Volt alkalmam olvasni olyan irodalmat, amely a 16–17. század tudományának egy „divatos irányzatát” írta le, az örökmozgó megalkotását. Ez az álom megvalósíthatatlan maradt, de az ötletet véleményem szerint a természetből másolták. Az élő és élettelen dolgok körforgása folyamatosan zajlik. Valaki azt fogja mondani, hogy évmilliárdokon belül a Föld eltűnik, de én tiltakoznék, mert galaxisunk maradványaiból egy új alakul ki. Univerzumunk egy örökmozgó.

Mi az anyagok biológiai körforgásának lényege

Kétféle ciklus fordul elő folyamatosan a Földön: biotikus és abiotikus.

Maguk az anyagok nem élnek és egyformán vesznek részt mindkét ciklusban, de amint egy élő szervezetben találják magukat, az a biológiai körforgás résztvevőjének tekinthető.

A biológiai ciklusban részt vevő elemek:

• ásványok;
• gázok;
• víz.

Az anyagok köre nagyon széles. Hagyományosan az élőlények számára létfontosságúak (víz, oxigén, nitrogén, szén-dioxid) és az élőlényeket károsítókra oszthatók.

Az anyagok keringésének folyamata

Függetlenül attól, hogy káros vagy hasznos, bármely anyag egy bizonyos ponton bejut a szervezetbe, és egy napon elhagyja.

A víz esetében a keringés folyamatosan történik. Például az emberi szervezet naponta körülbelül 6 litert ürít ki, de nem fogyunk le a folyamatos víztartalék-utánpótlás miatt. A testből kipárolgó vízmolekulák a felhők felé rohannak, esőként kihullanak, belépnek a vízkészletbe, és visszakerülnek a szervezetbe.

Hasonló elv szerint az ásványok és gázok minden élő szervezeten áthaladnak.

A levegő keringése a legintenzívebben megy végbe: egy személy naponta 13 ezer liter levegőt szív be, amely 20% oxigént tartalmaz, amely kilégzéskor szén-dioxiddá alakul. A növényeknek köszönhetően azonban nincs több szén-dioxid a természetben, a fotoszintézis során használják fel.

Egyes anyagok felhalmozódnak a szervezetben, és csak a halálig ürülnek ki, általában károsítják az élő szervezetet. Ilyen anyagok például a dohányosok által belélegzett rákkeltő anyagok.

A kiváló orosz tudós akadémikus V.I. Vernadszkij.

Bioszféra- a Föld összetett külső héja, amely tartalmazza az élő szervezetek teljes összességét és a bolygó anyagának azt a részét, amely folyamatos cserében van ezekkel az organizmusokkal. Ez a Föld egyik legfontosabb geoszférája, amely az embert körülvevő természeti környezet fő alkotóeleme.

A Föld koncentrikus elemekből áll kagylók(geoszférák) belső és külső egyaránt. A belsőek közé tartozik a mag és a köpeny, a külső pedig: litoszféra - a Föld sziklás héja, beleértve a földkérget (1. ábra), amelynek vastagsága 6 km (óceán alatt) és 80 km (hegyi rendszerek); hidroszféra - a Föld vízhéja; légkör- a Föld gáznemű burka, amely különféle gázok, vízgőz és por keverékéből áll.

10-50 km magasságban egy ózonréteg található, amelynek maximális koncentrációja 20-25 km magasságban védi a Földet a túlzott ultraibolya sugárzástól, amely végzetes a szervezet számára. Ide tartozik a bioszféra is (a külső geoszférákhoz).

Bioszféra - a Föld külső héja, amely magában foglalja a légkör egy részét 25-30 km magasságig (az ózonrétegig), szinte a teljes hidroszférát és a litoszféra felső részét körülbelül 3 km mélységig

Rizs. 1. A földkéreg szerkezetének vázlata

(2. ábra). Ezen részek sajátossága, hogy a bolygó élőanyagát alkotó élőlények lakják őket. Kölcsönhatás a bioszféra abiotikus része- levegő, víz, kőzetek és szerves anyagok - biotas talajok és üledékes kőzetek képződését okozta.

Rizs. 2. A bioszféra felépítése és az alapvető szerkezeti egységek által elfoglalt felületek aránya

Az anyagok körforgása a bioszférában és az ökoszisztémákban

A bioszférában élő szervezetek számára elérhető összes kémiai vegyület korlátozott. Az asszimilációra alkalmas vegyi anyagok kimerülése gyakran gátolja bizonyos élőlénycsoportok fejlődését a szárazföld vagy az óceán lokális területein. Az akadémikus V.R. Williams szerint a végtelen véges tulajdonságait csak úgy adhatjuk meg, hogy zárt görbe mentén forog. Következésképpen a bioszféra stabilitása az anyagok és az energiaáramlások körforgása révén megmarad. Elérhető két fő anyagciklus: nagy - geológiai és kis - biogeokémiai.

Nagy geológiai ciklus(3. ábra). A kristályos kőzetek (magmás) fizikai, kémiai és biológiai tényezők hatására üledékes kőzetekké alakulnak át. A homok és az agyag tipikus üledékek, mély kőzetek átalakulásának termékei. Az üledékképződés azonban nemcsak a meglévő kőzetek pusztulása miatt következik be, hanem a biogén ásványok - a mikroorganizmusok vázai - szintézisével is a természeti erőforrásokból - az óceánok, tengerek és tavak vizeiből. A laza vizes üledékek, mivel a tározók alján elszigetelődnek új üledékes anyagokkal, mélységbe merülnek, és új termodinamikai feltételeknek (magasabb hőmérsékletnek és nyomásnak) vannak kitéve, vizet veszítenek, megkeményednek és üledékes kőzetekké alakulnak.

Ezt követően ezek a kőzetek még mélyebb horizontokba süllyednek, ahol végbemennek az új hőmérsékleti és nyomásviszonyokba való mély átalakulásuk folyamatai - metamorfózis folyamatok következnek be.

Az endogén energiaáramlások hatására a mély kőzetek megolvadnak, és magmát képeznek, amely új magmás kőzetek forrása. Miután ezek a kőzetek a Föld felszínére emelkednek, az időjárási és szállítási folyamatok hatására ismét új üledékes kőzetekké alakulnak át.

A nagy körforgást tehát a napenergia (exogén) és a Föld mély (endogén) energiájának kölcsönhatása okozza. Újraelosztja az anyagokat a bioszféra és bolygónk mélyebb horizontjai között.

Rizs. 3. Anyagok nagy (geológiai) körforgása (vékony nyilak) és a földkéreg diverzitásának változásai (tömör széles nyilak - növekedés, törött nyilak - a diverzitás csökkenése)

A Nagy Gyre mellett A hidroszféra, a légkör és a litoszféra közötti vízkörforgást is nevezik, amelyet a Nap energiája hajt. A víz elpárolog a tározók és a föld felszínéről, majd csapadék formájában visszatér a Földre. Az óceán felett a párolgás meghaladja a csapadékot a szárazföldön, ennek ellenkezője. Ezeket a különbségeket a folyók áramlása kompenzálja. A szárazföldi növényzet fontos szerepet játszik a globális vízkörforgásban. A növények kipárolgása a földfelszín bizonyos területein az ide lehulló csapadék 80-90%-át, átlagosan pedig az összes éghajlati zónában körülbelül 30%-át teheti ki. A nagy körforgástól eltérően az anyagok kis ciklusa csak a bioszférán belül történik. A nagy és a kis vízciklusok közötti összefüggést az ábra mutatja. 4.

A bolygók léptékű ciklusai az egyes ökoszisztémák élőlényeinek létfontosságú tevékenysége által vezérelt számtalan lokális atommozgásból, valamint táji és geológiai okok (felszíni és földalatti lefolyás, szélerózió, tengerfenék mozgása, vulkanizmus, hegyépítés) által kiváltott mozgásokból jönnek létre. stb.).

Rizs. 4. A víz nagy geológiai körforgása (GGC) és a víz kis biogeokémiai ciklusa (SBC) kapcsolata

Ellentétben az energiával, amelyet a szervezet egyszer felhasznált hővé alakul át és elveszik, az anyagok keringenek a bioszférában, biogeokémiai ciklusokat hozva létre. A természetben található több mint kilencven elemből az élő szervezeteknek körülbelül negyvenre van szükségük. A legfontosabbak nagy mennyiségben szükségesek - szén, hidrogén, oxigén, nitrogén. Az elemek és anyagok körforgása önszabályozó folyamatok révén valósul meg, amelyekben minden komponens részt vesz. Ezek a folyamatok hulladékmentesek. Létezik A bioszférában zajló biogeokémiai ciklus globális lezárásának törvénye, amely fejlődésének minden szakaszában működik. A bioszféra evolúciós folyamatában megnő a biológiai komponens szerepe a biogeokémiai folyamatok lezárásában.
akit a ciklus. Az embernek még nagyobb befolyása van a biogeokémiai ciklusra. De szerepe az ellenkező irányban nyilvánul meg (a körgyűrűk megnyílnak). Az anyagok biogeokémiai körforgásának alapja a Nap energiája és a zöld növények klorofillja. A többi legfontosabb körfolyamat – víz, szén, nitrogén, foszfor és kén – a biogeokémiai körfolyamathoz kapcsolódik, és hozzájárul ahhoz.

