Доводилось мне читать литературу, где описывалась «модная тенденция» в науке XVI–XVII столетия - создание вечного двигателя. Эта мечта так и осталась неосуществимой, но идея, по-моему, срисована с природы. Круговорот живого и неживого происходит постоянно. Кто-то скажет, что через миллиарды лет Земля исчезнет, а я бы возразила, ведь из останков нашей галактики образуется новая. Наша Вселенная и есть вечный двигатель.

В чем суть биологического круговорота веществ

На Земле беспрерывно происходит два типа круговорота: биотический и абиотический.

Вещества сами по себе не являются живыми и одинаково принимают участие в обоих циклах, но как только оказываются внутри живого организма, то его можно считать участником биологического круговорота.

Элементы, участвующие в биологическом цикле:

• минеральные вещества;
• газы;
• вода.

Спектр веществ очень широкий. Условно их можно поделить на жизненно необходимые для организмов (вода, кислород, азот, углекислота) и несущие живому ущерб.

Процесс циркуляция веществ

Независимо от вредности или полезности любое вещество когда-то приходит в организм и однажды его покидает.

В случае с водой циркуляция происходит постоянно. Например, организм человека за день выводит около 6 литров, но мы не теряем свой вес за счет постоянного пополнения водных запасов. Испарившись из тела, молекулы воды устремляются к облакам, выпадают в виде дождя, попадают в водопровод и снова оказываются в организме.

По аналогичному принципу через любой живой организм проходят минеральные вещества и газы.

Циркуляция воздуха происходит интенсивнее всего: за сутки человек вдыхает 13 тыс. литров воздуха содержащего 20% кислорода, который на выдохе преобразуется в углекислоту. Тем не менее, благодаря растениям излишков углекислого газа в природе не наблюдается, они используют его во время фотосинтеза.

Некоторые вещества накапливаются в организме и не выводятся оттуда до самой смерти, они обычно наносят ущерб живому организму. Примерами таких веществ могут быть канцерогены, что вдыхаются курильщиками.

Является выдающийся русский ученый академик В.И. Вернадский.

Биосфера — сложная наружная оболочка Земли, в которой содержится вся совокупность живых организмов и та часть вещества планеты, которая находится в процессе непрерывного обмена с этими организмами. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека.

Земля состоит из концентрических оболочек (геосфер) как внутренних, так и внешних. К внутренним относятся ядро и мантия, а к внешним: литосфера - каменная оболочка Земли, включая земную кору (рис. 1) толщиной от 6 км (под океаном) до 80 км (горные системы); гидросфера - водная оболочка Земли; атмосфера — газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли.

На высоте от 10 до 50 км расположен слой озона, с максимальной его концентрацией на высоте 20-25 км, защищающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового излучения, гибельного для организма. Сюда же (к внешним геосферам) относится и биосфера.

Биосфера - внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км

Рис. 1. Схема строения земной коры

(рис. 2). Особенность этих частей состоит в том, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты. Взаимодействие абиотической части биосферы — воздуха, воды, горных пород и органического вещества - биоты обусловило формирование почв и осадочных пород.

Рис. 2. Структура биосферы и соотношение поверхностей, занятых основными структурными единицами

Круговорот веществ в биосфере и экосистемах

Все доступные для живых организмов химические соединения в биосфере ограничены. Исчерпаемость пригодных для усвоения химических веществ часто тормозит развитие тех или иных групп организмов в локальных участках суши или океана. По выражению академика В.Р. Вильямса, единственный способ придать конечному свойства бесконечного состоит в том, чтобы заставить его вращаться по замкнутой кривой. Следовательно, устойчивость биосферы поддерживается благодаря круговороту веществ и потокам энергии. Имеются два основных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биогеохимический.

Большой геологический круговорот (рис. 3). Кристаллические горные породы (магматические) под воздействием физических, химических и биологических факторов преобразуются в осадочные породы. Песок и глина — типичные осадки, продукты преобразования глубинных пород. Однако формирование осадков происходит не только за счет разрушения уже существующих пород, но также и путем синтеза биогенных минералов — скелетов микроорганизмов — из природных ресурсов — вод океана, морей и озер. Рыхлые водянистые осадки по мере их изоляции на дне водоемов новыми порциями осадочного материала, погружения на глубину, попадания в новые термодинамические условия (более высокие температуры и давления) теряют воду, отвердевают, преобразуясь при этом в осадочные горные породы.

В дальнейшем эти породы погружаются в еше более глубокие горизонты, где и протекают процессы их глубинного преобразования к новым температурным и барическим условиям, — происходят процессы метаморфизма.

Под воздействием потоков эндогенной энергии глубинные породы переплавляются, образуя магму — источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на поверхность Земли, под действием процессов выветривания и переноса снова происходит их трансформация в новые осадочные породы.

Таким образом, большой круговорот обусловлен взаимодействием солнечной (экзогенной) энергии с глубинной (эндогенной) энергией Земли. Он перераспределяет вещества между биосферой и более глубокими горизонтами нашей планеты.

Рис. 3. Большой (геологический) круговорот веществ (тонкие стрелки) и изменение разнообразия в земной коре (сплошные широкие стрелки — рост, прерывистые — уменьшение разнообразия)

Большим круговоротом называется и круговорот воды между гидросферой, атмосферой и литосферой, который движется энергией Солнца. Вода испаряется с поверхности водоемов и суши и затем вновь поступает на Землю в виде осадков. Над океаном испарение превышает осадки, над сушей наоборот. Эти различия компенсируют речные стоки. В глобальном круговороте воды немаловажную роль играет растительность суши. Транспирация растений на отдельных участках земной поверхности может составить до 80-90% выпадающих здесь осадков, а в среднем по всем климатическим поясам — около 30%. В отличие от большого малый круговорот веществ происходит лишь в пределах биосферы. Взаимосвязь большого и малого круговорота воды показана на рис. 4.

Круговороты планетарного масштаба создаются из бесчисленных локальных циклических перемещений атомов, движимых жизнедеятельностью организмов в отдельных экосистемах, и тех перемещений, которые вызваны действием ландшафтных и геологических причин (поверхностный и подземный сток, ветровая эрозия, движение морского дна, вулканизм, горообразование и т.п.).

Рис. 4. Взаимосвязь большого геологического круговорота (БГК) воды с малым биогеохимическим круговоротом (МБК) воды

В отличие от энергии, которая однажды использована организмом, превращается в тепло и теряется, вещества в биосфере циркулируют, создавая биогеохимические круговороты. Из девяноста с лишним элементов, встречающихся в природе, живым организмам нужно около сорока. Наиболее важные для них требуются в больших количествах — углерод, водород, кислород, азот. Круговороты элементов и веществ осуществляются за счет саморегулирующих процессов, в которых участвуют все составные части . Эти процессы являются безотходными. Существует закон глобального замыкания биогеохимического круговорота в биосфере , действующий на всех этапах ее развития. В процессе эволюции биосферы увеличивается роль биологического компонента в замыкании биогеохимичес
кого круговорота. Еще большее влияние на биогеохимический круговорот оказывает Человек. Но его роль проявляется в противоположном направлении (круговороты становятся незамкнутыми). Основу биогеохимического круговорота вешеств составляют энергия Солнца и хлорофилл зеленых растений. Другие наиболее важные круговороты — воды, углерода, азота, фосфора и серы — связаны с биогеохимическим и способствуют ему.

Круговорот воды в биосфере

Растения используют водород воды при фотосинтезе в построении органических соединений, выделяя молекулярный кислород. В процессах дыхания всех живых существ, при окислении органических соединений вода образуется вновь. В истории жизни вся свободная вода гидросферы многократно прошла циклы разложения и новообразования в живом веществе планеты. В круговорот воды на Земле ежегодно вовлекается около 500 000 км 3 воды. Круговорот воды и ее запасы показаны на рис. 5 (в относительных величинах).

Круговорот кислорода в биосфере

Своей уникальной атмосферой с высоким содержанием свободного кислорода Земля обязана процессу фотосинтеза. С круговоротом кислорода тесно связано образование озона в высоких слоях атмосферы. Кислород освобождается из молекул воды и является по сути побочным продуктом фотосинтетической активности растений. Абиотическим путем кислород возникает в верхних слоях атмосферы за счет фотодиссоциации паров воды, но этот источник составляет лишь тысячные доли процента от поставляемых фотосинтезом. Между содержанием кислорода в атмосфере и гидросфере существует подвижное равновесие. В воде его примерно в 21 раз меньше.

Рис. 6. Схема круговорота кислорода: полужирные стрелки — основные потоки поступления и расхода кислорода

Выделившийся кислород интенсивно расходуется на процессы дыхания всех аэробных организмов и на окисление разнообразных минеральных соединений. Эти процессы происходят в атмосфере, почве, воде, илах и горных породах. Показано, что значительная часть кислорода, связанного в осадочных породах, имеет фотосинтетическое происхождение. Обменный фонд О, в атмосфере составляет не более 5% общей продукции фотосинтеза. Многие анаэробные бактерии также окисляют органические вещества в процессе анаэробного дыхания, используя для этого сульфаты или нитраты.

На полное разложение органического вещества, создаваемого растениями, требуется точно такое же количество кислорода, которое выделилось при фотосинтезе. Захоронение органики в осадочных породах, углях, торфах послужило основой поддержания обменного фонда кислорода в атмосфере. Весь имеющийся в ней кислород проходит полный цикл через живые организмы примерно за 2000 лет.

В настоящее время значительная часть кислорода атмосферы связывается в результате работы транспорта, промышленности и других форм антропогенной деятельности. Известно, что человечество тратит уже более 10 млрд т свободного кислорода из общего его количества в 430-470 млрд т, поставляемого процессами фотосинтеза. Если учесть, что в обменный фонд поступает лишь небольшая часть фотосинтетического кислорода, деятельность людей в этом отношении начинает приобретать угрожающие масштабы.

Круговорот кислорода теснейшим образом сопряжен с углеродным циклом.

Круговорот углерода в биосфере

Углерод как химический элемент является основой жизни. Он может разными способами соединяться со многими другими элементами, образуя простые и сложные органические молекулы, входящие в состав живых клеток. По распространению на планете углерод занимает одиннадцатое место (0,35% веса земной коры), но в живом веществе он в среднем составляет около 18 или 45% сухой биомассы.

В атмосфере углерод входит в состав углекислого газа С0 2 , в меньшей мере — в состав метана СН 4 . В гидросфере С0 2 растворен в воде, и общее его содержание намного превышает атмосферное. Океан служит мощным буфером регуляции СО 2 в атмосфере: при повышении в воздухе его концентрации увеличивается поглощение углекислого газа водой. Некоторая часть молекул С0 2 реагирует с водой, образуя угольную кислоту, которая затем диссоциирует на ионы НСО 3 - и СО 2- 3 " Эти ионы реагируют с катионами кальция или магния с выпадением в осадок карбонатов. Подобные реакции лежат в основе буферной системы океана, поддерживающей постоянство рН воды.

Углекислый газ атмосферы и гидросферы представляет собой обменный фонд в круговороте углерода, откуда его черпают наземные растения и водоросли. Фотосинтез лежит в основе всех биологических круговоротов на Земле. Высвобождение фиксированного углерода происходит в ходе дыхательной активности самих фотосинтезирующих организмов и всех гетеротрофов — бактерий, грибов, животных, включающихся в цепи питания за счет живого или мертвого органического вещества.

Рис. 7. Круговорот углерода

Особенно активно происходит возврат в атмосферу С0 2 из почвы, где сосредоточена деятельность многочисленных групп организмов, разлагающих остатки отмерших растений и животных и осуществляется дыхание корневых систем растений. Этот интегральный процесс обозначается как «почвенное дыхание» и вносит существенный вклад в пополнение обменного фонда С0 2 в воздухе. Параллельно с процессами минерализации органического вещества в почвах образуется гумус — богатый углеродом сложный и устойчивый молекулярный комплекс. Гумус почв является одним из важных резервуаров углерода на суше.

В условиях, где деятельность деструкторов тормозят факторы внешней среды (например, при возникновении анаэробного режима в почвах и на дне водоемов), органическое вещество, накопленное растительностью, не разлагается, превращаясь со временем в такие породы, как каменный или бурый уголь, торф, сапропели, горючие сланцы и другие, богатые накопленной солнечной энергией. Они пополняют собой резервный фонд углерода, надолго выключаясь из биологического круговорота. Углерод временно депонируется также в живой биомассе, в мертвом опаде, в растворенном органическом веществе океана и т.п. Однако основным резервным фондом углерода на пишете являются не живые организмы и не горючие ископаемые, а осадочные породы — известняки и доломиты. Их образование также связано с деятельностью живого вещества. Углерод этих карбонатов надолго захоронен в недрах Земли и поступает в круговорот лишь в ходе эрозии при обнажении пород в тектонических циклах.

В биогеохимическом круговороте участвуют лишь доли процента углерода от общего его количества на Земле. Углерод атмосферы и гидросферы многократно проходит через живые организмы. Растения суши способны исчерпать его запасы в воздухе за 4-5 лет, запасы в почвенном гумусе — за 300-400 лет. Основной возврат углерода в обменный фонд происходит за счет деятельности живых организмов, и лишь небольшая его часть (тысячные доли процента) компенсируется выделением из недр Земли в составе вулканических газов.

В настоящее время мощным фактором перевода углерода из резервного в обменный фонд биосферы становится добыча и сжигание огромных запасов горючих ископаемых.

Круговорот азота в биосфере

В атмосфере и живом веществе содержится менее 2% всего азота на Земле, но именно он поддерживает жизнь на планете. Азот входит в состав важнейших органических молекул — ДНК, белков, липопротеидов, АТФ, хлорофилла и др. В растительных тканях его соотношение с углеродом составляет в среднем 1: 30, а в морских водорослях I: 6. Биологический цикл азота поэтому также тесно связан с углеродным.

Молекулярный азот атмосферы недоступен растениям, которые могут усваивать этот элемент только в виде ионов аммония, нитратов или из почвенных или водных растворов. Поэтому недостаток азота часто является фактором, лимитирующим первичную продукцию — работу организмов, связанную с созданием органических веществ из неорганических. Тем не менее атмосферный азот широко вовлекается в биологический круговорот благодаря деятельности особых бактерий (азотфиксаторов).

В круговороте азота большое участие также принимают аммонифицирующие микроорганизмы. Они разлагают белки и другие содержащие азот органические вещества до аммиака. В аммонийной форме азот частью вновь поглощается корнями растений, а частью перехватывается нитрифицирующими микроорганизмами, что противоположно функциям группы микроорганизмов — денитрификаторов.

Рис. 8. Круговорот азота

В анаэробных условиях в почвах или водах они используют кислород нитратов для окисления органических веществ, получая энергию для своей жизнедеятельности. Азот при этом восстанавливается до молекулярного. Азотфиксация и денитрификация в природе приблизительно уравновешены. Цикл азота, таким образом, зависит преимущественно от деятельности бактерий, тогда как растения встраиваются в него, используя промежуточные продукты этого цикла и намного увеличивая масштабы циркуляции азота в биосфере за счет продуцирования биомассы.

Роль бактерий в круговороте азота настолько велика, что если уничтожить только 20 их видов, жизнь на нашей планете прекратится.

Небиологическая фиксация азота и поступление в почвы его окислов и аммиака происходит также с дождевыми осадками при ионизации атмосферы и грозовых разрядах. Современная промышленность удобрений фиксирует азот атмосферы в размерах, превышающих природную фиксацию азота, в целях увеличения продукции сельскохозяйственных растений.

В настоящее время деятельность человека все сильнее влияет на круговорот азота, в основном в сторону превышения перевода его в связанные формы над процессами возврата в молекулярное состояние.

Круговорот фосфора в биосфере

Этот элемент, необходимый для синтеза многих органических веществ, включая АТФ, ДНК, РНК, усваивается растениями только в виде ионов ортофосфорной кислоты (Р0 3 4 +). Он относится к элементам, лимитирующим первичную продукцию и на суше, и особенно в океане, поскольку обменный фонд фосфора в почвах и водах невелик. Круговорот этого элемента в масштабах биосферы незамкнут.

На суше растения черпают из почвы фосфаты, освобожденные редуцентами из разлагающихся органических остатков. Однако в щелочной или кислой почве растворимость фосфорных соединений резко падает. Основной резервный фонд фосфатов содержится в горных породах, созданных на дне океана в геологическом прошлом. В ходе выщелачивания пород часть этих запасов переходит в почву и в виде взвесей и растворов вымывается в водоемы. В гидросфере фосфаты используются фитопланктоном, переходя по цепям питания в другие гидробионты. Однако в океане большая часть фосфорных соединений захоранивается с остатками животных и растений на дне с последующим переходом с осадочными породами в большой геологический круговорот. На глубине растворенные фосфаты связываются с кальцием, образуя фосфориты и апатиты. В биосфере, по сути, происходит однонаправленный поток фосфора из горных пород суши в глубины океана, следовательно, обменный фонд его в гидросфере очень ограничен.

Рис. 9. Круговорот фосфора

Наземные залежи фосфоритов и апатитов используются при производстве удобрений. Попадание фосфора в пресные водоемы является одной из главных причин их «цветения».

Круговорот серы в биосфере

Круговорот серы, необходимой для построения ряда аминокислот, отвечает за трехмерную структуру белков, поддерживается в биосфере широким спектром бактерий. В отдельных звеньях этого цикла участвуют аэробные микроорганизмы, окисляющие серу органических остатков до сульфатов, а также анаэробные редукторы сульфата, восстанавливающие сульфаты до сероводорода. Кроме перечисленных группы серобактерий окисляют сероводород до элементарной серы и далее до сульфатов. Растения усваивают из почвы и воды только ионы SO 2- 4 .

Кольцо в центре иллюстрирует процесс окисления (О) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфидов железа, находящимся глубоко в почве и осадках.

Рис. 10. Круговорот серы. Кольцо в центре иллюстрирует процесс окисления (0) и восстановления (R), благодаря которым происходит обмен серы между фондом доступного сульфата и фондом сульфидов железа, находящимся глубоко в почве и осадках

Основное накопление серы происходит в океане, куда ионы сульфатов непрерывно поступают с суши с речным стоком. При выделении из вод сероводорода сера частично возвращается в атмосферу, где окисляется до диоксида, превращаясь в дождевой воде в серную кислоту. Промышленное использование большого количества сульфатов и элементарной серы и сжигание горючих ископаемых поставляют в атмосферу большие объемы диоксида серы. Это вредит растительности, животным, людям и служит источником кислотных дождей, усугубляющих отрицательные эффекты вмешательства человека в круговорот серы.

Скорость круговорота веществ

Все круговороты веществ происходят с различной скоростью (рис. 11)

Таким образом, круговороты всех биогенных элементов на планете поддерживаются сложным взаимодействием разных частей . Они формируются деятельностью разных по функциям групп организмов, системой стока и испарения, связывающих океан и сушу, процессами циркуляции вод и воздушных масс, действием сил гравитации, тектоникой литосферных плит и другими масштабными геологическими и геофизическими процессами.

Биосфера действует как единая сложная система, в которой происходят различные круговороты веществ. Главным двигателем этихкруговоротов является живое вещество планеты, все живые организмы, обеспечивающие процессы синтеза, трансформации и разложения органического вещества.

Рис. 11. Темпы циркуляции веществ (П. Клауд, А. Джибор, 1972)

В основе экологического взгляда на мир лежит представление о том, что каждое живое существо окружено множеством влияющих на него различных факторов, образующих в комплексе его место обитания — биотоп. Следовательно, биотоп — участок территории, однородный по условиям жизни для определенных видов растений или животных (склон оврага, городской лесопарк, небольшое озеро или часть большого, но с однородными условиями — прибрежная часть, глубоководная часть).

Организмы, характерные для определенного биотопа, составляют жизненное сообщество, или биоценоз (животные, растения и микроорганизмы озера, луга, береговой полосы).

Жизненное сообщество (биоценоз) образует со своим биотопом единое целое, которое называется экологической системой (экосистемой). Примером естественных экосистем могут служить муравейник, озеро, пруд, луг, лес, город, ферма. Классическим примером искусственной экосистемы является космический корабль. Как видно, здесь нет строгой пространственной структуры. Близким к понятию экосистемы является понятие биогеоценоза.

Основными компонентами экосистем являются:

• неживая (абиотическая) среда. Это вода, минеральные вещества, газы, а также органические вещества и гумус;
• биотические компоненты. К ним относятся: продуценты или производители (зеленые растения), консументы, или потребители (живые существа, питающиеся продуцентами), и редуценты, или разлагатели (микроорганизмы).

Природа действует в высшей степени экономно. Так, созданная организмами биомасса (вещество тел организмов) и содержащаяся в них энергия передаются другим членам экосистемы: животные поедают растения, этих животных поедают другие животные. Этот процесс называют пищевой, или трофической, цепью. В природе пищевые цепи зачастую перекрещиваются, образуя пищевую сеть.

Примеры пищевых цепей: растение — растительноядное животное — хищник; злак — полевая мышь — лиса и др. и пищевая сеть показаны на рис. 12.

Таким образом, состояние равновесия в биосфере основано на взаимодействии биотических и абиотических факторов среды, которое поддерживается благодаря непрерывному обмену веществом и энергией между всеми компонентами экосистем.

В замкнутых круговоротах естественных экосистем наряду с другими обязательно участие двух факторов: наличие редуцентов и постоянное поступление солнечной энергии. В городских и искусственных экосистемах мало или совсем нет редуцентов, поэтому жидкие, твердые и газообразные отходы накапливаются, загрязняя окружающую среду.

Рис. 12. Пищевая сеть и направление потока вещества

Жизнедеятельность экосистемы и круговорот веществ в ней возможны только при условии постоянного притока энергии. Основной источник энергии на Земле - солнечное излучение. Энергия Солнца переводится фотосинтезирующими организмами в энергию химических связей органических соединений. Передача энергии по пищевым цепям подчиняется второму закону термодинамики: преобразование одного вида энергии в другой идет с потерей части энергии. При этом ее перераспределение подчиняется строгой закономерности: энергия, получаемая экосистемой и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго и т.д. порядков, а затем редуцентам с падением потока энергии на каждом трофическом уровне. В связи с этим круговорота энергии не бывает.

В отличие от энергии, которая используется в экосистеме только один раз, вещества используются многократно из-за того, что их потребление и превращение происходит по кругу. Этот круговорот осуществляется живыми организмами экосистемы (продуцентами, консументами, редуцентами) и называется биологическим круговоротом веществ.

Биологический круговорот веществ, или малый — поступление веществ из почвы и атмосферы в живые организмы с соответствующим изменением их химической формы, возвращение их в почву и атмосферу в процессе жизнедеятельности организмов и с посмертными остатками и повторное поступление в живые организмы после процессов деструкции и минерализации с помощью микроорганизмов. Такое понимание биологического круговорота веществ (по Н.П. Ремезову, Л.Е. Родину и Н.И. Базилевич) соответствует биогеоценотическому уровню. Точнее говорить о биологическом круговороте химических элементов, а не веществ, поскольку на разных стадиях круговорота вещества могут химически видоизменяться. По данным В.А. Ковды (1973), ежегодная величина биологического круговорота зольных элементов в системе почва-растение значительно превышает величину годового геохимического стока этих элементов в реки и моря и измеряется колоссальной цифрой 109 т/г.

Экологические системы суши и мирового океана связывают и перераспределяют солнечную энергию, углерод атмосферы, влагу, кислород, водород, фосфор, азот, серу, кальций и другие элементы. Жизнедеятельностью растительных организмов (продуцентов) и их взаимодействиями с животными (консументами), микроорганизмами (редуцентами) и неживой природой обеспечивается механизм накопления и перераспределения солнечной энергии, поступающей на Землю.

Круговорот веществ никогда не бывает полностью замкнутым. Часть органических и неорганических веществ выносится за пределы экосистемы, и в то же время их запасы могут пополняться за счет притока извне. В отдельных случаях степень повторяющегося воспроизводства некоторых циклов круговорота веществ составляет 90-98 %. Неполная замкнутость циклов в масштабах геологического времени приводит к накоплению элементов в различных природных сферах Земли. Таким образом накапливаются полезные ископаемые - уголь, нефть, газ, известняки и т.п.

2. Принципиальные особенности современного естествознания научной картины мира

Естествознание - наука о явлениях и законах природы. Современное естествознание включает многие естественно-научные отрасли: физику, химию, биологию, а также многочисленные смежные отрасли, такие, как физическая химия, биофизика, биохимия и др. Естествознание затрагивает широкий спектр вопросов о многочисленных и многосторонних проявлениях свойств природы, которую можно рассматривать как единое целое.

Современная многообразная техника - плод естествознания, которое и по сей день является основной базой для развития многочисленных перспективных направлений - от наноэлектроники до сложнейшей космической техники, и это очевидно для многих.

Философы всех времен опирались на новейшие достижения науки и, в первую очередь, естествознания. Достижения последнего столетия в физике, химии, биологии и в других науках позволили по-новому взглянуть на сложившиеся веками философские представления. Многие философские идеи рождались в недрах естествознания, а естествознание в свою очередь в начале развития носило натурфилософский характер. Про такую философию можно сказать словами немецкого философа Артура Шопенгауэра (1788-1860): «Моя философия не дала мне совершенно никаких доходов, но она избавила меня от очень многих трат».

Человек, обладающий хотя бы общими и в то же время концептуальными естественно-научными знаниями, т.е. знаниями о природе, будет производить свои действия непременно так, чтобы польза, как результат его действий, всегда сочеталась с бережным отношением к природе и с ее сохранением не только для нынешнего, но и для грядущих поколений.

Познание естественно-научной истины делает человека свободным, свободным в широком философском смысле этого слова, свободным от некомпетентных решений и действий, и наконец, свободным в выборе пути своей благородной и созидательной деятельности.

Нет смысла перечислять достижения естествознания, каждый из нас знает рожденные им технологии и пользуется ими. Передовые технологии базируются в основном на естественно-научных открытиях последних десятилетий XX в., однако, несмотря на ощутимые достижения, возникают проблемы, вызванные главным образом осознанием угрозы экологическому равновесию нашей планеты. Самые разные сторонники рыночной экономики согласятся, что свободный рынок не может защитить слонов в Африке от охотников или исторические памятники Месопотамии - от кислотных дождей и туристов. Только правительства способны устанавливать законы, стимулирующие обеспечение рынка всем тем, что нужно человеку, без разрушения среды его обитания.

Вместе с тем правительства не в силах проводить подобную политику без помощи ученых, и прежде всего ученых, владеющих современным естествознанием. Нужна связь между естествознанием и управляющими структурами в вопросах, касающихся окружающей среды, материального обеспечения и др. Без науки трудно сохранить чистоту планеты: уровень загрязнений нужно измерять, прогнозировать их последствия - только так мы можем узнать о бедах, которые необходимо предотвратить. Лишь с помощью самых современных естественно-научных и в первую очередь физических методов можно следить за толщиной и однородностью озонового слоя, защищающего человека от ультрафиолетового облучения. Только научные исследования помогут понять причины и следствия кислотных осадков и смога, сказывающихся на жизни каждого человека, дать знания, необходимые для полета человека на Луну, исследования глубин океана, найти способы избавления человека от многих тяжелых болезней.

В результате анализа популярных в 70-е годы математических моделей ученые пришли к выводу, что дальнейшее развитие экономики вскоре станет невозможным. И хотя они не привнесли новых знаний, они все-таки сыграли важную роль. Они продемонстрировали возможные последствия наметившихся сегодня тенденций развития. В свое время подобные модели действительно убедили миллионы людей, что защита природы необходима, а это немалый вклад в прогресс. Несмотря на различия в рекомендациях, все модели содержат один главный вывод: природу нельзя дальше загрязнять так, как сегодня

С естественно-научными знаниями можно связать многие проблемы на Земле. Однако проблемы эти порождаются незрелостью самой науки. Дайте ей продолжить свой курс - и человечество преодолеет сегодняшние трудности - таково мнение большинства ученых. Для других, в большей степени тех, кто лишь причисляет себя к когорте ученых, наука потеряла свою значимость.

Естествознание в значительной мере отражает потребности практиков и в то же время финансируется в зависимости от постоянно меняющихся симпатий государства и общественности.

Наука и техника - не только главный инструмент, позволяющий людям приспособиться к постоянно изменяющимся природным условиям, но и главная сила, прямо или косвенно вызывающая такие изменения.

Наряду с явными положительными чертами, присущими естествознанию, следует вести речь и о недостатках, обусловленных и природой самого знания, и непониманием на данном этапе каких-то очень важных свойств материального мира из-за ограниченности познания человека. Скажем, чистые математики сделали открытие, противоречащее представлениям мыслителей прошлого: случайные, хаотические процессы можно описать точными математическими моделями. Причем оказалось, что даже простая модель, оснащенная эффективной обратной связью, настолько чувствительна к малейшим изменениям начальных условий, что ее будущее становится непредсказуемым. Стоит ли тогда спорить о том, детерминистична ли Вселенная, если строго детерминистская модель дает результаты, не отличающиеся от вероятностных?

Цель естествознания - описать, систематизировать и объяснить совокупность природных явлений и процессов. Слово «объяснить» в методологии науки само требует объяснения. В большинстве случаев оно означает понимать. Что обычно подразумевает человек, говоря «Я понимаю»? Как правило, это означает: «Я знаю, откуда это взялось» и «Я знаю, к чему это приведет». Так образуется причинно-следственная связь: причина - явление - следствие. Расширение такой связи и образование многомерной структуры, охватывающей множество явлений, служит основой научной теории, характеризующейся четкой логической структурой и состоящей из набора принципов или аксиом и теорем со всеми возможными выводами. По такой схеме строится любая математическая дисциплина, например, Евклидова геометрия или теория множеств, которые могут служить характерными примерами научных теорий. Построение теории, конечно, предполагает создание особого научного языка, специальной терминологии, системы научных понятий, имеющих однозначный смысл и связанных между собой строгими правилами логики.

После того как теория «проверена опытом, наступает следующая стадия познания действительности, в которой устанавливаются границы истинности наших знаний или границы применимости теорий и отдельных научных утверждений. Данная стадия обусловливается объективными и субъективными факторами. Один из существенных объективных факторов - динамизм окружающего нас мира. Вспомним мудрые слова древнегреческого философа Гераклита (конец VI - начало V вв. до н.э.); «Все течет, все изменяется; в одну и ту же реку нельзя войти дважды» Подводя итог, сформулируем кратко три основных принципа научного познания действительности.

1. Причинность. Первое и достаточно емкое определение причинности содержится в высказывании Демокрита: «Ни одна вещь не возникает беспричинно, но все возникает на каком-нибудь основании и в силу необходимости».

2. Критерий истины. Естественно-научная истина проверяется (доказывается) только практикой: наблюдениями, опытами, экспериментами, производственной деятельностью: Если научная теория подтверждена практикой, то она истинна. Естественно-научные теории проверяются Экспериментом, связанным с наблюдениями, измерениями и математической обработкой получаемых результатов. Подчеркивая важность измерений, выдающийся ученый Д.И. Менделеев (1834 - 1907) писал: «Наука, началась тогда, когда люди научились мерить; точная наука немыслима без меры».

3. Относительность научного знания. Научное знание (понятия, идеи, концепции, модели, теории, выводы из них и т.п.) всегда относительно и ограничено.

Часто встречающееся утверждение: главная цель естествознания - установление законов природы, открытие скрытых истин - явно или неявно предполагает, что истина где-то уже есть и существует в готовом виде, ее надо только найти, отыскать как некое сокровище. Великий философ древности Демокрит говорил: «Истина скрыта в глубине (лежит на дне морском)». Другой объективный фактор связан с несовершенством техники эксперимента, служащей материальной базой любого опыта.

Естествознание тем или иным способом систематизирует наши наблюдения над природой. При этом не следует считать, например, теорию кривых второго порядка приближенной на том основании, что в природе в точности кривых второго порядка нет. Нельзя говорить, что неевклидова геометрия уточняет Евклидову - каждая занимает в системе моделей свое место, являясь точной в соответствии с внутренними критериями точности, и находит применение там, где необходимо. Точно так же неверно утверждать, что теория относительности уточняет классическую механику - это разные модели, имеющие, вообще говоря, и разные сферы приложения.

В современном представлении истина - правильное, адекватное отражение познающим субъектом предметов и явлений действительности, воспроизводящее их так, как они существуют вне и независимо от сознания. Как результат деятельности человеческого мышления истина объективна по содержанию, но субъективна по форме. Можно говорить об относительной истине, отражающей предмет не полностью, а в объективно обусловленных пределах. Абсолютная истина полностью исчерпывает предмет познания. Всякая относительная истина содержит элемент абсолютного знания. Абсолютная истина есть сумма относительных истин. Истина всегда конкретна.

Каким бы ни представлялось содержание истины, занимающей умы великих ученых с древних времен, и как бы ни решался сложный вопрос о предмете науки в целом и естествознании в частности, - одно очевидно: естествознание есть чрезвычайно эффективный, мощный инструмент, не только позволяющий познать окружающий мир, но и приносящий громадную пользу.

С течением времени и особенно в конце последнего столетия наблюдается изменение функции науки и в первую очередь - естествознания. Если раньше основная функция науки заключалась в описании, систематизации и объяснении исследуемых объектов, то сейчас наука становится неотъемлемой частью производственной деятельности человека, в результате чего современное производство - будь то выпуск сложнейшей космической техники, современных супер- и персональных компьютеров или высококачественной аудио- и видеоаппаратуры - приобретает наукоемкий характер. Происходит сращивание научной и производственно-технической деятельности, в итоге появляются крупные научно-производственные объединения - межотраслевые научно-технические комплексы «наука - техника - производство», в которых науке принадлежит ведущая роль. Именно в таких комплексах были созданы первые космические системы, первые атомные электростанции и многое другое, что принято считать наивысшими достижениями науки и техники.

В последнее время специалисты гуманитарных наук считают, что наука - производительная сила. При этом имеется в виду прежде всего естествознание. Хотя наука и не производит непосредственно материальную продукцию, но очевидно, что в основе производства любой продукции лежат научные разработки. Поэтому, когда говорят о науке как о производительной силе, то принимают во внимание не конечную продукцию тоге или иного производства, а ту научную информацию - своего рода продукцию, на базе которой и организуется, и реализуется производство материальных ценностей.

Учитывая такой важный показатель, как количество научной информации, можно сделать не только качественную, но и количественную оценку временного изменения данного показателя и, таким образом, определить закономерность развития науки.

Количественный анализ показывает, что темп развития науки как в целом, так и для таких отраслей естествознания, как физика, биология и т.п., а также для математики, характеризуется приростом на 5-7% в год на протяжении последних 300 лет. При анализе учитывались конкретные показатели: число научных статей, научных сотрудников и т.д. Такой темп развития науки можно охарактеризовать и по-другому. За каждые 15 лет (половина средней разницы в возрасте между родителями и детьми) объем научной продукции возрастает в е раз (е = 2,72 - основание натуральных логарифмов). Это утверждение составляет сущность закономерности экспоненциального развития науки.

Из данной закономерности вытекают следующие выводы. За каждые 60 лет научная продукция увеличивается примерно в 50 раз. За последние 30 лет такой продукции создано приблизительно в 6,4 раза больше, чем за всю историю человечества. В данной связи к многочисленным характеристикам XX в. вполне оправданно можно добавить еще одну - «век науки».

Совершенно очевидно, что в пределах рассмотренных показателей (их, конечно, нельзя считать исчерпывающими для характеристики сложной проблемы развития науки) экспоненциальное развитие науки не может продолжаться бесконечно долго, иначе за сравнительно небольшой интервал времени, в ближайшем будущем все население земного шара превратилось бы в научных сотрудников. Как отмечалось в предыдущем параграфе, даже в большом числе научных публикаций содержится сравнительно небольшое количество по-настоящему ценной научной информации. И не каждый исследователь вносит существенный вклад в подлинную науку. Дальнейшее развитие науки будет продолжаться и в будущем, но, не за счет экстенсивного роста числа научных сотрудников и числа производимых ими научных публикаций, а за счет привлечения прогрессивных методов и технологий исследования, а также повышения качества научной работы.

Сегодня, как никогда, важна развернутая работа не только и не столько по критике и переосмыслению прошлого, сколько по исследованию путей в будущее, поиску новых идей и идеалов. Помимо вопросов экономики, это, наверное, самый значительный социальный заказ отечественной науке и культуре. Прошлые идеи себя исчерпывают или исчерпали, и если мы не заполним образовавшуюся пустоту, то она будет занята еще более старыми представлениями и фундаментализмом, утвержденными уже силой и авторитетом власти. Именно в этом состоит сегодня вызов разуму, уход от которого мы наблюдаем.

3. Во всех инерциальных системах отчета движение происходит по одинаковым закономерностям – это формулировка…

а) закона всемирного тяготения; б) принципы относительности Галилея; в) законы классической механики Ньютона

При́нцип относи́тельности - фундаментальный физический принцип, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения.

Данное определение относится к пункту «б» – принципы относительности Галилея.

4. Принципы относительности Галилея

Галилея принцип относительности, принцип физического равноправия инерциальных систем отсчёта в классической механике, проявляющегося в том, что законы механики во всех таких системах одинаковы. Отсюда следует, что никакими механическими опытами, проводящимися в какой-либо инерциальной системе, нельзя определить, покоится ли данная система или движется равномерно и прямолинейно. Это положение было впервые установлено Г. Галилеем в 1636. Одинаковость законов механики для инерциальных систем Галилей иллюстрировал на примере явлений, происходящих под палубой корабля, покоящегося или движущегося равномерно и прямолинейно (относительно Земли, которую можно с достаточной степенью точности считать инерциальной системой отсчёта): «Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно… Бросая какую-нибудь вещь товарищу, вы не должны будете бросать ее с большей силой, когда он будет находиться на носу, а вы на корме, чем когда ваше взаимное положение будет обратным; капли, как и ранее, будут падать в нижний сосуд, и ни одна не упадет ближе к корме, хотя, пока капля находится в воздухе, корабль пройдет много пядей» 1 .

Движение материальной точки относительно: её положение, скорость, вид траектории зависят от того, по отношению к какой системе отсчёта (телу отсчёта) это движение рассматривается. В то же время законы классической механики, т. е. соотношения, которые связывают величины, описывающие движение материальных точек и взаимодействие между ними, одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта. Относительность механического движения и одинаковость (безотносительность) законов механики в разных инерциальных системах отсчёта и составляют содержание Галилеевского принципа относительности.

Математически Галилеевский принцип относительности выражает инвариантность (неизменность) уравнений механики относительно преобразований координат движущихся точек (и времени) при переходе от одной инерциальной системы к другой - преобразований Галилея.

Пусть имеются две инерциальные системы отсчёта, одну из которых, S, условимся считать покоящейся; вторая система, S’, движется по отношению к S с постоянной скоростью u так, как показано на рисунке. Тогда преобразования Галилея для координат материальной точки в системах S и S’ будут иметь вид:

x’ = x — ut, у’ = у, z’ = z, t’ = t (1)

(штрихованные величины относятся к системе S’, нештрихованные - к S). Т. о., время в классической механике, как и расстояние между любыми фиксированными точками, считается одинаковым во всех системах отсчёта.

Из преобразований Галилея можно получить соотношения между скоростями движения точки и её ускорениями в обеих системах:

v’ = v — u, (2)

a’ = a.

В классической механике движение материальной точки определяется вторым законом Ньютона:

F = ma, (3)

Где m - масса точки, a F - равнодействующая всех приложенных к ней сил. При этом силы (и массы) являются в классической механике инвариантами, т. е. величинами, не изменяющимися при переходе от одной системы отсчёта к другой. Поэтому при преобразованиях Галилея уравнение (3) не меняется. Это и есть математическое выражение Галилеевского принципа относительности.

Галилеевский принцип относительности справедлив лишь в классической механике, в которой рассматриваются движения со скоростями, много меньшими скорости света. При скоростях, близких к скорости света, движение тел подчиняется законам релятивистской механики Эйнштейна, которые инвариантны по отношению к другим преобразованиям координат и времени - Лоренца преобразованиям
(при малых скоростях они переходят в преобразования Галилея).

5. Специальная теория относительности Эйнштейна

Специальная теория относительности базируется на двух постулатах. Первый постулат (обобщенный принцип относительности Эйнштейна) гласит: никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными и т.д.), производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения (иными словами, законы природы одинаковы во всех инерциальных системах координат, т.е. системах, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга). Этот постулат вытекает из результатов знаменитого опыта Майкельсона-Морлея, измерявших скорость света в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Скорость света оказалась одинаковой во всех направлениях, независимо от факта движения источника (кстати, эти измерения отвергли идею существования мирового неподвижного эфира, колебаниями которого объясняли природу света).

Второй постулат говорит о том, что скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах координат. Этот постулат понимается (в том числе самим Эйнштейном) в смысле постоянства скорости света. Принято считать, что этот постулат также есть следствие опыта Майкельсона.

Постулаты были использованы Эйнштейном для анализа уравнений электродинамики Максвелла и следующих преобразований Лоренца, позволяющих выражать координаты и время для движущейся системы (отмечены штрихом сверху) через координаты и время для неподвижной системы (эти преобразования оставляют уравнения Максвелла неизменными):

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

t’ = (t – xV/c^2)/^0,5 (сек). (2)
Из этих преобразований непосредственно вытекает теорема сложения скоростей Эйнштейна:

Vc = (V1 + V2)/(1 + V1*V2/c^2) (м/сек). (3)

Обычный закон сложения (Vc = V1 + V2 ) действует только при малых скоростях.
На основе выполненного анализа Эйнштейн пришел к выводу, что факт движения системы (со скоростью V ) влияет на ее размеры, скорость течения времени и массу в соответствии с выражениями:

l = lo/^0,5 (м); (4)
delta t = delta to/^0,5 (сек); (5)
M = Mo/^0,5 (кг). (6)
Нулем отмечены величины, относящиеся к неподвижной (покоящейся) системе. Формулы (4) – (6) свидетельствуют о том, что длина движущейся системы сокращается, течение времени на ней (ход часов) замедляется, а масса возрастает. На основе формулы (5) возникла идея так называемого эффекта близнецов. Космонавт, который пролетел на корабле год (по часам корабля) со скоростью 0,9998с , возвратившись на Землю, встретит своего брата-близнеца, постаревшего на 50 лет. Соотношение (6), характеризующее эффект возрастания массы, привело Эйнштейна к формулировке его знаменитого закона (6):

E = Mс^2 (дж).

6. Общая теория относительности Эйнштейна

О́бщая тео́рия относи́тельности (ОТО) - геометрическая теория тяготения , опубликованная Альбертом Эйнштейном в - годах . В рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности , постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей , находящихся в пространстве-времени , а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности (ОТО) - современная теория тяготения, связывающая его с кривизной четырехмерного пространства-времени.

Таким образом, в ОТО, как и в других метрических теориях , гравитация не является силовым взаимодействием. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в пространстве материей.

ОТО в настоящее время - самая успешная гравитационная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. Первый успех общей теории относительности состоял в объяснении аномальной прецессии
перигелия
Меркурия . Затем, в , Артур Эддингтон сообщил о наблюдении отклонения света вблизи Солнца в момент полного затмения , что подтвердило предсказания общей теории относительности . С тех пор многие другие наблюдения и эксперименты подтвердили значительное количество предсказаний теории , включая гравитационное замедление времени , гравитационное красное смещение , задержку сигнала в гравитационом поле и, пока лишь косвенно, гравитационное излучение . Кроме того, многочисленные наблюдения интерпретируются как подтверждения одного из самых таинственных и экзотических предсказаний общей теории относительности - существования чёрных дыр .

Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности, утверждающий, что физические процессы в гравитационном поле неотличимы от аналогичных явлений при соответствующем ускоренном движении. Принцип эквивалентности стал основой новой теории, названной общей теорией относительности (ОТО). Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения принципа относительности движения, т.е. распространения его не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем. Если не приписывать абсолютный характер ускорению, то выделенность класса инерциальных систем потеряет свой смысл и можно формулировать физические законы таким образом, чтобы они относились к любой системе координат. В этом и заключается общий принцип относительности.

С точки зрения ОТО пространство нашего мира не обладает постоянной нулевой кривизной. Кривизна его меняется от точки к точке и определяется полем тяготения, И время в разных точках течет по-разному. Поле тяготения является не чем иным, как отклонением свойств реального пространства от свойств идеального (евклидова) пространства. Поле тяготения в каждой точке определяется значением кривизны пространства в этой точке. При этом искривление пространства-времени определяется не только полной массой вещества, из которого слагается тело, но и всеми видами энергии, присутствующими в нем, в том числе энергии всех физических полей. Так, в ОТО обобщается принцип тождества массы и энергии СТО: Е= mc 2 . Таким образом, важнейшее отличие ОТО от других физических теорий состоит в том, что она описывает тяготение как воздействие материи на свойства пространства-времени, эти свойства пространства-времени, со своей стороны, влияют на движение тел, на физические процессы в них.

В ОТО движение материальной точки в поле тяготения рассматривается как свободное «инерциальное» движение, но происходящее не в евклидовом, а в пространстве с изменяющейся кривизной. В результате движение точки уже не является прямолинейным и равномерным, а происходит по геодезической линии искривленного пространства. Отсюда следует, что уравнение движения материальной точки, а также и луча света должно быть записано в виде уравнения геодезической линии искривленного пространства. Для определения кривизны пространства необходимо знать выражение для компонент фундаментального тензора (аналога потенциала в ньютоновской теории тяготения). Задача заключается в том, чтобы, зная распределения тяготеющих масс в пространстве, определить функции координат и времени (компонент фундаментального тензора); тогда можно записать уравнение геодезической линии и решить проблему движения материальной точки, проблему распространения светового луча и т.д.

Эйнштейн нашел общее уравнение гравитационного поля (которое в классическом приближении переходило в закон тяготения Ньютона) и таким образом решил проблему тяготения в общем виде. Уравнения гравитационного поля в общей теории относительности представляют собой систему из 10 уравнений. В отличие от теории тяготения Ньютона, где есть один потенциал гравитационного поля, который зависит от единственной величины - плотности массы, в теории Эйнштейна гравитационное поле описывается 10 потенциалами и может создаваться не только плотностью массы, но также потоком массы и потоком импульса.

Еще одно кардинальное отличие ОТО от предшествующих ей физических теорий состоит в отказе от ряда старых понятий и формулировке новых. Так, ОТО отказывается от понятий «сила», «потенциальная энергия», «инерциальная система»» «евклидов характер пространства-времени» и др.; В ОТО используют нежесткие (деформирующиеся) телаотсчета, поскольку в гравитационных полях не существует твердых тел и ход часов зависит от состояния этих полей. Такая система отсчета (ее называют «моллюском отсчета») может двигаться произвольным образом, и ее форма может изменяться, у используемых часов может быть сколь угодно нерегулярный ход. ОТО углубляет понятие поля, связывая воедино понятия инерции, гравитации и метрики пространства-времени, допускает возможность гравитационных волн. Гравитационные волны создаются переменным гравитационным полем, неравномерным движением масс и распространяются в пространстве со скоростью света. Гравитационные волны в земных условиях очень слабы. Есть возможность реальной фиксации гравитационного излучения, возникающего в грандиозных катастрофических процессах во Вселенной - вспышках сверхновых звезд, столкновении пульсаров и др. Но их до сих пор экспериментально обнаружить не удалось.

Несмотря на ошеломляющий успех общей теории относительности, в научном сообществе существует дискомфорт, связанный с тем, что её не удаётся переформулировать как классический предел квантовой теории из-за появления неустранимых математических расходимостей при рассмотрении чёрных дыр и вообще сингулярностей пространства-времени. Для решения этой проблемы был предложен ряд альтернативных теорий . Современные экспериментальные данные указывают, что любого типа отклонения от ОТО должны быть очень малыми, если они вообще существуют.
ФОРМИРОВАНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА ПРИНЦИПЫ И ПОНЯТИЯ ЭЙНШТЕЙНОВСКОЙ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (ТЕОРИИ ГРАВИТАЦИИ) Концепции уровней биологических структур и организации живых систем ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

2014-11-17

Чтобы проследить взаимосвязь живой и неживой природы, необходимо понимать, как происходит круговорот веществ в биосфере.

Смысл

Круговорот веществ - это повторяющееся участие одних и тех же веществ в процессах, происходящих в литосфере, гидросфере и атмосфере.

Выделяют два типа круговорота веществ:

• геологический (большой круговорот);
• биологический (малый круговорот).

Движущей силой геологического круговорота веществ являются внешние (солнечная радиация, гравитация) и внутренние (энергия недр Земли, температура, давление) геологические процессы, биологического - деятельность живых существ.

Большой круговорот происходит без участия живых организмов. Под действием внешних и внутренних факторов формируется и сглаживается рельеф. В результате землетрясений, выветривания, извержения вулканов, движения земной коры образуются долины, горы, реки, холмы, формируются геологические слои.

Рис. 1. Геологический круговорот.

Биологический круговорот веществ в биосфере происходит при участии живых организмов, которые преобразуют и передают энергию по пищевой цепочке. Устойчивая система взаимодействия живого (биотического) и неживого (абиотического) веществ называется биогеоценозом.

ТОП-3 статьи которые читают вместе с этой

Чтобы происходил круговорот веществ, необходимо выполнение нескольких условий:

• наличие примерно 40 химических элементов;
• присутствие солнечной энергии;
• взаимодействие живых организмов.

Рис. 2. Биологический круговорот.

У цикла веществ нет определённой отправной точки. Процесс непрерывный и одна стадия неизменно перетекает в другую. Можно начать рассматривать цикл из любой точки, суть останется прежней.

Общий круговорот веществ включает следующие процессы:

• фотосинтез;
• метаболизм;
• разложение.

Растения, являющиеся продуцентами в пищевой цепочке, преобразуют солнечную энергию в органические вещества, которые поступают с пищей в организм животных - редуцентов. После смерти происходит разложение растений и животных с помощью консументов - бактерий, грибов, червей.

Рис. 3. Пищевая цепочка.

Круговорот веществ

В зависимости от расположения веществ в природе выделяют два типа круговорота:

• газовый - происходит в гидросфере и атмосфере (кислород, азот, углерод);
• осадочный - происходит в земной коре (кальций, железо, фосфор).

Круговорот веществ и энергии в биосфере на примере нескольких элементов описан в таблице.

Вещество	Цикл	Значение
	Большой круговорот. Испаряется с поверхности океана или суши, задерживается в атмосфере, выпадает в виде осадков, возвращаясь в водоёмы и на поверхность Земли	Формирует природные и климатические условия планеты
	На суше - малый круговорот веществ. Получают продуценты, передают редуцентам и консументам. Возвращается в виде углекислого газа. В океане - большой круговорот. Задерживается в виде осадочных пород	Является основой всех органических веществ
	Азотфиксирующие бактерии, находящиеся в корнях растений, связывают свободный азот из атмосферы и закрепляют в растениях в виде растительного белка, который передаётся дальше по пищевой цепочке	Входит в состав белков и азотистых оснований
Кислород	Малый круговорот - поступает в атмосферу в процессе фотосинтеза, потребляется аэробными организмами. Большой круговорот - образуется из воды и озона под действием ультрафиолета	Участвует в процессах окисления, дыхания
	Находится в атмосфере и почве. Усваивают бактерии и растения. Часть оседает на морском дне	Необходима для построения аминокислот
	Большой и малый круговороты. Содержится в горных породах, потребляется растениями из почвы и передаётся по цепи питания. После разложения организмов возвращается в почву. В водоёме усваивается фитопланктоном и передаётся рыбам. После отмирания рыб часть остаётся в скелете и оседает на дно

Круговорот и биогеохимические циклы веществ

Объясните смысл геологического круговорота на примере круговорота воды.

Как происходит биологический круговорот?

В чем заключается закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского?

Что такое резервный и обменный фонды природного круговорота? В чем различие между ними?

Земля как живой суперорганизм

*Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, на Земле постоянно должен происходить круговорот биологически важных веществ, т. е. после использования они должны вновь переходить в усвояемую для других организмов форму. Этот переход биологически важных веществ может осуществляться только при определенных затратах энергии, источником которой является Солнце.

Ученый В. Р. Вильямс считает, что солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ - геологический, или большой, круговорот и биологический, малый, круговорот.

Геологический круговорот наиболее четко проявляется в круговороте воды. На Землю от Солнца ежегодно поступает 5,24ґ1024 Дж излучаемой энергии. Около половины ее расходуется на испарение воды. При этом из океана испаряется воды больше, чем возвращается с осадками. На суше, наоборот, больше выпадает осадков, чем испаряется воды. Излишки ее стекают в реки и озера, а оттуда - снова в океан (перенося при этом определенное количество минеральных соединений). Это и обусловливает большой круговорот в биосфере, основанный на том, что суммарное испарение воды с Земли компенсируется выпадением осадков.

**С появлением живого вещества на основе геологического круговорота возник круговорот органического в ещества, биологический (малый) круговорот.

Круговорот воды как пример геологического круговорота
(по Х. Пенмэну)

По мере развития живой материи из геологического круговорота постоянно извлекается все больше элементов, которые вступают в новый, биологический круговорот. В отличие от простого переноса минеральных веществ в большом круговороте, как в виде растворов, так и в виде механических осадков, в малом круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушение органических соединений. В противоположность геологическому, биологический круговорот обладает ничтожной энергией. На создание органического вещества, как известно, затрачивается всего 0,1-0,2% всей поступающей на Землю солнечной энергии (на геологический круговорот - до 50%). Несмотря на это, энергия, вовлеченная в биологический круговорот, производит огромную работу по созданию первичной продукции.

Биологический круговорот

С появлением на Земле живой материи химические элементы непрерывно циркулируют в биосфере, переходя из внешней среды
в организмы и опять во внешнюю среду. Такая циркуляция веществ по более или менее замкнутым путям называется биогеохимическим циклом.

Основными биогеохимическими циклами являются круговороты кислорода, углерода, воды, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов.

*** Биогенная миграция вещества - одна из форм всеобщей миграции элементов в природе. Под биогенной геохимической миграцией следует понимать миграцию органического и косного вещества, участвующего в росте и развитии живых организмов и производимого последними в результате сложных биохимических и биогеохимических процессов. В.И. Вернадский сформулировал закон биогенной миграции атомов в следующем виде:

Миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, Н2 и т. д.) обусловлены живым веществом (тем, которое населяет биосферу в настоящее время, и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории).

Человек воздействует прежде всего на биосферу и ее живое население, поэтому он тем самым изменяет условия биогенной миграции атомов, создавая предпосылки для глубоких химических перемен. Таким образом, процесс может стать саморазвивающимся, не зависящим от желания человека, и при глобальном масштабе практически неуправляемым.

С точки зрения планетарного круговорота вещества, наиболее важным являются почвенно-ландшафтный, гидросферный и глубинный (внутриземной) циклы. В первом из них осуществляется извлечение химических элементов из горных пород, воды, воздуха, разложение органического вещества, поглощение и синтез различных органических и органо-минеральных соединений. В гидросферном цикле главную роль играют состав воды и биологическая активность живых организмов. Биопродуцирование вещества здесь осуществляется при господствующем участии фитои зоопланктона. В глубинном цикле биогенной миграции наиболее важная роль принадлежит деятельности анаэробных микроорганизмов.

****Процессы, происходящие в различных оболочках Земли, находятся в состоянии динамического равновесия, и изменение хода какого-либо из них влечет за собой бесконечные цепочки подчас необратимых явлений. В каждом природном круговороте целесообразно различать две части, или два "фонда":

резервный фонд - большая масса медленно движущихся веществ, в основном неорганической природы;

подвижный , или обменный, фонд - меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и окружающей средой.

Обменный фонд образуется за счет веществ, которые возвращаются в круговорот либо за счет первичной экскреции (от лат. excretum - выделенное) животными, либо при разложении детрита микроорганизмами.

Если иметь в виду биосферу в целом, то биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа:

круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере;

осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Предыдущая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства Следующая статья: Чему равна скорость света