она расплывалась, растворялась в общих представлениях об изменениях, превращениях веществ. Натурфилософия классической древности не знала различий между процессами химическими и физическими, изменениями агрегатного состояния тел и химическими преобразованиями веществ. Стихийная диалектика древних включала в себя учение о всеобщем круговороте веществ на основе взаимных переходов, трансмутации первичных элементов, установленных еще Фалесом, родоначальником греческой науки.

Вот как впоследствии писал об этом Платон в своем диалоге «Тимей»: «Но возьмем для начала хотя бы то, что мы теперь называем водой: когда она сгущается, мы полагаем, что видим рождение камней и земли, когда же она растекается и разрежается, соответственно рождаются ветер и воздух, а последний, возгораясь, становится огнем; затем начинается обратный путь, так что огонь, сгустившись и угаснув, снова приходит к виду воздуха, а воздух опять собирается и сгущается в облака и тучи, из которых при дальнейшем уплотнении изливается вода, чтобы в свой черед дать начало земле и камням».

Эти натурфилософские представления во многом были заимствованы средневековыми алхимиками и затем включены в систему классического немецкого идеализма. Даже Гегель полагал, что падающие с неба метеориты рождаются путем сгущения воздуха. Алхимики в своих поисках философского камня не только надеялись- найти способ превращения неблагородных металлов в золото, но и рассчитывали создать самодвижущуюся, циклически эволюционирующую химическую систему. Так, Парацельс и его ученики верили, что им при помощи химических выделений и растворений удастся создать микрокосм и «сохранить его в вечном движении». Английский химик Р. Бойль (1627--1691) утверждал, что на основе непрерывной химической реакции ему удалось создать самодвижущуюся жидкость.

Лавинообразное накопление в XIX в. конкретного материала о тысячах химических соединений потребовало его общего рассмотрения и систематизации. Элементы периодической таблицы Менделеева первоначально рассматривались как неизменные, не связанные друг с другом единой цепью происхождения. Но открытие радиоактивности коренным образом изменило понимание периодического закона, вскрыв его внутреннюю эволюционную природу. По утверждению российского химика Б. Кедрова, «идея развития вещества получает теперь новое блестящее подтверждение; это и есть как раз то новое, что внесла наука XX в. в понятие «химический элемент». Открытие изотопов как разновидностей элементов, равно как и обнаружение радиоактивности, сохранило основу менделеевского определения (место в системе определяет вид атомов), но подорвало разделявшееся Менделеевым дальтоновское истолкование элементов в духе их полной неизменности».

Исторический метод в химии возник в первую очередь в результате прогресса двух ветвей естествознания: геохимии и биохимии. Первая прослеживает действительную судьбу химических соединений в неживой, а вторая -- в живой природе. Высшие формы проявления химизма, связанные с функционированием живых систем, исследует ныне целый комплекс наук: биохимия, молекулярная биология, палеобиохимия. Химические превращения, свойственные неорганической природе, являются объектом собственно геохимии и ее многочисленных дочерних наук (гидрохимии, химии атмосферы, радиохимии и др.). Связь между этими областями природы осуществляет созданная В.И. Вернадским биогеохимия, которая рассматривает судьбу химических элементов в поле биологического действия.

Конкретный естественнонаучный подход к решению загадки происхождения жизни был предложен российским ученым А.И. Опариным (1894--1980). Заслуга гипотезы Опарина состоит в том, что в ней биопоэз рассматривается как многостадийный исторический процесс, важнейшей составной частью которого является химическая эволюция вещества от простейших соединений до невероятно сложных молекул белковой природы. Гипотеза Опарина открыла ключ к химическому моделированию процессов формирования исходных молекул аминокислот, нуклеиновых оснований, углеводов в условиях гипотетической первичной атмосферы Земли. После исследований С. Миллера и других ученых стало известно, что эти важные биоорганические молекулы могут образовываться в самых разнообразных смесях, содержащих комбинации водорода, воды, аммиака, азота, синильной кислоты, углекислого газа, метана и др., под воздействием различных видов излучения.

В космосе были обнаружены такие сложные молекулы, как цианацетилен, ацетальдегид, формамид, метилформиат. Большинство молекул, обнаруженных в космосе, непосредственно причаастны к привычным для нас биоорганическим соединениям или очень легко могут трансформироваться в них. Так, цианацетилен при взаимодействии с водой легко может быть превращен в жизненно важную пировиноградную кислоту и также относительно просто в аминокислоту -- аланин.

Следующие, более сложные звенья эволюционной цепочки были обнаружены при изучении вещественного состава метеоритов и лунных пород, доставленных с нашего вечного спутника космическими аппаратами. В этих космических телах присутствуют весьма сложные и разнообразные органические молекулы. В лунном грунте и в метеоритах Оргейль, Муррей, Мерчисон обнаружены аминокислоты: глицин, глутаминовая кислота, аланин, аспараги-новая кислота, серин. В метеоритах найдены алифатические и ароматические углеводороды, предшественники нуклеиновых кислот, аденин и гуанин, а также простейший химический предшественник хлорофилла -- порфирин.