Víz körforgása a bioszférában

A növények a fotoszintézis során a vízben lévő hidrogént használják szerves vegyületek felépítésére, így molekuláris oxigént szabadítanak fel. Minden élőlény légzési folyamataiban a szerves vegyületek oxidációja során ismét víz képződik. Az élet történetében a hidroszférában lévő összes szabad víz többszörösen bomlási ciklusokon ment keresztül, és a bolygó élő anyagában új képződések keletkeztek. A Földön évente körülbelül 500 000 km 3 víz vesz részt a víz körforgásában. A víz körforgása és készletei az ábrán láthatók. 5 (relatív értelemben).

Oxigénciklus a bioszférában

A Föld egyedülálló légkörét magas szabad oxigéntartalommal a fotoszintézis folyamatának köszönheti. Az ózon képződése a légkör magas rétegeiben szorosan összefügg az oxigénciklussal. Az oxigén a vízmolekulákból szabadul fel, és lényegében a növények fotoszintetikus tevékenységének mellékterméke. Abiotikusan oxigén keletkezik a légkör felső rétegeiben a vízgőz fotodisszociációja miatt, de ez a forrás csak ezred százalékát teszi ki a fotoszintézis által szolgáltatott mennyiségnek. A légkör oxigéntartalma és a hidroszféra között folyadékegyensúly van. Vízben körülbelül 21-szer kevesebb.

Rizs. 6. Az oxigénciklus diagramja: vastag nyilak - az oxigénellátás és -fogyasztás főbb áramlásai

A felszabaduló oxigén intenzíven felhasználódik minden aerob szervezet légzési folyamataiban, illetve a különféle ásványi vegyületek oxidációjában. Ezek a folyamatok a légkörben, a talajban, a vízben, az iszapban és a kőzetekben játszódnak le. Kimutatták, hogy az üledékes kőzetekben megkötött oxigén jelentős része fotoszintetikus eredetű. A légkörben lévő O cserealap a teljes fotoszintetikus termelés legfeljebb 5%-át teszi ki. Sok anaerob baktérium a szerves anyagokat is oxidálja az anaerob légzés során, szulfátok vagy nitrátok segítségével.

A növények által létrehozott szerves anyagok teljes lebontásához pontosan ugyanannyi oxigénre van szükség, mint amennyi a fotoszintézis során szabadult fel. A szerves anyagok üledékes kőzetekbe, szénbe és tőzegbe temetése szolgált alapul a légkör oxigéncsere-alapjának fenntartásához. A benne lévő összes oxigén egy teljes cikluson megy keresztül az élő szervezeteken keresztül körülbelül 2000 év alatt.

Jelenleg a légköri oxigén jelentős része a közlekedés, az ipar és más antropogén tevékenység eredményeként kötődik meg. Ismeretes, hogy az emberiség már most is több mint 10 milliárd tonna szabad oxigént költ el a fotoszintézis folyamatok által szállított összesen 430-470 milliárd tonna mennyiségből. Ha figyelembe vesszük, hogy a fotoszintetikus oxigénnek csak egy kis része kerül be a cserealapba, az emberi tevékenység ezzel kapcsolatban riasztó méreteket ölt.

Az oxigén körforgása szorosan összefügg a szénciklussal.

Szénciklus a bioszférában

A szén mint kémiai elem az élet alapja. Számos más elemmel kombinálva sokféle módon egyszerű és összetett szerves molekulákat képez, amelyek élő sejteket alkotnak. A bolygó eloszlását tekintve a szén a tizenegyedik helyen áll (a földkéreg tömegének 0,35%-a), de az élőanyagban átlagosan a száraz biomassza körülbelül 18-45%-át teszi ki.

A légkörben a szén a szén-dioxid CO 2 és kisebb mértékben a metán CH 4 része. A hidroszférában a CO 2 vízben oldódik, össztartalma jóval magasabb, mint a légköré. Az óceán erőteljes pufferként szolgál a légkörben lévő CO 2 szabályozásához: a levegőben lévő koncentrációjának növekedésével a szén-dioxid vízfelvétele növekszik. A CO 2 molekulák egy része reakcióba lép a vízzel, szénsavat képezve, amely azután HCO 3 - és CO 2- 3 ionokká disszociál a víz állandó pH-ja.

A légkörben és a hidroszférában lévő szén-dioxid a szénkörforgás cserealapja, ahonnan a szárazföldi növények és algák veszik fel. A fotoszintézis az összes biológiai ciklus alapja a Földön. A rögzített szén felszabadulása maguknak a fotoszintetikus szervezeteknek és az összes heterotrófnak - baktériumoknak, gombáknak, állatoknak a légzési tevékenysége során következik be, amelyek élő vagy elhalt szerves anyagok miatt szerepelnek a táplálékláncban.

Rizs. 7. Szén körforgása

Különösen aktív a CO2 visszajuttatása a talajból a légkörbe, ahol számos szervezetcsoport tevékenysége koncentrálódik, lebontják az elhalt növények és állatok maradványait, és megtörténik a növényi gyökérrendszerek légzése. Ezt az integrált folyamatot „talajlégzésnek” nevezik, és jelentősen hozzájárul a levegő CO2 cserealapjának feltöltéséhez. A szerves anyagok mineralizációs folyamataival párhuzamosan a talajban humusz képződik - összetett és stabil, szénben gazdag molekuláris komplexum. A talaj humusza a szárazföld egyik fontos széntárolója.

Olyan körülmények között, ahol a pusztítók tevékenységét környezeti tényezők gátolják (például amikor anaerob rendszer lép fel a talajban és a tározók alján), a növényzet által felhalmozódott szerves anyagok nem bomlanak le, idővel kőzetekké, például szénné vagy barnává alakulnak. szén, tőzeg, szapropel, olajpala és mások, amelyek felhalmozódott napenergiában gazdagok. Feltöltik a széntartalék alapot, hosszú időre kiszakadva a biológiai körforgásból. A szén átmenetileg lerakódik az élő biomasszában, az elhalt alomban, az óceánok oldott szerves anyagában stb. azonban a fő széntartalék-alap írásban nem élő szervezetek vagy fosszilis tüzelőanyagok, hanem üledékes kőzetek - mészkövek és dolomitok. Kialakulásuk az élő anyag tevékenységével is összefügg. Ezeknek a karbonátoknak a széne hosszú időre eltemetődik a Föld bélrendszerében, és csak az erózió során lép be a körforgásba, amikor a kőzetek tektonikus ciklusokban szabadulnak fel.

A Földön található teljes szénmennyiségnek csak egy százalékának töredéke vesz részt a biogeokémiai ciklusban. A légkörből és a hidroszférából származó szén sokszor áthalad az élő szervezeteken. A szárazföldi növények a levegőben 4-5 év alatt, a talaj humuszában - 300-400 év alatt képesek kimeríteni tartalékaikat. A szén fő visszajutása a cserealapba az élő szervezetek tevékenysége miatt következik be, és ennek csak egy kis részét (ezred százalékát) kompenzálja a vulkáni gázok részeként a Föld beléből való kibocsátás.

Jelenleg a fosszilis tüzelőanyagok hatalmas készleteinek kitermelése és elégetése erőteljes tényezővé válik a szénnek a tartalékból a bioszféra cserealapjába történő átvitelében.

Nitrogén körforgása a bioszférában

Az atmoszféra és az élőanyag a Föld összes nitrogénjének kevesebb mint 2%-át tartalmazza, de ez az, ami fenntartja az életet a bolygón. A nitrogén a legfontosabb szerves molekulák - DNS, fehérjék, lipoproteinek, ATP, klorofill stb. - része. A növényi szövetekben a szénhez viszonyított aránya átlagosan 1:30, a hínárban pedig I: 6. A nitrogén biológiai körforgása ezért a szénnel is szorosan összefügg.

A légkör molekuláris nitrogénje hozzáférhetetlen a növények számára, amelyek ezt az elemet csak ammóniumionok, nitrátok formájában, illetve talajból vagy vizes oldatokból tudják felvenni. Ezért a nitrogénhiány gyakran korlátozza az elsődleges termelést - a szervezetek munkáját, amelyek a szervetlen anyagokból szerves anyagok létrehozásához kapcsolódnak. Ennek ellenére a légköri nitrogén nagymértékben részt vesz a biológiai körforgásban a speciális baktériumok (nitrogénfixálók) tevékenysége miatt.

Az ammonifikáló mikroorganizmusok szintén nagy szerepet játszanak a nitrogén körforgásában. A fehérjéket és egyéb nitrogéntartalmú szerves anyagokat ammóniává bontják. Az ammónium formában a nitrogént részben a növényi gyökerek visszaszívják, részben pedig a nitrifikáló mikroorganizmusok felfogják, ami ellentétes a mikroorganizmusok csoportjának - denitrifikáló szerek - funkcióival.

Rizs. 8. Nitrogén körforgás

A talajban vagy vizekben anaerob körülmények között a nitrátokból származó oxigént használva oxidálják a szerves anyagokat, energiát nyerve életükhöz. A nitrogén molekuláris nitrogénné redukálódik. A nitrogénkötés és a denitrifikáció természeténél fogva megközelítőleg kiegyensúlyozott. A nitrogénciklus tehát elsősorban a baktériumok aktivitásától függ, míg a növények beépülnek ebbe, e körfolyamat közbenső termékeit felhasználva, és a biomassza termelése révén nagymértékben növelik a bioszférában a nitrogén cirkulációját.

A baktériumok szerepe a nitrogénkörforgásban olyan nagy, hogy ha csak 20 fajuk pusztul el, bolygónkon megszűnik az élet.

A nitrogén nem biológiai megkötése, oxidjainak és ammóniájának talajba jutása a légköri ionizációs és villámkisülések során csapadékkal is megtörténik. A modern műtrágyaipar a természetes nitrogénkötésnél nagyobb mértékben köti meg a légköri nitrogént a növénytermesztés növelése érdekében.

Jelenleg az emberi tevékenység egyre inkább befolyásolja a nitrogén körforgását, főként abban az irányban, hogy a molekuláris állapotba való visszatérés folyamataival szemben a kötött formákba való átadása többletet jelent.

Foszfor körforgása a bioszférában

Ezt az elemet, amely számos szerves anyag szintéziséhez szükséges, beleértve az ATP-t, a DNS-t, az RNS-t, a növények csak ortofoszforsav-ionok (P0 3 4 +) formájában szívják fel. Azokhoz az elemekhez tartozik, amelyek korlátozzák az elsődleges termelést mind a szárazföldön, mind az óceánban, mivel a talajban és a vizekben kicsi a foszfor cserealapja. Ennek az elemnek a ciklusa a bioszféra skáláján nincs lezárva.

A szárazföldön a növények foszfátokat vonnak ki a talajból, amelyeket a bomló anyagok bocsátanak ki a bomló szerves maradványokból. Lúgos vagy savas talajban azonban a foszforvegyületek oldhatósága meredeken csökken. A foszfátok fő tartalékalapját a geológiai múltban az óceán fenekén keletkezett kőzetek tartalmazzák. A kőzetkimosódás során e tartalékok egy része a talajba kerül, és szuszpenziók és oldatok formájában kimosódik a víztestekbe. A hidroszférában a foszfátokat a fitoplankton használja fel, amelyek a táplálékláncokon keresztül más hidrobionokhoz jutnak el. Az óceánban azonban a foszforvegyületek többsége állatok és növények maradványaival együtt van eltemetve a fenéken, majd az üledékes kőzetekkel a nagy geológiai körforgásba kerül át. A mélyben az oldott foszfátok megkötődnek a kalciummal, foszforitokat és apatitokat képezve. A bioszférában valójában a foszfor egyirányú áramlása folyik a szárazföldi kőzetekből az óceán mélyére, ezért cserealapja a hidroszférában nagyon korlátozott.

Rizs. 9. Foszfor körforgása

A foszforitok és apatitok földi lerakódásait a műtrágyák előállításához használják fel. A foszfor édesvízbe jutása az egyik fő oka a „virágzásuknak”.

Kénciklus a bioszférában

A kén körforgása, amely számos aminosav felépítéséhez szükséges, felelős a fehérjék háromdimenziós szerkezetéért, és a baktériumok széles köre tartja fenn a bioszférában. Ebben a ciklusban az egyes láncszemek közé tartoznak az aerob mikroorganizmusok, amelyek a szerves maradékok kéntjét szulfátokká oxidálják, valamint az anaerob szulfátreduktorok, amelyek a szulfátokat hidrogén-szulfiddá redukálják. A kénbaktériumok felsorolt ​​csoportjain kívül elemi kénné, majd szulfáttá oxidálják a hidrogén-szulfidot. A növények csak SO2-4 ionokat vesznek fel a talajból és a vízből.

A középső gyűrű az oxidáció (O) és a redukció (R) folyamatát szemlélteti, amely ként cserél a rendelkezésre álló szulfátkészlet és a mélyen a talajban és üledékekben lévő vas-szulfid medence között.

Rizs. 10. Kén körforgása. A középen lévő gyűrű az oxidáció (0) és a redukció (R) folyamatát szemlélteti, amelyen keresztül a kén kicserélődik a rendelkezésre álló szulfátkészlet és a mélyen a talajban és üledékekben található vas-szulfidok között.

A kén fő felhalmozódása az óceánban történik, ahol a szulfátionok folyamatosan áramlanak a szárazföldről a folyóvízzel együtt. Amikor a kénhidrogén kiszabadul a vízből, a kén részben visszakerül a légkörbe, ahol dioxiddá oxidálódik, és az esővízben kénsavvá alakul. A nagy mennyiségű szulfát és elemi kén ipari felhasználása, valamint a fosszilis tüzelőanyagok elégetése nagy mennyiségű kén-dioxidot bocsát ki a légkörbe. Ez károsítja a növényzetet, az állatokat, az embereket, és savas eső forrásaként szolgál, ami súlyosbítja az emberi beavatkozás negatív hatásait a kénkörforgásban.

Az anyagok keringésének sebessége

Minden anyagciklus különböző sebességgel megy végbe (11. ábra)

Így a bolygó összes biogén elemének ciklusát a különböző részek összetett kölcsönhatása támogatja. Különböző funkciójú élőlénycsoportok tevékenysége, az óceánt és a szárazföldet összekötő lefolyási és párolgási rendszer, a víz- és légtömegek keringési folyamatai, a gravitációs erők hatása, a litoszféra lemezek tektonikája és más nagy -léptékű geológiai és geofizikai folyamatok.

A bioszféra egyetlen komplex rendszerként működik, amelyben különféle anyagciklusok mennek végbe. Ezek fő mozgatórugója a ciklusok a bolygó élő anyaga, minden élő szervezet, a szerves anyagok szintézisének, átalakulásának és lebontásának folyamatai.

Rizs. 11. Anyagok keringési sebessége (P. Cloud, A. Jibor, 1972)

Az ökológiai világszemlélet alapja az az elképzelés, hogy minden élőlényt sokféle, őt befolyásoló tényező vesz körül, amelyek együtt alkotják élőhelyét - egy biotóp. Ennélfogva, biotóp - a terület olyan része, amely bizonyos növény- vagy állatfajok életkörülményei szempontjából homogén(szakadék lejtője, városi erdőpark, kis tó vagy nagy tó része, de homogén adottságokkal - parti rész, mélyvízi rész).

Egy adott biotópra jellemző organizmusok alkotják életközösség, vagy biocenózis(tavak, rétek, partvonalak állatai, növényei és mikroorganizmusai).

Az élőközösség (biocenosis) biotópjával egységes egészet alkot, melyet ún ökológiai rendszer (ökoszisztéma). A természetes ökoszisztémákra példa a hangyaboly, tó, tavacska, rét, erdő, város, farm. A mesterséges ökoszisztéma klasszikus példája az űrhajó. Mint látható, itt nincs szigorú térszerkezet. Az ökoszisztéma fogalmához közel áll a fogalom biogeocenózis.

Az ökoszisztémák fő összetevői a következők:

• élettelen (abiotikus) környezet. Ezek a víz, ásványi anyagok, gázok, valamint szerves anyagok és humusz;
• biotikus komponensek. Ide tartoznak: termelők vagy termelők (zöld növények), fogyasztók vagy fogyasztók (termelőkkel táplálkozó élőlények) és lebontók vagy lebontók (mikroorganizmusok).

A természet rendkívül gazdaságosan működik. Így az élőlények által létrehozott biomassza (az élőlények testeinek anyaga) és a bennük lévő energia átkerül az ökoszisztéma más tagjaihoz: az állatok megeszik a növényeket, ezeket az állatokat megeszik más állatok. Ezt a folyamatot ún élelmiszer, vagy trófea, lánc. A természetben a táplálékláncok gyakran keresztezik egymást, táplálékhálót alkotva.

Példák táplálékláncra: növény - növényevő - ragadozó; kalászos - mezei egér - róka stb. és a táplálékháló az ábrán látható. 12.

Így a bioszféra egyensúlyi állapota biotikus és abiotikus környezeti tényezők kölcsönhatásán alapul, amelyet az ökoszisztémák összes összetevője közötti folyamatos anyag- és energiacsere révén tartanak fenn.

A természetes ökoszisztémák zárt körforgásában másokkal együtt két tényező részvétele szükséges: a lebontó anyagok jelenléte és a napenergia folyamatos ellátása. A városi és mesterséges ökoszisztémákban kevés vagy egyáltalán nincs bontó, így folyékony, szilárd és gáznemű hulladékok halmozódnak fel, szennyezik a környezetet.

Rizs. 12. Táplálékháló és az anyagáramlás iránya

Egy ökoszisztéma létfontosságú tevékenysége és a benne lévő anyagok keringése csak állandó energiaáramlás mellett lehetséges. A Föld fő energiaforrása a napsugárzás. A Nap energiáját a fotoszintetikus szervezetek alakítják át szerves vegyületek kémiai kötéseinek energiájává. A táplálékláncokon keresztül történő energiaátvitel a termodinamika második főtételének engedelmeskedik: az egyik energiafajta átalakulása egy másik energiafajtává bizonyos energiaveszteséggel jár. Ugyanakkor újraelosztása szigorú minta szerint történik: az ökoszisztéma által kapott és a termelők által asszimilált energia eloszlik, vagy biomasszájukkal együtt visszafordíthatatlanul átkerül az első, a második stb. fogyasztóihoz. rendek, majd minden egyes trofikus szinten csökkenő energiaáramlású lebontókra. Ebben a tekintetben nincs energiaciklus.

