Строение материи.

Изложенный выше материал позволяет выстроить схему строения материи, которая, как уже было показано, существует в двух формах – вещества и поля. Как уже было сказано выше, поле передается с помощью волны. Вещество состоит из молекул, которые в свою очередь состоят из атомов, атомы – из ядра и электронной оболочки, ядро – из протонов, нейтронов и элементарных частиц, а мельчайшими (правда, гипотетическими) кирпичиками мироздания являются кварки. И здесь следует вспомнить о корпускулярно-волновом дуализме Л. де Бройля : каждой микрочастице соответствует волна. Глубокий физический ( и философский ) смысл этого принципа состоит в том, что он говорит о единстве материи, двух ее форм – вещества и поля.

Подведем некоторые итоги. Физика микромира была построена менее чем за полвека, ее творили ученые многих стран, и почти все их достижения были отмечены высшей наградой в научном мире – Нобелевской премией.

Контрольные вопросы:

1. Что такое квант ? Кто ввел этот термин в науку ?

2. В чем сущность постулатов Бора ?

3. Что такое корпускулярно- волновой дуализм ?

Литература

4,7,10, 11, 13,21

ЛЕКЦИЯ 7. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА . РАДИОАКТИВНОСТЬ. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ.

Радиоактивность, открытая А. Беккерелем, - это способность ядер атомов тяжелых химических элементов (начиная с 83 номера таблицы Д. И. Менделеева, т.е. расположенных после висмута) к распаду с выделением энергии и образованием ядер других химических элементов. Э. Резерфорд экспериментально доказал, что излучение, испускаемое радиоактивными элементами, неоднородно : одна группа лучей отклонялась к отрицательно заряженной пластине ( их Резерфорд назвал альфа – лучами, очень скоро было установлено, что это поток положительно заряженных ядер атомов гелия). Другая часть лучей отклонялась к положительно заряженной пластине (бета – лучи, оказавшиеся потоком электронов). Превращения элементов, сопровождающиеся испусканием альфа- и бета - лучей, были названы соответственно альфа - и бета – распадом. Лучи, не отклоняющиеся в магнитном поле, Резерфорд назвал гамма – лучами, они оказались самым высокоэнергетическим (и коротковолновым) видом из всех известных в природе разновидностей электромагнитного излучения. В 1940 г. советские ученые Г.Н.Флеров и К.А. Петржак обнаружили спонтанное деление ядер, сопровождающееся испусканием гамма - излучения и не приводящее к превращению элементов. Оно характерно только для самых тяжелых ядер, начиная с тория. Все сказанное выше относится к естественной радиоактивности.

В 1934 г. французские ученые супруги Ирен и Фредерик Жолио – Кюри (будущие лауреаты Нобелевской премии, дочь и зять М. и П. Кюри) открыли искусственную радиоактивность, которая позволила получать не существующие в природе радиоактивные изотопы, а также новые химические элементы, которых нет в природе. Все химические элементы, стоящие в таблице Д. И. Менделеева после урана, получены методом искусственной радиоактивности, т.е. путем бомбардировки известных химических элементов альфа- частицами или нейтронами.

Цепные ядерные реакции.

Эти реакции были открыты в 1939 г. итальянским ученым Э. Ферми, бежавшим в США от итальянского фашизма. Выяснилось, что при попадании в ядро одного нейтрона оно делится на две – три части, при этом выделяется огромная энергия. При делении ядер урана-235, кроме осколков, вылетают два – три свободных нейтрона, которые при благоприятных условиях могут попасть на другие ядра урана и вызвать их деление.

Незадолго до смерти великий экспериментатор Э. Резерфорд написал в одной из статей : «Вряд ли когда - либо работы по ядерной физике смогут найти практическое применение». Даже гении иногда ошибаются. Через несколько лет, в 1942 г. заработал первый, построенный Э. Ферми в США, ядерный реактор. Это была основа для будущих атомных электростанций, атомных ледоколов и подводных лодок. Но работы по ядерной физике принесли человечеству не только пользу. Полным ходом сначала в США и Германии, а затем в Советском Союзе начались разработки, связанные с ядерным оружием. В США эти работы возглавил бежавший из фашистской Германии Р.Оппенгеймер, в СССР - И. В. Курчатов. Есть сведения о том, что немецкие ученые, оставшиеся в фашистской Германии, во главе с В. Гайзенбергом саботировали создание ядерного оружия в Германии, направив технические разработки по тупиковому пути. В 1945 США сбросили ядерные бомбы над городами Хиросимой и Нагасаки. По существу, это было первое испытание ядерного оружия, никакой стратегической необходимости в этих бомбардировках не было. Вскоре ( в 1949 г.) ядерная бомба появилась в СССР, в 1953 г. в нашей стране была создана и испытана первая термоядерная бомба. Мир вступил в эпоху гонки ядерных вооружений, что грозило не только тотальной гибелью человечества и вообще всего живого, но также создало серьезные экологические проблемы захоронения ядерных отходов. Кроме того, человечество еще не научилось грамотно работать с ядерной энергией. Трагическим примером этого является Чернобыльская катастрофа – самая крупная техногенная авария ХХ века. Тем не менее, за АЭС, несомненно, стоит будущее, поскольку запасы углеводородов на Земле кончаются ( об этом будет сказано позже), а запасы радиоактивных элементов в недрах достаточно велики.

Чем же опасна радиоактивность для живых организмов ? Прежде всего, огромной энергией, разрушающей эритроциты (красные кровяные клетки), в результате чего развивается лейкемия; кроме того, уничтожаются половые клетки, что приводит к бесплодию. Наконец, радиоактивное излучение вызывает неконтролируемый рост клеток, т.е. раковые опухоли.

Как защититься от радиоактивного заражения ? Во-первых, обращаться с радиоактивными веществами имеют право только специально обученные для этого люди, прошедшие соответствующую подготовку. Транспортировать эти вещества следует только в свинцовых контейнерах, а работать с ними - в специально предназначенных для этого костюмах.

Степень поражения живого организма зависит от дозы облучения, т.е. отношения радиоактивной энергии, попавшей на живой организм, к его массе. Соответственно, при одинаковых величинах энергии, чем больше масса, тем меньше опасность гибели организма.

Таким образом, открытие и исследование явления радиоактивности принесло человечеству не только несомненную пользу - познавательную и практическую (АЭС), но нанесло и очевидный вред в виде создания ядерного оружия и последующего радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Контрольные вопросы:

1. Что такое радиоактивность ?

2. Кто является отцом ядерной физики ?

3. Почему радиоактивность опасна для живых организмов ?

Литература :

4, 7, 16, 21

ЛЕКЦИЯ 8. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ А.ЭЙНШТЕЙНА (МЕГАМИР)

Как уже было сказано в разделе о микромире, новая физика родилась на рубеже Х1Х и ХХ веков, поскольку классическая наука не могла объяснить результаты ряда экспериментов, проведенных в Х1Х веке. Из стремления объяснить рентгеновское излучение и радиоактивность возникли квантовая механика и ядерная физика. Теория относительности А. Эйнштейна выросла из попытки объяснить результаты опыта американского физика А. Майкельсона по определению скорости света относительно неподвижного эфира, существование которого предположил Дж. Максвелл. Результаты опыта Майкельсона, за которые он получил Нобелевскую премию, были неожиданными : оказалось, что скорость света не зависит от скорости источника, что она является мировой константой и постоянна во всех инерциальных системах отсчета и что ее нельзя превысить. т. е. скорость света – это максимальная скорость передачи сигнала. В итоге эти результаты показали, что эфира не существует. Результаты опыта Майкельсона стали первым из «китов», на которых основывается специальная теория относительности. Вторым «китом» стал принцип относительности Г. Галилея, который А. Эйнштейн переформулировал так : все инерциальные системы отсчета эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических экспериментов, и ни одна из них не имеет преимуществ перед другими (относительно которой эфир был бы неподвижен).

А. Эйнштейн был величайшим теоретиком, и при работе над теорией относительности он использовал прием мысленного эксперимента. Описание «корабля Эйнштейна». Результатом логических рассуждений и математических выкладок явилась смена парадигм : Эйнштейн пришел к выводу, что при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света (а это скорости мегамира, объектами которого являются звезды, галактики и Вселенная), не работает парадигма Ньютона об абсолютности и независимости пространства и времени. Отсюда следовало, что пространство и время взаимосвязаны, и время является четвертой координатой, т.е. пространство как минимум четырехмерно. Из этого вытекало три следствия : 1) при больших скоростях, соизмеримых со скоростью света, расстояние сокращается, отрезок укорачивается и при скорости света ( если бы она оказалась достижимой), стягивается в точку ; 2) при больших скоростях время замедляется (пример Эйнштейна «парадокс близнецов» ) ; 3) масса тела не зависит от скорости тела. Отсюда следует, что никакое тело с массой, отличной от нуля, нельзя разогнать до скорости света, т.к. для этого потребуется бесконечная энергия. Далее А. Эйнштейн нашел связь между массой и энергией : масса тела есть мера содержащейся в нем энергии. Так появилась знаменитая формула Е= mc² , где Е – энергия покоя частицы, m - его масса покоя, с - скорость света.

Экспериментальное подтверждение специальной теории относительности пришло из микромира. Выяснилось, что при опытах с элементарными частицами, которые в специальных ускорителях разгоняют до очень больших скоростей, для хорошего согласия экспериментальных и расчетных данных следует учитывать эффект возрастания массы, так называемые релятивистские поправки к массе. Сказанное свидетельствует о том, что специальная теория относительности описывает не только мегамир, но также и микромир. В макромире же скорости слишком низки, а массы слишком велики, чтобы экспериментально

наблюдать релятивистские эффекты.

Общая теория относительности.

Описанная выше специальная теория относительности никак не учитывает гравитацию. Эйнштейн предположил, что массы, вложенные в четырехмерное пространство – время, искривляют его и что все объекты – и частицы, и лучи света – будут двигаться не по прямым, а по геодезическим линиям ( геодезическая линия на сфере – это дуга). Чем массивнее тело и выше его плотность, тем больше оно искривляет окружающее его пространство – время, и тем большую силу притяжения испытывают соседние тела. Кроме того, массы создающие гравитационное поле, изменяют течение времени : чем сильнее гравитация, тем медленнее течет время.

Общая теория относительности нашла экспериментальное подтверждение при эксперименте со звездным лучом света, проходящего мимо Солнца и наблюдаемого во время солнечного затмения. Оказалось, что луч проходит не по прямой, а по дуге, поскольку Солнце, являясь огромной гравитационной массой, искривляет пространство вокруг себя.

Добавим еще, что описанное здесь словами упрощенное представление о теории относительности А. Эйнштейн представил, используя сложнейший математический аппарат. Часть этого аппарата, необходимая при работе над общей теорией относительности, была разработана еще в Х1Х веке русским математиком Н.И. Лобачевским и немецким ученым Б. Риманом. Это была геометрия на сфере. Пример и рисунок.

Может показаться, что все изложенное выше противоречит здравому смыслу. Это происходит потому, что в мегамире (как и в микромире) мы не можем обратиться к спасительной наглядности: мы живем в макромире, и очень трудно представить себе четырехмерное искривленное пространство и замедляющееся время, а также микрочастицу, которая одновременно является волной. Но в древности людям так же сложно было представить себе, что шарообразная Земля несется вокруг Солнца, это тоже казалось противоречащим здравому смыслу, однако в результате оказалось верным. Классическая физика оказывается справедливой как предельный частный случай, когда скорости намного меньше скорости света, а массы намного меньше масс в мегамире.

Таким образом, создание А. Эйнштейном теории относительности расширило представления человечества об окружающем мире и создало теоретический фундамент современной астрономии.

Контрольные вопросы :

1. Чей опыт послужил толчком для создания теории относительности ?

2. В чем суть основной парадигмы А. Эйнштейна ?

3. Что такое «парадокс близнецов» ?

Литература :

6, 7, 17, 18, 21

ЛЕКЦИЯ 9. СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ.(МЕГАМИР). СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

Во-первых, определим, что такое Вселенная. Это место вселения человека. Строго говоря, мы можем делать какие-либо выводы не обо всей Вселенной, а о той ее части, которая доступна для эмпирического наблюдения. Эта часть называется Метагалактикой. Но термин «Вселенная» более привычен, поэтому в дальнейшем мы будем его употреблять, подразумевая Метагалактику.

На основании общей теории относительности А. Эйнштейн вывел космологическое уравнение, предполагая, что Вселенная однородна, изотропна и стационарна, т.е. объем и радиус ее постоянны. Разумеется, при этом возможны различные движения внутри самой системы.

Однако вскоре, в 1922 г. стационарный мир Эйнштейна был подвергнут серьезной критике. Российский математик и геофизик А.А. Фридман проанализировал космологическое уравнение Эйнштейна и показал, что стационарный мир является только частным решением этого уравнения, что искривленное пространство не может быть стационарным, а в более общем случае возможны нестационарные решения, т.е. фридмановские миры должны были либо расширяться, либо сжиматься. Однако какой из вариантов фридмановского решения верен, расширяется ли Вселенная или сжимается? На этот вопрос ответил в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл. Напомним, что согласно эффекту Допплера спектры излучения удаляющихся объектов должны быть сдвинуты в красную сторону (красный сдвиг), а спектры приближающихся – в фиолетовую (фиолетовый сдвиг). Хаббл обнаружил, что чем дальше от нас находится галактика, тем больше ее линейчатый атомный спектр водорода (а это основной составляющий компонент звезд) смещен в красную сторону. Иными словами, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется. А это, в свою очередь, означало, что Вселенная не стационарна, что она непрерывно расширяется, и расстояния между галактиками все время растут.

Открытие красного смещения и на его основании расширения Вселенной было одним из величайших открытий ХХ века. Если использовать метод моделирования и попытаться представить себе расширяющуюся Вселенную, то это будет постоянно раздувающийся шар с нанесенными на него точками. При надувании такого шара расстояние между двумя любыми точками возрастает, но ни одну них нельзя назвать центром расширения. Несмотря на то, что открытие Э. Хаббла блестяще подтвердило предсказания А.А. Фридмана (он умер в 1925 г.), работы последнего долгое время оставались неизвестными научному миру.

Открытие Хаббла, естественно, поставило следующий вопрос : будет ли Вселенная расширяться вечно или в какой-то момент начнется сжатие ? Не следует забывать , что расширение осуществляется, несмотря на закон Всемирного тяготения. Именно эти соображения привели американского ученого Г.А. (Дж.) Гамова (русского по происхождению, он учился вместе с А. А. Фридманом, работал под руководством академика А.Ф. Иоффе и покинул СССР в 1933 г) к идеям «горячей Вселенной», сингулярной точки и Большого взрыва. Согласно этой гипотезе, примерно 10- 18 млрд. лет назад существовала субстанция (ее назвали сингулярной точкой), имеющая бесконечную плотность при бесконечной кривизне пространства. В момент Большого взрыва каждая частица этой субстанции начала удаляться от другой, что сопровождалось очень высокими температурами в миллионы К. В таких условиях могла существовать только смесь кварков и элементарных частиц, т.е. сгусток плазмы. Далее, при снижении температуры могли образоваться ядра, а затем первые атомы, Это были атомы водорода (самого простого - один протон и один электрон - и самого распространенного химического элемента во Вселенной, являющегося основной составляющей звезд).

Г.А. Гамов предсказал, что если гипотеза Большого взрыва верна, то должно сохраниться остаточное тепловое излучение, температура которого соответствует примерно 6 К. Через десять лет, в 1965 г. это излучение, названное «реликтовым», идущее со всех направлений Вселенной с одинаковой интенсивностью, было обнаружено американскими астрономами А. Пензиасом и В. Вильсоном. Гипотеза Большого взрыва была подтверждена экспериментально. А. Эйнштейн приветствовал появление теории Большого взрыва и добавил, что в этот момент родилось не только вещество, но также пространство и время

. Космические объекты.

Эти объекты делятся на излучающие свет - звезды, светимость которых обусловлена термоядерной реакций перехода водорода в гелий, и не излучающие свет - планеты, метеориты, космическая пыль и кометы, которые светятся отраженным солнечным светом. К особым космическим объектам относятся «черные дыры», имеющие такую большую массу, что для преодоления ее гравитации необходимо развить скорость, большую скорости света, что, как известно, невозможно (результаты опыта Майкельсона). Поэтому черные дыры ничего не излучают и не отражают, а только поглощают любые сигналы. Астрономы обнаружили характерное рентгеновское излучение от окружающего предполагаемые черные дыры плазменного диска. Есть предположение о том, что 90 % массы всей Вселенной находится в черных дырах, а поскольку, согласно формуле Эйнштейна, масса пропорциональна энергии, черные дыры – это огромный энергетический запас Вселенной.

Скопления звезд называются галактиками. Наша галактика называется «Млечный путь» и состоит из ядра с максимальной плотностью звездного вещества и нескольких спиральных ветвей. Ее размеры – примерно 100 тыс. световых лет (световой год – это расстояние, которое свет проходит за промежуток времени, равный одному земному году). Если можно применить к галактике понятие «вид сбоку», то в этом плане она представляет собой гигантский диск толщиной примерно 1500 световых лет. На расстоянии примерно двух третей от центра галактики находится Солнечная система.

Первый внегалактический объект был открыт Э. Хабблом в 20- тых годах ХХ века и назван «туманностью Андромеды». Позже были открыты тысячи других галактик, и Э. Хаббл предложил их классификацию. В 1963 г. были открыты квазары (квазизвездные радиоисточники) – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью, в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньше их. Была выдвинута гипотеза, что квазары – это ядра новых галактик, а это значит, что процесс образования новых звезд продолжается и поныне.

Солнечная система.

Солнечная система состоит из Солнца и девяти планет, а также множества астероидов, метеоритов и космической пыли. Солнце - звезда средней величины, ее возраст – примерно 5,5 млрд. лет, температура на поверхности Солнца - около 6000 К.

Существуют две гипотезы образования планет Солнечной системы – «горячая) и «холодная». Суть горячей гипотезы в том, что планеты – это оторвавшиеся кусочки Солнца. Согласно холодной гипотезе, планеты образовались из газо - пылевых облаков (понятие «холодная» - относительно : температура на первозданной Земле оценивается примерно 1000 К ). Вторую гипотезу астрономы считают более аргументированной. Первые четыре ближайшие к Солнцу планеты - Меркурий, Венера, Земля, Марс – это планеты земной группы. Они твердые, имеют сравнительно небольшую массу и магнитное поле. Следующие четыре планеты – это планеты – гиганты : Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Их массы гораздо больше массы Земли, и состоят они из затвердевших при низких температурах газов. Все 8 планет движутся в единой плоскости, в одном направлении по эллиптическим орбитам. Последняя планета – Плутон –небольшая по массе и размерам, твердая и движется в другой плоскости. Радиус Солнечной системы, т.е. расстояние от Солнца до Плутона, составляет 5,5 световых часов.

Таким образом, к середине ХХ века был экспериментально доказан и теоретически обоснован факт расширения Вселенной. Это было одним из выдающихся открытий в астрономии ХХ века.

Была также высказана и обоснована гипотеза Большого взрыва – основы рождения Вселенной.

Контрольные вопросы:

1. Что такое «красное смещение» ?

2. Что такое «черные дыры» ?

3. Чем обусловлена светимость звезд ?

Литература :

7, 14, 17,18, 21

ЛЕКЦИЯ 10. НАУКИ О ЗЕМЛЕ. ГЕОСФЕРНЫЕ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ

Все науки о Земле имеют корень «гео», что по-гречески означает Земля. Наша планета имеет радиус 6,3 тыс. км, плотность 5,5 г / см³, скорость ее вращения вокруг Солнца - 30 км / сек.

География изучает поверхность Земли (ландщафт), ее водную (гидросфера) и газовую (атмосфера) оболочки.

Геология (общая) изучает твердую оболочку Земли (литосфера) и строение Земного шара в целом. Прикладная геология занимается поисками полезных ископаемых - основных ресурсов Земли.

Ресурсы - это тела и силы природы, необходимые человеку для жизни и хозяйственной деятельности. Они подразделяются на практически неисчерпаемые (солнечная энергия, термальное тепло, энергия ветра, приливов и отливов) и исчерпаемые, которые в свою очередь делятся на невозобновляемые (руды металлов, благородные металлы, горючие полезные ископаемые – уголь, нефть, газ - и строительные материалы ) и возобновляемые (растительный и животный мир, человек, вода и воздух). Прикладная геология в основном занята поисками возобновляемых ресурсов.

Геологическое строение Земли.

Как уже было сказано, твердая оболочка Земли называется литосферой (или земной корой). Рассмотрим разрез земной коры. Протяженность литосферы ( в глубину) составляет 10 – 80 км. Ее верхний слой толщиной всего несколько метров называется почвой, но этот тончайший слой кормит все человечество, домашний скот и диких животных. Учение о почвах создал в Х1Х веке русский ученый В.В. Докучаев, учитель другого выдающегося русского ученого В.И.Вернадского ( о нем будет сказано далее). Согласно этому учению, почва состоит из 4-х компонентов : гумуса (перегноя, останков живых организмов, живших на Земле сотни и тысячи лет назад), осадочных пород, воды и воздуха. Чем больше в почве гумуса, тем она плодороднее.

Следующий слой – осадочные породы. Главным образом это глины, песчаники и известняки. Глины и песчаники в основном состоят из диоксида кремния и по - существу различаются только размером частиц : глины имеют тонкодисперсную (порошкообразную) структуру, тогда как песчаники состоят из довольно крупных частиц. Известняки (а это также мел и мрамор)

имеют в своем составе главным образом карбонат кальция. Разумеется, это грубая классификация осадочных пород, геологи в зависимости от процентного содержания разных компонентов выделяют до 20 их типов. Большинство осадочных пород имеет биогенное происхождение, т.е. это останки живых организмов, живших на Земле миллионы лет назад.

Далее вглубь следуют магматические породы, из которых состояла первозданная Земля до появления гидросферы и биосферы. Это граниты, базальты и туфы. На этом литосфера кончается.

Дальше простирается горячая полужидкая оболочка Земли – мантия, состоящая в основном из расплавленных магматических пород. Иногда она дает знать о своем существовании при извержениях вулканов, когда потоки раскаленной магмы стекают вниз по склонам, уничтожая все живое на своем пути и напоминая человечеству о том, что, несмотря на свое кажущееся всемогущество, люди еще очень беззащитны перед стихией. Толщину мантии оценивают примерно в 2900 км, а ее температуру - около 2000 К.

Наконец, в центре Земли находится ядро, состоящее в основном из железа, обуславливающего магнитное поле Земли, с изрядной примесью серы ( недаром извержения вулканов сопровождаются обильными выбросами сернистого газа - диоксида серы). Про состояние ядра и его температуру известно довольно мало, и здесь мнения ученых расходятся : одни считают земное ядро холодным и твердым, другие - горячим и расплавленным. В начале ХХ века ирландский ученый Д Джоли предположил, что земные недра разогреваются за счет тепла, испускаемого радиоактивными элементами при их распаде. В 1909 году русский ученый В.И. Вернадский основал геохимию – науку об истории атомов Земли, их физико-химической эволюции и распределении в земных недрах.

Геохронологическая шкала

Далее целесообразно привести геохронологическую шкалу, т.е. рассказать о геологической истории нашей планеты и об ее отдельных этапах (эрах). Согласно данным о периодах полураспада радиоактивных химических элементов, возраст Земли оценивается примерно 4, 5 мрд лет (это начало архейской эры). Она продолжалась до 2,6 млрд лет. Итак,

4,5 млрд. лет- 2,6 млрд. лет - архейская эра.

2,6 млрд. лет - 600 млн. лет- протерозойская эра (ранняя жизнь).

600 млн. лет – 200 млн. лет - палеозойская эра (древняя жизнь).

200. Млн. лет - 70 млн. лет - мезозойская эра (средняя жизнь).

От 70 млн. лет назад - кайнозойская эра (современная жизнь).

В архее первый миллиард лет шла химическая эволюция: образовывались тяжелые химические элементы и благодаря вращению Земли проникали все глубже и глубже в земную кору, легкие же оставались вблизи поверхности. Далее в архее произошло важное событие в геологической истории Земли : 3,5 мрд лет назад в водной среде на ней зародилась органическая жизнь. (об этом будет подробно рассказано в биологическом блоке). Поэтому в названиях всех последующих геологических эпох присутствует корень «зой», что по-гречески означает «жизнь».

В протерозое жизнь продолжает развиваться в воде, происходит разделение на растительный и животный миры. Растения представлены водорослями, животные - разнообразными беспозвоночными. Благодаря жизнедеятельности растений сначала в воде, а затем и в атмосфере начинает скапливаться свободный кислород.

В палеозое жизнь выходит на сушу – сначала растения, затем животные, которые представлены многообразными земноводными, а растения – споровыми, гигантскими древовидными папоротниками. При последующем вымирании и захоронении эти гиганты образовали месторождения угля.

В мезозойскую геологическую эру среди растений преобладают голосеменные ( хвойные), а животные представлены разнообразными рептилиями (пресмыкающимися) : на суше это динозавры, причем среди них появляются зверозубые, т.е. хищные ; в воде это ихтиозавры, в воздухе – птеродактили и археоптериксы - промежуточная форма между летающими рептилиями и современными птицами. Вымирая, живые организмы мезозойской эры после захоронения образовали месторождения нефти и природного горючего газа : большинство этих месторождений приурочено к мезозойским отложениям.

Некоторые геологи и астрономы выдвинули гипотезу о том, что в конце мезозоя – начале кайнозоя Земля претерпела космическую катастрофу : произошло столкновение с каким-то космическим телом. Удар был столь силен, что земная ось, которая была до этого перпендикулярна плоскости эклиптики, наклонилась, началась смена времен года, которая до того отсутствовала, климат Земли сильно похолодал, а полюса покрылись ледяными шапками.

Многие огромные рептилии мезозойской эры вымерли.

Кайнозойская геологическая эра началась примерно 70 млн лет назад. Растительный и животный мир к этому времени приняли современный облик : среди животных стали преобладать млекопитающие, среди растений - покрытосеменные (цветковые).

Гипотеза тектоники литосферных плит и происхождения континентов.

В 1915 г. немецкий геофизик А Вегенер предположил, исходя из очертаний континентов, что начиная с архейской до конца мезозойской эры существовал единый массив суши, названный им Пангеей ( по-гречески – вся земля); в конце мезозойской и в кайнозойскую эру Пангея раскололась на две части : северный материк Лавразию и южный – Гондвану. Далее, уже в кайнозойскую эру Гондвана разделилась на Африку, Южную Америку, Австралию и Антарктиду, а Лавразия - на Евразию и Северную Америку. Примерно 40 млн лет назад Индостан, который тогда был не полуостровом, а островом, столкнулся с Евразийским материком, в результате чего появились Тибет и Гималаи - самые молодые горы на Земле. Так появилась гипотеза тектоники литосферных плит, плавающих в мантии, на которых расположены континенты. Веским аргументом в пользу этой гипотезы стало экспериментально обнаруженное в конце 50-тых годов ХХ века расширение дна океанов. Эту гипотезу подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете. Ныне гипотеза дрейфа континентов, ставшая уже теорией, является общепризнанной в геологии.

Водная оболочка Земли (гидросфера).

Гидросфера образовалась, когда температура над поверхностью твердой земной оболочки упала ниже 100 градусов по Цельсию, и на Землю полились горячие ливни из сконденсировавшихся паров воды, которых было немало в первозданной атмосфере Земли. Гидросфера состоит из Мирового океана (в нем находится 97 % всех земных запасов воды) и пресноводных источников (всего 3% ), куда входят поверхностные воды суши (реки, озера, ручьи, болота), ледники и подземные воды. Средняя глубина Мирового океана составляет около 3-х км, самая глубокая впадина – Марианская – около 12 км. Исследованию Мирового океана посвятил свою долгую жизнь выдающийся французский ученый, изобретатель акваланга Ж.И. Кусто. Уже в конце ХХ века на Земле ощущался дефицит пресной воды, необходимой человечеству для жизни и хозяйственной деятельности, с течением времени этот дефицит будет только возрастать. Примеры различных проектов решения вопроса о пресной воде. Экологические проблемы Мирового океана будут рассмотрены в блоке «биология».

Газовая оболочка Земли (атмосфера).

Ближайшая в поверхности Земли часть атмосферы называется

тропосферой и простирается до высот 9-17 км. Ее часто называют «фабрикой погоды», и она имеет следующий газовый состав : азот ( 79%), кислород (20%), на все остальные газы (углекислый газ, пары воды, инертные газы) приходится 1 % . Такой состав газовая оболочка Земли имела не всегда : предполагают, что в архее в атмосфере первозданной Земли имелись кроме азота метан, аммиак, водород и много паров воды. Важно подчеркнуть , что свободного кислорода не было, т.е. среда была восстановительной, именно в ней и зародилась жизнь. В середине ХХ века американцы С. Миллер и Г. Юри взяли смесь перечисленных газов и пропустили через нее искровые электрические разряды (грозы на первозданной Земле были весьма частым явлением). В числе продуктов этой реакции С. Миллер Г. Юри обнаружили аминокислоты, основные составные части белков. К результатам опыта С. Миллера мы еще вернемся в блоке «биология».

Выше тропосферы находится стратосфера (примерно до 50 км), газовый состав ее тот же, но газы сильно разрежены. В стратосфере находится озоновый слой (или экран) Земли. Молекула озона является модификацией химического элемента кислорода и состоит не из двух, как молекула кислорода, а из трех атомов, этот газ очень неустойчив и при обычных условиях быстро превращается в кислород. Толщина озонового слоя - не более километра, но он, в отличие от кислорода, поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение, предохраняя от его губительного воздействия живые организмы Земли.

Выше стратосферы расположена ионосфера, состоящая из заряженных под действием солнечного излучения частиц, а далее – зона рассеивания (800-1000 км над поверхностью Земли).

Таким образом, наша планета имеет три геосферых оболочки :

литосферу, атмосферу и гидросферу. В ХХ веке была обнаружена

подвижность континентов, которые плавают в мантии. Это открытие сыграло не только познавательную, но практическую роль : в местах тектонических разломов есть вероятность обнаружить полезные ископаемые.

Контрольные вопросы:

1. Что такое литосфера, какова ее экологическая роль ?

2. Что такое «Гондвана» ?

4. Каково геологическое строение Земного шара?

Литература :

1, 2, 23

ЛЕКЦИЯ 11. ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

Химия – наука о веществах, из которых состоят физические тела, об их свойствах и превращениях друг в друга. Перед химией стоят две основные задачи – создание веществ с необходимыми свойствами и выявление способов управления этими свойствами.

Решение этих двух задач зависит от 3-х основных факторов, влияющих на свойства получаемых веществ :

1. Состава вещества (элементный, молекулярный).

2. Структуры молекул.

3. Термодинамических и кинетических (определения и пояснения этих понятий см. далее ) условий протекания химических реакций, в процессе которых эти вещества получаются. .

В соответствии с перечисленными факторами и развивались химические знания о веществах. Вначале (примерно с ХУП века) выяснили, что свойства вещества зависят от его состава

( Р. Бойль). Затем, уже в Х1Х веке, поняли, что свойства веществ зависят не только от их состава, но и от структуры, т.е. последовательности соединения атомов в молекуле. Особенно важным это оказалось для органических веществ, т.е. соединений углерода с водородом, кислородом, азотом и серой. Структурную теорию органической химии создал выдающийся русский ученый А. М. Бутлеров. Следующим этапом было изучение химических процессов и влияющих на них факторов. Наконец, в ХХ веке начался новый этап развития химии как науки : появилась эволюционная химия, основанная на том, что в процессе химической реакции образуется ее катализатор, что приводит к самоорганизации химических систем (о процессе катализа см. далее). С понятием самоорганизации систем мы уже

встречались (там, где речь шла о синэргетике).

Химическая связь.

Чем определяется реакционная способность веществ? Прежде всего, тем, каким образом атомы связываются друг с другом, образуя молекулы. Ранее, когда мы говорили об электромагнитном поле, было сказано, что химические связи атомов в молекулах - это один из видов электромагнитного поля. Химические связи образуются при перекрывании внешних (валентных) электронных орбиталей взаимодействующих атомов (орбитали – это траектории движения электронов вокруг ядра - см. раздел о микромире).

Различают несколько типов химических связей.

Ковалентные связи осуществляются, когда внешние электроны двух атомов образуют общую электронную пару. Если атомы одинаковые, то эта электронная пара в равной мере принадлежит обоим ядрам и никуда не смещена, центры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Такой тип связи называется неполярной ковалентной и существует в двухатомных газах, например, в молекулах кислорода, водорода, азота, хлора. Таких соединений сравнительно немного.

Если молекула состоит из разных атомов, то образующаяся общая электронная пара смещается в сторону атома с большим

зарядом ядра, центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают (эта конфигурация называется диполем - два полюса). Такая связь называется ковалентной полярной и осуществляется в молекуле воды, некоторых неорганических кислот и в большинстве органических соединений. Это самый распространенный тип химической связи. Обе разновидности ковалентной связи осуществляются, как правило, между атомами неметаллов.

Если химическая связь образуется между атомами металла и неметалла, то. как правило, валентные электроны с внешних орбиталей атомов металла полностью переходят к атому неметалла, образуя положительно (катионы) и отрицательно (анионы) заряженные частицы. Связь между такими частицами называется ионной. Она осуществляется в большинстве солей, оксидов и оснований, т.е. главным образом в неорганических соединениях, например, в хлориде натрия (поваренная соль), фториде кальция, необходимом для укрепления зубной эмали.

Наконец, в чистых металлах за счет валентных электронов, легко отрывающихся от своих атомов, осуществляется металлическая связь, обуславливающая электро- и теплопроводность, а также и другие свойства металлов.

Химический элемент. Неорганическая химия.

Весьма важным в химии является понятие химического элемента – это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра (разумеется, это определение ХХ века, всю предысторию становления понятия «химический элемент» мы опускаем).

В настоящее время известно 108 химических элементов, причем природа создала 92, а остальные получены искусственно. Во второй половине Х1Х века, когда проблемой систематизации химических элементов занялся великий русский ученый Д. И. Менделеев, их было всего 65. До него все аналогичные попытки не имели успеха. Менделеев взял за основу не какие-либо физические или химические свойства элементов, а их атомную массу (по Менделееву – атомный вес) - свойство, которым обладали все химические элементы, разложил карточки с символами и свойствами элементов в порядке возрастания атомной массы и получил периодическую зависимость свойств элементов от атомной массы. Огромное значение для утверждения периодического закона имел тот факт, что внутренняя логика построенной Менделеевым периодической таблицы требовала резервирования трех пустых клеток, в которых, по его убеждению, должны были находиться еще не открытые к тому времени химические элементы.

Менделеев предсказал величину их атомной массы и свойства. Открытие еще при его жизни скандия, галлия и германия и наличие у них предсказанных Менделеевым свойств было несомненным триумфом периодического закона. Его современная формулировка звучит так : свойства химических элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра, равного порядковому номеру химического элемента. Этот закон является теоретической основой неорганической химии, изучающей все химические элементы и их соединения, кроме соединений углерода, которыми занимается органическая химия. Открытый Д. И. Менделеевым закон природы имеет также и общефилософское значение : он блестяще иллюстрирует закон диалектики Гегеля о переходе количества в качество.

Органическая и элементоорганическая химия. Полимеры.

Бурное развитие органической химии началось после создания русским химиком А. М. Бутлеровым ее теоретической основы – структурной теории. Бутлеров ввел понятие изомеров - веществ с одинаковым составом и молекулярной массой, но с разной структурой и потому с разными свойствами. Именно возможность построения из одних и тех же немногих элементов большого числа изомерных структур объясняет существование огромного количества органических соединений (их более пяти миллионов, тогда как неорганических - около пятисот тысяч). Конец Х1Х - начало ХХ века - был периодом триумфального шествия органического синтеза; в эти годы были впервые получены анилиновые красители, взрывчатые органические вещества, многие лекарства.

В ХХ веке начала интенсивно развиваться и другая область органической химии - химия полимеров. Полимеры – это длинноцепочечные структуры, состоящие из повторяющихся звеньев, причем число этих звеньев может достигать нескольких

десятков и даже сотен тысяч. Такие большие молекулы называют макромолекулами. К полимерам относятся все пластмассы, синтетические каучуки, без которых было бы невозможно развитие автомобильной промышленности и, наконец, искусственные (на природной основе) и синтетические волокна.

ХХ век по праву можно назвать не только веком выхода в космос и освоения ядерной энергии, но также и веком полимеров. Были синтезированы десятки тысяч новых веществ с полезными человеку свойствами, которых не создала природа. Оборотной стороной этих успехов полимерной химии явилось возникновение проблемы утилизации отходов производства и быта.

В ХХ веке появился еще один молодой раздел химии - химия элементоорганических соединений. Это соединения, в состав которых, кроме углерода, водорода, кислорода, азота и серы входят кремний, фтор, бор, а также некоторые металлы. На основе кремнийорганических соединений созданы полимеры, обладающие уникальными свойствами, что делает их незаменимыми в авиации и энергетике. Фторорганические соединения обладают исключительной устойчивостью даже в кислотах и щелочах, из них изготавливают всевозможные покрытия (фторопласты). Некоторые металлоорганические соединения (например, ферроцен) используют в качестве лекарств и кровезаменителей. Огромный вклад в химию элементоорганических соединений внес выдающийся русский ученый академик А.Н.Несмеянов.

Реакционная способность веществ зависит, однако, не только от их состава и структуры, но также и от условий протекания химических реакций. В основе учения о химических процессах лежат химическая термодинамика, кинетика и катализ. Химическую термодинамику, т.е. метод управления химическим процессом с помощью температуры и давления, разработал в конце Х1Х века голландский химик Я. Вант-Гофф. Однако термодинамические методы позволяли управлять только направлением химического процесса, но не его скоростью. Учение о скоростях химических реакций - химическую кинетику - создал в ХХ веке выдающийся русский ученый, лауреат Нобелевской премии академик Н. Н. Семенов. В основе катализа (ускорения химической реакции ), разработанного еще в начале Х1Х века русским ученым академиком К. С. Кирхгофом, лежит активация молекул реагентов при их контакте с катализатором (веществом, ускоряющим химическую реакцию, но при этом сохраняющим свою массу).

Эволюционная химия зародилась в 60-тых годах ХХ века. Главная идея, лежащая в основе этого раздела, - построение принципиально нового управления химическими процессами, основанного на аналогии с живой клеткой. Химики надеются создать катализаторы нового поколения, которые позволили бы, например, осуществлять преобразование солнечного света, аналогичное фотосинтезу, в химическую и электрическую энергию.

Пути к этому уже намечены. Изучено множество биохимических катализаторов – ферментов, найдены способы их стабилизации.

В 50- 60 - тых годах ХХ века русскими химиками Б.П. Белоусовым и А.М. Жаботинским были открыты автоколебательные химические реакции, в которых со временем происходят периодические изменения выхода продуктов реакции, т.е. необходимый продукт то выделялся в больших количествах, то прекращал выделяться совсем. Оказалось, что в некоторых случаях в ходе таких нестационарных реакций общее количество продукта было даже выше, чем в реакциях с постоянной скоростью. Любопытно, что нестационарные химические процессы обнаружены и в живой природе.

Таким образом, развитие химии шло от выяснения состава и структуры вещества к выяснению условий и механизмов химических реакций и способов управления ими. Как мы увидим далее, без химических знаний был бы невозможен столь стремительный рывок, который в ХХ веке совершила биология.

Контрольные вопросы :

1. Что такое химическая связь?

2. Из каких разделов состоит химия и что они изучают ?

5. Что такое полимеры и какие вещества к ним относятся ?

Литература :

3, 15, 19,20, 24

ЛЕКЦИЯ 12. ОСОБЕННОСТИ БИОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

Биология - наука о живых организмах Земли.

Прежде всего, следует определить критерии живого : чем живые системы отличаются от неживых объектов ?

1. Главный признак живого – способность к самовоспроизведению, т.е. к размножению.

2. Способность к росту.

3. Обмен веществ и энергией с окружающей средой.

4. Ответная реакция на внешние раздражители.

5. Способность к распространению по всей планете.

Следует заметить, что для отнесения объекта к живому организму должны выполняться все пять критериев, а не какой-либо один или два. Например, к росту способны кристаллы, но они не являются живыми организмами.

Весьма важным моментом в изучении живых организмов долгое время была их классификация. Как не утонуть в этом море разных летающих, прыгающих, плавающих и т.д. особей? Первым классификатором живого в истории науки был Аристотель, разделивший все живые организмы на растения и животных. Человека он отнес к животным и дал ему очень любопытное определение : двуногое без перьев.

В ХУШ веке вершиной классификации стала система, созданная шведским ученым К. Линнеем. Он ввел двойные латинские названия более чем 8-ми тысяч растений, а также иерархию

соподчинения их групп : тип – класс - отряд - семейство – род – вид. Подробная «инвентаризация» животного мира содержалась в 44-х томном труде Ж. Бюффона «Естественная история». Заметим, что в этот период (ХУШ век) биология в основном носила терминологический, описательный характер.

Подлинной революцией в биологии было учение о клетке, созданное уже в Х1Х веке немецкими биологами Т. Шванном и М. Шлейденом. Вообще-то, первым увидел клетку в микроскоп в ХУП веке Р. Гук, но до подлинной клеточной теории было еще далеко. Открытию Р.Гука предшествовало создание его современником, голландским аптекарем А. Левенгуком замечательного прибора – микроскопа. Это был прорыв в микромир живого ( не путать с физическим микромиром)!

Суть учения Шванна и Шлейдена состояла в следующем :

1. Все живые организмы состоят из клеток. Клетка – функциональная и структурная единица живого.

2. Все клетки сходны по строению и химическому составу и имеют оболочку (мембрану), ядро и полужидкую среду между ядром и мембраной - цитоплазму. Чуть позже немецкий ученый Р. Вирхов высказал идею о том, что все клетки возникают только в результате деления ранее существовавших клеток. Впоследствии в цитоплазме обнаружили многочисленные тельца, выполняющие различные функции (органоиды клетки). Далее выяснили, что клетки сложных многоклеточных организмов специализированы и выполняют различные функции, образуя ткани.

Именно клеточная теория лежит в основе современной естественной классификации всего живого. Итак, живые организмы делятся на неклеточные (вирусы) и клеточные (все остальные). Вирусы были открыты в самом конце Х1Х века русским микробиологом Д.И. Ивановским (вирус табачной мозаики ). Впоследствии выяснилось, что эти организмы – типичные паразиты, самостоятельно не питаются и не размножаются, что заставило некоторых биологов призадуматься - а живые ли они вообще? Вирусу необходимо проникнуть в чужую клетку организма- хозяина, за счет нее он питается и размножается. Примеры вирусных заболеваний и профилактика СПИДа.

Все остальные организмы – клеточные, они подразделяются на безъядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты). К прокариотам относятся бактерии и сине- зеленые водоросли.

Основоположником науки о прокариотах ( микробиологии) был французский ученый - химик Л. Пастер. Он первым создал экспериментальную технику работы с популяциями бактерий (штаммами), ему первому пришла в голову мысль о превентивных мерах борьбы с инфекционными заболеваниями (вакцинах) и методах лечения уже заболевших людей (сыворотки - это плазма крови уже переболевших животных, содержащая спасительные антитела). Л. Пастеру человечество обязано победой над чумой, холерой, сибирской язвой, бешенством.

Продолжателем дела, начатого Л. Пастером, был его ближайший сотрудник, впоследствии лауреат Нобелевской премии русский ученый И.И. Мечников, открывший явление иммунитета.

Следующий шаг в микробиологии был сделан английским ученым А. Флемингом, нашедшим «волшебную пулю» против многих бактерий - пенициллин. Началась эпоха антибиотиков - грибковых организмов, убивающих бактерии. Трудно переоценить значение открытия А. Флеминга, за которое он был удостоен Нобелевской премии. Антибиотики победили пневмонию, туберкулез, многие гнойничковые инфекции. Огромные дозы специальных антибиотиков используют ныне для лечения онкологических заболеваний (химиотерапия).

Ядерные клеточные организмы - эукариоты – могут быть одноклеточными (амебы, инфузории) и многоклеточными, которые в свою очередь подразделяются на три царства - растения, грибы и животные.

Растения состоят в основном из углеводов ( о химическом составе живых клеток см. далее) и обладают удивительной способностью к синтезу органических соединений (клетчатка, глюкоза) из неорганических - углекислого газа и воды.

Побочным продуктом этой реакции является молекулярный кислород и называется она фотосинтезом. Механизм процесса фотосинтеза изучил и описал выдающийся русский ученый

К. Е. Тимирязев.

Грибы состоят наполовину из углеводов, а наполовину из белков, не обладают способностью к фотосинтезу и размножаются спорами, клетками, которые в неблагоприятных условиях создают удивительно прочную мембрану, надежно защищающую ее от внешних воздействий. В таком состоянии спора может находиться продолжительное время до наступления лучших условий, тогда из споры начинает развиваться новый организм. Бактерии также образуют споры, но только для защиты, размножаются они простым делением.

Животные - подвижные эукариоты, состоящие в основном из белков (неподвижные – кораллы, ведущие сидячий образ жизни). Раздел биологии, появившийся в ХХ веке и изучающий поведенческие механизмы животных, называется этологией.

Ее основоположник - австрийский ученый К.Лоренц. Этологи считают, что в основе поведения животных, живущих в свободных условиях, лежат четыре инстинкта, направленных на сохранение вида : голода, половой, агрессии и страха. Примеры.

Химический состав живой клетки.

Живые организмы состоят из неорганических (вода и минеральные соли) и органических веществ, подразделяющихся на 4 группы : белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и жиры. Первые три группы имеют структуру полимеров и поэтому называются биополимерами. Многие их свойства аналогичны свойствам синтетических полимеров, только состав элементарного звена существенно сложнее.

Белки – это азотсодержащие биополимеры, имеющие четыре уровня структуры. Элементарным звеном их первичной структуры являются полипептиды, состоящие из 20-ти аминокислот, называемых «золотыми». Свойства белка прежде всего определяются последовательностью этих аминокислот, что и обуславливает колоссальное разнообразие белков : число сочетаний из 20 по 20 - это огромная величина (лишний раз подтверждается верность структурной теории А.М Бутлерова!). Число повторяющихся звеньев в цепи может достигать нескольких тысяч, поэтому молекулярные массы белков столь велики. Вторичная структура белков - это полипептидная цепочка, закрученная в спираль; некоторые белки (коллаген, фибриноген) функционируют в виде такой закрученной спирали. Третичная структура- это спираль, упакованная в глобулу (шарик), она «сшивается» дисульфидными связями и характерна для большинства белков (альбумины, глобулины и др.). Некоторые белки (гемоглобин) имеют четвертичную структуру - несколько связанных друг с другом глобул, между которыми находится, например, металл (в гемоглобине это атом железа).

Белки являются основным строительным материалом животных организмов. Многие ферменты (катализаторы биохимических реакций) также являются белками. Кроме того, белки выполняют транспортную , защитную , двигательную и энергетическую функции.

Углеводы – это биополимеры, в которых элементарным звеном является глюкоза. Одна из разновидностей углеводов – клетчатка – является строительным материалом растительных организмов, другая - крахмал - запасается в виде питательного вещества.

Важнейшими из биополимеров являются нуклеиновые кислоты. Их название обусловлено тем, что они находятся в клеточном ядре. Элементарным звеном в нуклеиновых кислотах являются нуклеотиды, состоящие из фосфата, азотистого основания и пятиуглеродного моносахарида – рибозы или дезоксирибозы. Различают два вида нуклеиновых кислот : РНК (рибонуклеиновая кислота, содержит рибозу) и ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота, содержит дезоксирибозу).

Молекула РНК контролирует биосинтез белков в клетке ( в лаборатории такой синтез занимает несколько месяцев, в живой клетке – несколько минут ; природа еще намного умнее нас). Молекула ДНК выполняет две жизненно важных для клетки функции : она обуславливает размножение, а также хранит и передает потомству наследственную информацию. Вторичная структура молекулы ДНК была впервые расшифрована английскими учеными Дж. Уотсоном и Ф. Криком и представляет собой сплетенную из двух ветвей двойную спираль полинуклеотидов. Под действием ферментов двойная спираль может расплетаться, и каждая из ветвей достраивает себе пару из имеющегося в клетке материала. Это свойство называется редупликацией ДНК, и именно с этого процесса начинается функционирование любого живого организма. За открытие структуры ДНК Дж. Уотсон и Ф. Крик были удостоены Нобелевской премии.

Уровни организации живых систем.

Живые организмы являются открытыми, неравновесными , самовоспроизводящимися и саморегулирующимися системами, проходящими путь необратимого развития. Эти системы имеют восемь уровней организации. Первый и второй мы уже рассмотрели - это молекулярный и клеточный уровни. На этих уровнях все живые организмы удивительно сходны по строению и функционированию. Третий уровень – тканевый. Ткань – это совокупность сходных по строению клеток, выполняющих общую функцию. На этом уровне также сохраняется сходство всего живого : всего 5 основных тканей образуют организмы многоклеточных животных и 6 - органы растений. Следующий уровень – системно- органный. Системы органов образуются совместно функционирующими клетками, относящимися к разным тканям. Организменный уровень связан с деятельностью всего организма как целого. Эта деятельность у животных управляется двумя системами – нервной и гуморальной (последняя – это совокупность гормонов, растворимых органических веществ, являющихся, как правило, специфическими белками). Единицей этого уровня является особь – живая система с момента ее зарождения до смерти. На организменном уровне проявляется удивительное разнообразие всего живого.

Шестой уровень организации - популяционно-видовой – связан с совокупностью организмов одного вида, объединенных общим местом обитания и составляющих популяцию. Видом называют совокупность особей, сходных по строению, физиологическим и биохимическим свойствам, имеющих общее происхождение, способных свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Седьмой уровень - экосистемный. Экосистемой называется совокупность всех живых организмов, населяющих однородный участок земной поверхности и связанных трофическими ( пищевыми) цепями, вместе со средой их обитания.

Любая экосистема (лес, река, луг, болото) является единым природным комплексом. Характерными свойствами экосистем являются их устойчивость и способность к самовоспроизведению.

Последний – восьмой уровень - биосферный. Биосфера – это совокупность всех экосистем Земли, система высшего порядка, занимающая все геосферные земные оболочки. Учение о биосфере было разработано выдающимся русским ученым В.И. Вернадским, о нем будет сказано отдельно. Только при комплексном изучении жизненных явлений на всех уровнях можно получить целостное представление о биологической форме существования материи.

Таким образом, биология прошла путь от терминологической, описательной науки, какой она была в ХУШ веке, к подлинному лидеру в естествознании, каким она стала к концу ХХ века.

Контрольные вопросы:

1. Что такое прокариоты и эукариоты ?

2. Кто был основоположником микробиологии ?

3. Кто создал клеточную теорию и в чем ее суть ?

Литература

2, 5, 9, 21,

ЛЕКЦИЯ 13. БИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ И ГЕНЕТИКА

Эволюция - это любой длительный процесс изменения каких-либо параметров (происходит от латинского слова, обозначающего «развертывание»). Например, первый миллиард лет, до появления жизни, на Земле шла химическая эволюция. Идею биологической эволюции, т.е. мысль о том, что сложные организмы произошли от более простых, примитивных впервые предложил в начале Х1Х века французский биолог Ж.Б. Ламарк. К этому времени в разных областях естествознания - геологии, палеонтологии, эмбриологии - накопились данные, указывающие на изменяемость органического мира. Тем не менее, многие натуралисты и философы того времени не признавали идею эволюции, их аргументы сводились к тому, что никто экспериментально не наблюдал превращения одних видов в другие. Между видами, как правило, отсутствуют промежуточные формы. Ламарк правильно заметил, что живым организмам свойственна наследственность и изменчивость, но неверно указал механизм, движущую пружину эволюции. Согласно его представлениям, любые качества, приобретенные организмом при жизни, он передает своим потомкам, поскольку всему живому свойственно стремление к самоусовершенствованию. А конкретным воплощением этого стремления является упражнение (или неупражнение) органов : если организм тренирует, упражняет свой орган, то он развивается, если нет - атрофируется и исчезает. Пример с жирафами.

Многие биологи стали ревностными последователями Ламарка и ожесточенно критиковали появившееся в середине Х1Х века эволюционное учение английского ученого Ч. Дарвина. Проведя пять лет в кругосветном плавании и сделав многочисленные наблюдения, он пришел к выводу, что движущей пружиной биологической эволюции является борьба за существование (внутривидовая, межвидовая и борьба с неблагоприятными природными условиями). Результатом этой борьбы является естественный отбор. На Земле рождается гораздо больше различных живых организмов, чем может выжить; в результате естественного отбора выживают наиболее приспособленные к конкретным, сегодняшним условиям существования. Если изменятся условия, будут выживать другие виды, наиболее приспособленные уже к новым условиям. Результатом многолетних исследований Ч. Дарвина явилась его книга «Происхождение видов путем естественного отбора». Из основных четырех идей Дарвина две совпадают с положениями Ламарка о наследственности и изменчивости. Третья идея - это мысль об общности происхождения живых существ ( Ламарк считал, что каждый организм или вид имеет независимую эволюционную линию). Наконец, четвертый краеугольный камень дарвиновского учения - это теория естественного отбора.

Как уже было сказано, у Дарвина оказалось много научных оппонентов. Одним из них был английский инженер и математик Дженкин, выдвинувший очень серьезное возражение против дарвиновской эволюции. Суть его заключалась в том, что при скрещивании двух особей их свойства усредняются, и внутри вида все особи примерно одинаковы по своим признакам, вследствие чего естественный отбор оказывается невозможным. Ответить на это возражение Ч. Дарвин так и не смог до конца своей жизни. Ответ содержался в недрах другого раздела биологии, прошедшего мучительный путь развития - генетике. Но прежде, чем мы перейдем к этой новой науке, родившейся в Х1Х, а стремительно развившейся в ХХ веке, науке, как локомотив вытащившей всю биологию из описательно-терминологических рамок на лидирующие позиции в естествознании, необходимо отметить, что учение Ч. Дарвина, о котором шла речь выше, следует рассматривать все же как научную гипотезу, а не как теорию : оно основано на косвенных доказательствах и ничего не предсказывает.