Дополнительные сведения для восстановления картины химической эволюции дают успехи палеобиохимии и палеоорганической химии, наук об исторической судьбе соединений углерода на протяжении миллиардов лет развития нашей планеты. В древних отложениях, насчитывающих сотни миллионов и миллиарды лет обнаружено множество органических соединений, которые постепенно проливают свет на пути развития жизни (аминокислоты, углеводороды фитан и пристан, порфирины и др.).

Эволюция химических соединений на нашей планете прошла три основные стадии: неорганическую, органическую и биохимическую. Каждая последующая стадия базировалась на предыдущей, исторически вырастала из нее и потом подчиняла себе, становясь ведущей формой развития. Поразительная общность основных кирпичиков жизни (аминокислот, углеводов, нуклеотидов, витаминов) для всех организмов говорит в пользу единого происхождения всего живого.

Проблемы зарождения химических элементов коснулся американский физик российского происхождения Г. Гамов в своей теории «Великий синтез химических элементов при Большом взрыве Вселенной». Он разработал теорию образования химических элементов, согласно которой все вещество изначально состояло из нейтронов. Сталкиваясь, два нейтрона образуют дейтрон (ядро, состоящее из нейтрона и протона) и электрон. Захватывая нейтрон, дейтрон превращается в ядро трития (ядро, содержащее два нейтрона и один протон), которое в свою очередь тоже может захватить нейтрон, и так до образования ядер с массой порядка 250.

Согласно модели Гамова синтез всех элементов происходил во время Большого взрыва в результате неравновесного захвата атомными ядрами нейтронов с испусканием квантов и последующим распадом тяжелых ядер. Однако детальные расчеты показали, что в этой модели невозможно объяснить образование элементов тяжелее Li . На начальном этапе эволюции Вселенной, примерно через 100 с после Взрыва, в термоядерных реакциях образовались лишь самые легкие атомные ядра: изотопы водорода и гелия.

Согласно современным представлениям, образование более тяжелых ядер на этом этапе оказывается невозможным. Более тяжелые ядра образовались лишь через миллиарды лет после Большого взрыва в процессе звездной эволюции. В 1939 г. Г. Бете впервые рассмотрел CNO-цикл как один из путей образования гелия из водорода в звездах. Особенность СNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь с ядра углерода, сводится к последовательному добавлению четырех протонов с образованием в конце CNO-циклаядра 4He.

М. Бербидж, Г. Бербидж, В. Фаулер, Ф. Хойл в 1957 г. дали следующее описание основных процессов звездной эволюции, в которых происходит образование атомных ядер:

· горение водорода, в результате которого образуются ядра 4Не;

· горение гелия, в результате которого из 4Hе образуются ядра 12С;

· б-процесс, когда в результате последовательного захвата б-частиц образуются ядра 160,30Ne,24Мg, 28Si ...;

· е-процесс: при достижении температуры (5*109)є К в звездах в условиях термодинамического равновесия протекает большое количество разнообразных реакций, в результате чего образуются атомные ядра вплоть до Fе и Ni. Ядра с Z ~ 60 -- наиболее сильно связанные атомные ядра. Поэтому на них кончается цепочка ядерных реакций синтеза, сопровождающихся выделением энергии;

· процесс: ядра тяжелее Fе образуются в реакциях последовательного захвата нейтронов, последующий в-распад повышает порядковый номер образующихся атомных ядер, интервал времени между последовательными захватами нейтронов больше периодов в-распада;

· процесс: если скорость последовательного захвата нейтронов гораздо больше скорости в-распада атомного ядра, то оно успевает захватить большое число нейтронов и лишь затем, в результате последовательной цепочки в-распадов, превращается в стабильное ядро (обычно считается, что г-процессы происходят в результате взрывов сверхновых);

· процесс: некоторые стабильные нейтронодефицитные ядра (так называемые обойденные ядра) образуются в реакциях захвата протона, в реакциях (b,п) или в реакциях под действием нейтрино;

· процесс: образование легких ядер Li, Ве, В (в то время не был известен; образовавшись в звездах, эти ядра должны были интенсивно разрушаться в реакциях под воздействием протонов). Сегодня считается, что эти ядра образуются в результате взаимодействия космических лучей с космической пылью.

Наиболее подробно разработанным вариантом общей теории химической эволюции и биогенеза является теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем. В общем виде она была выдвинута российским химиком А. Руденко в 1964 г. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизме эволюционного процесса, т.е. о законах химической эволюции об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, об уровне химической организации и об иерархии химических систем в процессе эволюции. Ряд химических процессов невозможно провести без участия катализаторов. На химическом уровне организации материи возникает способность многократного самоускорения, изменения и развития. Каталитические реакции исключительно разнообразны, многочисленны и являются главным предметом Исследований современной химии.

Свою теорию А. Руденко считает развитием мультиплетной теории катализа А. Баландина. Выделив четыре принципа описания процесса развития (вероятностный, кинетический, термодинамический и информационный), Руденко сформулировал с их помощью основной закон саморазвития: «В процессе развития каталитических систем складываются механизмы конкуренции и естественного отбора по параметру абсолютной каталитической активности.

Основой существования любой элементарной открытой каталитической системы является базисная реакция и катализатор, способом существования -- обмен веществ и энергии базисной реакции, а формой неравновесной структурной и функциональной организации -- устойчивый порядок функционирования катализатора (механизм базисной реакции), зависящий только от природы базисной реакции и катализатора. Таким образом, сама химическая эволюция представляет собой последовательное изменение и усложнение механизма (аппарата осуществления) базисной реакции при неизменной природе последней.

Гипотеза о механизме зарождения макромолекул, необходимых для строительства белка, высказана Эйгеном в работе «Самоорганизация материи в ходе химической эволюции» (1971). Эйген распространил на процессы, которые должны были происходить при эволюционном скачке, принцип дарвиновского отбора и ввел понятие конкуренции гиперциклов или циклов химических реакций, которые приводят к образованию белковых молекул. Циклы, работающие быстрее и эффективнее остальных, выживают и побеждают в конкурентной борьбе. Пищей служат молекулы мономеров, которые поглощаются при полимеризации или в ходе циклов реакций. В «первичном бульоне» присутствуют и катализаторы химических реакций, которые образуются в них как промежуточные продукты, т.е. возникает автокаталитическая самоорганизующаяся система.

Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве гетеротрофных бактерий, получавших пищу и энергию от органического материала, образовавшегося на еще более ранней стадии эволюции Земли. Исходя из этого, можно представить, что начало жизни на нашей планете отодвигается более чем на 4 млрд лет назад.

Таким образом, проблема химической эволюции и биогенеза вызвала своеобразную экспансию других наук в область химии, привнесшую новые для традиционной химии подходы к проблеме и собственное понимание задач исследования и предмета в области химической эволюции. При этом был разработан биохимический подход к проблеме, рассматривающий осуществившуюся когда-то на Земле химическую эволюцию ретроспективно, со стороны биологии, на основе ее известного конечного результата.

В настоящее время именно успехи «стыковых» (синтетических) наук и направлений обеспечивают фундаментальность современных химических исследований. Химическая картина мира, являясь дополнительной по отношению к представлениям об объективной реальности, формируется в рамках единой системы наук о природе.

В заключение главы отметим факт постоянно возрастающего влияния, которое достижения современной химии оказывают на развитие человечества и окружающей среды в целом.

Важным последствием этого влияния является химизация человеческой деятельности, включающая в себя:

· рост масштабов количества используемых химических веществ, как естественных, так и синтетических (полимерных материалов, полупроводников и др.);

· расширение применения химических технологий и частичная замена технологий механического типа;

· повышение эффективности производства аграрной сферы (создание минеральных и органических удобрений, химических средств борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур).

Химия во все большей мере ориентируется на создание структур (от микро- до макроуровня), связанных с удовлетворением технологических потребностей. Создаются новые вещества, не встречающиеся в природе (синтетика). Химический синтез приобретает медико-биологическую направленность (получение лекарственных средств, заменителей тканей, антибиотиков и др.).

Химические вещества и технологии являются фактором отрицательного воздействия на биосферу. Традиционные химические технологии связаны с выбросами в природную среду различного рода вредных веществ. Поэтому современные формы химические технологии (относительно замкнутые производственные циклы) позволяют рационализировать использование материальных и энергетических ресурсов, уменьшить выбросы в биосферу, осуществить экологизацию химической технологии.

7. Основы общей экологии

Экология как наука о взаимоотношении живых систем с неживой природой.

Слово “экология” происходит от двух греческих слов “ойкос” - дом, жилище или место обитания и “логос” - наука. То есть наука о месте обитания. Это слово и то трудное определение, которое я произнес ранее, были впервые в научную литературу введены немецким естествоиспытателем Э. Геккелем в 1866 году.

В дальнейшем ученые стали трактовать экологию как науку об условиях существования живых организмов и о взаимодействии между организмами и средой их обитания. Научной основой экологии стало учение Ч. Дарвина о борьбе организмов за существование. В это понятие он включал не только конкуренцию организмов за жизненные ресурсы, но и их реакции на различные факторы окружающей среды, посредством которых они приспосабливаются к существованию в конкретных условиях.

В развитие экологии значительный вклад внесли советские ученые Н.И. Вавилов, Е.Н. Павловский, В.Н. Сукачев, С.С. Шварц, Б.П. Колесников и ряд других. Особая заслуга принадлежит В.И. Вернадскому.

Но до последнего времени экология была сугубо биологической дисциплиной, и в сферу ее интересов входил анализ закономерностей функционирования биологических систем: биологических видов, популяций и экосистем. С середины 80-х годов нашего столетия произошло смещение акцентов: в экологию стали включать области знаний о состоянии окружающей человека природной и природно-техногенной среды.

Структура и основные направления развития экологии

В настоящее время область экологии как науки не имеет четких границ. Она включает в себя как классическую “биологическую экологию”, так и самые разнообразные направления, связанные с изучением воздействия человека на природу и оптимизацией взаимоотношений в системе “общество-природа”. Усилению неопределенности понятия “экология” способствует и современная мода на это слово, которое часто используется к месту и не к месту. Многие специалисты, в том числе и я, считают экологию философской наукой, формирующей особое экологическое мировоззрение и общеметодологический подход к решению проблем выживания человека, а также к решению природоохранных задач. А как и всякая философская, мировоззренческая наука экология охватывает широкий круг вопросов и тесно переплетается с рядом смежных наук, таких как биология, география, геология, физика, химия, химическая технология, генетика и другие. Поэтому в широком смысле слова - это наука о взаимосвязях различных форм жизни с окружающей средой, Предмет экологии - целостность того центрального объекта, который вычленяется в процессе рассмотрения или исследования. Иначе говоря, это наука о выживаемости природных и антропогенных систем в окружающей их среде и о выживаемости самой среды.

Принято выделять следующие основные направления современной экологии: фундаментальная (биологическая), прикладная и социальная.

Н.Ф. Реймерс в своей книге «Экология (теория, законы, правила)» выделил следующую структуру современной экологии.

Рис. 7.1. Структура современной экологии

Фундаментальная экология включает в себя следующие подразделы:

аутоэкология - анализ действия различных факторов (температуры, света, солености воды и др.) на отдельный организм, а также изменение организмов под действием различных факторов;

демэкология (популяционная экология) - наука о структуре и закономерностях функционирования биологических популяций, изменений популяций под действием различных факторов;

синэкология (экология сообществ и экосистем, биоценология) - наука о структуре, закономерностях функционирования экологических систем. Частью синэкологии является глобальная экология, объект изучения которой - уникальная экологическая система, а именно вся биосфера Земли. Несколько обособленным направлением синэкологии является биогеоценология, изучающим экосистемы определенного пространственного масштаба.

Прикладная экология - это приложение знаний, полученных в рамках изучения фундаментальной экологии, к анализу системы “общество-природа”. Структура прикладной экологии еще не устоялась; обычно в ней выделяют следующие основные направления:

промышленная экология - анализ воздействия разных отраслей промышленности (горной, металлургической, пищевой и других), коммунального хозяйства и сферы услуг на природу;

химическая экология (экологическая токсикология) - изучение действия токсических химических веществ на организмы, популяции и экосистемы, анализ закономерностей миграции токсикантов в природных средах;

радиоэкология - изучение миграции в природе и действия на живые организмы естественных и искусственных радиоактивных веществ;

инженерная экология - создание различных инженерных сооружений (системы очистки промышленных выбросов и сбросов, системы доочистки питьевой воды, изменение технологических циклов производства), направленных на охрану окружающей среды и минимизации вредных последствий для здоровья людей;

медицинская экология - анализ влияния различных неблагоприятных факторов на здоровье населения;

сельскохозяйственная экология - изучение функционирования искусственных экологических систем (поля, сады, агроландшафты), оптимизация управления такими системами;

охрана окружающей среды - комплексная дисциплина, направленная на разработку мер по снижению отрицательных последствий деятельности человека (разработка природоохранных законодательных актов и экономических механизмов рационального природопользования, развитие сети особо охраняемых природных территорий); включает в себя также экологическую экспертизу (разработка заключений о состоянии природных комплексов), экологическое прогнозирование (создание прогнозов развития ситуаций при различных сценариях воздействия), экологическое нормирование (разработка нормативов предельных экологических нагрузок, экологический мониторинг (разработка систем постоянного слежения за изменением природных комплексов).

Социальная экология рассматривает разнообразные аспекты взаимодействия человеческого социума и природы (частичное перекрывание с охраной окружающей среды); включает в себя экологическую психологию и экологическую социологию (анализ восприятия человеком и обществом природы), экологическое воспитание и экологическое образование (формирование экологического мышления и поведения).

Развитие экологии в настоящее время продолжается. И главной целью этого развития является решение главной экологической проблемы на Земле - это сохранение жизни. Решение же экологических проблем требует огромной работы во всех областях науки и техники. И теоретическим фундаментом всей природоохранной деятельности является наука экология. Только знание экологических законов - законов развития природных и социальных процессов - позволит поладить с природой и разрешить социальные конфликты. Природоохранные мероприятия не обоснованные научно, бесполезны, а часто даже вредны, так как могут входить в противоречие с законами природы.

Биосфера.

Известно, что планета Земля биосферой, в которой существует и активно идет жизнь. То есть биосфера - это и есть то пространство, в котором сосредоточена жизнь и на которое распространяются законы экологии. Термин “биосфера” (биос-жизнь, спераз-шар) введено в биологию французским натуралистом Ж.-Б.Ламарком в 1803 году, а затем в геологию для обозначения области земной поверхности, населенной жизнью, австрийским геологом Эдуардом Зюс в 1875 г. Основы же учения о биосфере были заложены выдающимся ученым В.И.Вернадским. В своей книге «Биосфера», вышедшей в 1926 году, он рассматривал биосферу как единое термодинамическое пространство, в которой сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды. Но понятие “термодинамическое пространство” для вас еще трудно воспринимается. Поэтому определим понятие биосферы проще:

Биосфера - это пространство, в котором сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие живого с неорганической средой, то есть это в общем-то экологическое пространство. Отсюда на основе этого учения был сформирован системный подход к рассмотрению экологических проблем.

В биосфере Земли В.И. Вернадский выделил семь различных и в тоже время взаимосвязанных видов веществ:

живое вещество - совокупность всех живых организмов;

биогенное вещество - уголь, нефть и др.;

косное вещество - минералы, глины и др.;

биокосное вещество - почвы, природные воды, илы;

радиоактивные вещества - радий, уран, торий и др.;

рассеянные атомы (химические элементы);

вещества космического происхождения - метеориты, пыль, протоны, нейтроны, электроны.

Всю совокупность живых организмов на планете он назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

Биогенное вещество создается и перерабатывается живым веществом. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (горючие полезные ископаемые). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны.

Косное вещество по Вернадскому - это совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.

Биокосное вещество - особая категория веществ биосферы. Оно создается в биосфере одновременно живыми организмами и косным веществом, представляя системы динамического равновесия того и другого. Живое вещество в биокосном играет ведущую роль. Биокосные системы - почвы, вода, коры выветривания, донные отложения, свойства которых и генезис зависят от длительности воздействия живого вещества.

Появление жизни по Вернадскому - закономерный процесс самоорганизации материи, приведший к появлению стабильных форм ее существования, способных не только поддерживать себя, но и воспроизводить самих себя.

Организмы при этом представляют собой особые автономные вторичные системы динамических равновесий в первичном термодинамическом поле Земли. А живое вещество может рассматриваться как одна из независимых переменных энергетического поля планеты.

Обычно биосферу подразделяют на три геосферы: газовую оболочку, т.е. атмосферу, водную - гидросферу и твердую - литосферу.

Биосфера включает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Литосфера - это часть земной коры. Вертикальная мощность поля существования жизни ограничивается в атмосфере протяженностью в 6 км. В этом поле наблюдаются положительные температуры и могут существовать хлорофилсодержащие растения. Нижний предел существования жизни в литосфере ограничивается дном океана (примерно до глубины 11 км) и температурой 100оС - эта температура обнаруживается уже на глубине 6 км. Фактически жизнь в литосфере распространяется до глубины 3-4 км. Область жизни в атмосфере исчезает полностью за озоновым слоем на высотах 10-50 км.

Но мы не будем вдаваться в подробности существования экзотических форм жизни. Это удел биологов. Наша задача накормить, напоить, одеть, обуть и облагородить человека без значительного ущерба окружающей среде. Для существования человека, для осуществления его потребностей существует так называемая биогеосфера или пленка жизни. Это высоты до 3 км, вглубь земли до 10 м и вглубь моря до 100 м. Но это предельные высоты и глубины, в общем-то, экзотика. Вас, в первую очередь, должно интересовать то, что находится на поверхности Земли в городе, поселке, деревне или возле их. Здесь должны быть точки приложения вашего труда, направленного, как я уже говорил, на то, чтобы накормить, напоить, одеть, обуть и облагородить человека. То есть создать ему комфортные условия, которые не дает природа в естественном виде.

Положение человека в биосфере двояко. Как биологические объекты, люди зависят от физических факторов среды и связаны с питанием, дыханием, обменом веществ. Человеческий организм имеет свои приспособительные возможности, которые выработались в ходе биологической эволюции. Изменение физической среды обитания отражается на здоровье и работоспособности людей. В отклоняющихся от оптимальных условиях среды человек затрачивает много сил и средств на создание и поддержание комфортных условий. Однако, главной особенностью является взаимодействие человека с окружающей средой через создаваемую им культуру. Этим человек отличается от всех других видов живых организмов.

Но, создавая все более современную технику, технологию и материалы, люди стараются создать среду обитания, по возможности не зависящую от капризов природы. Однако, человек, будучи творческим существом, тем не менее сам является творением природы в буквальном смысле этого слова и остается неотделимой частью природных сообществ, если, конечно, придерживаться теории Ч.Дарвина об эволюции живой природы, а не инопланетной природы человека. То есть человеку нужно постоянно в своей деятельности искать золотую середину, а это удел в первую очередь технологов, чтобы эта деятельность была экологичной. То есть, как мы говорили в первой лекции, чтобы ваше производство из положительного не перешло в негативное отношение к биосфере.

При этом вам следует учитывать, что жизнь человеческого организма возможна только в определенных условиях: состав атмосферы, температура, структура солнечного излучения, наличие и чистота воды и пищи и др. На ряду с этим производство продуктов питания почти на 100% зависит от природных ресурсов - почвы и водных экосистем (гидропоника и искусственные системы дают незначительное количество продуктов питания). Особое значение для жизни человека имеет количество пресной воды, которая является природным ресурсом и важнейшей составной частью биосферы - самым удивительным минералом, как назвал ее профессор А.М.Черняев в своей книге “Поэзия и проза воды”. Ключевую роль в жизнеобоспечении играют и природные источники энергии, тоже являющиеся составной частью биосферы. В настоящее время уже отчетливо обозначилась ограниченность данного вида природных ресурсов. Это же можно сказать о запасах пресной воды и о плодородии почвенного слоя Земли. Есть еще один фактор, который надвигается на человека - это перенаселение Земли. Но многие из перечисленных факторов в России еще остро не чувствуются. Но мы живем на одной планете и придет время, когда придется потесниться.

Техническая мощь человечества достигла масштабов, соизмеримых с биосферными процессами. Человеческая деятельность на планете изменяет климат, влияет на химический состав атмосферы и мирового океана. Таким образом, с вхождением человечества в индустриальную стадию своего развития возникла угроза разрушения всех элементов биосферы - атмосферы, гидросферы и литосферы. В первую же очередь это касается наиболее чувствительного к условиям существования биосферного слоя - биогеосферы.

Но уже сейчас вместе с техническим оснащением растет и научная вооруженность человеческого общества. Одним из успехов естествознания ХХ века явилось осознание неразрывного диалектического единства природы и общества, необходимости перехода от концепции господства человека над природой к концепции взаимодействия с ней. В результате этого Вернадским было разработано учение о ноосфере - сфере разума.

Смысл учения заключается в следующем. Появление Человека на Земле означало новый огромный шаг в эволюции планеты. Его активность многократно ускоряет все эволюционные процессы, темпы которых быстро растут по мере развития производительных сил и технической вооруженности. Дальнейшее неконтролируемое, ненаправляемое развитие людей таит в себе опасности, которые трудно предвидеть. Именно поэтому однажды наступит время, когда дальнейшая эволюция планеты, а следовательно, и человеческого общества должна направляться Разумом. Биосфера станет постепенно превращаться в сферу Разума - ноосферу.

Трудность современного восприятия нового состояния биосферы заключается в том, что в создающейся переходной биосферно-ноосферной общности, которую принято называть техносферой, уже нет первозданной исторически сложившейся организованности биосферы и еще нет новой организованности ноосферы. В техносфере утрачена часть присущих биосфере свойств авторегулирования, хотя свои основные параметры она сохраняет. В связи с этим хозяйственная и социально-культурная деятельность человека, общества, всего человечества рассматривается научным и обыденным сознанием как глобальный экологический фактор, отрицательно действующий на окружающую среды и даже разрушающий ее.

Экосистемы и основы их жизнедеятельности.

Для того, чтобы понять - на сколько наши действия вредят биосфере мы не можем изучать ее всю. Поэтому биосфера как бы делится на отдельные частички, которые называются экосистемами. Экосистема (экологическая система) - это сообщество определенной группы организмов (биота или биоценоз), рассматриваемое во взаимодействии с физической средой его обитания (экотопом). Иными словами, это совокупность живых организмов и среды их обитания, связанных причинно-следственными связями, обменом веществ и энергии. Понятие экосистема ввел английский ученый А. Тенсли в 1935 году. Сторонники системного подхода для обозначения природных комплексов использовали и другие термины: биокосное тело (В.И. Вернадский, 1944 год), холон (А. Каспер, 1969 год) и др. А в 1940 году советский ученый А.Н. Сукачев ввел понятие биогеоценоз, которое иногда употребляют как экосистема. Биогеоценоз - однородный участок земной поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и косных (приземный слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) компонентов в динамическом взаимодействии между ними (обменом веществ и энергии). Но здесь появились новые понятия, такие как сообщество, биоценоз, биота.

Биота или биоценоз - совокупность растений, животных и микроорганизмов, населяющих участок суши или водоема и характеризующихся определенными отношениями между собой и приспособленностью в условиях окружающей среды.

Сообщество - все популяции живых организмов, занимающие определенный участок и взаимодействующие друг с другом.

Популяция - совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений.

Особь - наименьшая неделимая единица биологического вида, подверженная действию факторов эволюции.

Вид - естественная биологическая единица, всех членов которой связывает воедино участие в общем генофонде.

Гомеостаз -способность биологической системы к авторегуляции при изменении условий среды.

Экосистема может иметь гигантские размеры (например, море, Уральские горы и др.) или крошечное сообщество живых существ в дождевой луже или в лабораторной колбе. Границы между отдельными экосистемами условны, все зависит от выбора пространственного и временного масштабов рассмотрения, а это определяется установками и задачами исследования.

В экологии сообществ и экосистем развиваются 2 основных направления:

- структурное - анализ структуры сообществ (количество видов или групп, количественное соотношение между ними), их классификация, распределение в пространстве, временная динамика;

- функциональное - анализ потоков вещества и энергии, изменение сообществами абиотической среды на функционирование сообществ.

Распространены два основных взгляда на сообщество:

- органицизм - сообщество - это “сверхорганизм”, обладающий большой степенью целостности, границы между сообществами достаточно четкие;

- редукционизм - целостность сообществ невелика, структура сообществ определяется взаимодействием популяций; резких границ между сообществами нет.

Состав экосистемы представлен двумя группами компонентов: абиотическими - компонентами неживой природы и биотическими - компонентами живой природы.

Абиотические компоненты (или экотоп) - это следующие основные компоненты неживой природы:

неорганические вещества и химические элементы, участвующие в обмене веществ между живой и мертвой материей (диоксид углерода, вода, кальций, магний, калий, натрий, железо, азот, фосфор, сера, хлор и др.);

органические вещества, связывающие абиотическую и биотическую части экосистем (углеводы, жиры, аминокислоты, белки, гуминовые вещества и др.);

воздушная, водная или твердая среда обитания;

климатический режим и др.

Биотические компоненты состоят из трех функциональных групп организмов:

Рис. 7.2. Биотические компоненты экосистемы

Первая группа организмов - продуценты или автотрофные организмы (греческие auto - сам, trophe -пища) - создают органическое вещество из простых неорганических веществ с использованием энергии света (фотоавтотрофы) или энергии химических связей (хемотрофы).

Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет, а в качестве питательного материала - неорганические вещества, в основном углекислый газ и воду. К этой группе организмов относятся все зеленые растения и некоторые бактерии. В процессе жизнедеятельности они синтезируют на свету органические вещества - углеводы или сахара:

СО2 + Н2О = (СН2О)n + О2

Хемотрофы используют энергию, выделяющуюся при химических реакциях. К этой группе принадлежат, например, нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до азотистой и затем азотной кислоты:

2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + Q1

2HNO2 + O2 = 2HNO3 + Q2

Химическая энергия, выделившаяся при этих реакциях, используется бактериями для восстановления углекислого газа до углеводов.

Вторая группа организмов - консументы (латинское consume - потребитель) первого, второго, третьего порядков или гетеротрофные организмы (греческие heteros - другой, trophe - пища) - потребляют готовое органическое вещество, но не доводят его до разложения до простых минеральных составляющих (животные, часть микроорганизмов, паразитические растения). Эти организмы используют органические вещества, которые создали продуценты, в качестве источника и питательного материала и энергии. Они делятся на фаготрофов (греческое phagos - пожирающий) и сапротрофов (греческое sapros - гнилой).

Фаготрофы питаются непосредственно растительными или животными организмами. К ним относятся в основном крупные животные - макроконсументы. Сапротрофы используют для питания органические вещества мертвых остатков.

Третья группа организмов - редуценты (латинское reducens - возвращающий) или деструкторы - превращают органическое вещество в простые неорганические соединения. К редуцентам относятся главным образом микроскопические организмы (бактерии, грибы и др.) - микроконсументы.

Экосистемы, кажущиеся свободными от внешнего мира, в конечном счете, зависят от определенного внешнего фактора - солнечного света или очень редко от получения энергии за счет химических превращений. Солнечная энергия, воспринятая когда-то растениями, продолжает свой круговорот по всей экосистеме в виде органической материи. В конце цепи стоит редуцент, питающийся как растениями, так и животными. Он снова расщепляет пищу на первоначальные составные части - воду, углекислый газ и минеральные соли. В итоге в этот очень сложный круговорот включается и человек. Если факторы, обеспечивающие жизнедеятельность экологической системы, оказываются нарушенными, то произойдет заметное отклонение от установившегося равновесия, что может привести к катастрофе всей экосистемы.

Таким образом, устойчивость экосистем и их совокупности, то есть биосферы, зависит от следующих факторов.

Биосфера использует внешние источники - солнечную энергию и энергию разогрева земных недр - для поддержания жизнедеятельности окружающей среды. Постоянное использование определенного количества энергии и ее рассеивание в виде тепла создали тепловой баланс в биосфере. Нарушение его может привести к смерти живых существ, которые могут существовать только в определенном тепловом диапазоне.

Биосфера как совокупность экосистем использует вещества (преимущественно легкие биогенные элементы - водород, углерод, азот, фосфор, калий, кислород) в основном в форме круговоротов. Биогеохимические циклы элементов отработаны эволюционно и не приводят к накоплению вредных веществ. Поэтому большинство предприятий по производству пищевых продуктов можно организовать без сброса загрязняющих веществ в окружающую среду.

В биосфере существует огромное многообразие видов и биологических сообществ. Конкурентные и хищнические отношения между ними способствуют установлению равновесия и спасают от угрозы со стороны внутренних факторов. У многих видов развиты защитные реакции от болезней, механизм которых изучен не до конца. Генофонд дикой природы - бесценный дар, возможности которого использованы в малой степени.

Практически все закономерности, характерные для живого, имеют адаптивное значение. Биосистемы вынуждены приспосабливаться к непрерывно изменяющимся условиям жизни. Если темп изменений условий жизни превышает адаптивные возможности систем, то они погибают.

Саморегуляция, или поддержание численности популяции, зависят от совокупности абиотических и биотических факторов.

Экологические факторы.

Итак, мы определили, что экология это наука о взаимоотношениях живых организмов с окружающей средой. А теперь настало время дать понятие, что такое окружающая среда.

Окружающая среда - это совокупность всех экологических факторов, прямо или косвенно влияющих на организмы.

Но здесь возникло новое понятие - экологический фактор.

Экологический фактор - любое условие, воздействующее на состояние, развитие, возможности выживания и развития организмов. Экологические факторы можно классифицировать по следующим направлениям:

По отношению к жизни:

- абиотические - совокупность физико-химических условий среды (газовый состав воздуха, химизм воды и почвы, давление, влажность, плотность среды, радиационные условия и т.д.)

- биотические - взаимоотношения данного организма с другими организмами (потребление, конкуренция, паразитизм и т.д.)

- по происхождению:

природные - не связанные с человеком;

- антропогенные (антропические) - воздействия, оказываемые человеком (промышленность, сельское хозяйство, транспорт, рекреация (отдых), промысел и т.д.)

по критерию исчерпаемости:

- условия - абиотические факторы, которые ни один организм не может сделать недоступным для других (температура, соленость воды и т.д.).

ресурсы - факторы, количественно уменьшающиеся в процессе жизни организма (становятся недоступными для других организмов) - пища, биогенные элементы и т.д.

В отношении действия факторов на организмы справедлив закон толерантности Шелфорда: для каждого вида существуют минимальные и максимальные значения фактора среды (зона толерантности), за пределами которых он не может существовать. Обычно зависимость “благополучие организма (численность, рост, размножение) - фактор имеет вид параболы (рис. 7.3). Это один из примеров нелинейности поведения экосистем.

Рис. 7.3. Зависимость жизнедеятельности от интенсивности экологического фактора

Глобальные проблемы современности.

Глобальная проблема - это проблемы всего человечества, которые можно решить только на общечеловеческом уровне и нельзя решить локально или регионально. Это относится в первую очередь к проблеме загрязнения окружающей среды. Потому что загрязнение в локальном месте, например на Урале, в конечном итоге рано или поздно дойдет до каждого человека на Земле. Поэтому будут мужчины в Западной Европе в среднем жить по 74 года зависит и от вас. Будете вы вести свое производство с применением экологически чистых технологий, грамотно и правильно, то и сами проживете дольше и другим дадите жить. Получите вы троечное образование, будете вести технологический процесс так себе, то и сами хорошо жить не будете и другим не дадите. Но это эмоции. Ну а теперь более подробно рассмотрим эти глобальные проблемы. Выделяют следующие:

Энергетические - Казавшиеся неистощимыми такие источники энергии, как нефть, газ, уголь, тают буквально на глазах. Ископаемое топливо при современных объемах энергопотребления, по разным оценкам, в среднем иссякнет приблизительно через 150 лет, в том числе нефть - через 40 лет, газ - через 50, уголь - через 400 лет. Освоение новых месторождений становится все более трудным: за ним приходится идти все дальше на север и восток. Устремляться все глубже в недра Земли. Понятно, что стоимость их разработки повышается. Грозит ли людям энергетический голод? Анализ показывает, что катастрофы можно избежать, если не повторять ошибок прошлого и искать альтернативные источники энергии.

Демографический взрыв - численность человечества растет экспоненциально и экспоненциально увеличивается нагрузка на природу. (рис.4) Земля уже с трудом выдерживает это бремя. Это заставляет вводить различные механизмы регуляции рождаемости. Но это для нас, откровенно, не очень понятная проблема. Мы самая большая страна в мире, а численность ее населения находится на 4-6 месте (Япония и Бразилия имеют население по некоторым данным больше чем в России). К тому же численность населения сокращается. Но я уже говорил вам, что мы живем на одной планете и что наступит момент, когда придется потесниться.

Продовольственная проблема. Эта проблема неизбежно связана с прогрессирующим ростом населения. Зона, где большинство населения страдает от голода и недоедания, протянулась по обе стороны экватора и включает многие страны Азии, Латинской Америки и особенно Африки. Специалисты ООН считают, что число голодающих около 500 млн.человек. По другим данным это число составляет 1 млрд.человек.

...