Ellentétben az energiával, amelyet csak egyszer használnak fel egy ökoszisztémában, az anyagokat többször is felhasználják, mivel fogyasztásuk és átalakulásuk körben megy végbe. Ezt a ciklust az ökoszisztéma élő szervezetei (termelők, fogyasztók, lebontók) hajtják végre, és az anyagok biológiai körforgásának nevezik.

Anyagok biológiai körforgása, vagy kis - az anyagok talajból és légkörből élő szervezetekbe jutása kémiai formájuk megfelelő megváltozásával, visszajutása a talajba és a légkörbe az élőlények élete során és a halott utáni maradványokkal, és újra. -belépés az élő szervezetekbe a pusztulási és mineralizációs folyamatok után mikroorganizmusok segítségével. Az anyagok biológiai körforgásának ez a megértése (N. P. Remezov, L. E. Rodin és N. I. Bazilevich szerint) megfelel a biogeocenotikus szintnek. Pontosabb a kémiai elemek biológiai körforgásáról beszélni, mint az anyagokról, mivel a ciklus különböző szakaszaiban az anyagok kémiailag módosulhatnak. V.A. Kovda (1973) szerint a talaj-növény rendszerben a hamuelemek biológiai ciklusának éves értéke jelentősen meghaladja ezen elemek folyókba és tengerekbe való éves geokémiai áramlásának értékét, és kolosszálisan 109 t/év értékben mérik.

A szárazföldek és az óceánok ökológiai rendszerei megkötik és újra elosztják a napenergiát, a légköri szenet, a nedvességet, az oxigént, a hidrogént, a foszfort, a nitrogént, a ként, a kalciumot és más elemeket. A növényi szervezetek (termelők) létfontosságú tevékenysége, valamint az állatokkal (fogyasztókkal), mikroorganizmusokkal (lebontókkal) és az élettelen természettel való kölcsönhatása mechanizmust biztosít a Földre jutó napenergia felhalmozódására és újraelosztására.

Az anyagok körforgása sohasem zárult le teljesen. Egyes szerves és szervetlen anyagok az ökoszisztémán kívülre kerülnek, ugyanakkor készleteik a kívülről beáramló beáramlás miatt pótolhatók. Egyes esetekben az anyagok keringésének egyes ciklusaiban az ismételt reprodukció mértéke 90-98%. A ciklusok nem teljes lezárása geológiai időskálán az elemek felhalmozódásához vezet a Föld különböző természetes szféráiban. Ilyen módon ásványi anyagok halmozódnak fel - szén, olaj, gáz, mészkő stb.

2. A modern természettudomány és a tudományos világkép alapvető jellemzői

A természettudomány a természet jelenségeinek és törvényeinek tudománya. A modern természettudomány számos természettudományi ágat foglal magában: fizikát, kémiát, biológiát, valamint számos kapcsolódó ágat, mint például a fizikai kémiát, a biofizikát, a biokémiát stb. a természet tulajdonságait, amelyek egy egésznek tekinthetők.

A modern sokrétű technológia a természettudomány gyümölcse, amely a mai napig számos ígéretes terület fejlődésének alapja - a nanoelektronikától a komplex űrtechnológiáig, és ez sokak számára nyilvánvaló.

Minden idők filozófusai a tudomány és mindenekelőtt a természettudomány legújabb eredményeire támaszkodtak. Az elmúlt évszázad fizikában, kémiában, biológiában és más tudományokban elért eredményei lehetővé tették számunkra, hogy új pillantást vethessünk az évszázadok során kialakult filozófiai elképzelésekre. Számos filozófiai gondolat született a természettudomány mélyén, a természettudomány pedig fejlődésének kezdetén természetfilozófiai jellegű volt. Egy ilyen filozófiáról a német filozófus, Arthur Schopenhauer (1788-1860) szavaival mondhatjuk el: „A filozófiám semmiféle bevételt nem adott, de sok kiadástól megkímélt.”

Az a személy, aki legalább általános és egyben fogalmi természettudományi ismeretekkel rendelkezik, i.e. a természettel kapcsolatos ismereteit, minden bizonnyal úgy fogja végrehajtani tetteit, hogy a tetteiből származó haszon mindig párosuljon a természethez való gondos hozzáállással és annak megőrzésével nemcsak a jelen, hanem a jövő nemzedékei számára is.

A természettudományos igazság ismerete szabaddá teszi az embert, a szó tág filozófiai értelmében szabaddá, mentessé az alkalmatlan döntésektől és cselekedetektől, végül szabaddá teszi nemes és alkotó tevékenysége útjának megválasztásában.

Nincs értelme felsorolni a természettudomány vívmányait, mindannyian ismerjük az általa létrehozott technológiákat és alkalmazzuk azokat. A fejlett technológiák főként a 20. század utolsó évtizedeinek természettudományos felfedezésein alapulnak, azonban a kézzelfogható eredmények ellenére problémák merülnek fel, amelyeket elsősorban a bolygónk ökológiai egyensúlyát fenyegető veszély tudata okoz. Mindenféle piacgazdálkodó egyetért abban, hogy a szabad piac nem védheti meg Afrika elefántjait a vadászoktól vagy Mezopotámia történelmi helyszíneit a savas esőktől és a turistáktól. Csak a kormányok képesek olyan törvényeket alkotni, amelyek ösztönzik a piac ellátását mindennel, amire az embereknek szükségük van anélkül, hogy elpusztítanák az élőhelyüket.

Ugyanakkor a kormányok képtelenek ilyen politikát folytatni tudósok, és mindenekelőtt a modern természettudományokban jártas tudósok segítsége nélkül. Kapcsolatra van szükségünk a természettudomány és az irányító struktúrák között a környezetvédelemmel, az anyagi támogatással stb. kapcsolatos kérdésekben. Tudomány nélkül nehéz fenntartani a bolygó tisztaságát: mérni kell a szennyezés mértékét, meg kell jósolni a következményeket - ez csak így ismerhetjük meg a megelőzendő bajokat. Csak a legmodernebb természettudományi és mindenekelőtt fizikai módszerekkel lehet nyomon követni az ózonréteg vastagságát és egyenletességét, amely megvédi az embert az ultraibolya sugárzástól. Csak a tudományos kutatás segít megérteni a savas csapadék és a szmog okait és következményeit, amelyek minden ember életét befolyásolják, biztosítják az ember számára a Holdra repüléshez, az óceán mélyeinek felfedezéséhez és az emberektől való megszabaduláshoz szükséges ismereteket. számos súlyos betegségtől.

A 70-es években népszerű matematikai modellek elemzése eredményeként a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy a gazdaság további fejlődése hamarosan lehetetlenné válik. S bár új ismereteket nem hoztak, mégis fontos szerepet játszottak. Bemutatták a kialakuló fejlődési trendek lehetséges következményeit napjainkban. Egy időben az ilyen modellek valóban emberek millióit győzték meg arról, hogy a természet védelme szükséges, és ez jelentősen hozzájárult a fejlődéshez. Az ajánlások különbözősége ellenére minden modell egy fő következtetést tartalmaz: a természetet nem lehet továbbra is úgy szennyezni, mint ma

A Földön számos probléma hozható összefüggésbe a természettudományos ismeretekkel. Ezeket a problémákat azonban magának a tudománynak az éretlensége generálja. Hadd folytassa a pályáját – és az emberiség legyőzi a mai nehézségeket – ez a tudósok többségének véleménye. Mások számára, főként azok számára, akik csak a tudósok körébe tartoznak, a tudomány elvesztette jelentőségét.

A természettudomány nagymértékben tükrözi a szakemberek igényeit, ugyanakkor az állam és a közvélemény folyamatosan változó szimpátiáitól függően finanszírozzák.

A tudomány és a technológia nemcsak a fő eszköz, amely lehetővé teszi az emberek számára, hogy alkalmazkodjanak a folyamatosan változó természeti feltételekhez, hanem a fő erő, amely közvetlenül vagy közvetve ilyen változásokat okoz.

A természettudományban rejlő nyilvánvaló pozitív tulajdonságok mellett szólnunk kell azokról a hiányosságokról is, amelyeket mind maga a tudás természete, mind az emberi tudás korlátai miatt az anyagi világ néhány nagyon fontos tulajdonságának ebben a szakaszában történő megértésének hiánya okoz. . Tegyük fel, hogy a tiszta matematikusok olyan felfedezést tettek, amely ellentmond a múltbeli gondolkodók elképzeléseinek: véletlenszerű, kaotikus folyamatok precíz matematikai modellekkel írhatók le. Sőt, kiderült, hogy még egy egyszerű, hatékony visszacsatolással felszerelt modell is annyira érzékeny a kezdeti feltételek legkisebb változásaira is, hogy jövője kiszámíthatatlanná válik. Akkor érdemes-e vitatkozni arról, hogy az Univerzum determinisztikus-e, ha egy szigorúan determinisztikus modell olyan eredményeket ad, amelyek nem különböznek a valószínűségitől?

A természettudomány célja a természeti jelenségek és folyamatok összességének leírása, rendszerezése és magyarázata. Magában a tudomány módszertanában a „magyaráz” szó magyarázatot igényel. A legtöbb esetben megértést jelent. Általában mire gondol az ember, amikor azt mondja, hogy „értem”? Ez általában azt jelenti: „Tudom, honnan jött” és „Tudom, hogy ez hova fog vezetni”. Így jön létre az ok-okozati összefüggés: ok - jelenség - okozat. Egy ilyen kapcsolat kiterjesztése és a sok jelenséget lefedő többdimenziós struktúra kialakítása egy olyan tudományos elmélet alapjául szolgál, amelyet világos logikai szerkezet jellemez, és amely elvek vagy axiómák és tételek halmazából áll, minden lehetséges következtetéssel. Bármely matematikai diszciplína ennek a sémának megfelelően épül fel, például az euklideszi geometria vagy a halmazelmélet, amely a tudományos elméletek tipikus példájaként szolgálhat. Az elmélet felépítése természetesen egy speciális tudományos nyelv, speciális terminológia, egy olyan tudományos fogalomrendszer megalkotását feltételezi, amelyeknek egyértelmű jelentése van, és szigorú logikai szabályok kötik össze őket.

Az elmélet tapasztalati próbája után megkezdődik a valóság megismerésének következő szakasza, amelyben kialakulnak ismereteink igazságának határai, vagy elméletek és egyes tudományos megállapítások alkalmazhatóságának határai. Ezt a szakaszt objektív és szubjektív tényezők határozzák meg. Az egyik jelentős objektív tényező a minket körülvevő világ dinamizmusa. Emlékezzünk az ókori görög filozófus, Hérakleitosz bölcs szavaira (Kr. e. 6. vége - 5. század eleje); „Minden folyik, minden változik; Nem léphet be kétszer ugyanabba a folyóba.” Összefoglalva fogalmazzuk meg röviden a valóság tudományos megismerésének három alapelvét.

1. Ok-okozati összefüggés. Az okság első és meglehetősen átfogó definíciója Démokritosz kijelentésében található: „Egyetlen dolog sem keletkezik ok nélkül, de minden valamilyen alapon és szükségből adódik.”

2. Az igazság kritériuma. A természettudományos igazságot csak a gyakorlat igazolja (bizonyítja): megfigyelések, tapasztalatok, kísérletek, termelő tevékenységek: Ha egy tudományos elméletet a gyakorlat megerősít, akkor az igaz. A természettudományos elméleteket megfigyeléseket, méréseket és a kapott eredmények matematikai feldolgozását magában foglaló kísérletekkel tesztelik. A mérések fontosságát hangsúlyozva a kiváló tudós D.I. Mengyelejev (1834-1907) ezt írta: „A tudomány akkor kezdődött, amikor az emberek megtanultak mérni; Az egzakt tudomány elképzelhetetlen mérték nélkül.”

3. A tudományos ismeretek relativitása. A tudományos ismeretek (fogalmak, eszmék, fogalmak, modellek, elméletek, azokból származó következtetések stb.) mindig relatívak és korlátozottak.

Gyakran előforduló állítás: a természettudomány fő célja - a természet törvényeinek megállapítása, a rejtett igazságok feltárása - kimondottan vagy hallgatólagosan feltételezi, hogy az igazság valahol már létezik, és kész formában létezik, csak meg kell találni, egyfajta kincsként találták meg. A nagy ókori filozófus, Démokritosz mondta: „Az igazság a mélységben van elrejtve (a tenger fenekén). Egy másik objektív tényező a kísérleti technológia tökéletlenségéhez kapcsolódik, amely minden kísérlet anyagi alapjául szolgál.

A természettudomány ilyen vagy olyan módon rendszerezi a természettel kapcsolatos megfigyeléseinket. Ebben az esetben nem szabad közelítőnek tekinteni például a másodrendű görbék elméletét azon az alapon, hogy a természetben nincsenek pontosan másodrendű görbék. Nem mondható el, hogy a nem-euklideszi geometria finomítja az euklideszi geometriát - mindegyik elfoglalja a helyét a modellek rendszerében, a belső pontossági kritériumoknak megfelelően pontos, és ahol szükséges, alkalmazásra is talál. Ugyanígy helytelen azt állítani, hogy a relativitáselmélet finomítja a klasszikus mechanikát – ezek különböző modellek, amelyek általánosságban eltérő alkalmazási területtel rendelkeznek.

A modern felfogás szerint az igazság a valóság tárgyainak és jelenségeinek megismerő alanya helyes, adekvát reflexiója, reprodukálja azokat úgy, ahogy azok a tudaton kívül és attól függetlenül léteznek. Az emberi gondolkodás tevékenységének eredményeképpen az igazság tartalmilag objektív, de formáját tekintve szubjektív. Relatív igazságról beszélhetünk, amely nem teljesen, hanem objektíven meghatározott korlátok között tükrözi a szubjektumot. Az abszolút igazság teljesen kimeríti a tudás tárgyát. Minden relatív igazság az abszolút tudás egy elemét tartalmazza. Az abszolút igazság a relatív igazságok összessége. Az igazság mindig konkrét.

Bármi legyen is az igazság tartalma, amely ősidők óta foglalkoztatja a nagy tudósok elméjét, és bárhogyan is oldják meg általában a tudomány és a természettudomány összetett kérdéseit, egy dolog nyilvánvaló: a természettudomány rendkívül hatékony, hatékony eszköz, amely nemcsak a minket körülvevő világ megértését teszi lehetővé, hanem óriási előnyökkel is jár.

Az idők folyamán, és különösen a múlt század végén, a tudomány és mindenekelőtt a természettudomány funkciója megváltozott. Ha korábban a tudomány fő funkciója a vizsgált tárgyak leírása, rendszerezése és magyarázata volt, mára a tudomány az emberi termelőtevékenység szerves részévé válik, melynek eredményeként a modern termelés - legyen szó a legösszetettebb űrtechnológia előállításáról, modern szuper- és személyi számítógépek vagy kiváló minőségű audio- és videoberendezések - tudásintenzív jelleget kap. Ennek eredményeként a tudományos és a termelés-technikai tevékenységek összeolvadnak, nagy tudományos-termelési társulások jönnek létre - iparágak közötti tudományos és műszaki komplexumok „tudomány - technológia - termelés”, amelyekben a tudomány vezető szerepet tölt be. Ilyen komplexumokban jöttek létre az első űrrendszerek, az első atomerőművek és még sok más, amelyeket a tudomány és a technológia legmagasabb eredményeinek tekintenek.

Az utóbbi időben a bölcsészek úgy vélik, hogy a tudomány termelőerő. Ez elsősorban a természettudományra vonatkozik. Bár a tudomány közvetlenül nem állít elő anyagi termékeket, nyilvánvaló, hogy bármely termék előállítása tudományos fejlődésen alapul. Ezért amikor a tudományról mint termelőerőről beszélnek, nem egyik vagy másik termelés végtermékét veszik figyelembe, hanem azt a tudományos információt - egyfajta terméket, amely alapján az anyagi javak előállítását megszervezik és megvalósítják.

Figyelembe véve egy olyan fontos mutatót, mint a tudományos információ mennyisége, nemcsak minőségi, hanem mennyiségi értékelése is lehetséges ezen mutató átmeneti változásáról, és így meghatározható a tudomány fejlődési mintája.

A kvantitatív elemzés azt mutatja, hogy a tudomány fejlődési ütemét mind általánosságban, mind a természettudomány olyan ágai esetében, mint a fizika, biológia stb., valamint a matematika esetében az elmúlt időszakhoz képest évi 5-7%-os növekedés jellemzi. 300 év. Az elemzés konkrét mutatókat vett figyelembe: tudományos cikkek száma, kutatási asszisztensek stb. A tudománynak ezt a fejlődési ütemét másképp is jellemezhetjük. 15 évenként (a szülők és a gyermekek átlagos korkülönbségének fele) a tudományos termelés volumene e-szeresére nő (e = 2,72 - a természetes logaritmus alapja). Ez az állítás alkotja a tudomány exponenciális fejlődési mintájának lényegét.

Ebből a mintából a következő következtetések következnek. Minden 60 évben a tudományos teljesítmény körülbelül 50-szeresére nő. Az elmúlt 30 év során körülbelül 6,4-szer több ilyen terméket hoztak létre, mint az emberiség teljes történelme során. E tekintetben a XX. század számos jellegzetességére. Teljesen indokolt hozzátenni még egyet - „a tudomány korát”.

Nyilvánvaló, hogy a vizsgált indikátorok határain belül (a tudomány fejlődésének összetett problémájának jellemzésére természetesen nem tekinthetők kimerítőnek) a tudomány exponenciális fejlődése nem folytatódhat a végtelenségig, különben viszonylag rövid időközönként. idővel a közeljövőben a földkerekség teljes lakossága tudományos alkalmazottakká válna. Amint az előző bekezdésben megjegyeztük, még nagyszámú tudományos publikáció is viszonylag kevés igazán értékes tudományos információt tartalmaz. És nem minden kutató járul hozzá jelentős mértékben a valódi tudományhoz. A tudomány továbbfejlesztése a jövőben is folytatódni fog, de nem a kutatók számának és az általuk készített tudományos publikációk számának jelentős növekedése, hanem a fejlett kutatási módszerek és technológiák vonzása, valamint a kutatás színvonalának javítása révén. tudományos munka.

Ma minden eddiginél fontosabb a kiterjedt munka, nemcsak a múlt kritikája és újragondolása, hanem a jövőbe vezető utak feltárása, új ötletek és eszmék keresése. A gazdasági kérdéseken kívül a hazai tudomány és kultúra talán legjelentősebb társadalmi rendje. A múltbeli eszmék kimerítik vagy kimerítették magukat, és ha nem töltjük be az ebből fakadó űrt, akkor azt még régebbi eszmék és fundamentalizmus fogják elfoglalni, amelyet a hatalom ereje és tekintélye már jóváhagyott. Pontosan ez az érvelés kihívása ma, az eltérés, amitől látunk.

3. Minden inerciális jelentési rendszerben a mozgás ugyanazon minták szerint történik - ez a megfogalmazás...

a) az egyetemes gravitáció törvénye; b) Galilei relativitáselméletek; c) A klasszikus mechanika Newton-törvényei

A relativitás elve egy alapvető fizikai elv, amely szerint az inerciális vonatkoztatási rendszerekben minden fizikai folyamat azonos módon megy végbe, függetlenül attól, hogy a rendszer álló helyzetben van-e, vagy egyenletes és egyenes vonalú mozgásban van.

Ez a meghatározás a „b” pontra vonatkozik – Galilei relativitáselméletére.

4. Galilei relativitáselméletek

Galilei relativitás elve , az inerciális vonatkoztatási rendszerek fizikai egyenlőségének elve a klasszikus mechanikában, ami abban nyilvánul meg, hogy a mechanika törvényei minden ilyen rendszerben azonosak. Ebből következik, hogy egyetlen inerciarendszerben sem végzett mechanikai kísérletekkel sem lehet megállapítani, hogy egy adott rendszer nyugalomban van-e, vagy egyenletesen és egyenesen mozog. Ezt az álláspontot először G. Galileo állapította meg 1636-ban. Galileo az inerciarendszerekre vonatkozó mechanikai törvények azonosságát szemléltette a nyugalomban lévő hajó fedélzete alatt fellépő vagy egyenletesen és egyenesen (a Földhöz képest, amely kellő pontossággal tekinthető tehetetlenségi vonatkoztatási rendszernek: „Most mozgassa a hajót bármilyen sebességgel, majd (ha csak a mozgás egyenletes és nem gurul egyik vagy másik irányba) az összes megnevezett jelenségben a legcsekélyebb változást sem fogja megtalálni, és egyikkel sem fogja tudni megállapítani, hogy a hajó mozog-e vagy mozdulatlanul áll... Amikor odadobsz valamit egy elvtársnak, nem kell nagyobb erővel dobnod, amikor a hajón van. meghajol és te a tatnál, mint amikor a relatív helyzeted megfordul; a cseppek, mint korábban, az alsó hajóba esnek, és egy sem esik közelebb a tathoz, bár amíg a csepp a levegőben van, a hajó sok távot fog megtenni” 1.

Egy anyagi pont relatív mozgása: helyzete, sebessége, pályatípusa attól függ, hogy melyik vonatkoztatási rendszerhez (referenciatesthez) viszonyítva tekintjük ezt a mozgást. Ugyanakkor a klasszikus mechanika törvényei , vagyis az anyagi pontok mozgását és a köztük lévő kölcsönhatást leíró mennyiségeket összekötő összefüggések minden inerciális vonatkoztatási rendszerben azonosak. A mechanikai mozgás relativitáselmélete és a mechanika törvényeinek azonossága (irrelevánssága) különböző inercia-referenciarendszerekben alkotja a galilei relativitáselv tartalmát.

Matematikailag a galilei relativitáselv a mechanika egyenletek invarianciáját (változhatatlanságát) fejezi ki a mozgó pontok (és az idő) koordinátáinak transzformációi tekintetében az egyik inerciarendszerből a másikba való átmenet során - Galilei transzformációk.

Legyen két inerciális vonatkoztatási rendszer, amelyek közül az egyiket, az S-t nyugalmi állapotban tekintjük; a második rendszer, az S’, S-hez képest állandó sebességgel mozog u a képen látható módon. Ekkor a Galileo-transzformációk egy anyagi pont koordinátáira az S és S rendszerben a következő formában lesznek:

x' = x - ut, y' = y, z' = z, t' = t (1)

(az árnyékolt értékek az S rendszerre vonatkoznak, az árnyékolatlanok az S-re). Így a klasszikus mechanikában az időt, akárcsak a rögzített pontok közötti távolságot, minden vonatkoztatási rendszerben azonosnak tekintik.

A Galilei-féle transzformációkból megállapítható az összefüggés a pont sebességei és gyorsulásai között mindkét rendszerben:

v’ = v – u, (2)

a' = a.

A klasszikus mechanikában egy anyagi pont mozgását Newton második törvénye határozza meg:

F = ma, (3)

Ahol m- ponttömeg, a F- a rá ható összes erő eredője. Ráadásul az erők (és a tömegek) a klasszikus mechanikában invariánsok, azaz olyan mennyiségek, amelyek nem változnak, amikor egyik referenciarendszerről a másikra lépnek át. Ezért a galilei transzformációk során a (3) egyenlet nem változik. Ez a matematikai kifejezése Galilei relativitáselvének.

A galilei relativitás elve csak a klasszikus mechanikában érvényesül, amely a fénysebességnél jóval kisebb sebességű mozgásokat veszi figyelembe. A fénysebességhez közeli sebességnél a testek mozgása engedelmeskedik Einstein relativisztikus mechanikájának törvényeinek , amelyek invariánsak a koordináták és az idő egyéb transzformációihoz képest - Lorentz transzformációk
(alacsony sebességnél Galilei transzformációkká alakulnak át).

5. Einstein speciális relativitáselmélete

A speciális relativitáselmélet két posztulátumon alapul. Első posztulátum(Einstein általánosított relativitáselve) kimondja: egy adott referenciakereten belül végzett fizikai (mechanikai, elektromágneses stb.) kísérletek nem tudják megállapítani a különbséget a nyugalmi állapotok és az egyenletes lineáris mozgás között (vagyis a természet törvényei a ugyanaz minden inerciális koordinátarendszerben, azaz egymáshoz képest egyenesen és egyenletesen mozgó rendszerekben). Ez a posztulátum a híres Michelson-Morley kísérlet eredményeiből következik, amely a fény sebességét a Föld mozgásának irányában és merőleges irányban mérte. A fénysebesség minden irányban azonosnak bizonyult, függetlenül a forrás mozgásának tényétől (egyébként ezek a mérések elvetették az álló világéter létezésének gondolatát, a rezgéseket amely megmagyarázta a fény természetét).

Második posztulátum azt mondja, hogy a fény sebessége vákuumban minden tehetetlenségi koordinátarendszerben azonos. Ezt a posztulátumot (beleértve magát Einsteint is) a fénysebesség állandóságának értelmében értjük. Általánosan elfogadott, hogy ez a posztulátum is Michelson kísérletének a következménye.

A posztulátumokat Einstein a Maxwell-féle elektrodinamikai egyenlet és az azt követő Lorentz-transzformációk elemzésére használta, lehetővé téve, hogy egy mozgó rendszer koordinátáit és idejét (amelyet fent prímjel jelölünk) egy álló rendszer koordinátáiban és idejében fejezzük ki (ezek transzformációk változatlanul hagyják a Maxwell-egyenleteket):

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

t’ = (t – xV/c^2)/^0,5(mp). (2)
Einstein sebesség-összeadás tétele közvetlenül következik ezekből a transzformációkból:

Vc = (V1 + V2)/(1 + V1*V2/c^2)(m/s). (3)

A szokásos összeadás törvénye ( Vc = V1 + V2) csak alacsony sebességnél hatásos.
Az elvégzett elemzés alapján Einstein arra a következtetésre jutott, hogy az a tény, hogy a rendszer mozog (sebességgel V) a méretét, az idő sebességét és a tömegét a következő kifejezések szerint befolyásolja:

l = lo/^0,5(m); (4)
delta t = delta to/^0,5(mp); (5)
M = Mo/^0,5(kg). (6)
A nulla egy álló (nyugalmi) rendszerhez kapcsolódó mennyiségeket jelöl. A (4) – (6) képletek azt jelzik, hogy a mozgó rendszer hossza lecsökken, az idő múlása rajta (az óra) lelassul, a tömeg pedig nő. Az (5) képlet alapján felmerült az úgynevezett ikerhatás ötlete. Egy űrhajós, aki egy évig repült egy hajón (a hajó órája szerint) 0,9998-as sebességgel Val vel, visszatérve a Földre, találkozik 50 éves ikertestvérével. A (6) összefüggés, amely a tömegnövekedés hatását jellemzi, arra késztette Einsteint, hogy megfogalmazza híres törvényét (6):

E = Mc^2(j).

6. Einstein általános relativitáselmélete

Az általános relativitáselmélet (GTR) egy geometriai gravitációs elmélet, amelyet Albert Einstein adott ki - években. Ezen elmélet keretein belül, amely a speciális relativitáselmélet továbbfejlesztése, azt feltételezik, hogy a gravitációs hatásokat nem a téridőben elhelyezkedő testek és mezők erőkölcsönhatása, hanem a téridő deformációja okozza. magát, ami különösen a tömegenergia jelenlétével függ össze. Az általános relativitáselmélet (GTR) a gravitáció modern elmélete, amely a négydimenziós téridő görbületével hozza összefüggésbe.

Így az általános relativitáselméletben, akárcsak más metrikus elméletekben, a gravitáció nem erőkölcsönhatás. Az általános relativitáselmélet abban különbözik a gravitáció más metrikus elméleteitől, hogy Einstein egyenleteit használja a téridő görbületének a térben jelenlévő anyaghoz való viszonyítására.

Az általános relativitáselmélet jelenleg a legsikeresebb gravitációs elmélet, amit a megfigyelések jól megerősítenek. Az általános relativitáselmélet első sikere az anomális precesszió magyarázata volt
napközel
Higany. Aztán Arthur Eddington ben számolt be arról, hogy a teljes napfogyatkozás pillanatában a fény meghajlik a Nap közelében, ami megerősítette az általános relativitáselmélet előrejelzéseit. Azóta számos más megfigyelés és kísérlet is megerősítette az elmélet jóslatai jelentős részét, ideértve a gravitációs idődilatációt, a gravitációs vöröseltolódást, a gravitációs térben jelentkező jelkésleltetést és – egyelőre csak közvetve – a gravitációs sugárzást. Ezenkívül számos megfigyelést úgy értelmeznek, mint az általános relativitáselmélet egyik legtitokzatosabb és legegzotikusabb előrejelzését, a fekete lyukak létezését.

Einstein megfogalmazta az ekvivalencia elvét, amely kimondja, hogy a gravitációs térben zajló fizikai folyamatok nem különböztethetők meg a hasonló, megfelelő gyorsított mozgású jelenségektől. Az ekvivalencia elve az általános relativitáselméletnek (GR) nevezett új elmélet alapja lett. Einstein a mozgás relativitás elvének általánosításával látta meg ennek az elképzelésnek a megvalósításának lehetőségét, i.e. kiterjesztése nemcsak a sebességre, hanem a mozgó rendszerek gyorsítására is. Ha a gyorsulásnak nem tulajdonítunk abszolút jelleget, akkor az inerciarendszerek osztályának megkülönböztetése értelmét veszti, és a fizikai törvények úgy fogalmazhatók meg, hogy bármely koordinátarendszerre vonatkozzanak. Ez a relativitáselmélet általános elve.

Az általános relativitáselmélet szempontjából világunk tere nem rendelkezik állandó nulla görbülettel. Görbülete pontról pontra változik, és a gravitációs tér határozza meg, és az idő különböző pontokon eltérően telik. A gravitációs tér nem más, mint a valós tér tulajdonságainak eltérése az ideális (euklideszi) tér tulajdonságaitól. A gravitációs teret minden pontban a tér görbületének értéke határozza meg az adott pontban. Ebben az esetben a téridő görbületét nemcsak a testet alkotó anyag össztömege határozza meg, hanem a benne jelenlévő összes energiatípus, beleértve az összes fizikai mező energiáját is. Így az általános relativitáselméletben a speciális relativitáselmélet tömege és energia azonosságának elve általánosítva van: E = mc 2. Így a legfontosabb különbség a GTR és a többi fizikai elmélet között az, hogy a gravitációt úgy írja le, mint az anyagnak a téridő tulajdonságaira gyakorolt ​​hatását, ezek a téridő tulajdonságai pedig befolyásolják a testek mozgását és a benne zajló fizikai folyamatokat őket.

Az általános relativitáselméletben egy anyagi pont mozgását a gravitációs térben szabad „tehetetlenségi” mozgásnak tekintik, de ez nem az euklideszi, hanem változó görbületű térben történik. Ennek eredményeként a pont mozgása már nem egyenes és egyenletes, hanem az ívelt tér geodéziai vonala mentén történik. Ebből következik, hogy egy anyagi pont mozgásegyenletét, valamint egy fénysugár egyenletét a görbe tér geodéziai vonalának egyenlet alakjában kell felírni. A tér görbületének meghatározásához ismerni kell az alaptenzor összetevőinek kifejezését (a potenciál analógja Newton gravitációelméletében). A feladat a gravitációs tömegek térbeli eloszlásának ismeretében meghatározni a koordináták és az idő függvényét (az alaptenzor összetevője); akkor felírhatja a geodéziai egyenes egyenletét és megoldhatja az anyagi pont mozgásának, a fénysugár terjedésének feladatát stb.

Einstein megtalálta a gravitációs tér általános egyenletét (ami a klasszikus közelítésben Newton gravitációs törvényévé változott), és így általános formában megoldotta a gravitáció problémáját. Az általános relativitáselmélet gravitációs téregyenletei 10 egyenletből álló rendszer. Ellentétben Newton gravitációs elméletével, ahol egyetlen gravitációs térpotenciál van, amely egyetlen mennyiségtől függ - a tömegsűrűségtől, az Einstein-féle elméletben a gravitációs teret 10 potenciál írja le, és nem csak tömegsűrűséggel, hanem tömegárammal is létrehozható. és a lendület áramlását.

Egy másik alapvető különbség a GTR és elődjei fizikai elméletei között számos régi koncepció elutasítása és újak megfogalmazása. Így a GTR elhagyja az „erő”, „potenciális energia”, „tehetetlenségi rendszer”, „a téridő euklideszi jellege” stb. fogalmait; Az általános relativitáselméletben nem merev (deformálható) referenciatesteket használnak, mivel a gravitációs mezőben nincsenek merev testek, és az óra működése ezeknek a mezőknek az állapotától függ. Az ilyen vonatkoztatási rendszer (úgy hívják, hogy "referencia kagyló") bármilyen módon mozoghat, és az alkalmazott óra tetszőlegesen szabálytalan mozgású lehet. Az általános relativitáselmélet elmélyíti a mező fogalmát, összekapcsolja a tehetetlenség, a gravitáció és a téridő metrika fogalmát, és lehetővé teszi a gravitációs hullámok lehetőségét. A gravitációs hullámokat változó gravitációs tér, a tömegek egyenetlen mozgása hozza létre, és fénysebességgel terjednek a térben. A gravitációs hullámok földi körülmények között nagyon gyengék. Valójában kimutatható az Univerzum grandiózus katasztrófafolyamataiban – szupernóva-robbanások, pulzárok ütközése stb. – keletkező gravitációs sugárzás. De kísérletileg még nem sikerült kimutatni.

Az általános relativitáselmélet döbbenetes sikere ellenére kellemetlen érzés tapasztalható a tudományos közösségben, mivel nem lehet újrafogalmazni a kvantumelmélet klasszikus határaként, mivel a fekete lyukak és a téridő figyelembe vételekor eltávolíthatatlan matematikai eltérések jelennek meg. szingularitások általában. A probléma megoldására számos alternatív elméletet javasoltak. A modern kísérleti adatok azt mutatják, hogy az általános relativitáselmélettől való bármilyen eltérésnek nagyon kicsinek kell lennie, ha egyáltalán létezik.
MODERN FIZIKAI VILÁGKÉP KIALAKULÁSA EINSTEIN ÁLTALÁNOS RELATIVITÁS-ELMÉLETÉNEK ALAPELVEI ÉS FOGALMAI (GRAVITÁCIÓS TÓRIA) A biológiai struktúrák szintjeinek és az élő rendszerek szerveződésének fogalmai MEGŐRZÉSI TÖRVÉNYEK

2014-11-17

Az élő és az élettelen természet kapcsolatának nyomon követéséhez meg kell érteni, hogyan megy végbe az anyagok körforgása a bioszférában.

Jelentése

Az anyagok körforgása ugyanazon anyagok ismételt részvétele a litoszférában, a hidroszférában és az atmoszférában zajló folyamatokban.

Kétféle anyagciklus létezik:

• geológiai(nagy ciklus);
• biológiai(kis gyre).

Az anyagok földtani keringésének mozgatórugója a külső (napsugárzás, gravitáció) és a belső (a Föld belsejének energiája, hőmérséklet, nyomás) geológiai folyamatok, biológiai folyamatok - az élőlények tevékenysége.

A Nagy Ciklus élő szervezetek részvétele nélkül megy végbe. Külső és belső tényezők hatására a megkönnyebbülés kialakul és kisimul. A földrengések, mállás, vulkánkitörések, a földkéreg mozgása következtében völgyek, hegyek, folyók, dombok képződnek, geológiai rétegek alakulnak ki.

Rizs. 1. Földtani körforgás.

Az anyagok biológiai keringése a bioszférában élő szervezetek részvételével megy végbe, amelyek a tápláléklánc mentén energiát alakítanak át és továbbítanak. Az élő (biotikus) és nem élő (abiotikus) anyagok közötti stabil kölcsönhatási rendszert biogeocenózisnak nevezzük.

TOP 3 cikkakik ezzel együtt olvasnak

Ahhoz, hogy az anyagok keringjenek, Számos feltételnek kell teljesülnie:

• körülbelül 40 kémiai elem jelenléte;
• napenergia jelenléte;
• élő szervezetek kölcsönhatása.

Rizs. 2. Biológiai körforgás.

Az anyagok körének nincs konkrét kiindulópontja. A folyamat folyamatos, és az egyik szakasz változatlanul átfolyik a másikba. A ciklust bármelyik pontról elkezdheti nézni, a lényeg ugyanaz marad.

Az általános anyagciklus a következő folyamatokat tartalmazza:

• fotoszintézis;
• anyagcsere;
• bomlás.

A táplálékláncban termelő növények a napenergiát szerves anyagokká alakítják, amelyek táplálékkal bejutnak a lebontó állatok szervezetébe. A halál után a növények és állatok bomlása a fogyasztók - baktériumok, gombák, férgek - segítségével történik.

Rizs. 3. Tápláléklánc.

Az anyagok körforgása

Az anyagok természetben való elhelyezkedésétől függően megkülönböztetik őket kétféle keringés:

• gáz- a hidroszférában és a légkörben fordul elő (oxigén, nitrogén, szén);
• üledékes- a földkéregben fordul elő (kalcium, vas, foszfor).

A bioszférában az anyag és az energia körforgását a táblázat írja le több elem példáján keresztül.

Anyag	Ciklus	Jelentése
	Nagy kör. Az óceán vagy a szárazföld felszínéről elpárolog, a légkörben marad, csapadékként hullik, visszatér a víztestekbe és a Föld felszínére.	Formálja a bolygó természeti és éghajlati viszonyait
	A szárazföldön az anyagok kis körforgása zajlik. A termelők megkapják és továbbadják a lebontóknak és a fogyasztóknak. Szén-dioxidként tér vissza. Nagy körforgás van az óceánban. Üledékként megmaradt	Minden szerves anyag alapja
	A növények gyökereiben található nitrogénmegkötő baktériumok megkötik a szabad nitrogént a légkörből, és növényi fehérje formájában rögzítik a növényekben, amely továbbhalad a táplálékláncon.	Fehérjéket és nitrogénbázisokat tartalmaz
Oxigén	Kis ciklus - a fotoszintézis során belép a légkörbe, és aerob organizmusok fogyasztják. Nagy Gyre - vízből és ózonból képződik ultraibolya sugárzás hatására	Részt vesz az oxidációs és légzési folyamatokban
	Megtalálható a légkörben és a talajban. Baktériumok és növények felszívják. Néhányan a tengerfenéken telepednek le	Aminosavak felépítéséhez szükséges
	Kis és nagy körgyűrűk. Kőzetekben található, a növények a talajból fogyasztják, és a táplálékláncon keresztül továbbítják. Az élőlények lebomlása után visszatér a talajba. A tározóban a fitoplankton elnyeli és átadja a halaknak. Miután a halak elpusztulnak, néhányuk a csontvázban marad, és leülepszik a fenékre

Az anyagok körforgása és biogeokémiai körforgása

Magyarázza meg a földtani körforgás jelentését a víz körforgása példáján!

Hogyan történik a biológiai ciklus?

Mi az atomok biogén vándorlásának törvénye V.I. Vernadszkij?

Mik a természeti körforgás tartalék- és cserealapjai? Mi a különbség köztük?

A Föld mint élő szuperorganizmus

*A bioszféra létezéséhez és fejlődéséhez a biológiailag fontos anyagok állandó körforgása kell, hogy legyen a Földön, vagyis használat után újra át kell alakulniuk más élőlények által asszimilált formába. A biológiailag fontos anyagoknak ez az átmenete csak bizonyos energiafelhasználás mellett jöhet létre, melynek forrása a Nap.

V. R. Williams tudós úgy véli, hogy a napenergia két anyagciklust biztosít a Földön - geológiai , vagy nagy, gyre és biológiai , kicsi, kerékpár.

Geológiai A keringés legvilágosabban a víz körforgásában nyilvánul meg. A Föld évente 5,24-1024 J kisugárzott energiát kap a Naptól. Ennek körülbelül a felét a víz elpárologtatására fordítják. Ugyanakkor több víz párolog el az óceánból, mint amennyi csapadékkal visszajön. Ezzel szemben a szárazföldön több csapadék hullik, mint amennyi víz elpárolog. Feleslege folyókba, tavakba folyik, majd onnan ismét az óceánba (egy bizonyos mennyiségű ásványi vegyület átadása közben). Ez nagy körforgást idéz elő a bioszférában, azon a tényen alapszik, hogy a Föld teljes vízpárolgását a csapadék kompenzálja.

**Az élő anyag megjelenésével a geológiai körforgás alapján a szerves körforgás a tulajdonságai, biológiai (kis) körforgása.

A víz körforgása, mint a geológiai körforgás példája
(H. Penman szerint)

Az élő anyag fejlődésével egyre több elem válik ki a geológiai körforgásból, és lép be egy új, biológiai körforgásba. Ellentétben a nagy körforgásban az ásványok egyszerű átvitelével, mind oldatok, mind mechanikai csapadék formájában, a kis körforgásban a szerves vegyületek szintézise és megsemmisítése a legfontosabb szempont. A geológiai körforgással ellentétben a biológiai ciklus elhanyagolható energiával rendelkezik. Mint ismeretes, a Földre érkező összes napenergia mindössze 0,1-0,2%-át fordítják szerves anyagok létrehozására (a geológiai körforgásra akár 50%-át). Ennek ellenére a biológiai körforgásban részt vevő energia sok munkát végez az elsődleges termékek létrehozásában.

Biológiai ciklus

Az élő anyag Földön való megjelenésével a kémiai elemek folyamatosan keringenek a bioszférában, elmozdulva a külső környezetből
élőlényekbe és ismét a külső környezetbe. Az anyagok ilyen, többé-kevésbé zárt utakon való keringését nevezzük biogeokémiai ciklus.

A fő biogeokémiai ciklusok az oxigén, a szén, a víz, a nitrogén, a foszfor, a kén és más tápanyagok körforgása.

*** Az anyag biogén vándorlása - az elemek általános vándorlásának egyik formája a természetben. A biogén geokémiai migráció alatt az élő szervezetek növekedésében és fejlődésében részt vevő szerves és inert anyagok vándorlását kell érteni, amelyeket az utóbbiak termelnek összetett biokémiai és biogeokémiai folyamatok eredményeként. AZ ÉS. Vernadsky fogalmazott Az atomok biogén vándorlásának törvénye

A kémiai elemek vándorlása a bioszférában vagy az élő anyag közvetlen részvételével (biogén vándorlás), vagy olyan környezetben történik, amelynek geokémiai jellemzőit (O2, CO2, H2 stb.) az élő anyag határozza meg (az, ami jelenleg a bioszférát lakja, és azt, ami a geológiai történelem során a Földön hatott).

Az ember elsősorban a bioszférára és annak élőpopulációjára van hatással, ezáltal megváltoztatja az atomok biogén vándorlásának feltételeit, megteremtve az előfeltételeket a mélyreható kémiai változásokhoz. Így a folyamat önfejlődővé, az emberi vágytól függetlenné válhat, globális léptékben pedig gyakorlatilag ellenőrizhetetlenné válhat.

Az anyag bolygókörforgása szempontjából a talaj-táj, a hidroszféra és a mélységi (földön belüli) körfolyamatok a legfontosabbak. Az elsőben kémiai elemeket vonnak ki a kőzetekből, víz, levegő, szerves anyagok bomlanak le, illetve különféle szerves és szerves ásványi vegyületek felszívódnak és szintetizálódnak. A hidroszféra körforgásában a fő szerepet a víz összetétele és az élő szervezetek biológiai aktivitása játssza. Az anyag biotermelése itt a fito- és zooplankton domináns részvételével történik. A biogén vándorlás mély ciklusában a legfontosabb szerepet az anaerob mikroorganizmusok tevékenysége játssza.

****A Föld különböző héjain lezajló folyamatok dinamikus egyensúlyi állapotban vannak, és ezek bármelyikének változása a néha visszafordíthatatlan jelenségek végtelen láncolatát vonja maga után. Minden természetes ciklusban tanácsos két részt, vagy két „alapot” megkülönböztetni:

tartalékalap- lassan mozgó, főként szervetlen anyagok nagy tömege;

Mobil, vagy cserealap- kisebb, de aktívabb, az élőlények és a környezet közötti gyors csere jellemzi.

A cserealapot olyan anyagok alkotják, amelyek vagy az elsődleges kiválasztás (a latin excretum szóból - kiürülnek) következtében az állatok, vagy a törmelék mikroorganizmusok általi lebontása során visszakerülnek a ciklusba.

Ha a bioszféra egészét tartjuk szem előtt, akkor a biogeokémiai ciklusok két fő típusra oszthatók:

gáznemű anyagok tartalékalappal történő keringése a légkörben vagy a hidroszférában;

üledékes ciklus tartalékalappal a földkéregben.

Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete