Учебное пособие Москва, 2005 удк 50 Утверждено Ученым советом мгапи icon

Учебное пособие Москва, 2005 удк 50 Утверждено Ученым советом мгапи



Смотрите также:
Конспект лекций Москва, 2002 удк 53 Утверждено Ученым советом мгапи...
Учебное пособие Москва, 2007 удк 50 Утверждено Ученым советом мгупи...
Учебное пособие Санкт-Петербург 2005 удк 662. 61. 9: 621. 892: 663. 63 Ббк г214(я7)...
Учебное пособие Тобольск 2005 удк...
Учебное пособие Тобольск 2005 удк...
Учебное пособие г...
Учебное пособие охватывает важнейшие разделы учебного курса...
Учебное пособие Рекомендовано Ученым советом университета в качестве учебного пособия Орел 2000...
Учебное пособие Екатеринбург 2005 удк 551. 510. 42 + 628...
Учебное пособие Тюмень, 2005 удк 33. 01 (075) ббк 65Я73...
Учебное пособие Москва 2005 ббк 60. 55 Рецензенты : д ф. н., проф...
Учебное пособие Электронный вариант (без рисунков, картин и портретов) москва  2005 ббк 87...



страницы: 1   2   3   4
вернуться в начало
скачать

Время, за которое распадается половина первоначального количества ядер, называют периодом полураспада T: T = n2/λ = 0,693/λ


^ 9.4. Ядерные и термоядерные реакции

Реакция деления ядер была открыта в 1938 – 1939 годах (Ферми, Ган, Штрассман, Жолио-Кюри). Было доказано, что ядро урана при столкновении с нейтроном делится на два осколка.

Особенности этой реакции: а) деление тяжёлого ядра сопровождается освобождением большой энергии (около 200МэВ) на каждое разделившееся ядро; б) при расщеплении ядер выделяются вторичные нейтроны (от одного до трёх на каждый акт деления). Наличие вторичных нейтронов при условии, что вещество имеет массу больше критической, может привести к цепной реакции деления.

^ Термоядерные реакции – это реакции синтеза ядер, происходящие при высоких температурах. Они играют огромную роль в жизни Вселенной, являясь основным источником энергии звёзд. Большой интерес представляет и возможность реализации управляемых термоядерных реакций, поскольку из всех известных науке превращений веществ, происходящих с выделением энергии, эти реакции дают максимум энергии, отнесённой к единице массы. В качестве «горючего» для таких реакций может быть использован целый ряд веществ (дейтерий, тритий и др.)

В принципе уже сегодня энергию термоядерного синтеза можно получить на Земле. Нагреть вещество до звёздных температур можно, используя энергию атомного взрыва. Так устроена водородная бомба, где взрыв ядерного запала приводит к мгновенному нагреву смеси дейтерия с тритием и последующему термоядерному взрыву. Но это неуправляемый процесс.

Для осуществления управляемого ядерного синтеза требуется несколько условий. Во-первых, нужно нагреть термоядерное горючее до температуры, когда реакции синтеза могут происходить с заметной вероятностью. Во-вторых, необходимо, чтобы при синтезе выделялось больше энергии, чем её затрачивается на нагрев вещества.

Для осуществления термоядерной реакции наиболее выгодна температура около 100 млн. градусов. Что касается времени удержания энергии, т. е. качества изоляции, то в данном случае условие следующее: плазма с плотностью 1014 ионов в 1 см3 должна заметно остывать не быстрее, чем за 1 секунду.

Удержание плазмы от попадания на теплоизолирующие стенки осуществляется при помощи магнитных полей, направляющих поток частиц по спирали, замкнутой в кольцо. Так как плазма состоит из ионов и электронов, магнитное поле имеет на неё прямое влияние.

Для нагрева можно использовать ток, протекающий по плазменному «шнуру». Есть и другие способы нагрева – высокочастотными электромагнитными волнами, пучками быстрых частиц, световыми пучками, генерируемыми лазерами.

Чем больше мощность нагревающего устройства, тем быстрее можно разогреть плазму до требуемой температуры. Последние разработки позволяют это делать за столь короткое время, что вещество успевает вступить в реакцию синтеза раньше, чем разлететься из-за теплового движения. В таких условиях дополнительная термоизоляция оказывается ненужной. Единственное, что удерживает частицы от разлета, это их собственная инерция. Данное направление – инерционный термоядерный синтез – усиленно развивается в последнее время.

^ 9.5. Воздействие излучения на человека. Радиационно-биологические процессы

В природе все радиоактивные процессы сопровождаются α-, β- и гамма – излучением. Гамма - фотоны и рентгеновские фотоны взаимодействуют с веществом, в результате чего в облучаемой среде возникает большое число быстро движущихся электронов. Значительная часть их обладает энергией, достаточной для ионизации атомов вещества. Энергия, поглощения при этом средой, определяет радиационный эффект. Как известно, ионизация – это процесс разделения электрически нейтрального атома на электрон и положительный ион.

Облучение, означает, по сути, взаимодействие излучения со средой. С точки зрения радиационного эффекта наиболее важной частью излучения является «ионизирующее излучение» - излучение, энергия которого достаточна для ионизации облучаемой среды.

Для количественной характеристики радиационного эффекта введем следующие понятия и термины.

^ Экспозиционная доза – количественная характеристика ионизирующего излучения, основанная на величине ионизации сухого воздуха при атмосферном давлении. Единицей измерения Дэ является рентген (Р). 1Р=2,5810-4 Кл/кг

Поскольку известна энергия, необходимая для ионизации воздуха экспозиционную дозу можно выразить через поглощенную 1Р соответствует 0,8810-2 Дж/кг Поглощенная доза – количество энергии, поглощенной единицей массы облучаемого вещества. Единицей дозы является рад. 1 рад = 10-2 Дж/кг. В СИ новой единицей поглощенной дозы является грей (Гр). 1 Гр = 100 рад.

Для мягких тканей в поле рентгеновского и гамма – излучения поглощенная доза в 1 рад примерно соответствует экспозиционной дозе в 1 Р (точно 1Р соответствует 0,88 рад=0,8810-3 Гр).

Между поглощенной дозой и радиационным эффектом существует прямая зависимость: чем больше поглощенная доза, тем больше радиационный эффект. Доза, которая вызывает гибель 50% людей через 30 суток после облучения равна 3 Гр (примерно 300Р).

При лечении рака гамма – излучение направляется на опухоль, в которую предварительно вводятся специальные вещества – сенсибилизаторы, усиливающие радиационный эффект.

^ 10. Развитие химических концепций

10.1. Эволюция химических знаний

Первое научное определение химического элемента сделал Бойль, положивший начало химическому анализу, основанному на экспериментальном методе.

Когда Ломоносов сформулировал закон сохранения энергии, завершился период превращения химии в науку.

В начале XIX века Дальтон заложил основы химической атомистики. Авогадро ввел понятие «молекула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества.

Бутлеров создал и обосновал теорию химического строения вещества. Менделеев открыл периодический закон химических элементов.

С конца XX века важнейшим направлением химии стало изучение закономерностей химических процессов. Управление химическими процессами – одна из главных проблем современной химии. На стыке химии и других отраслей естествознания возникли, например, биохимия, агрохимия, геохимия.

В последние десятилетия благодаря открытию новых явлений и эффектов, прежде всего физических, появилась реальная возможность проводить экспериментальные химические исследования на молекулярном уровне.

^ 10.2. Основные понятия химии

Одним из важнейших разделов современного естествознания является химия – наука о веществах, их составе, строении, свойствах и взаимных превращениях.

Превращение одних веществ в другие принято называть химическими реакциями, например, горение водорода в атмосфере кислорода, в результате которого получается вода.

^ Химическим элементом называют совокупность атомов, характеризуемым одним и тем же зарядом ядра, и, следовательно, одинаковым числом электронов в атомной оболочке. Атомы одного и того же элемента, имеющие разную массу (массовое число) являются изотопами, у них одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Вещества, молекулы которых состоят из атомов одного элемента, называются простыми (например, кислород O2), если молекулы состоят из атомов разных элементов, связанных между собой постоянными соотношениями, то они являются сложными веществами или химическими соединениями (например, вода H2O). Вещества, состоящие из нескольких соединений, не связанных между собой постоянными соотношениями называют смесью или раствором. Пример: морская вода – смесь воды и растворенных в ней солей.

^ 10.3. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева и её современный вид

Менделеев в 1869 году открыл периодический закон химических элементов – «опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве».

После великих открытий в физике в начале XX века стало понятно, что в периодической системе:

  • элементы располагаются в порядке возрастания заряда ядра;

  • в каждой группе (по вертикали) располагаются элементы с одинаковым числом электронов, расположенных на внешней оболочке – валентных электронов;

  • в каждом периоде (по горизонтали) располагаются элементы с одинаковым числом электронных оболочек.

До 30-х годов нашего столетия эта система состояла из 88 элементов. С учетом свободных клеток с номерами 43 (технеций), 61 (прометий), 85 (астат) и 87 (франций), в ней было всего 92 места. Элемент с атомным номером 92 – это уран.

В 1940 г. был получен первый трансурановый элемент – нептуний, а за три года до этого открыт первый искусственный элемент – технеций. Затем в лабораторных условиях были зарегистрированы ещё 15 трансурановых элементов с атомными номерами до 107.

Международный союз чистой и прикладной химии в 1997 г. узаконил названия резерфордий, дубний, сибортий, борий, хассий и мейтнерий. В феврале 1999 г. появилось сообщение о том, что ученые из Объединенного института ядерных исследований в Дубне открыли выходящий за пределы периодической таблицы Менделеева новый химический элемент с периодом полураспада намного большим, чем у открытых в последнее время сверхтяжелых элементов.

Современная теория позволяет с вполне определенной вероятностью рассчитать стабильность сверхтяжелых элементов, а также предсказать наиболее вероятные их физические и химические свойства. Из подобных расчетов следует, что элементы с атомными номерами 114 и 164 должны обладать неожиданно высокой стабильностью.

^ 10.4. Виды химической связи

Лишь немногие химические элементы (благородные газы) в обычных условиях находятся в состоянии одноатомного газа. Атомы остальных элементов входят в состав молекул или кристаллических решеток, образуемых совокупностью атомов.

Следовательно, существует причина, по которой атомы «связываются друг с другом». Эта причина получила название: «химическая связь». Она обусловлена тем, что между атомами существуют электростатические силы взаимодействия электрических зарядов, носителями которых являются валентные электроны и ядра атомов.

В зависимости от характера распределения электронной плотности в молекуле различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Универсальный тип химической связи – ковалентная (гомеополярная) связь, которая возникает в результате обобществления валентных электронов парой соседних атомов. Эта связь является причиной сосуществования молекул простых газов (Н2, Сℓ2 и пр.), различных соединений (Н2О, NH3 и др.), многочисленных органических молекул (СН4, Н3С – СН3 и т. п.), а также атомных кристаллов (фосфор, сера, графит и др.). Если химическая связь осуществляется между двумя одинаковыми атомами, она называется неполярной (например, N2, О2, атомы полупроводников Ge, Si и др.), в противном случае – полярной (к примеру, НСℓ).

В предельном случае полярности, когда электронные облака взаимодействующих атомов настолько разделены, что можно говорить об образовании катионов и анионов, имеет место ионная связь, которая осуществляется за счет кулоновского притяжения разноименно заряженных ионов (например, NaСℓ, CaF2, нитриты, сульфиты, фосфаты и другие соли металлов).

По традиции к химическим связям относят также металлическую и водородную связи, хотя они отражают специфику химических объектов и агрегатных состояний, а не действующих сил.

^ 10.5. Реакционная способность веществ. Химические реакции

Реакционная способность вещества – это его химическая активность. Примером является восстановительная способность, когда вещество отдает электроны, и окислительная способность, когда вещество присоединяет электроны. Восстановительной способностью обладают металлы, окислительной – неметаллы.

Различают химические реакции замещения, разложения, соединения, обмена.

Примеры химических реакций:

а) реакция замещения: б) реакция разложения при нагревании:

2HgNO3+Fe=Fe(NO3)2+2Hg CaCO3 =t CaO + CO2

сложное простое г) реакция обмена:

в) реакция соединения: HСℓ + KOH = KСℓ + H2O

S + O2 = SO2 - реакция нейтрализации


^ Скорость химических реакций. Современный катализ

Скорость химических реакций определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема. Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ и условий, в которых реакция протекает. Важнейшим из них является концентрация, температура и присутствие катализатора. Катализатор – это вещество, изменяющее скорость химической реакции, но которое не входит в состав конечных продуктов. Катализ – ускорение химической реакции в присутствии катализаторов.

Каталитические процессы можно классифицировать с учетом их физической и химической природы. В гетерогенном катализе химическая реакция совершается в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела и газообразной или жидкой смеси реагентов. Гомогенный катализ происходит либо в газовой смеси, либо в жидкости, где растворены как катализатор, так и реагенты. В электрокатализе реакция протекает на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока. При этом, в отличие от гетерогенного катализа здесь есть возможность управлять процессом при изменение силы электрического тока. В фотокатализе химическая реакция может происходить на поверхности твердого тела (в том числе и на поверхности электрода) или в жидком растворе и стимулирует её энергия поглощенного излучения. Ферментативному катализу присущи свойства как гетерогенного, так и гомогенного катализа. Ферменты – большие белковые структуры способные удерживать молекулы реагента в ожидании реакции. Кроме того, фермент собирает подходящее химическое окружение, катализирующее нужную реакцию.

^ Обратимые и необратимые химические реакции

Реакция называется необратимой, если в результате образуются газ, осадок или слабодиссицирующие вещество, например, вода. Например, реакция: HСℓ + NaOH = NaСℓ + H2O.

Химическая реакция не всегда «доходит до конца», другими словами, исходные вещества не всегда полностью превращаются в продукты реакции. Это происходит потому, что по мере накопления продуктов реакции могут создаваться условия для протекания реакции в противоположенном направлении.

Химические реакции, которые могут идти и в противоположенных направлениях, называются обратимыми. Например, реакция получения аммиака: N2(t) + 3H2(t) 2NH3

Состояние, в котором скорость обратной реакции становится равной скорости прямой реакции, называется химическим равновесием.

^ Принцип Ле Шателье

Состояния химического равновесия при неизменных внешних условиях могут сохраняться бесконечно долго. В реальной действительности при изменении температуры, давления или концентрации реагентов «равновесие» может сместиться в ту или иную сторону.

Согласно принципу Ле Шателье внешнее воздействие на систему, находящуюся в равновесии, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется. Таким образом, внешнее воздействие на систему изменяет соотношение между скоростями прямого и обратного процесса, благопрепятствуя тому из них, который противодействует внешнему влиянию. Например, в реакции получения аммиака, чтобы увеличить выход продукта (аммиака) надо увеличить давление. При этом равновесие нарушается – увеличивается скорость прямой реакции.

^ Тепловой эффект реакции

Для каждого химического соединения теплота разложения равна теплоте его образования, но имеет противоположенный знак. Так при разложении 1 моля метана на углерод и водород поглощается 49 кДж теплоты:

CH4 C + 2H2 – 49 кДж;

А при соединении углерода и водорода выделяется 49 кДж теплоты:

C + 2H2 CH4 + 49 кДж.

^ 10.6. Методы качественного и количественного анализа

Определение характеристик атомных и молекулярных частиц (их структуры и состава) в аналитической химии называют качественным анализом, а измерение их относительного содержания – количественным анализом. Новые методы качественного и количественного анализа основываются на последних достижениях различных областей естествознания и в первую очередь физики. Методы аналитической химии широко применяются во многих отраслях: в химии, медицине, сельском хозяйстве, геологии, экологии и т. п.

Для анализа и идентификации структуры сложных молекул, объединяющих большое количество атомов с различными взаимными связями, широко применяются основанные на физических принципах экспериментальные методы ядерного, магнитного резонанса, оптической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и др.

^ Метод ядерного магнитного резонанса основан на анализе резонансного поглощения электромагнитных волн. Данный метод – один из важнейших в различных областях естествознания и особенно в химии.

^ Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Спектральный анализ – физический метод качественного и количественного определения состава вещества по его оптическому спектру излучения.

В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале превращается в газовую фазу, затем газ ионизируется и ионы ускоряются электрическим полем до заданной кинетической энергии. Масса частиц может быть определена двумя способами: измерением радиуса кривизны траектории иона и измерением времени пролета им заданного расстояния. Масс-спектроскопия широко применяется для анализа химических элементов, определения изотопного состава и строения молекул в таких областях, как производство интегральных схем, металлургия, ядерная, нефтяная и фармацевтическая промышленность. Сочетание хроматографа с масс-спектрометром – лучший аналитический прибор для работы со сложными смесями, позволяющий решать разнообразные задачи химии, экологии, криминалистики и других наук.

Современные электрохимические методы в сочетании с высокочувствительной аппаратурой открывают новые возможности для исследования структуры и функций живой клетки: с помощью электродов, площадь которых составляет всего лишь несколько микрометров, можно регистрировать процессы, происходящие внутри клетки.

Один из наиболее распространенных методов исследования молекулярных структур – рентгеноструктурный анализ, основанный на явлении дифракции. Рентгеноструктурный анализ дополняет нейтронография; для неё необходимы потоки нейтронов, которые формируются с применением радиоактивных изотопов, что несколько ограничивает применение данного метода. Отличительная особенность нейтронографии – высокая точность определения относительного расстояния между атомами. Она успешно применяется при определении структур сверхполупроводников, рибосом и других сложных молекулярных образований.

^ 10.7. Синтез вещества

Синтез – получение сложных веществ из более простых, основанное на знании молекулярного строения и реакционной способности последних. Особенно большое значение имеет в органической химии. На основе органического синтеза возникли и развились крупнейшие отрасли промышленности: красителей, пластмасс, синтетических каучуков и др. Существует фото- и биосинтез.

^ Фотохимический синтез основан на действии излучения. После поглощения энергии молекула переходит в возбужденное энергетическое состояние. Химические свойства молекул существенно зависят от свойств поглощенного света. Активность химического синтеза в значительной степени зависит от длинны волны возбуждаемого излучения и температуры.

Биосинтез. Среди природных веществ есть регуляторы роста растений и животных, органические соединения, используемые насекомыми в качестве средств коммуникации, пестициды, антибиотики, витамины и многие целебные вещества. Природное соединение сначала необходимо обнаружить, затем выделить его химическим путем, определить его структуру и свойства и, наконец, произвести необходимый синтез.

Одно из важнейших достижений химии сверхвысоких давлений – синтез алмазов, который осуществляется при давлении 50000 атм и температуре 20000С. Промышленный синтез алмазов основан на превращении графита в реакторе высокого давления. Катализатором при этом служат различные вещества: металлический никель, сложные смеси железа, никеля и хрома, смеси карбида железа с графитом и т.п.

В настоящее время налажено производство не только искусственных алмазов, но и других драгоценных камней: корунда (красного рубина и синего сапфира), изумруда и др.

^ 11. Мегамир: современные космологические концепции

Мегамир или космос современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем (возникающих вокруг звезд), звезд и звездных систем – галактик (см. п.п.11.2.). Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка – Метагалактику. Размеры Метагалактики грандиозны: радиус космологического горизонта составляет 15 – 20 млрд. световых лет (I световой год (св.г.) = 9,4605·1015 м). Понятие «Метагалактика» очень близко понятию «Вселенная».

Вселенная – весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве, бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Возраст Вселенной ~ 18 млрд. лет.

Метагалактика – тот же мир, но с точки зрения его структуры – как упорядоченная система галактик.

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности (ОТО). Свойства Вселенной как целого обусловлены средней плотностью материи и другими физическими факторами. Её динамика определяется гравитационным взаимодействием тел.

^ 11.1. Концепции эволюции Вселенной

Существуют три концепции эволюции Вселенной:

1. Гипотеза Большого взрыва.

2. Инфляционная модель Вселенной, отличие которой от первой концепции касается только первоначального этапа возникновения мира (порядка 10-30 с.) и связано с расхождением мировоззренческих установок.

3. Концепция креационизма, т.е. творения. При этом эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чем материальный мир.

Остановимся более подробно на первой концепции.

В 1922 г. российский математик Фридман создал теорию эволюции наблюдаемой Вселенной, в соответствии с которой получен важный вывод: Вселенная является нестационарной системой. Причем возможны два основных варианта её эволюции: бесконечное расширение или пульсирующее расширение и сжатие. В настоящее время Вселенная расширяется, но будет ли она когда-то сжиматься пока неизвестно.

Ученик Фридмана Гамов разработал модель начальной стадии горячей Вселенной и назвал её «космологией Большого Взрыва». Согласно этой теории, в результате Взрыва высвободилось огромное количество энергии и раскаленного до миллиардов градусов первовещества.

В современной космологии начальную стадию эволюции Вселенной делят на эры (эпохи): эра адронов, эра лептонов, ядерная эра, фотонная эра и звездная эра.

^ Эра адронов. Продолжительность 10-4 с, температура 1012 К. Эра лептонов. Временный интервал 10-4 с < t <1 c, температура ~ 1010 К. Ядерная эра. Временной интервал 1 с < t <100 c, температура изменяется от 1010 К до 109 К. Фотонная эра. Продолжительность ~ 1 млн. лет. К концу эры температура падает до ~ 400 К.

^ Звездная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной, когда начинается процесс образования протозвезд и протогалактик. (Протозвезды – звезды, в недрах которых ещё не достигнуты температуры, необходимые для начала термоядерной реакции. Протогалактика включает в себя протозвезды). Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

Галактики (galaktikos – млечный) – гигантские (до сотен млрд звезд) системы, состоящие из скоплений звезд и туманностей, образующих в пространстве достаточно сложную конфигурацию.

По форме галактики условно делят на четыре типа: эллиптические, спиральные, линзообразные и неправильные. Некоторые галактики характеризуются исключительно мощным радиоизлучением, превосходящим видимое излучение. Это радиогалактики.

Наша Галактика, которую можно наблюдать в виде Млечного Пути, имея примерный возраст 10 млрд. лет, насчитывает в своем составе по усредненным оценкам около 200 млрд. звезд. В свою очередь наша спиральная Галактика входит в так называемую Местную Группу галактик, находящуюся на периферии еще более крупного галактического образования – Сверхскопления галактик, образованного примерно из 10 000 галактических объектов и имеющего диаметр около 40 Мпк (I парсек (пк)=3,60857·1016м).

^ 11.2. Концепции эволюции звездных объектов

На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоянии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих других галактик, если не у большинства, «звездная субстанция» составляет более чем 99,9% их массы.

Возраст звезд меняется в достаточно большом диапазоне значений: от 15 млрд. лет, соответствующих возрасту Вселенной, до сотен тысяч – самых молодых. Есть звезды, которые образуются в настоящее время и находятся в протозвездной стадии, т.е. они еще не стали настоящими звездами.

Огромное значение имеет исследование взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включая проблему непрерывного образования звезд из конденсирующейся диффузной (рассеянной) материи.

Большая заслуга в разработке концепции звездной эволюции принадлежит российскому астроному Шкловскому.

^ Рождение звезд происходит в газово-пылевых туманностях под действием гравитационных, магнитных и других сил, благодаря которым идет формирование неустойчивых однородностей и диффузная материя распадается на ряд сгущений. Если такие сгущения сохраняются достаточно долго, то с течение времени они превращаются в звезды. Важно отметить, что происходит процесс рождения не отдельной изолированной звезды, а звездных ассоциаций. Образовавшиеся газовые тела притягиваются друг к другу, но не обязательно объединяются в одно громадное тело. Вместо этого они, как правило, начинают вращаться относительно друг друга, и центробежная сила этого движения противодействует силе притяжения, ведущей к дальнейшей концентрации. Звезды эволюционируют от протозвезд, гигантских газовых шаров, слабо светящихся и с низкой температурой, к звездам – плотным плазменным телам с температурой внутри в миллионы градусов. Затем начинается процесс ядерных превращений, описываемый в ядерной физике. Основная эволюция вещества во Вселенной происходила и происходит в недрах звезд. Именно там находится тот «плавильный тигель», который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной.

Собственно моментом рождения звезды можно считать достижение системой критической температуры около 10 млн. градусов, при которой и начинается ядерная реакция синтеза.

Имеет место несколько циклов термоядерного синтеза. Длительность первого из них, связанного со сгоранием водорода и превращением его в гелий, занимает примерно 80% всего времени жизни любой звезды. При достижении температуры около 150 млн. градусов начинается второй цикл, при котором столкновения высокоэнергичных ядер гелия приводят к образованию углерода. При этом размеры звезды увеличиваются под действием энергии излучения в десятки раз. Температура внешних слоев «раздувшейся» звезды снижается, придавая ей красноватый цвет, и она переходит в разряд красных гигантов. Дальнейшие циклы термоядерного синтеза проходят во все ускоряющемся темпе и при стремительно возрастающих температурах ядра звезды. Наконец, при достижении температуры 3 млрд. градусов и синтезе железа энерговыделение резко снижается, а возросшая плотность центральной части оказывается настолько большой, что энергии излучения уже недостаточно, чтобы противостоять гравитационным силам сжатия. Ядро звезды стремительно уменьшается в размерах.

Последующая судьба звездных объектов во многом определяется значениями масс и размеров каждого из них, а также взаимным соотношением указанных параметров.

В соответствии с результатами ОТО, возможны следующие основные варианты звездной эволюции.

Если масса звезды меньше 1,4 МСолнца, то процесс сжатия ядра протекает сравнительно спокойно и звезда превращается в белый карлик (см.стр.43), который может устойчиво излучать энергию в течение миллиардов лет. Однако его температура постепенно снижается, и он переходит в черный карлик.

Если же масса звезды больше 1,4 МСолнца, то сжатие такого объекта происходит с обвальной скоростью и сопровождается в конце сжатия образованием громадной ударной волны обратного действия, результатом которой является сверхмощный взрыв сверхновой звезды. Рождения таких звезд были зарегистрированы в 1054, 1572, 1604, 2004 годах.

В том случае, когда полного разрушения ядра при взрыве сверхновой звезды не произошло, возможно, образование одного из двух весьма экзотических звездных объектов: пульсара (см. стр.43) или черной дыры. В настоящее время обнаружено более 300 пульсаров, которые, согласно существующей концепции, представляют собой быстровращающиеся остатки ядер сверхновых звезд или так называемые нейтронные звезды (см.стр.43).

^ Черные дыры

Черная дыра – космический объект, возникающий в результате сжатия тела гравитационными силами до размеров меньших его гравитационного радиуса , где М – масса тела, G – гравитационная постоянная, с – скорость света.

Предсказание о существовании черных дыр сделано на основе общей теории относительности (ОТО). Согласно ОТО вещество тела, достигшего rГ, должно неудержимо сжиматься к центру (испытывать релятивистский гравитационный коллапс). Один из возможных путей образования черной дыры указывает теория эволюции звезд. Черной дырой может стать звезда, в недрах которой угасли термоядерные источники энергии. В таких звездах (с массой М > Мкритич. = (1,5 3)·МСолнца) силы внутреннего давления уже не могут противостоять силам гравитации. Звезда начинает сжиматься. Если её радиус достигнет rГ, то никакие сигналы (свет, частицы), испускаемые ею, не могут выйти наружу и достигнуть внешнего наблюдателя. Сохраняющиеся у черной дыры внешние проявления связаны с существованием у неё гравитационного и электрического полей (для заряженной сколлапсированной звезды).

Кроме черных дыр, возникающих в процессе эволюции звезд, теория рассматривает черные дыры, образовавшиеся на ранних (горячих и сверхплотных) стадиях развития Вселенной. Это первичные черные дыры.

Поиски черных дыр – важнейшая проблема современной астрономии. Наиболее вероятное их обнаружение в двойных звездных системах: «черная дыра – красный гигант». При этом вещество звезды – гиганта перетекает к черной дыре (аккреция), что приводит к разогреву вещества (до десятков миллионов градусов) и появлению рентгеновского теплового излучения, которое может быть зарегистрировано на Земле.

Предполагается также, что в активных ядрах галактик и в квазарах (см. стр.44) могут находится сверхмассивные черные дыры (М ~ (106 108)·МСолнца). Наблюдаемая активность этих объектов возможно обусловлена аккрецией на черную дыру окружающего газа.

^ Белые карлики

Белые карлики – компактные звезды с массами порядка массы Солнца и радиусами R0,01RСолнца. Равновесие их поддерживается при средней плотности вещества ~ 102 – 104 кг/м3 давлением электронного вырожденного газа. Для физики белые карлики интересны, прежде всего, как объекты применения теории сверхплотной плазмы.

Белыми карликами становятся звезды в конце своей эволюции (после исчерпания запасов термоядерного горючего) после сброса внешних слоев. Обнажившееся ядро имеет очень высокую температуру поверхности (5·103 7·104)К. Постепенно остывая, оно переходит в белый карлик, основной источник светимости которого – запасенная в звезде энергия теплового движения ионов.

Белые карлики существуют благодаря устойчивому равновесию сил гравитации и внутреннего давления вырожденного электронного газа.

^ Нейтронные звезды

Нейтронные звезды – гидростатически равновесные звезды, состоящие из нейтронов с малой примесью электронов, сверхтяжелых атомных ядер и протонов, с плотностью вещества порядка плотности атомных ядер. Их возникновение связано с нейтронизацией вещества в условиях высокой плотности ~ 1011 кг/м3. Гидростатическое равновесие в нейтронных звездах обеспечивается давлением вырожденного нейтронного газа или упругостью нейтронного кристалла и жидкости. Они были открыты в 1967 году в виде пульсаров. Нейтронные звезды могут проявлять себя еще как открытые в 1975 году барстеры – импульсные источники гамма- и рентгеновского излучений.

Согласно теории эволюции звезд, нейтронные звезды рождаются в результате гравитационного коллапса звезд массой М1,2МСолнца, в результате которого возникает горячая нейтронная звезда с температурой в центре ~ 1011К, которая за время (10 100)с охлаждается до 109К за счет излучения нейтрино.

Пульсары

Пульсар – космический источник импульсного электромагнитного излучения. Периоды повторения импульсов лежат в пределах от нескольких сотых долей секунды до секунд. Большинство пульсаров излучает в радиодиапазоне от метровых до сантиметровых волн, однако существуют также оптические, рентгеновские и гамма-пульсары.

Согласно современным представлениям, радио-пульсары – это нейтронные звезды, которые при массе примерно равной массе Солнца имеют диаметры около 20 км. Энергия их излучения черпается из энергии вращения звезды. Источник излучения рентгеновских и гамма-пульсаров – гравитационная энергия, выделяющаяся при аккреции на нейтронную звезду или черную дыру вещества, перетекающего от соседней нормальной звезды.

Большинство пульсаров находятся от Земли на расстояниях 200 7000 световых лет, что относит их к внутригалактическим источникам излучения.

Квазары

Квазары – квазизвездные мощные внегалактические источники электромагнитного излучения, представляющие собой активные ядра далеких галактик. Открыты в 1960 году. Квазары находятся от Земли на расстоянии свыше 200 Мпк, а некоторые из них удалены более чем на 5000 Мпк. Они излучают в радио-, оптическом и рентгеновском диапазонах. Мощность излучения типичного квазара достигает 1040 Вт, т.е. 103 – 104 раз превышает мощность излучения всех звезд крупной галактики и почти в 1020 раз больше мощности излучения Солнца. Размеры квазаров меньше м, т.е. сравнимы с расстоянием от Земли до Солнца. Исследование пространственного распределения квазаров и различий в их свойствах может пролить свет на ранние стадии эволюции Вселенной.

^ 11.3. Концепции эволюции Солнечной системы

Солнце – это рядовая желтая звезда среднего возраста (примерно 5 млрд. лет), прошедшая около половины срока активного существования. Оно расположено в переферийной части Млечного Пути, на расстоянии ~ 2/3 от «густонаселенного» галактического центра. В состав Солнечной системы входят 9 планет и огромное количество астероидов, комет, метеорных тел, космической пыли, межпланетного газа.

Среди планет Солнечной системы выделяют две основные группы: планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) со средней плотностью вещества ~ 5·103 кг/м3 и планеты – гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), у которых средняя плотность ~ 1,4·10-3 кг/м3. Последняя из планет – Плутон стоит особняком: он имеет очень вытянутую эллиптическую орбиту и аномально большой наклон плоскости этой орбиты относительно других планет. Создается впечатление, что Плутон является совершенно чужеродным объектом, захваченным когда-то в просторах космоса гравитационным полем Солнца.

Само Солнце представляет собой центр массы Солнечной системы, имея в своем составе 99,85% всего входящего в нее вещества. Принимая среднюю удаленность нашей планеты от центра Солнца, равную 1,496·1011 м, за астрономическую единицу длины (а.е.д.), Боде и Тициус установили следующую закономерность в расположении наших планет:

Rn = 0,3·2(n-2) + 0,4, где Rn – средний радиус орбит, n – номер планеты, считая от Солнца.

Важным свидетельством единства процесса образования большинства планет Солнечной системы является их однонаправленное движение практически в одной плоскости по почти круговым орбитам вокруг Солнца, медленно вращающегося в том же направлении.

Общепризнано, что планеты Солнечной системы образовались из плоского газово-пылевого облака, окружавшего центральную звезду. По ориентировочным оценкам, аккумуляция вещества при образовании Земли длилась около 60 млн. лет, образование планет внешней группы происходило, по-видимому, значительно дольше.

По современным представлениям малые тела нашей системы, к числу которых относятся астероиды и кометы, являются неприсоединившимися к планетам древнейшими остатками промежуточной аккумуляции первовещества. Причем астероиды – это каменистые образования внутренней зоны Солнечной системы, а кометы - ледяные тела внешней зоны. Существование пояса астероидов объясняется достаточно широким промежутком, разделяющим планеты земной группы и планеты-гиганты.

^ 12. Планета Земля и современные представления о литосфере

-12.1. Внутреннее строение и история геологического развития Земли

Земля представляет собой близкое к шарообразной форме тело диаметром около 12700км и массой кг. Возраст Земли 4,6-4,7 млрд. лет. Рассматривая Землю, как бы в разрезе, можно убедиться в существенной неоднородности ее внутренней структуры. Несмотря на то, что наиболее глубокие из пробуренных скважин не превышают 8 км, полученные данные позволяют утверждать, что по своему строению наша планета делится на следующие основные концентрические зоны:

  • земная кора средней толщиной 50 км;

  • мантия, простирающаяся до глубины 2900 км;

  • центральное ядро диаметром около 7000 км, перешедшее под действием высокого давления в металлическое состояние.

Верхний слой планеты или литосфера, образующий земную кору, составляет 1% от массы Земли. По химическому составу наибольшая доля приходится на кислород (47,2%), кремний (27,6%), алюминий (8,8%), и железо (5,3%). Под материками и океанами литосфера неодинакова. Материковая зона состоит из трех слоев: верхнего - осадочного (до 10 км), среднего - гранитного (до 15 км) и нижнего - базальтового (до 20 км). Осадочный слой содержит основные запасы угля, нефти, газа и других полезных ископаемых. Толщина океанографического слоя 5-15 км. Он состоит из рыхлых осадков, лежащих на тонком базальтовом основании.

Ниже базальтового слоя начинается мантия Земли, состоящая из верхней мантии толщиной 800 км, а также промежуточного слоя - астеносферы, обладающей повышенной текучестью и температурой 2900. В литосферу кроме земной коры входит и часть верхней мантии до глубины 170 - 200 км. При образовании трещин в земной 'коре жидкая магма астеносферы изливается под давлением на поверхность Земли, вызывая мощные извержения вулканов.

^ Центральное ядро Земли составляет по массе 34%, т.е. почти 1/3 от массы всей планеты и состоит из внутреннего ядра, образованного железом, и внешнего ядра, представляющего собой силикаты, перешедшие под действием высокого давления в металлическое состояние.

Из современных взглядов на происхождение Земли наиболее распространена теория Шмидта об образовании Земли из холодного газопылевого облака. Взрыв новой звезды около этого места привел облако во вращательное движение вокруг центра. В центре было больше вещества и образовалось Солнце. Частицы этого облака, вращаясь вокруг Солнца под действием сил гравитации, сталкивались, сменялись, образуя сгустки, нараставшие как снежный ком, образуя планеты и их спутники. В недрах Земли происходили при высокой температуре реакции, побочными продуктами которых были газы и пары воды. Они выходили наружу через трещины в земной коре, которая в то время была тонкой. Когда температура понизилась пары воды сконденсировались и образовался первичный океан.

Большинство ученых считает, что сначала на нашей планете образовалась кора океанического типа. Под влиянием процессов, происходящих внутри Земли, на ее поверхности образовались складки, т.е. горные участки. Толщина коры увеличивалась, образовались выступы материков. Относительно дальнейшего развития материков и впадин океанов существует ряд гипотез. В последние годы создана теория строения коры, основанная на представлениях о литосферных плитах.

^ 12.2. Теория литосферных плит

Согласно теории литосферных плит, земная кора вместе с частью верхней мантии не является монолитным панцирем планеты, а состоит из семи громадных плит толщиной от 6 до 100 км и десятков плит поменьше, между ними находятся разломы. Эти плиты очень медленно перемещаются со скоростью 1-6 см в год, как бы плавая на пластичной астеносфере. Согласно теории мобилизма, верхняя мантия находится в движении. В местах ее подъема она проплавляет земную кору, образуя разломы, через которые вытекают потоки магмы (силикатные расплавы и газы), в результате образуются срединные океанографические хребты на дне океана. В местах опускания - происходит столкновение литосферных плит:

- при столкновении двух одинаковых плит образуются складчатые горы, происходят землетрясения. Плиты земной коры сталкиваются и своими краями, цепляются друг за друга, пока одна из них не высвободится, происходит толчок, от которого земля содрогается или встряхивается. Это и есть землетрясение. В результате землетрясения произошедшего на дне индийского океана в конце 2004 г. образовались гигантские цунами, которые вызвали гибель большого числа людей и сильные разрушения.

- при столкновении двух разных (континентальной и океанографической) плит, образуются складчатые горы и глубоководные желоба.


^ 12.3. Географическая оболочка Земли

Географическая оболочка включает в себя верхние части литосферы, воды Мирового океана, в том числе озер, рек, ледников (гидросферу) и взаимодействующие с окружающей средой формы жизни (биосферу). Все элементы географической оболочки Земли активно взаимодействуют друг с другом. В настоящее время 2/3 земной поверхности занято Мировым океаном. Из всего количества воды на Земле, только 1% пресной. Все процессы в географической оболочке Земли происходят под действием солнечной энергии и в меньшей степени внутренних земных источников.

Луна также оказывает влияние на географическую оболочку Земли. В основном благодаря гравитационному притяжению воды к Луне происходят приливы и отливы. Луна воздействует и на астеносферу, вызывая приливы в ней на высоту до 0,5 м. Воздействие Луны на астеносферу было значительным в период образования Земли. Тогда Луна была ближе к Земле, и возникали сильные землетрясения и извержения вулканов.

^ 12.4. Условия, способствующие возникновению жизни на Земле.

Наличие планетарной системы является необходимым условием жизни на Земле, также как и достаточное время устойчивого излучения Солнца. На поверхности звезды из-за высоких температур жизнь невозможна.

^ Масса Земли достаточна для удержания вокруг себя с помощью гравитационных сил атмосферы состоящей из азота, кислорода, водорода, углерода и других газов и примесей. По газовому составу древняя атмосфера нашей Земли была совсем иной, чем в настоящее время, и мало отличалась от атмосферы Венеры или Марса, она содержала в основном углекислый газ и водород.

После появления около 3 млрд. лет назад первых водорослей и других растений углеводородная атмосфера земли была переработана путем фотосинтеза в современный тип атмосферы, содержащий 78% азота и 21% кислорода. Атмосфера Земли состоит из четырех слоев: тропосферы (0 – 20км), стратосферы (20 – 50 км), мезосферы (50 – 85 км) и термосферы (свыше 85 км). В тропосфере температура воздуха с высотой уменьшается до – 70 0С, в стратосфере она сначала не меняется, а затем растет до 0 0С, в мезосфере температура снова уменьшается до – 100 0С, и, наконец, в термосфере начинается её рост, достигая на высоте 400 км уже 1000 0С. Но так как, на больших высотах атмосфера становится крайне разреженной, поэтому никакой «жары» там нет. Более того, космонавты, выходящие на таких высотах в открытый космос, находятся в условиях «космического холода».

^ Удаленность Земли от Солнца является оптимальной, чтобы с одной стороны избежать перегрева атмосферы в результате парникового эффекта (как на Венере), и с другой стороны не заморозить планету до твердого кристаллического состояния.

Вода на земле является альтернативной формой существования кислорода в связанном виде по сравнению с углекислом газом, распространенном в атмосфере Венеры и Марса. Кроме того, вода является универсальным растворителем многих химических элементов. Она обладает замечательным свойством расширяться при замерзании, в результате в любом водоеме на поверхности Земли лед образуется, начиная с поверхности, а не со дна, что благоприятно сказалось и сказывается на жизни водоплавающих.

Все это привело к тому, что планета Земля представляет собой редчайший случай природной сбалансированности огромного количества природных факторов, приведших в результате длительной эволюции к появлению жизни и разума в нашей части Галактики.

^ 13. Биосфера. Биологические концепции

13.1. Развитие биологических концепций

Биология – совокупность наук о живой природе, об огромном многообразии вымерших и населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой.

На начальном этапе развития биология носила описательный характер и была названа традиционной биологией. Объект ее изучения – живая природа в ее естественном состоянии и целостности. Значительный вклад в традиционную биологию внесли шведский естествоиспытатель Линней, французский ботаник Адамсон, которые предложили принципы классификации растительного и животного мира, а также другие ученые.

Традиционная биология продолжает развиваться и в настоящее время. Для живой природы постоянное развитие – наиболее важное и характерное свойство. В связи с этим концепция ее развития представляет фундамент, на котором построена эволюционная биология.

Эволюционная биология как наука о развитии живой природы начиналась с материалистической теории эволюции, основанной на воззрениях английского естествоиспытателя Чарльза Дарвина. В процессе развития эволюционного учения возникли разные направления, которые базируются на последних достижениях смежных отраслей биологии и естествознания, в том числе и нейтралистская теория эволюции.

^ 13.2. Концепции происхождения жизни

В настоящее время распространены следующие концепции происхождения жизни:

  1. Жизнь создана высшими божественными силами.

  2. Жизнь занесена на поверхность Земли из космоса.

  3. Жизнь существовала всегда.

  4. Жизнь на Земле возникла из неживых элементов путем длительной эволюции.

Последнюю концепцию предложил академик Опарин, и на ее основе была разработана теория эволюционного происхождения жизни. Эта теория была подтверждена экспериментами американских ученых Миллера и Юри, они получили аминокислоты из набора химических элементов, которые были распространены в первичной атмосфере Земли. На космической станции «Мир» были проведены опыты, в результате которых под действием жесткого космического излучения проходило преобразование неорганических молекул в органические.

^ 13.3. Принципы развития, эволюции и воспроизводства живых систем

Отличительной особенностью биологических (живых) систем от физических (неживых) систем является их способность к развитию и самовоспроизведению.

Способность к развитию – всеобщее свойство живой материи. Эволюция – это процесс непрерывного направленного развития в живой и неживой природе и социуме.

В биологии эволюция определяется наследственностью, изменчивостью и естественным отбором организмов. Наследственность заключается в способности организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Она определяется стабильностью, т.е. постоянством строения молекул ДНК. Изменчивость - способность организмов приобретать новые признаки и свойства, в основе которых лежат изменения биологических матриц. Эта способность обусловлена приспособлением особей к конкретным условиям существования в природных условиях. Под действием естественного отбора устраняются организмы, не приспособленные к условиям существования. Благодаря наследственности, изменчивости и естественному отбору организмы в процессе эволюции накапливают новые приспособительные функции, что в конечном результате ведет к образованию новых видов.

Основным принципом воспроизводимости живых организмов является дискретность, т.е. на любом уровне организации живых организмов материя представлена элементарными структурными единицами. Для клетки – это жизненно важные структуры – органоиды. Целостность клетки определяется воспроизведением новых органоидов вместо износившихся. Развитие и существование организмов обуславливается размножением клеток. Каждая особь данного вида смертна и ее существование поддерживается размножением организмов. Таким образом, дискретность жизни предполагает ее воспроизводство и размножение.

Соматические клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние клетки. При делении дочерней клетке передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. Поэтому перед делением число хромосом в клетке удваивается и каждая дочерняя клетка получает по одному их набору. Такой процесс деления клеток, обеспечивающий тождественное распределение генетического материала между дочерними клетками называется митозом.

^ 13.4. Биосфера и ее свойства

Биосфера – активная оболочка Земли, в которой живые организма, в том числе и человек, и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. В биосферу входят нижние слои атмосферы, гидросфера и верхняя часть литосферы, органически связанные с живым веществом. По Вернадскому живым организмам отводится роль главной преобразующей силы.

Биосфера Земли образовалась в результате того, что около 3–3,5 млрд. лет назад вследствие благоприятных условий и закономерной эволюции материи на Земле возникла жизнь. Совокупность всех населяющих планету живых организмов, так называемое, живое вещество Земли, оказало значительное влияние на состав атмосферы, гидросферы и верхней части литосферы.

Биосфера – это открытая система. Ее существование невозможно без поступления энергии извне. Она обладает способностью поддерживать свои параметры и функции в определенном диапазоне. Это свойство называется гомеостазом. Важное свойство биосферы – круговорот веществ между живыми организмами.

^ 13.5. Биологические уровни организации материи

  1. Молекулярный. Любая биосистема, как бы сложно она не была организована, проявляется на уровне функционирования биологических макромолекул – белков, нуклеиновых кислот, аминокислот и др.

  2. Клеточный. Клетка является структурной и функциональной единицей всех живых организмов, обитающих на Земле. Основными частями клетки зукариот являются мембрана, цитоплазма и ядро. Мембрана – это специальная оболочка, проницаемая для строго определенных веществ и не пропускающая большинство соединений, создающихся в цитоплазме. Мембрана имеет тонкий наружный слой – гликокаликс, на котором располагаются рецепторы, обуславливающие взаимодействие клеток в тканях и в организме в целом. Благодаря этому обеспечивается защитная функция клетки. Эта функция нарушается при резких колебаниях параметров внешней среды и при стрессах.

Цитоплазма управляет процессами обмена веществ и метаболизмом, синтезом белков и т.д. В цитоплазме располагаются разнообразные органеллы – внутриклеточные элементы, окруженными своими мембранами. К органеллам, в частности, относятся митохондрии – мешковидные образования с дыхательными ферментами. В них осуществляется функция энергообразования. В цитоплазме есть и небольшие тельца – рибосомы, состоящие из белка и нуклеиновой кислоты с помощью которых осуществляется синтез белка. Внутриклеточная среда достаточна вязкая, хотя 65 – 85% массы клетки составляет вода.

Во всех жизнеспособных клетках, за исключением бактерий, содержится ядро, а в нем – хромосомы – длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и присоединенного к ней белка. Ядро выполняет две главные функции: хранение и воспроизводство генетической информации и регуляция процессов обмена веществ, протекающих в клетках.

  1. Тканевой. Ткань представляет собой совокупность одинаковых по строению клеток, объединенных выполняемой общей функцией, например, мышечная ткань.

  2. Органный. Орган – это функциональное объединение нескольких типов тканей. например, кожа человека как орган, выполняющий целый ряд функций, основная из которых защита внутренней среды человека от воздействия окружающей среды.

  3. Организменный. Многоклеточный организм – это целостная система органов и систем, специализированных на выполнение различных функций. Организм человека содержит 1015 самых разнообразных клеток.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы: прокариоты и зукариоты. К прокариотам относятся бактерии, а к зукариотам – все остальные организмы: простейшие, грибы, растения и животные. Зукариоты могут быть одноклеточными и многоклеточными.

  1. Популяционно-видовой. Совокупность организмов одного и того же вида, объединенных общим местом обитания, создает популяцию.

  2. Биогеоценотический. Биогеоценоз – совокупность организмов различных видов со всеми факторами среды их обитания.

  3. Биосферный. Биосфера – это совокупность всех биогеоценозов; система высшего порядка, охватывающая все явления жизни на Земле.

^ 13.6. Генетика и эволюция

Генетика – это наука о наследственности, изменчивости организмов и методах управления ими. Обычно наследственность определяется, как способность родителей передавать свои признаки и особенности развития следующему поколению. Возможности их развития в значительной степени зависит от условий окружающей среды.

Информация о наследственности содержится в гене, который представляет собой участок цепи (ДНК), используемой для кодирования белка определенного вида. Ген отвечает за формирование, какого-либо признака, способен к воспроизведению и расположен в определенном участке хромосомы.

Совокупность всех генов одного организма – генотип. Изменчивость заключается в изменении наследственных зачатков – генов и в изменении их проявления в процессе развития организма.

Совокупность всех признаков организма – фенотип. В ходе процесса эволюции, длящегося миллионы лет, появилось поразительное многообразие форм живого.

Основу современной эволюционной теории составляет изучение популяционной генетики. Гены, действуя независимо друг от друга или совместно с факторами внешней среды, определяют фенотипические признаки организмов и обусловливают изменчивость в популяциях. В ходе естественного отбора фенотипы, которые смогли приспособиться к условиям данной среды, сохраняются, тогда как фенотипы, которые не могут приспособиться, подавляются и, в конце концов, исчезают. Изменение генетического состава популяции приводит к прогрессивному усилению строения форм всего живого, примером этого может служить возникновение современного человека.

Перспективными направлениями генетики, развиваемыми в последние годы, являются генная инженерия, клонирование, расшифровка генетического кода человека (геномика).

В результате генной инженерии создаются не только современные лекарственные препараты, но и, генетически модифицированные продукты питания, изготавливаемые из искусственно создаваемых биологических форм, в частности, сои. Для этого в исходные продукты добавляют или убирают определенные гены. Например, благодаря использованию гена рыбы, живущей в полярных широтах, получены холодоустойчивые помидоры, которые могут длительное время храниться в холодильнике.

Клонирование – это процесс создания клонов. В процессе размножения большинства высших организмов дочерняя особь получает половину генов от своего отца, а половину – от матери. Клоны же – это организмы, имеющие совершенно идентичные генотипы. Для создания клонов используются соматические клетки, в которых содержится полный набор хромосом, тогда как в половых клетках содержится только половина этого набора. В 1997 году была получена знаменитая овца Долли – генетическая копия своей матери. Для этого из клетки её вымени было взято ядро и пересажено в яйцеклетку другой овцы.

Недостаток или наличие лишней хромосомы является свидетельством определенных наследственных заболеваний. В 2004 году был открыт ген, несущий информацию о предрасположенности человека к раку. В настоящее время ученые близки к разгадке генетического кода человека. Генетический код содержится в геноме – совокупности генов, содержащихся в наборе хромосом данной животной клетки. Благодаря этому в ближайшие годы будут созданы тысячи новых избирательно дейсвующих лекарств, с помощью которых можно излечивать большое число болезней человека. Эта новая фармакология и станет главным приложением разгаданного кода.

Успехи в области генетики во многом определяют прогресс в трансплантологии, травматологии, в других областях медицины и биологии, а также в производстве продуктов питания.

^ 14.Экология в современном мире

14.1. Основные направления экологии

Живые организмы не просто обитают в той или иной среде. Они находятся в постоянном взаимодействии с факторами неживой и живой природы и друг с другом. Наука о взаимоотношениях организмов со средой называется экологией.

Экологическая система (экосистема) или биогеоценоз - это взаимодействующие между собой живые организмы и среда их обитания.

Факторы внешней среды, действующие на организм, носят название экологических факторов. Их можно разделить на три группы:

1) абиотические, куда входят факторы неживой природы - свет, температура, влажность, геомагнитное поле Земли, гравитация, состав водной, воздушной, почвенной среды, природные ресурсы. Эти факторы необходимы для поддержания жизнедеятельности живых организмов, в том числе и человека.

2) биотические, связанные с влиянием других живых организмов

3) антропогенные, к которым относятся разнообразные проявления деятельности человека.

Целью экологии является эффективная защита биосферы от негативного влияния на неё деятельности человека.

Академик Вернадский ввёл понятие ноосферы, под которой понимал любые результаты разумной деятельности человека. Элементами биосферы можно считать оросительные каналы, электростанции, добычу полезных ископаемых, заводы, транспортные средства и т.д. Однако по мере их строительства и эксплуатации в окружающей среде происходят изменения, которые вызывают ухудшение экологической обстановки. Отсюда возникает необходимость создания таких технологий, которые в наименьшей степени влияют на окружающую среду. Этим занимается инженерная экология.

В результате преобразования человеком естественной среды обитания можно говорить уже о реальном существовании нового её существования – о техносфере. Понятие «техносфера» - выражает совокупность технических устройств и систем вместе с областью технической деятельности человека. Её структура включает в себя: техногенное вещество, технические системы, живое вещество, верхнюю часть земной коры, атмосферу, гидросферу, а с начала эры космических полетов – и околоземный космос.

В настоящее время сильно обострилась проблема гуманизации техносферы, так как последствия непродуманности, некомплексного и, как следствие, антигуманного воздействия на природу удручают. Технические ландшафты из отходов производства, уничтожение признаков жизни в целых регионах, загнанная в резервации природа – вот реальные плоды отрицательного влияния человека, вооруженного техникой, на окружающую природу.




оставить комментарий
страница3/4
Дата16.10.2011
Размер1,07 Mb.
ТипУчебное пособие, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы: 1   2   3   4
отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх