94

тяжелы, чем протон, и почти сразу же после своего образования превращаются в протоны и нейтроны; при этом возникают легкие частицы, а излишек массы выделяется в виде энергии. Они превращаются в те или другие стабильные частицы в соответствии с величиной и знаком их электрического заряда и барионного заряда, т.е. в соответствии с тем, что позволяют им принципы сохранения.

Частицы и античастицы

Для каждой частицы существует соответствующая античастица. Если частица не имеет электрического или барионного заряда, его не будет и у античастицы. Если частица имеет электрический или барионный заряд, не равный нулю, то соответствующая античастица имеет заряд той же величины, но противоположного знака.

Протон имеет положительный электрический заряд и положительный барионный заряд; антипротон имеет электрический и барионный заряды той же величины, но оба они отрицательные. Электрон имеет отрицательный электрический заряд и равный нулю барионный заряд, позитрон имеет положительный электрический заряд и равный нулю барионный заряд. Антинейтрон имеет равный нулю электрический заряд и отрицательный барионный заряд.

На самом деле, до тех пор пока не было экспериментально доказано существование антипротона, кое-кто думал, что понятие барионного заряда, хотя и выглядит изящно, в действительности лишено физического смысла. Но экспериментальное открытие антипротона, а затем и антинейтрона показало правильность теоретических предсказаний. Эти предсказания впоследствии были также подтверждены открытием других античастиц.

4.3. Законы взаимопревращения различных видов энергии материального мира

Закон сохранения и превращения энергии применительно к механическим процессам формулируется так: «Полная энергия замкнутой консервативной системы тел равная сумме их потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной». Всякое изменение потенциальной и кинетической энергии есть превращение потенциальной энергии в кинетическую, а кинетическую в потенциальную.

Установлению закона сохранения и превращения энергии способствовало также открытие эффектов, отличных от механических и тепловых, а также превращения других форм движения в тепловую энергию. Еще Майер в своей работе составляет таблицу всех рассматриваемых им «сил» природы и приводит 25 случаев их

95

взаимопревращений. Рассмотрев превращение теплоты в механическую работу, имеющее место в функционировании паровой машины, он говорит об электрической «силе» и превращении механического эффекта в «электричество», о «химической силе вещества», о превращении «химической силы» в теплоту и электричество. Он распространяет положение о сохранении и превращении этих различных «сил» природы на живые организмы, утверждая, что при поглощении пищи в организме постоянно происходят химические процессы, результатом которых являются тепловые и механические эффекты.

Исследования электрических явлений давали серьезные основания для подкрепления вывода о взаимопревращении различных форм движения друг в друга. В 1800 году Вольт изобретает первый химический источник электрического тока. В 1840 году русский академик Гесс получает важные результаты, свидетельствующие о превращении химических «сил» в теплоту. Работы Фарадея и Ленца приводят к открытиям о превращении электричества и магнетизма. Изучение процессов, происходящих в контактах двух металлических проводников, проделанных Пельтье и Ленцем, свидетельствуют о взаимопревращениях электрической «силы» и теплоты. В 1845 году Джоуль устанавливает соотношение между величиной количества тешюты, выделяемой при прохождении электрического тока через проводник, и величиной самого тока и сопротивления проводника (закон Джоуля-Ленца).

На протяжении более четырех десятилетий формировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явлений природы. Историками науки открытие закона сохранения и превращения энергии рассматривается как первая революция в физике.

Таким образом, энергия - единая мера различных форм движения материи. Механическая энергия и тепловая энергия - это только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, есть тоже форма энергии. Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому - в форме работы и в форме теплоты (путем теплообмена).

При этом макроскопическое тело рассматривается как огромная совокупность микрочастиц. При взаимодействии незначительного числа отдельных или каким-либо другим зарядом. Английский физик П.А. Дирак, основатель релятивистской квантовой теории поля, предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон-позитрон и обратно. Позитрон – античастица электрона – экспериментально был открыт в 1934 г.

Замечательным подтверждением незыблемости закона сохранения энергии и предсказательной силы теоретической мысли явилось открытие нейтрино. Экспериментально было установлено, что при радиоактивном -

97

импульс частицы, q - её координаты, h - постоянная Планка, р - неопределенность в определении импульса, q - неопределенность в определении, координаты. При точном определении импульса р = 0, аq = , т.е. координата становится неопределенной и наоборот

(Е.Ф. Солопов, 1998).

Для объяснения соотношения неопределенностей Н. Бор выдвинул «принцип дополнительности», противопоставив его принципу причинности. При использовании прибора, позволяющего точно измерить координаты частиц, импульс может быть любым и, следовательно, причинная связь отсутствует. Применяя приборы другого класса, можно точно измерить импульс, а координаты становятся произвольными. В этом случае процесс, по Н. Бору, совершается якобы вне пространства и времени, т.е. следует говорить либо о причинности, либо о пространстве и

взаимодействия» частицы с прибором. Неопределенность в значении импульса и координаты, якобы, обусловлена тем, что взаимодействие частицы и прибора может быть познано лишь до некоторого предела, за которым принципиально невозможно познать объективные процессы микромира.

Борьбу против индетерминизма в квантовой физике против отрицания объективных причинных, закономерных связей в микромире вели П. Ланжевен, М. Лауэ, Л. де Бройль, М. Планк, А. Эйнштейн, советские физики С.И. Вавилов, В.А. Фок, Д.И. Блохинцев и другие. Они показывают, что соотношение неопределенностей свидетельствует лишь об ограниченной возможности применения понятий классической механики при описании «расплывшихся», одновременно дискретных и волновых объектов, какими являются электроны и другие микрочастицы.

Следует различать истинные научные положения квантовой физики (материалистические), в данном случае соотношение неопределенностей, и ложные фидософско-мировоззренческие трактовки идеалистического толка, которые всегда препятствовали развитию научных исследований.

Законы сохранения энергии в макроскопических процессах

Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлении и свойств макросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй - молекулярной физики.

Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел. В термодинамике тепловые явления описываются с помощью величин, регистрируемых приборами, не реагирующими на воздействие отдельных молекул

98

(термометр, манометр и др.). Все законы термодинамики относятся к телам, число молекул которых огромно. Такие тела называют макроскопическими. Они образуют макросистемы. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т.п. - все это примеры макросистем.

Все тепловые процессы обычно связаны с передачей и превращением энергии, описание которых и составляет одну из важнейших задач термодинамики. Термодинамика базируется в основном на двух фундаментальных законах: первом и втором началах термодинамики.

Область применения термодинамики значительно шире, чем молекулярно-кинетической теории, ибо нет таких областей физики, химии, биологии, в которых нельзя было бы пользоваться термодинамическими методами. Однако, с другой стороны, термодинамический метод несколько ограничен: термодинамика не дает информации о микроскопическом строении вещества, о механизме явлений, а лишь устанавливает связи между макроскопическими свойствами вещества.

Основа термодинамического метода - определение состояния термодинамической системы, представляющей собой совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией, как между собой, так и с другими телами

(внешней средой). Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами системы), характеризующими её свойства. Обычно в качестве параметров состояния выбирают температуру,

давление и удельный объем (объем единицы массы).

Температура - физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. В соответствии с решением XI Генеральной конференции по мерам и весам (1960г.) в настоящее время рекомендовано применять только две температурные шкалы – термодинамическую и Международную практическую, градуированные соответственно в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (°С). Анализ показывает, что 0 К (абсолютный нуль) недостижим, хотя приближение к нему сколь угодно близко возможно.

Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного его термодинамического параметра, называется термодинамическим процессом. Макроскопическая система находится в термодинамическом равновесии, если ее состояние с течением времени не меняется (предполагается, что внешние условия рассматриваемой системы при этом не изменяются).

Одновременно с созданием термодинамических методов исследования развивались и корпускулярные представления тепловых свойств макросистем, в соответствии с которыми ставилась задача объяснения всех процессов, происходящих с макросистемами, на основе предположения о

99

том, что вещество состоит из атомов или молекул, движение которых подчиняется законам Ньютона.

К концу XIX в. была создана последовательная теория поведения больших общностей атомов и молекул – молекулярно-кинетическая теория, или статистическая механика. Многочисленными опытами была доказана справедливость этой теории.

Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Поведение громадного числа молекул анализируется с помощью статистического метода, который основан на том, что свойства макроскопической системы в конечном результате определяются свойствами частиц систем, особенностями их движения и усредненными значениями кинетических и динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии, давления и т.д.). Например, температура тела определяется скоростью беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена только через среднее значение скорости движения молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.

После создания молекулярной физики термодинамика не утратила своего значения. Она помогает понять многие явления и с успехом применяется при расчетах многих важных механических устройств. Общие законы термодинамики справедливы для всех веществ, независимо от их внутреннего строения.

Однако при расчете различных процессов с помощью термодинамики многие физические параметры, например теплоемкости тел, необходимо определять экспериментально. Статистические же методы позволяют на основе данных о строении вещества определить эти параметры. Но количественная теория твердого и особенно жидкого состояния вещества очень сложна. Поэтому в ряде случаев простые расчеты, основанные на законах термодинамики, оказываются незаменимы.

Внастоящее время в науке и технике широко используются как термодинамические, так и статистические методы описания свойств микросистемы.

Воснове молекулярно-кинетических представлений о строении и свойствах макросистем лежат три положения:

- любое тело - твердое, жидкое или газообразное - состоит из большого числа весьма малых частиц - молекул (атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы);

- молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом, не имеющем какого-либо преимущественного направления движении;

- интенсивность движения молекул зависит от температуры вещества.

101

гелий), а также при низких давлениях и высоких температурах они близки по своим свойствам к идеальному газу. Кроме того, внеся поправки, учитывающие собственный объем молекул газа и действующие молекулярные силы, можно перейти к теории реальных газов, из которой следует уравнение Ван-дер-Ваальса, описывающее состояние реального газа.

Первое положение молекулярно-кинетических представлений - любое тело состоит из большого числа весьма малых частиц-молекул - доказано многочисленными опытами, одновременно подтвердившими реальное существование молекул и атомов. Приведем некоторые цифры, показывающие, насколько малы размеры молекул и атомов и как много их содержится в каком-либо макроскопическом теле.

С помощью ионного микроскопа удалось показать, что диаметр атомов вольфрама составляет около 2 ангстрем (1 ангстрем равен 10-8м). Размер молекулы водорода примерно того же порядка - примерно 2,3 ангстрема. Теперь понятно: при очень малых размерах молекул число их в любом макроскопическом теле огромно. Несложный расчет показывает, что число молекул в капле воды составляет около 3 х 1022. Такой маленький объект, и такое колоссальное число молекул.

Принципы возрастания энтропии. Термодинамические законы

Энтропия - мера хаоса (беспорядка) в изолированной системе. Принимает только положительные значения. В термодинамике известен принцип возрастания энтропии – стремление любой системы к состоянию термодинамического равновесия – состоянию с наименьшей упорядоченностью движения частиц (хаос).

Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Энергия – природные силы различных форм движения материи.

Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при её взаимодействии с внешними телами: путем совершения работы и путем теплообмена.

Известно, что в процессе превращения энергии выполняется закон сохранения энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. В этом заключается качественная формулировка закона сохранения энергии для термодинамической системы – первое начало термодинамики. Количественная его формулировка: количество

102

теплоты, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение телом работы.

Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. такой двигатель, который совершал бы работу «из ничего», без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу. Многочисленные опыты показывают, что все тепловые процессы необратимы в отличие от механического движения.

Если реализуется какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором проходятся те же тепловые состояния, но только в обратном направлении, практически невозможен. Другими словами, термодинамические процессы необратимы.

Приведем два характерных примера необратимых процессов. Если привести в соприкосновение два тела с различной температурой, то более нагретое тело будет отдавать тепло менее нагретому. Обратный процесс - самопроизвольный переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому – никогда не произойдет. Столь же необратимым является и другой процесс – расширение газа в пустоту. Газ, находящийся в части сосуда, отдаленной от другой части перегородкой, заполняет весь сосуд после удаления перегородки. Газ никогда без постороннего вмешательства не соберется самопроизвольно в той же части сосуда, где он находился первоначально.

Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Значит все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы.

Необратимы и все механические процессы, сопровождающиеся трением между телами. Трение вызывает замедление Движения тел, при котором кинетическая энергия переходит в тепло. Замедление эквивалентно приближению к состоянию равновесия, при котором движение отсутствует. В системе тел. находящихся термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакой работы, так как работа связана с механическим движением, т.е. с переходом тепловой энергии в кинетическую.

Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, составляет сущность второго начала термодинамики.

103

Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы для практики вечным двигателем. Второе начало термодинамики исключает возможность создания такого вечного двигателя второго рода.

Молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, т.е. состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, при котором в каждом объеме находится примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса, т.е. от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам и скоростям, связана с уменьшением вероятности, или представляет собой менее вероятное событие. Напротив, явления, связанные с перемешиванием, с созданием хаоса из порядка, увеличивают вероятность состояния. Только при внешнем электромагнитном или гравитационном воздействии возможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос. В качестве примеров, демонстрирующих порядок, можно привести созданные природой минералы.

Закон, определяющий направление тепловых процессов, можно сформулировать как закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает, максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии.

Данное утверждение принято считать количественной формулировкой второго закона термодинамики, открытого Р.Ю. Клаузиусом (его молекулярно-кинетическое истолкование дано Л. Больцманом).

Идеальному случаю – полностью обратимому процессу замкнутой системы – соответствует не изменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов при повышении температуры возрастает.

Химические процессы. Реактивная способность веществ

Взаимное соединение элементов не является произвольным. Опыт показывает, что некоторые элементы соединяются с другими, а некоторые - нет. Способность атомов связывать один или большее число атомов другого элемента называется валентностью. Электронная теория строения вещества говорит о том, что соединяться могут только такие элементы, атомы которых имеют незаполненные внешние электронные орбиты (валентные сферы), обладающие определенной валентностью и вследствие чего проявляющие неустойчивость.

104

Существует большое разнообразие типов химического взаимодействия веществ. Однако характерным для них является перестройка электронных оболочек связываемых атомов. В результате перестройки происходит обобществление электронов соединяемых элементов, а система в целом приходит в устойчивое положение. Межатомное взаимодействие, сопровождающееся перестройкой валентных электронных оболочек атомов и обобществлением электронов, называют химической, или ковалентной, связью.

Реакционная способность веществ

Число известных в природе и технике химических процессов очень велико. Одни из них, например, окисление бронзы на воздухе, протекают веками, другие – горение бензина - очень быстро. Разложение же взрывчатых веществ происходит в миллионные доли секунды. При промышленном производстве химических продуктов очень важно знать закономерности протекания реакций во времени, т.е. зависимость их скорости и выхода продуктов от температуры, давления, концентрации реагентов и примесей.

Изучением скорости и особенностей протекания химических реакций занимается химическая кинетика. Основополагающим для химической кинетики является представление о том, что исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты.

В большинстве случаев реакция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточные вещества. Число последовательных стадий может быть очень велико – в цепных реакциях их десятки и сотни тысяч. Время жизни промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют доли секунды. Изучение скорости протекания химических процессов показало, что химические реакции протекают тем быстрее, чем выше температура, давление и концентрация реагентов - в

этом случае чаще происходит столкновение молекул реагирующих веществ, реакция идет быстрее.

На скорость некоторых химических реакций можно влиять присутствием небольшого количества определенных веществ, которые сами в реакции участия не принимают. Вещества эти называются катализаторами. Катализаторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными – замедляющими её.

Каталитическое ускорение химической реакции называется катализом и является важнейшим приемом современной химической технологии (производство полимерных – материалов, синтетического топлива и др.). Благодаря катализу существенно повысилась эффективность экономики химической промышленности, поскольку ускорение химических реакций заметно влияет на снижение издержек производства.

105

Тестовые задания к главе 4

1. Чем определяется форма существования материи

1)единством материи, движения, времени и пространства;

2)энергией движения материи;

3)временем и пространством.

2.Системная организация материального мира начинается с микрочастиц и простирается до макрообъектов в следующих сферах существования материи:

1) в живой и неживой;

2) социально-организованной;

3) во всех вышеперечисленных.

3.От каких показателей зависит устойчивость систем

1)крепости связи между элементами внутри системы;

2)количества элементов внутри системы;

3)внутренней иерархии системной структуры.

4. Чем меньше размеры системы тем:

1)прочнее связи между составными элементами;

2)слабее связи между элементами;

3)прочность связей не зависит о размеров системы.

5. Структурная иерархия материи зависит от:

1)перехода элементов из одного уровня в другой;

2)уровневой устойчивости элементов;

3)количества структурных уровней.

106

Глава 5

ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Современные концепции о происхождении Вселенной: галактик, звезд и планет. Происхождение солнечной системы и развитие геосферных оболочек Земли. Строение Земли (ядра, мантии, земной коры - литосферы, гидросферы, атмосферы). Литосфера как абиотическая основа жизни. Экологические функции литосферы: ресурсная, геодинамическая, геофизикохимическая.

5.1. Метагалактика. Галактика. Солнце

Под Метагалактикой понимается совокупность скоплений галактик в межгалактической среде. Существуют две точки зрения на эволюцию Метагалактик. В основе первой точки зрения лежат теория «горячей Вселенной» и идея «большого взрыва». Эту идею развивают теологи – приверженцы учения о вере в бога и сверхъестественные силы.

Воснове второй точки зрения лежит теория «холодной Вселенной» – концепция возникновения звезд в результате сгущения облаков холодной диффузной материи, из которых постепенно формировались звезды и их скопления. Этот процесс имел место в прошлом и продолжается в настоящее время. Эту концепцию разрабатывают ученые материалисты.

Основоположником теории «горячей Вселенной» является бельгийский ученый Жорж Лемэтр (1894-1966). Опираясь на работы Канта-Лапласа, он

в1927-1931 годах предложил гипотезу, по которой Вселенная вначале пребывала в сверхплотном, горячем относительно компактном состоянии «космического яйца», в котором пребывал некий «дух», понимаемый как «космический перводвигатель». Это состояние было неустойчивым, что и привело к большому взрыву. В результате взрыва осколки будущих галактик разлетелись во все стороны. В 1946 г. американский физик Георгий Гамов предложил такую модель назвать «горячей Вселенной».

Вотличие от Лемэтра, считавшего, что в сверхплотном космическом яйце после «большого взрыва» должны были преобладать ядра нетяжелых элементов, Гамов развил концепцию «ядерной эволюции» – от легчайшего

водорода к гелию и более тяжелым элементам. Эта модель предполагает, что начальная температура внутри «космического яйца» превышала 1013

градусов по абсолютной шкале Кельвина.

Плотность материи равнялась приблизительно 1093 г/см3. В подобном состоянии неизбежно должен был произойти «большой взрыв». Через 0,01

секунды после «взрыва», плотность материи упала до 1010 г/см3. Через 3 минуты после «взрыва» из нуклонов стала образовываться смесь легких ядер, состоящих из 2/3 водорода и 1/3 гелия. В первые 8 секунд во

107

Вселенной существовала в основном смесь электронов и позитронов. Между частицами происходили непрерывные столкновения. В результате чего возникли пары фотонов.

Процессы микроэволюции Вселенной продолжались более 100 млрд. лет, что привело к образованию молекул, и появились предпосылки для образования макроэволюции Вселенной. Процессы самоорганизации и саморазвития хаосогенных структур привели к образованию звезд и звездных скоплений.

Эта гипотеза не была поддержана учеными материалистами. Вопервых, не была установлена точка большого взрыва, ее расположение абстрактно. Во-вторых, «реликтовое» излучение, на которое они опираются в качестве доказательства своей гипотезы, имеет очень низкую температуру, всего 2,7 Кельвина, что не является значимым аргументом в пользу большого взрыва и изначально «горячей Вселенной».

Материалистический подход к происхождению и эволюции Вселенной отвергает гипотезу «горячей Вселенной» и роль божественных сил, приводящих к большим взрывам. Ученые-материалисты еще в XIX веке (Ф.А. Бредихин, В.И. Вернадский и др.) развивали теорию о происхождении Вселенной из «холодной» газово-пылевой материи. Идея о возникновении звездной материи из холодных газово-пылевых облаков приобрела все большее значение после утверждения теории Отто Юрьевича Шмидта об образовании Земли и других планет солнечной системы (1944г.).

Астрофизические наблюдения показали, что в метагалактике пространство между галактиками заполнено чрезвычайно разряженным холодным газом, пронизанным космическими лучами. Эти лучи осуществляют функцию взаимодействия между галактиками, звездами и планетами. Все пространство метагалактики заполнено гравитационными и электромагнитными полями из невидимых масс вещества, преимущественно состоящих из нейтрино.

В 1929 году американский астроном Э. Хаббл открыл явление, которое называется «красным смещением». Он заметил, что линии в спектрах подавляющего большинства галактик смещены к красному концу, причем смещение тем больше, чем дальше от него находится галактика.

Найденная закономерность позволила ученым прийти к выводу о том, что расстояние между нашей Галактикой и другими галактиками непрерывно увеличивается. По красному смещению определены скорости удаления галактик. Самыми большими скоростями, превышающими 250км/сек, обладают некоторые квазары, наиболее удаленные от нас объекты Метагалактики. Не исключено, что в далеком будущем расширение Метагалактики может смениться сжатием.

С научной точки зрения (вопреки теории «горячей Вселенной») на ранних этапах эволюции во Вселенной не было ни галактик, ни их

108

скоплений. Была только космическая плазма, состоящая из дейтерия, лития, бериллия, бора, водорода и гелия (В.А. Амбарцумян, 1958 г.). Процесс эволюции Вселенной сопровождался непрерывным усложнением, развитием и гравитационной неустойчивостью. Суть «гравитационной неустойчивости» состоит в том, что материя не может быть распространена в большом объеме с постоянной плотностью. Это связано с существующими силами тяготения и электромагнитными возмущениями. Поэтому первоначально однородная плазма распадалась на огромные туманности, из которых впоследствии образовались скопления галактик. В скоплениях галактик возникали звезды.

На некотором этапе сжатия и разогрева газово-пылевых облаков, происходящих под влиянием гравитационной и электромагнитной энергий, а также центростремительных и центробежных сил, развивающихся в процессе вращения, когда температура в центральной области превышала миллион градусов, возникали термоядерные реакции. Горючим служил вначале дейтерий, потом литий, бериллий, бор и, наконец, после длительного повышения температуры до 12 млн. градусов

– водород, самый распространенный элемент в космосе. После достижения температуры в ядре 12 млн. градусов сжатие звездной массы практически прекращалось. Звезда приходила в равновесное состояние. Так рождались в прошлом и рождаются в настоящее время звезды.

Большинство звезд, наблюдаемых нами, излучают энергию за счет превращения водорода в гелий. Этот путь длится миллиарды лет и сопровождается выбросом энергии в окружающую межзвездную среду. Каждый элемент вещества в системе звезды находится в равновесном состоянии под действием противоположно направленных сил. С одной стороны, силы гравитации, с другой – газового давления. Такое равновесие называют гидростатическим.

Эволюция звезд осуществляется в направлении уменьшения давления газов и возрастания гравитационных сил. В звездах совершается постоянный перенос энергии из внутренних слоев во внешние. Известны три основных источника переноса энергии: теплопроводность, конвекция и лучеиспускание. Наибольшее значение имеют лучеиспускание и конвекция. Поток излучения прямо пропорционально зависит от прозрачности звезды. Чем больше прозрачность, тем больше поток излучения. При высокой температуре и достаточно высокой плотности вещества недра звезды наполнены огромным количеством излучения. Кванты этого излучения непрерывно взаимодействуют с веществом недр звезд. Вещество поглощает кванты и вновь излучает их. В результате таких процессов поле излучения приобретает равновесный характер.

Эволюция звезд связана с последовательным прохождением трех стадий: 1) сжатия протопланетного вещества; 2) стационарного развития; 3) гелиевого ядра. Стадия сжатия звезд, масса которых значительно

109

больше массы Солнца, продолжается сотни тысяч лет. А звезды, масса которых меньше солнечной, сжимаются сотни миллионов лет. Чем больше масса звезды, тем при более высокой температуре достигается равновесие, поэтому у массивных звезд самая большая светимость.

Стадию сжатия сменяет стационарная стадия, сопровождающаяся постепенным выгоранием водорода. В стационарной стадии звезда проводит большую часть своей жизни. Время пребывания звезды в стационарной стадии прямо пропорционально массе звезды (т.к. от этого зависит запас ядерного горючего) и обратно пропорционально светимости, которая определяет темп расхода ядреного горючего. Когда весь водород в центральной области звезды превратится в гелий, внутри звезды образуется гелиевое ядро. После этого водород будет превращаться в гелий не в центре звезды, а в слое, прилегающем к очень горячему гелиевому ядру. Отсутствие источников энергии в ядре будет способствовать постепенному сжиманию и еще большему разогреванию звезды. Когда температура внутри звезды превысит 1,5 х 107 градусов Кельвина, гелий начинает превращаться углерод с последующим образованием все более тяжелых химических элементов. Как показывают расчеты астрофизиков, светимость и размеры звезды будут возрастать. В результате обычная звезда постепенно превратится в «красного гиганта» или «сверхгиганта». Многие звезды на этой стадии пульсируют долгое время.

Заключительный этап жизни звезды – внешние слои звезд постепенно расширяются и, в конце концов, совсем покидают ядро звезды. На месте гиганта остается маленький горячий «белый карлик». «Белых карликов» много. Они постепенно остывают и становятся потухшими звездами. Энергия, отданная звездой в межзвездную среду, становится источником для формирования новых звезд.

5.2. Происхождение Солнечной системы

Величина запасов ядерной энергии Солнца составляет 1052 эрг. Она превышает сумму гравитационной и тепловой энергии Солнца более чем 1 000 раз. Этого запаса хватит для поддержания излучения Солнца более чем на 150 миллиардов лет. Скорость ядерных реакций в теле Солнца соответствует распределению температуры внутри звезды. Ядерные реакции поддерживают установившийся температурный режим на том уровне, который обеспечивает баланс гидростатического равновесия. В недрах Солнца осуществляется непрерывное перемещение энергии от центральных частей к периферии и обратно. Это означает, что химический состав звезды, охваченной конвективным движением, однородный. Характер конвективного движения турбулентный, зависимый от постоянно меняющихся в пространстве и во времени, магнитных полей Солнца.

110

Эволюция Солнца, по мнению большинства современных астрофизиков, осуществляется за счет так называемого «протонпротонного» цикла ядерных реакций. Этот цикл состоит из трех этапов.

Этап первый – водород превращается в дейтерий с выделением позитронов и нейтрино (позитрон – это частица, по массе равная электрону, но имеющая положительный заряд, а нейтрино-электрически нейтральная частица, очень малой массы).

Второй этап – дейтерий при взаимодействии с водородом превращается в изотоп гелия. Этот процесс сопровождается гаммаизлучением – электромагнитным излучением с очень малой длиной волны.

Третий этап – изотопы гелия превращаются в атом гелия и два атома водорода. В ходе ядерных реакций водород превращается в гелий. При синтезе ядер гелия происходит излучение. Таким образом, Солнце светит и непрерывно уменьшается в массе. Каждую секунду Солнце превращает в излучение 4 млрд. тонн своего вещества. В простейшей плазме, состоящей из водорода и гелия, постепенно возникло огромное многообразие химических элементов, приведенных в периодической системе Менделеева. На данном этапе запасы вещества Солнца так велики, что термоядерные реакции могут обеспечить его свечение на 150 млрд. лет. Расчеты показывают, что через 150 млрд. лет ядро Солнца начнет сжиматься и уменьшится в 100 раз. Остальное вещество Солнца образует расширяющуюся и постепенно охлаждающуюся атмосферу, которая будет окутывать сжавшееся ядро. Солнце превратится в «красный гигант». За несколько десятков тысяч лет оболочка этого гиганта пройдет через орбиту Земли и других планет и рассеется в межзвездном пространстве. На месте же теперешнего Солнца останется сжавшееся ядро, т.е. «белый карлик». Во время всех этих метаморфоз температура на нашей планете возрастет до 1 000 С, а затем постепенно уменьшится до абсолютного нуля (-273 С). Такая судьба ожидает Солнце и Землю. Следует отметить, что Солнце не только излучает, но и поглощает энергию других звезд Галактики, что делает систему звезды более устойчивой, а ее эволюцию более длительной.

Происхождение Земли

К настоящему времени известно несколько гипотез о происхождении Земли. Почти все они сводятся к тому, что исходным веществом для формирования планет Солнечной системы, в том числе и Земли, были межзвездная пыль и газы, широко распространенные во Вселенной.

Образованию планет из протоплазменного диска предшествовала промежуточная фаза формирования твердых и довольно крупных, до сотен километров в диаметре, тел, называемых планетозималями, последующее скопление и соударение которых явилось процессом аккреции (наращивания) планеты.

112

понижением температуры происходила дифференциация парогазовой оболочки на гидросферу и атмосферу.

Радиоактивным методом установлено, что возраст самых древних пород, найденных в земной коре, составляет около 4 млрд. лет. По оценкам ученых, формирование Земли длилось от 5 до 6 млрд. лет. Понадобились миллиарды лет, чтобы образовалась наша планета – Земля. Вращаясь, этот сплюснутый у полюсов шар летит в космическом пространстве по огромной эллиптической кривой вокруг Солнца.

Наша Земля удивительна и прекрасна. Впервые всю Землю целиком увидел советский космонавт Ю.А. Гагарин (1934-1968), совершивший 12 апреля 1961 г. первый в истории человечества полет на космическом корабле «Восток».

Структура Солнечной системы

Солнечная система состоит из центрального небесного тела – звезды Солнца, 9 больших планет, обращающихся вокруг него, их спутников, множества малых планет – астероидов, многочисленных комет и межпланетной среды. Большие планеты располагаются в порядке удаления от Солнца следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер,

Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Три последние планеты можно наблюдать с Земли только в телескопы. Остальные видны как более или менее яркие кружки и известны людям со времен глубокой древности.

К настоящему времени известны многие гипотезы о происхождении Солнечной системы, в том числе предложенные немецким философом И.Кантом (1724-1804) и французским математиком и физиком П.Лапласом (1749-1827). Точка зрения И. Канта заключалась в эволюционном развитии горячей пылевой туманности, в ходе которого сначала возникло центральное массивное тело – Солнце, а потом родились и планеты. П. Лаплас считал первоначальную туманность газовой и очень горячей, находящейся в состоянии быстрого вращения. Сжимаясь под действием силы всемирного тяготения, туманность вследствие закона сохранения момента импульса вращалась все быстрее и быстрее. Под действием больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от него последовательно отделялись кольца, превращаясь в результате охлаждения и конденсации в планеты. Таким образом, согласно теории П. Лапласа, планеты образовались раньше Солнца. Несмотря на такое различие между двумя рассматриваемыми гипотезами, обе они исходят от одной идеи – Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. И поэтому такую идею иногда называют гипотезой Канта-Лапласа.

Согласно современным представлениям, планеты солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, окружавшего Солнце миллиарды лет назад. Такая точка зрения наиболее последовательно

113

отражена в гипотезе российского ученого, академика О.Ю. Шмидта (18911956), который показал, что проблемы космологии можно решить согласованными усилиями астрономии и наук о Земле, прежде всего географии, геологии, геохимии. В основе гипотезы О.Ю. Шмидта лежит мысль об образовании планет путем объединения твердых тел и пылевых частиц. Пылевые частицы, концентрировались в центральной плоскости, образовав слой повышенной плотности. Когда плотность слоя достигла некоторого критического значения, его собственное тяготение стало «соперничать» с тяготением Солнца. Слой пыли оказался неустойчивым и распался на отдельные пылевые сгустки. Сталкиваясь друг с другом, они образовали множество сплошных плотных тел. Наиболее крупные из них приобретали почти круговые орбиты и в своем росте начали обгонять другие тела, став потенциальными зародышами будущих планет. Как более массивные тела, новообразования присоединяли к себе оставшееся вещество газопылевого облака. В конце концов, сформировалось девять больших планет, движение которых по орбитам остается устойчивым на протяжении миллиардов лет.

С учетом физических характеристик все планеты делятся на две группы. Одна из них состоит из сравнительно небольших планет земной группы – Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Их вещество отличается относительно высокой плотностью: в среднем около 5,5 г/см3, что в 5,5 раза превосходит плотность воды. Другую группу составляют планетыгиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными массами. Так, масса Урана равна 15 земным массам, а Юпитера – 318. Состоят планеты-гиганты главным образом из водорода и гелия, а средняя плотность их вещества близка к плотности воды. Судя по всему, у этих планет нет твердой поверхности, подобной поверхности планет земной группы. Особое место занимает девятая планета – Плутон, открытая в марте 1930 г. По своим размерам она ближе к планетам земной группы. Не так давно обнаружено, что Плутон – двойная планета: она состоит из центрального тела и очень большого спутника. Оба небесных тела обращаются вокруг общего центра масс.

В процессе образования планет их деление на две группы обусловливается тем, что в далеких от Солнца частях облака температура была низкой и все вещества, кроме водорода и гелия, образовали твердые частицы. Среди них преобладал метан, аммиак и вода, определившие состав Урана и Нептуна. В составе самых массивных планет – Юпитера и Сатурна, кроме того, оказалось значительное количество газов. В области планет земной группы температура была значительно выше, и все летучие вещества (в том числе метан и аммиак) остались в газообразном состоянии и, следовательно, в состав планет не вошли. Планеты этой группы сформировались в основном из силикатов и металлов.

114

Солнце

Центральное тело нашей планетной системы – Солнце – ближайшая к Земле звезда, представляющая собой раскаленный плазменный шар. Это гигантский источник энергии: мощность излучения его очень велика – около 3,86 1023 кВт. В настоящее время принято считать, что в недрах Солнца при огромнейших температурах – около 15 млн. градусов – и чудовищных давлениях протекают термоядерные реакции, которые сопровождаются выделением огромного количества энергии. Одной из таких реакций может быть синтез ядер водорода, при котором образуются ядра атома гелия. Подсчитано, что в каждую секунду в недрах Солнца 564 млн. т водорода преобразуются в 560 млн. т гелия, а остальные 4 млн. т водорода превращаются в излучение. Термоядерная реакция будет происходить до тех пор, пока не иссякнут запасы водорода. В настоящее время они составляют около 60 % массы Солнца.

Почти вся энергия Солнца генерируется в его центральной области, откуда переносится излучением, а затем во внешнем слое передается конвекцией. Температура поверхности Солнца – фотосферы составляет около 6000 К.

Наше Солнце – источник не только света и тепла: его поверхность излучает потоки невидимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а также элементарных частиц. Солнечный ветер, воздействуя на геомагнитное поле с освещенной стороны, сжимает его примерно в 2,5 раза и вытягивает магнитные силовые линии полярных областей в хвост магнитосферы, который формируется в ночной стороне Земли.

Распределение плазмы Солнца в магнитосфере Земли в плоскости полуденного меридиана представлено на рис. 5.2.1.

115

(1)

(2)

Pиc. 5.2.1. Распределение плазмы в магнитосфере; плоскость полуденного меридиана; 1-внутренний, 2-внешний радиационные пояса Земли.

Хвост магнитосферы достигает нескольких сот радиусов Земли. Вспышки на Солнце формируют в магнитосфере ударные волны, которые вызывают геомагнитные бури. Интенсивность геомагнитных бурь зависит от уровня солнечной активности.

Радиационные пояса Земли (рис. 5.2.1) – это области пространства, заполненные заряженными частицами, захваченными магнитным полем Земли. Потоки этих частиц на много порядков превышают потоки частиц космических лучей, поэтому первые же полеты спутников на больших высотах привели к открытию радиационных поясов Земли. Впервые внутренний радиационный пояс был зарегистрирован американским ученым Дж. Ван-Алленом, а внешний радиационный пояс – советскими учеными во главе с С. Н. Верновым и А. Е. Чудаковым.

Для проникающей радиации, т.е. для электронов и протонов сравнительно больших энергий (электронов с энергией >100 кэв и протонов с энергией >30 Мэв), разделение на внутренний и внешний пояса является очень четким, причем протоны с энергией >30 Мэв существуют только во внутреннем радиационном поясе, а во внешнем поясе их нет. Для электронов с энергией меньше 100 кэв область минимума интенсивности между внутренним и внешним поясами выражена более слабо, а протоны малых энергий (~1-2 Мэв) в этом районе имеют максимальную интенсивность.

116

Разделение радиационных поясов на внутренний и внешний имеет значение также и с другой точки зрения. Оказывается, что радиация, захваченная в области внутреннего радиационного пояса, почти не подвержена временным изменениям, в то время как радиация в области внешнего пояса испытывает разнообразные и значительные временные вариации как по интенсивности, так и по распределению в пространстве.

После открытия радиационных поясов Земли стала ясна их тесная связь с магнитными бурями, полярными сияниями, поглощением космического радиоизлучения в полярных областях и другими геофизическими явлениями, связанными с солнечной активностью.

Магнитное поле Земли убывает по мере удаления от ее поверхности и с некоторых расстояний начинает эффективно испытывать воздействие межпланетной среды, особенно корпускулярных потоков Солнца, называемых «солнечным ветром». Это воздействие приводит к тому, что с дневной стороны происходит поджатие геомагнитного поля, а с ночной – его растяжение, а само поле оказывается ограниченным в определенной области пространства, называемой магнитосферой Земли. Внутри магнитосферы магнитное поле определяется силовыми линиями или линиями магнитной индукции магнитного поля Земли, а вне магнитосферы

– межпланетной средой. Особенно важным с этой точки зрения является недавно открытый с ночной стороны Земли так называемый магнитный хвост Земли, простирающийся на очень большие расстояния, вплоть до орбиты Луны. В этом «хвосте» магнитные силовые линии на ночной стороне, вытянутые в сторону от Солнца, начиная с расстояний 8-9 радиусов Земли, образуют узкий нейтральный слой в плоскости эклиптики, напряженность магнитного поля, в котором практически равна нулю. Предполагается, что в этом нейтральном слое могут осуществляться условия, необходимые для ускорения частиц до энергий, наблюдаемых в радиационных поясах и в полярных сияниях.

В результате взаимодействия с магнитосферой Земли частицы солнечного ветра, имеющие скорость 300 - 800 км/сек, на расстоянии 12-15 радиусов Земли образуют ударную волну. Эта ударная волна подобна той, которая возникает перед телом, обдуваемым потоком воздуха (например, в аэродинамической трубе), имеющим сверхзвуковую скорость. В области между фронтом ударной волны и границей магнитосферы (магнитопаузой) поток частиц солнечного ветра в значительной степени турбулизован.

Луна

Подобно тому как наша Земля обращается вокруг Солнца, вокруг Земли движется Луна – естественный спутник нашей планеты. Луна меньше Земли, её поперечник составляет около одной четверти земного диаметра, а масса в 81 раз меньше массы Земли. Поэтому сила тяжести на Луне в 6 раз меньше, чем на нашей планете. Слабая сила притяжения не

117

позволила Луне удержать атмосферу, по той же причине не может быть на её поверхности и воды. Открытые водоемы быстро испарились бы, а водяной пар улетучился бы в космос.

Поверхность Луны весьма неровная: она покрыта горными хребтами, кольцевыми горами – кратерами и темными хребтами равнинных областей, называемых морями, на которых наблюдаются мелкие кратеры. Предполагается, что кратеры имеют метеоритное происхождение, т.е. образовались в местах падения гигантских метеоритов.

Возраст самых молодых пород – около 2,6 млрд. лет, а возраст более древних пород не превосходит 4 млрд. лет.

На поверхности Луны образовался рыхлый слой, покрывающий основную породу – раголит, состоящий из осколков магматических пород, шлакообразных частиц и застывших капель расплавленной магмы. Предполагается, что около 95% пород, покрывающих лунную поверхность, находится в магматическом состоянии.

Температура лунной поверхности составляет 100-400 К. Луна находится в среднем на расстоянии 384400 км от Земли. Преодолев такое расстояние, 21 июля 1969 г. американский астронавт Н. Армстронг впервые ступил на поверхность Луны – сбылась давняя сказочная мечта полета человека на Луну.

Планеты земной группы

Объединенные в одну группу планеты Меркурий, Венера, Земля, Марс, хотя и близки по некоторым характеристикам, но все же каждая из них имеет свои неповторимые особенности (рис. 5.2.2).

Меркурий – самая малая планета в земной группе. Эта планета не смогла сохранить атмосферу в том составе, который характерен для Земли, Венеры, Марса. Ее атмосфера крайне разрежена и содержит Аг, Nе, Не. Атмосфера Земли отличается относительно большим содержанием кислорода и паров воды, благодаря которым обеспечивается существование биосферы.

118

Рис. 5.2.2. Планеты Солнечной системы.

На Венере и Марсе в атмосфере содержится большое количество углекислого газа при очень малом содержании кислорода и паров воды – всё это характерные признаки отсутствия жизни на данных планетах. Нет жизни и на Меркурии: отсутствие кислорода, воды и высокая дневная температура (620 К) препятствуют развитию живых систем. Планеты Меркурий и Венера спутников не имеют. Природные спутники Марса –

Фобос и Деймос.

Планеты-гиганты

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун относятся к планетам-гигантам. Юпитер – пятая по расстоянию от Солнца и самая большая планета Солнечной системы – находится в среднем на расстоянии 5,2 а.е. от Солнца. Юпитер – мощный источник теплового радиоизлучения, обладает радиационным поясом и обширной магнитосферой. Эта планета имеет 16 спутников и окружена кольцом шириной около 6 тыс. км.

Сатурн — вторая по величине планета в Солнечной системе. Сатурн окружен кольцами, которые хорошо видны в телескоп. Их впервые наблюдал в 1610 г. Галилей с помощью созданного им телескопа. Кольца представляют собой плоскую систему множества мелких спутников планеты. Сатурн имеет 17 спутников и обладает радиационным поясом.

Уран – седьмая по порядку удаления от Солнца планета Вокруг Урана вращается 15 спутников, 5 из них открыты с Земли, а 10

– наблюдались с помощью космического аппарата «Вояджер-2». Уран имеет и систему колец.

Нептун – одна из самых удаленных от Солнца планет – находится на расстоянии от него около 30 а.е. Период обращения ее на орбите – 164,8 года. Нептун имеет шесть спутников. Удаленность от Земли ограничивает возможности его исследования.

Планета Плутон не относится ни к земной группе, ни к планетамгигантам. Это сравнительно небольшая планета: ее диаметр около 3 000 км. Плутон принято считать двойной планетой. Его спутник примерно в 3 раза меньший по диаметру движется на расстоянии всего около 20 000 км от центра планеты, совершая один оборот за 4,6 суток.

Особое место в Солнечной системе занимает Земля – единственная живая планета.

Строение Земли

Планета 3емля состоит из земной коры, мантии и ядра. Земную кору покрывают гидросфера — жидкая оболочка (она не сплошная) и атмосфера — газовая оболочка.

119

Наша планета до наших дней хранит еще множество тайн. Проникнуть внутрь нее нелегко. Сегодня самые глубокие шахты достигают всего несколько километров. Бурение дает нам сведения о глубинах около 12 км. Самая глубокая скважина в мире пробурена в России на Кольском полуострове, её глубина в 1994 г. достигла 12 262 м. Основные сведения о строении Земли, химическом составе её пород и т.п. добываются косвенными методами, в частности, при изучении колебаний земной коры

впроцессе землетрясений и анализе химического состава вулканической массы.

Твердая оболочка Земли делится на две основные части – земную кору и мантию. Верхняя часть твердой оболочки – земная кора – имеет толщину

всреднем несколько десятков километров. На материках она равна 30—40 км, под Памиром и Андами – 70-80 км, а под океанами значительно тоньше – до 10 км. Самая верхняя часть земной коры на континентах в значительной мере состоит из осадочных пород. В них находят останки вымерших животных и растительных организмов, когда-то населявших Землю.

Самая глубокая геосфера Земли – ядро – имеет радиус около 3,5 тыс. км и состоит из внешней оболочки, находящейся в жидком состоянии и внутреннего твердого субъядра. Температура в центре ядра достигает

около 5000 С, плотность около 12,5 т/м3. Предполагается, что субъядро похоже по составу на железный метеорит, содержащий около 80% железа и 20% никеля. Внешняя оболочка ядра содержит железо (52%) и смесь железа с серой (48%). С её жидким состоянием связывают природу земного магнетизма.

Между ядром и земной корой расположена мантия – самая массивная часть Земли, составляющая около 83% ее объема. Температура мантии, повидимому, равна 2 000-2 500 С. Мантия состоит из различных силикатов – соединений, содержащих кремний. Происходящие в ней процессы, обусловливают тектоническое движение, образование магмы и вулканическую активность.

Верхняя часть мантии вместе с земной корой образует литосферу внешнюю сферу твердой части Земли. В соответствии с гипотезой новой глобальной тектоники – науки о развитии структуры земной коры – литосфера разбита на крупные плиты, которые перемещаются в горизонтальном направлении по астеносфере – подстилающем литосферу слое пониженной твердости и вязкости в верхней мантии Земли. Литосферные плиты представляют собой крупные (до нескольких тысяч километров в поперечнике) блоки земной коры, включающие не только континентальную, но и сопряженную с ней океаническую кору; они ограничены со всех сторон сейсмическими и тектоническими активными зонами разломов. По последним данным, из-за смещений литосферной континентальной плиты Эверест ежегодно растет на 2,5-5 см.

120

Как уже отмечалось, температура ядра и мантии очень высокая – тысячи градусов. Казалось бы, все вещества при такой температуре должны находиться в расплавленном и даже газообразном состоянии. Однако и субъядро и мантия – твердые образования. Вещество в них находится под огромным давлением, при котором температура плавления гораздо выше, чем при нормальном давлении.

Как только давление ослабевает, раскаленные твердые породы расплавляются. Образуется жидкая раскаленная масса – магма. При перемещении вещества в земной коре возникают глубокие трещины, в которых понижается давление и образуется очаг с магмой. Сжатая со всех сторон магма растекается по трещинам, застывая в них в виде жил, а в некоторых местах прорывается наружу. Так возникает вулканическое извержение. Вулкан – это своеобразная природная домна, в которой плавится и выбрасывается на поверхность много ценных металлов и минералов. Тут железо и свинец, олово и алюминий.

Земная кора – сокровищница самых разнообразных полезных ископаемых: каменного угля и нефти, газа, руд черных и цветных металлов, минеральных удобрений и т.п.

Месторождения каменного угля возникли в те отдаленные времена, когда на Земле создавались очень благоприятные условия для развития растительности. Было это более чем 200 млн. лет назад. Этот период в геологической истории нашей планеты так и называется – каменноугольный. Во влажном и жарком климате необычно разрастались вечнозеленые леса, которые дали начало развитию торфяников, превратившихся потом под действием давления и высокой температуры земных недр в пласты каменного угля. В этот период образовались каменноугольные бассейны Караганды, Донбасса и многие другие.

Вопросом происхождения другого очень ценного ископаемого – нефти, называемой «черным золотом», - занималось не одно поколение ученых. Предполагается, что нефть имеет органическое происхождение: она образовалась из погибших животных организмов – динозавров, достигающих 9 – 10 метров роста, носорогов, гиеноподобных хищников, гигантских свиноподобных зверей, древних парнокопытных и других.

Огромны запасы в недрах Земли горючих углеводных газов, которые все больше используются человеком как топливо и природное сырье для производства многочисленных органических материалов.

Богата наша Земля и ископаемыми минеральными удобрениями – «камнями плодородия». Главные среди них – минералы, содержащие калий и фосфор, которые служат своеобразной пищей растений. При внесении их в почву повышаются урожаи зерновых, овощей, хлопка и других культур.

Совокупность всех водных объектов земного шара: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежных

121

покровов – образует гидросферу Земли. Часто под гидросферой подразумевается только океаны и моря. Больше всего воды на Земле в Мировом океане; около 2% её - в ледниках. Много воды под землей. Для своих нужд человек использует главным образом воду рек и пресных озер. Но её на Земле меньше 0,001% от всей воды. Поэтому водные ресурсы планеты необходимо беречь.

Мировой океан – основная часть гидросферы. В течение года с поверхности Земли и океанов испаряется в воздух около 355 тыс. м3 воды. Большая часть её – около 90% – затем снова выпадает в виде осадков над поверхностью океанов и морей, а остальная влага уносится на сушу, падает на нее дождем, снегом и реками выносится в океан, уходит под землю, консервируется в ледниках.

Этот великий круговорот воды оказывает большое влияние на климат и обмен веществ на всей нашей планете. Водяные пары, находясь в воздухе, задерживают в атмосфере тепло Земли. Чем больше воды испаряет гидросфера планеты, тем мягче её климат. Можно говорить о двух основных разновидностях климата – континентальном и морском. На территории с морским климатом сезонные колебания температуры значительно меньше, чем там, где властвует континентальный климат. Мировой океан образно называют печкой планеты. В теплый сезон года большая масса океанской воды согревается медленнее суши и поэтому охлаждает воздух, а зимой наоборот: теплая вода океана согревает холодный воздух. Причина такого явления – в большой теплоемкости воды. Основная доля солнечного тепла улавливается на Земле морями и океанами.

Ежедневно в любую погоду океанские воды вторгаются на сушу. Затем на десятки, даже сотни метров начинает обнажаться дно при отливе. Проходят часы – и снова прилив. Наибольшие приливы наблюдаются в Англии, в устье реки Северн (разница между уровнями воды при приливе и отливе доходит до 16,3 м). Первое научное объяснение морских приливов дал Ньютон. Он доказал, что приливы обусловливаются силой притяжения Луны. Приливы и отливы происходят не только в водной оболочке Земли, но и в твердой, и в воздушной. Под действием сил притяжения Луны твердая оболочка нашей планеты дважды в сутки поднимается и опускается на несколько десятков сантиметров.

Реки земного шара ежегодно сбрасывают в моря около 35 тыс. м3 воды, причем наибольший сток – с Азиатского материка. Второе место занимает Южная Америка. Амазонка выносит в океан 1/10 воды всех рек планеты.

Большую роль в жизни людей и их хозяйственной деятельности играют атмосферные осадки. Распределение влаги на земном шаре весьма неравномерно: одни страдают от её избытка, другие – от недостатка. Поэтому очень важно научиться управлять таким природным процессом. И сейчас в небольших масштабах это удается сделать. Например, при

122

необходимости над территорией аэропорта, города можно «прояснить погоду».

Ледяная оболочка планеты называется криосферой. Основная масса льда – ледники, которые разделяются на горные и покровные. Горные ледники – это, по существу, ледяные реки. Спускаясь вниз по склонам, они ведут себя, как реки: встречая широкое и ровное пространство, разливаются по нему, а в узких ущельях движутся, как горный поток. Правда, движение горных ледников очень медленное. Огромные языки ледников спускаются с высочайших вершин Гималаев, Тибета. Многие сибирские реки берут свое начало в ледниках Алтая и Саян.

Царство покровных ледников – арктический и антарктический пояс. Они покрывают всю поверхность арктических островов и Антарктиды, постепенно сползая к океану. В некоторых местах ледниковый покров растекается даже по поверхности моря – так рождаются плавучие ледяные горы – айсберги. Особенно огромны ледниковые отложения в Антарктиде. Здесь поистине царство льдов, их площадь превышает площадь всей Европы. Антарктида таит в себе много загадок. Когда-то этот континент был покрыт вечнозеленой растительностью, о чем свидетельствуют найденные здесь залежи каменного угля.

Знакомясь с ледяным царством на земле, нельзя забывать и о его подземных владениях. Районы вечной мерзлоты на земном шаре занимают четверть суши. На территории нашей страны мерзлота не сплошной полосой тянется от побережья Ледовитого океана до Туруханска и Якутска, а отдельные её островки есть и южнее – у Иркутска, Красноярска, Читы, на берегах Амура.

Вечная мерзлота оказалась прекрасным холодильником: тысячелетия он работал столь исправно, что сохранил трупы давным-давно погибших животных с мясом, кожей и шерстью. Когда ученые познакомились с тем, что сохранила нам замерзшая северная земля, они пришли к выводу, что вечная мерзлота – не вечна. Она образовалась около 100 тыс. лет назад, когда произошло великое оледенение.

Наступившее потом потепление оттеснило льды на острова Ледовитого океана, но под слоем почвы, оттаивающей каждое лето, на севере нашей страны осталась навеки промерзшая земля. В районе г. Якутска слой многолетних мерзлых пород составляет 220 метров, а на побережье Северного ледовитого океана – более 1000 метров.

Воздушная оболочка Земли – атмосфера. Она, как одежда, защищает нас днем от обжигающих лучей Солнца, а ночью сохраняет тепло, накопленное за день. Воздух спасает нас и от смертельного космического излучения. Если бы не было воздушной оболочки, Земля была бы мертва и нема. Ведь все живое не может существовать без воздуха, и звук рождается только в атмосфере.

123

Многие мыслители древности считали воздух одним из главных элементов мироздания. Так, по мнению греческого философа Анаксимена (VI в. до н.э.), воздух вездесущ и дает начало всем вещам. В XVII в. было открыто, что воздух имеет массу. Теперь мы знаем, что чем ближе воздух к поверхности планеты, тем он плотнее. Масса 1 м2 воздуха у земной поверхности составляет в среднем 1,293 кг. На высоте 10 км она снижается до 400 г, а на сорокакилометровой высоте – до 4 г.

Основные составляющие атмосферы – азот (78%) и кислород (21%). Атмосфера, кроме того, содержит в небольших количествах углекислый газ, аргон, гелий, водород, озон, водяные пары и др.

Самая нижняя часть атмосферы – тропосфера - простирается до 9- 17 км. В тропосфере находится 4/5 всей массы воздуха. В ней образуется облака, дождь, снег, град, ветер. Поэтому её справедливо считают «фабрикой» погоды. Следующий слой – стратосфера – находится на высоте 50-55 км над земной поверхностью. Здесь стоит неизменно ясная погода, но часто дуют сильные ветры. В стратосфере существуют сезонные и климатические различия: есть своя зима и свое высотное лето, есть свои умеренные широты и зоны экватора. Между тропосферой и стратосферой происходит постоянный обмен воздушными массами.

Следующий слой атмосферы – ионосфера – состоит преимущественно из заряженных частиц, обладающих способностью отражать короткие радиоволны, что позволяет осуществить дальнюю радиосвязь. В ионосфере дуют ураганные ветры.

Выше ионосферы, на высоте 800-1000 км над Землей расположена экзосфера – зона рассеяния атмосферы. Следы атмосферы обнаруживаются и выше - на высоте более 10 тыс. км.

До высоты 100-200 км газовый состав нашей планеты значительно не меняется. Выше – до 200-250 км – преобладает азот, затем – до 500-700 км

– атомарный кислород, а еще выше – гелий. У поверхности «воздушного океана» преобладает самый легкий элемент – водород.

Внешняя форма воздушной оболочки Земли не шарообразна, а вытянута с ночной стороны наподобие хвоста кометы. Длина такого своеобразного хвоста – около 100 тыс. км. Предполагается, что он образовался в результате давления солнечных лучей – солнечного ветра.

Деление атмосферы земного шара на составные части весьма условно. Нельзя провести резкую границу между отдельными частями, хотя каждая из них обладает вполне определенной спецификой.

Тестовые задания к главе 5

1. Какая из предложенных теорий образования звездной материи является научной ?

1) теория «большого взрыва» и изначально «горячей Вселенной»;

124

2)теория образования звездной материи из холодных газово-пылевых облаков;

3)теологическая теория создания Вселенной.

2.Укажите, какая из стадий эволюции звездной материи является первоначальной:

1) гелиевое ядро; 2) стационарное развитие;

3) сжатие протопланетного облака.

3.Эволюция звезд осуществляется в направлении:

1)уменьшения давления газов и возрастания гравитационных сил;

2)возрастания давления газов и уменьшения сил гравитации;

3) равновесной тенденции сил давления и гравитации.

4.Какой из трех основных источников переноса энергии в хромосфере

5.Почему потухшие звезды называют «белыми карликами»:

1)из-за белого цвета и слабой светимости;

2)из-за небольших размеров и отсутствия мерцания;

3)из-за светимости отраженным светом при малых размерах.

125

Глава 6

ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ. БИОСФЕРА

Основные этапы истории развития Земли. История развития геосферных оболочек Земли: литосферы, гидросферы, атмосферы, биосферы. Возникновение и развитие живых организмов. Антропогенез. Эволюция мозга и развития сознания. Критерии здоровья человека, эмоции, творчество, работоспособность. Строение и функции нервной системы человека. Три стадии в эволюции психики (элементарная сенсорная; перцептивная; интеллект). Эволюция психической деятельности человека. Пограничные нервно-психические расстройства и меры профилактики.

6.1.Основные этапы истории развития Земли

Всвете современных геохимических и космохимических данных дифференциация первичной мантии имела двухстороннюю направленность. С одной стороны, происходило выплавление наиболее легкоплавких, но тяжелых компонентов – железо-сернистых масс с опусканием их к центру ввиду высокой плотности и низкой вязкости.

Сдругой стороны, выплавлялись менее легкоплавкие, но обогащенные летучими элементами силикатные фракции, что привело к образованию базальтовой магмы и впоследствии к формированию базальтовой коры. Этот процесс происходил при разогреве мантии от ее сжатия в результате воздействия сил тяготения, электромагнитных сил и реакций радиоактивного распада. Основная масса ядра образовалась в период формирования Земли за счет аккумуляции металлических частиц, а последующее выплавление железо-сернистых масс в нижних частях первичной мантии завершило формирование всего ядра Земли в целом.

Врезультате дифференциации вещества Земли все жидкое железо стекло в центральные области, образовав металлическое ядро. Внутренняя часть его перешла в твердую фазу под влиянием высокого давления, сформировав маленькое ядро на глубине 5000 км. Большая часть силикатов при завершении планетарной дифференциации образовало мощную мантию планеты, а продукты её выплавления дали начало развитию алюмосиликатной коры, первичного океана и первичной атмосферы, насыщенной углекислым газом.

У земного шара сложилась структура, состоящая из оболочек различной плотности и состава, концентрически обволакивающих друг друга. Верхними оболочками Земли являются атмосфера и гидросфера. Атмосфера прочно защищена от космического пространства радиационными поясами магнитного поля Земли. Твердое тело нашей планеты состоит из трех главных оболочек: тонкой коры, мошной мантии

126

и центрального ядра (рис. 6.1.1). На рис. 6.1.1 в теле Земли представлены две границы: Мохоровича и Конрада.

В 1909 г. югославскому геофизику А.Мохоровичичу (1857–1936) удалось доказать, что наружная кора Земли по своим свойствам отличается от более глубоких слоев планеты. При землетрясениях упругие сейсмические волны в коре распространяются с меньшей скоростью, чем в более глубоких слоях (верхней мантии). Переходя из наружной оболочки в подстилающий слой, сейсмические волны меняют скорость скачком, могут преломляться и отражаться. Подошва наружной оболочки Земли была принята за основание земной коры. А.Мохоровичич предположил, что подошва земной коры соответствует границе, на которой кристаллическое вещество земной коры, вследствие давления и высокой температуры переходит в стекловатое состояние. Эту границу условно стали называть «граница Мохо». Наблюдение за изменением силы тяжести и прохождением сейсмических волн показали, что «граница Мохо» в разных местах планеты залегает на разной глубине: на континентах на 60-100 км, в океанах на глубине 5-15 км, на побережьях от 16-60 км. Вещество Земли, залегающее ниже «границы Мохо» считают подкорковым и относят к мантии.

127

Рис. 6.1.1. Схема строения планеты Земля

В 1916 году австрийскому геофизику В. Конраду (1876–1962) удалось установить границу разделяющую «гранитные» и «базальтовые» слои Земли по увеличению скорости прохождения сейсмических волн.

Геологическая история Земли (во временном масштабе)

подразделяется на крупные промежутки – эры; эры – на периоды, периоды

– на века. Разделение на эры, периоды и века, конечно же, относительное, потому что резких разграничений между этими подразделениями не было. Но все же именно на рубеже соседних эр, периодов происходили существенные геологические преобразования: горообразовательные процессы, перераспределение суши и моря, смена климата. Кроме того, каждое подразделение характеризовалось качественным своеобразием флоры и фауны.

Геологические эры Земли:

1)катархей (от образования Земли 5 млрд. лет назад до зарождения жизни);

2)архей, древнейшая эра (3,5 - 2,6 млрд. лет);

3)протерозой (2,6 - 570 млн. лет);

4)палеозой (570 - 230 млн. лет) со следующими периодами:

кембрий (570 - 500 млн. лет); ордовик (500 - 440 млн. лет); силур (440 - 410 млн. лет); девон (410 - 350 млн. лет); карбон (350 - 285 млн. лет); пермь (285 млн. - 230 млн. лет);

5)мезозой (230 - 67 млн. лет) со следующими периодами: триас (230 - 195 млн. лет);

юра (195 - 137 млн. лет);

мел (137 - 67 млн. лет);

6)кайнозой (67 млн. — до нашего времени) со следующими периодами палеоген (67 - 27 млн. лет),

палеоцен (67 - 54 млн. лет), эоцен (54 - 38 млн. лет), олигоцен (38 - 27 млн. лет), неоген (27 - 3 млн. лет), миоцен (27 - 8 млн. лет), плиоцен (8 - 3 млн. лет);

7)четвертичный (3 млн. — наше время):

плейстоцен (3 млн. — 20 тыс. лет), голоцен (20 тыс. лет — наше время).

128

Этапы эволюционного развития Земли

Образование основных оболочек Земли

Земля возникла путем сгущения преимущественно высокотемпературной фракции со значительным количеством металлического железа, а оставшийся околоземной материал, в котором железо окислилось и перешло в состав силикатов, вероятно, пошел на построение Луны.

Ранние стадии развития Земли не фиксированы в каменной геологической летописи, по которой геологические науки успешно восстанавливают её историю. Даже самые древние горные породы (их возраст отмечается громадной цифрой — 3,9 млрд. лет) являются продуктом значительно более поздних событий, наступивших после формирования самой планеты.

Ранние стадии существования нашей планеты знаменовались процессом её общепланетарной интеграции (аккумуляции) и последующей дифференциации, которые привели к образованию центрального ядра и обволакивающей его первичной силикатной мантии. Образование алюмосиликатной коры океанического и континентального типов относится к более поздним событиям, связанным с физико-химическими процессами в самой мантии.

Земля как первичная планета образовалась при температурах ниже точки плавления её материала 5-4,6 млрд. лет назад. Земля возникла путем аккумуляции как химически относительно однородный шар. Она представляла собой сравнительно однородную смесь частиц железа, силикатов, меньше сульфидов, распределенных по всему объему довольно равномерно.

Большая часть её массы образовалась при температуре ниже температуры конденсации высокотемпературной фракции (металлической, силикатной), т. е. ниже 800° К. В целом завершение формирования Земли не могло происходить ниже 320° К, что диктовалось расстоянием от Солнца. Удары частиц в процессе аккумуляции могли поднять температуру рождающейся Земли, но количественная оценка энергии этого процесса не может быть произведена достаточно надежно.

С начала формирования молодой Земли отмечался её радиоактивный нагрев, вызванный распадом быстро вымирающих радиоактивных ядер, включая некоторое количество трансурановых, сохранившихся от эпохи ядерного синтеза, и распадом ныне сохранившихся радиоизотопов и.

В общей радиогенной атомной энергии в ранние эпохи существования Земли было достаточно для того, чтобы её материал местами стал плавиться с последующей дегазацией и подъемом легких компонентов в верхние горизонты.

129

При относительно однородном размещении радиоактивных элементов с равномерным распределением радиогенного тепла по всему объему Земли максимальный рост температур происходил в её центре с последующим выравниванием по периферии. Однако в центральных областях Земли давление было слишком высоким для плавления. Плавление в результате радиоактивного нагрева началось на некоторых критических глубинах, где температура превысила точку плавления какойто части первичного материала Земли. При этом железный материал с примесью серы начал плавиться скорее, чем чисто железный или силикатный.

Все это произошло геологически довольно быстро, поскольку огромные массы расплавленного железа не могли находиться долго в неустойчивом состоянии в верхних частях Земли. В конце концов, все жидкое железо стекло в центральные области Земли, образовав металлическое ядро. Внутренняя часть его перешла в твердую плотную фазу под влиянием высокого давления, сформировав маленькое ядро глубже 5000 км.

Асимметричный процесс дифференциации материала планеты начался 4,5 млрд. лет тому назад, который привел к появлению континентального и океанического полушарий (сегментов). Не исключено, что полушарие современного Тихого океана было тем сегментом, в который массы железа погружались к центру, а в противоположном полушарии воздымались с поднятием силикатного материала и последующим выплавлением более легких алюмосиликатных масс и летучих компонентов. В легкоплавких фракциях материала мантии сосредоточились наиболее типичные литофильные элементы, поступившие вместе с газами и парами воды на поверхность первичной Земли. Большая часть силикатов при завершении планетарной дифференциации образовала мощную мантию планеты, а продукты её выплавления дали начало развитию алюмосиликатной коры, первичного океана и первичной атмосферы, насыщенной СО2.

А. П. Виноградов (1971) на основании анализа металлических фаз метеоритного вещества считает, что твердый железоникелевый сплав возник независимо и непосредственно из паровой фазы протопланетного облака и конденсировался при 1500° С. Железоникелевый сплав метеоритов, по мнению ученого, имеет первичный характер и соответствующим образом характеризует металлическую фазу земных планет. Железоникелевые сплавы довольно высокой плотности, как полагает Виноградов, возникли в протопланетном облаке, спекались благодаря большой теплопроводности в отдельные куски, которые падали к центру газово-пылевого облака, продолжая непрерывно конденсационный рост. Только масса железоникелевого сплава, независимо конденсировавшаяся из протопланетного облака, могла образовать ядра планет земного типа.

130

Высокая активность первичного Солнца создавала в окружающем пространстве магнитное поле, способствовавшее намагничиванию ферромагнитных веществ. К числу их относятся металлическое железо, кобальт, никель, отчасти сернистое железо. Точка Кюри – температура, ниже которой вещества приобретают магнитные свойства, – для железа равна 1043° К, для кобальта – 1393° К, для никеля – 630° К и для сернистого железа (пирротина, близкого к троилиту) – 598° К. Поскольку магнитные силы для мелких частиц на много порядков превосходят гравитационные силы притяжения, зависящие от масс, то аккумуляция частиц железа из охлаждающейся солнечной туманности могла начаться при температурах ниже 1000° К в виде крупных сгущений и была во много раз эффективнее, чем аккумуляция силикатных частиц при прочих равных условиях. Сернистое железо ниже 580° К также могло аккумулироваться под влиянием магнитных сил вслед за железом, кобальтом и никелем.

Основной мотив зонального строения нашей планеты был связан с ходом последовательной аккумуляции частиц разного состава – сначала сильно ферромагнитных, затем слабоферромагнитных и, в конце концов, силикатных и других частиц, накопление которых диктовалось уже преимущественно силами гравитации выросших массивных металлических масс.

Таким образом, основной причиной зонального строения и состава земной коры явился быстрый радиогенный нагрев, определивший повышение его температуры и способствовавший в дальнейшем локальному плавлению материала, развитию химической дифференциации и ферромагнитных свойств под влиянием солнечной энергии.

Стадия газово-пылевого облака и образования Земли как сгущения в этом облаке. Атмосфера содержала Н и Не, происходила диссипация этих газов.

В процессе постепенного разогрева протопланеты происходило восстановление окислов железа и силикатов, внутренние части протопланеты обогащались металлическим железом. В атмосферу выделялись различные газы. Образование газов происходило за счет радиоактивных, радиохимических и химических процессов. В атмосферу выделялись первоначально главным образом инертные газы: Ne (неон), Ns (нильсборий), СО2 (окись углерода), Н2 (водород), Не (гелий), Аг (аргон), Кг (криптон), Хе (ксенон). В атмосфере создавалась восстановительная обстановка. Возможно, шло и некоторое образование NH3 (аммиак) за счет синтеза. Затем в атмосферу помимо указанных начали поступать кислые дымы – СО2, H2S, HF, SO2. Происходила диссоциация водорода и гелия. Выделение водяных паров и образование гидросферы обусловливали снижение концентраций хорошо растворимых

131

ихимически активных газов (CO2, H2S, NH3). Состав атмосферы соответственно изменялся.

Через вулканы и другими путями продолжалось выделение из магмы и

магматических пород водяных паров, СО2, СО, NH3, NO2, SO2. Происходило также выделение Н2, О2, Не, Аг, Ne, Kr, Xe за счет радиохимических процессов и превращений радиоактивных элементов. В

атмосфере постепенно накоплялись СО2 и N2. Появилась небольшая концентрация О2 в атмосфере, но присутствовали в ней также СН4, H2 и СО (из вулканов). Кислород окислял эти газы. По мере остывания Земли водород и инертные газы поглощались атмосферой, удерживались земным притяжением и геомагнитным полем, как и другие газы первичной атмосферы. Вторичная атмосфера содержала в себе некоторый остаток водорода, воду, аммиак, сероводород и носила резко восстановительный характер.

При образовании прото-Земли, вся вода была в различной форме связанной с веществом протопланеты. По мере того как из холодной протопланеты формировалась Земля и постепенно повышалась её температура, вода все более входила в состав силикатного магматического раствора. Часть её при этом испарялась из магмы в атмосферу, а затем и диссипировала. По мере охлаждения Земли диссипация водяных паров ослабевала, а затем практически прекратилась совсем. Атмосфера Земли стала обогащаться содержанием водяных, паров. Однако атмосферные осадки и возникновение водоемов на поверхности Земли стали возможны лишь значительно позднее, когда температура на поверхности Земли стала ниже 100°С. Снижение температуры на поверхности Земли до величины менее чем 100°С было, несомненно, скачком в истории гидросферы Земли. До этого момента вода в земной коре находилась лишь в химически и физически связанном состоянии, составляя вместе с породами единое неделимое целое. Вода находилась в виде газа или горячего пара в атмосфере. По мере того как температура поверхности Земли становилась ниже 100°С, на её поверхность стали образовывались довольно обширные неглубокие водоемы, в результате выпадения обильных дождей. С этого времени на поверхности стали формироваться моря, а затем и первичный океан. В породах Земли, наряду со связанной водой застывающей магмой

ивозникших магматических пород появляется свободная капельножидкая вода.

Охлаждение Земли способствовало возникновению подземных вод, которые значительно различались по химическому составу между собой и поверхностными водами первичных морей. Земная атмосфера, возникшая при охлаждении начального горячего вещества из легколетучих материалов, паров и газов, стала основой для образования атмосферы и воды в океанах. Возникновение воды на земной поверхности способствовало процессу возникновения атмосферной циркуляции

132

воздушных масс между морем и сушей. Неравномерное распределение по земной поверхности солнечной энергии стало причиной атмосферной циркуляции между полюсами и экватором.

В земной коре формировались все существующие элементы. Восемь из них – кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний – составили по весу и числу атомов более 99 % земной коры, а на долю всех остальных пришлось менее 1 %. Главная масса элементов рассеяна в земной коре и лишь небольшая часть их образовала скопления в виде месторождений полезных ископаемых. На месторождениях элементы обычно не встречаются в чистом виде. Они образуют природные химические соединения – минералы. Лишь не многие – сера, золото и платина – могут накапливаться в чистом самородном виде.

Горная порода, это материал, из которого построены участки земной коры с более или менее постоянным составом и строением, состоящий из скопления нескольких минералов. Основным, породообразующим процессом в литосфере, является вулканизм (рис. 6.1.2). На большой глубине магма находится в условиях высокого давления и температуры. Магма (греч. «густая грязь») состоит из ряда химических элементов или простых соединений.

Рис. 6.1.2. Извержение вулкана

При падении давления и температуры химические элементы и их соединения постепенно «упорядочиваются», формируя прообразы будущих минералов. Как только температура понизится на столько, что начнется затвердевание, из магмы начинают выделяться минералы. Это выделение сопровождается процессом кристаллизации. В качестве примера кристаллизации приведем формирование кристалла поваренной соли NaCl (рис. 6.1.3).

133

Рис.6.1.3. Структура кристалла поваренной соли (хлористого натрия). (Маленькие шары – атомы натрия, большие – атомы хлора.)

Химическая формула свидетельствует, что вещество построено из одинакового числа атомов натрия и хлора. Атомов хлористого натрия в природе нет. Вещество хлористого натрия построено из молекул натрий хлор. Кристаллы каменной соли состоят из чередующихся вдоль осей куба атомов натрия и хлора. При кристаллизации, благодаря электромагнитным силам каждый из атомов в структуре кристалла стремится занять свое место.

Кристаллизация магмы происходила в прошлом и происходит сейчас при извержении вулканов в различных природных условиях. Когда магма затвердевает на глубине, тогда процесс её охлаждения идет медленно, возникают зернистые хорошо раскристаллизованные породы, которые называют глубинными. К ним относятся граниты, диариты, габбро, сияниты и перидотиты. Часто под влиянием активных внутренних сил Земли магма изливается на поверхность. На поверхности лава охлаждается гораздо быстрее, чем на глубине, поэтому условия для образования кристаллов менее благоприятны. Кристаллы менее прочные и быстро превращаются в метаморфические, рыхлые и осадочные породы.

Вприроде нет минералов и горных пород существующих вечно. Любая горная порода когда-то возникла и когда-нибудь её существованию приходит конец. Она не исчезает бесследно, а превращается в другую горную породу. Так, при разрушении гранита его частицы дают начало слоям песка и глины. Песок, будучи погружен в недра, может превратиться

впесчаник и кварцит, а при более высоком давлении и температуре дать начало граниту.

Вмире минералов и горных пород идет своя особая «жизнь». Есть минералы близнецы. Например, если обнаружен минерал «свинцовый блеск», то рядом с ним всегда окажется минерал «цинковая обманка». Такими же близнецами являются золото и кварц, киноварь и антимонит.

Есть минералы «враги» – кварц и нефелин. Кварц по составу соответствует кремнезему, нефелин – алюмосиликату натрия. И хотя кварц очень широко распространен в природе и входит в состав многих пород, но

134

он не «терпит» нефелина и некогда в месте с ним не встречается. Секрет антагонизма связан с тем, то нефелин недонасыщен кремнеземом.

В мире минералов известны случаи, когда один минерал оказывается агрессивным и развивается за счет другого, при изменении условий среды.

Минерал, попадая в иные условия, иногда оказывается недоустойчивым, и замещается другим минералом с сохранением первоначальной формы. Такие превращения часто происходят с пиритом, по составу соответствующим двусернистому железу. Обычно он образует кубические кристаллы золотистого цвета с сильным металлическим блеском. Под влиянием кислорода воздуха пирит разлагается в бурый железняк. Бурый железняк не образует кристаллов, но, возникая на месте пирита, сохраняет форму его кристалла.

Такие минералы шутливо называют «обманщиками». Научное их название – псевдоморфозы, или ложные кристаллы; форма их не характерна для слагающего минерала.

Псевдоморфозы свидетельствуют о сложных взаимоотношениях между разными минералами. Не всегда просты отношения и между кристаллами одного минерала. В геологических музеях вы, наверно, не раз восхищались красивыми сростками кристаллов. Такие сростки называются друзами, или горными щетками. На месторождениях минералов они являются объектами азартной «охоты» любителей камня – и начинающих, и опытных минералогов (рис. 6.1.4).

Друзы очень красивы, поэтому вполне понятен такой интерес к ним. Но дело не только во внешней привлекательности. Давайте посмотрим, как образуются эти щетки кристаллов, выясним, почему кристаллы своей вытянутостью всегда располагаются более или менее перпендикулярно к поверхности нарастания, почему в друзах нет или почти не бывает кристаллов, которые лежали бы плашмя или росли косо. Казалось бы, при образовании «зародыша» кристалла он должен лечь на поверхность нарастания, а не становиться на ней вертикально.

Рис. 6.1.4. Схема геометрического отбора растущих кристаллов при образовании друзы (по Д. П. Григорьеву).

135

Все эти вопросы хорошо объясняет теория геометрического отбора кристаллов известного минералога — профессора Ленинградского горного института Д. П. Григорьева. Он доказал, что на образование друз кристаллов влияет ряд причин, но в любом случае растущие кристаллы взаимодействуют друг с другом. Одни из них оказываются «слабее», поэтому их рост вскоре прекращается. Более «сильные» продолжают расти, и чтобы их не «стесняли» соседи, они тянутся вверх.

Каков же механизм образования горных щеток? Каким путем многочисленные разноориентированные «зародыши» превращаются в небольшое число крупных кристаллов, расположенных более или менее перпендикулярно к поверхности нарастания? Ответ на этот вопрос можно получить, если внимательно рассмотреть строение друзы, состоящей из зонально окрашенных кристаллов, то есть таких, в которых изменения окраски выдают следы роста.

Присмотримся к продольному разрезу друзы. На неровной поверхности нарастания виден ряд зародышей кристаллов. Естественно, что удлинения их соответствуют направлению наибольшего роста. Вначале все зародыши, независимо от ориентировки, росли с одинаковой скоростью в направлении вытянутости кристаллов. Но вот кристаллы начали соприкасаться. Наклоненные быстро оказались стиснутыми своими вертикально растущими соседями, для них не оставалось свободного пространства. Поэтому из массы разноориентированных мелких кристаллов «выживали» только те, которые были расположены перпендикулярно или почти перпендикулярно к поверхности нарастания. За сверкающими холодным блеском друзами кристаллов, хранящихся в витринах музеев, скрывается долгая, полная коллизий жизнь...

Еще одно замечательное минералогическое явление – кристалл горного хрусталя с пучками включений минерала рутила. Большой ценитель камня А. А. Малахов говорил, что «когда поворачиваешь этот камень в руках, кажется, что заглядываешь на морское дно сквозь глубины, пронизанные солнечными нитями». Такой камень на Урале называют «волосатиком», а в минералогической литературе он известен под пышным именем «Волос Венеры».

Процесс формирования кристаллов начинается на некотором удалении от очага огненной магмы, когда в трещины горных пород попадают горячие водные растворы с кремнием и титаном. В случае понижения температур раствор оказывается пересыщенным, из него одновременно выпадают кристаллы кремнезема (горный хрусталь) и окиси титана (рутил). Этим и объясняется пронизывание горного хрусталя иглами рутила. Минералы кристаллизуются в определенной последовательности. Иногда они выделяются одновременно, как при образовании «Волос Венеры».

136

В недрах Земли и в настоящее время идет колоссальная разрушительная и созидательная работа. В цепях бесконечных реакций рождаются новые вещества – элементы, минералы, горные породы. Магма мантии устремляется из неведомых глубин в тонкую оболочку земной коры, прорывает её, стремясь найти выход на поверхность планеты. Волны электромагнитных колебаний, потоки нейронов, радиоактивные излучения струятся из земных недр. Именно они стали одними из главных в зарождении и развитии жизни на Земле.

Зарождение жизни

На протяжении длительного времени, вероятно, около двух миллиардов лет, в водной среде происходили реакции взаимодействия растворенных органических и неорганических веществ с образованием все более сложных органических соединений вплоть до возникновения живой материи – жизни. При этом многие растворенные соли, как и не растворимые в воде осадки, на поверхности которых адсорбировались органические вещества, были катализаторами.

Устанавливались определенные закономерности суточной, сезонной и годовой изменчивости термического и химического состава вод. В заболоченных участках суши при наличии в атмосфере смеси газов водорода, аммиака, метана, паров воды под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца появились условия для возникновения жизни.

Среди сложных органических соединений в первичных водоемах до появления жизни возникли и находились в растворе: сахара, кислоты жирного ряда, липоиды, порфирины, аминокислоты, нуклеиновые кислоты, органофосфорные соединения и др. Их полимеризация и дальнейшее усложнение состава привели в конце концов к возникновению сложных высокомолекулярных полимеров, до некоторой степени сходных по своему аминокислотному строению с белками. Процессу их полимеризации способствовало каталитическое действие глинистых частиц ила, кристалликов кварца, гидроокиси железа.

Возникновение этих сложных органических соединений шло, конечно, совсем иными путями, чем оно происходит теперь в живых организмах. Эта абиогенная очень длительная во времени (может быть, 2 млрд. лет) стадия органо-химической эволюции углеродистых соединений качественно отличалась от последующей биогенной стадии.

На поздней стадии абиогенной эволюции разнообразные сложные белково-подобные полимеры соединялись в многомолекулярные ассоциации. Эти ассоциации выделялись из общего раствора – сначала в виде плавающих капель (коацерватов), затем в виде масс, адсорбированных плавающими глинистыми частицами и скопляющихся на дне водоема, составляя более или менее значительную часть донного ила.

137

«Образование коацерватов в водах земной гидросферы, – пишет акад. А.И. Опарин, – явилось весьма важным этапом в эволюции первичных органических веществ и в процессе возникновении жизни. До этого органическое вещество было неразрывно слито с окружающей средой, равномерно распределено во всем объеме растворителя.

При образовании коацерватов молекулы органических полимеров сконцентрировались в определенных пунктах пространства и отделились из окружающей среды более или менее резкой границей. Только при этих условиях, вблизи границ не засыхающих водоемов могли возникнуть живые системы, мог возникнуть биологический обмен веществ и самовоспроизведение вещества.

Необходимым условием для возникновения жизни были неглубокие, не пересыхающие в течение года водоемы, равномерное распределение отсортированных, плавающих глинистых частиц и скопление сложных белково-подобных полимеров, которые соединялись в многомолекулярные ассоциации, а также присутствие электромагнитной энергии солнца в суточном ритме.

Академик А.И. Опарин выделяет четыре качественно различные ступени поступательной эволюции исходных коацерватных систем:

1)возникновение способности их к самосохранению в условиях постоянного взаимодействия с внешней средой;

2)возникновение систем, способных не только к самосохранению, но и

кувеличению (росту) своей массы за счет веществ окружающей внешней среды;

3)приобретение системами не только динамической устойчивости, но свойств, все большей и большей динамичности, когда совершающиеся в них реакции стали протекать все с большей скоростью.

При быстром и массовом разрастании исходных систем начал происходить естественный отбор только тех из них, в которых реакции распада и синтеза согласовывались между собой так, что возникали стационарные, постоянно повторяющиеся цепи и циклы, что приводило к постоянно повторяющемуся новообразованию того или иного продукта обмена.

На этой основе и возникла характерная для живых существ

способность к самовоспроизведению. «С этого момента, – пишет А.И. Опарин,— можно говорить о возникновении жизни, и на этой стадии эволюции материи естественный отбор в полной мере приобрел свой биологический смысл».

Значительно позже живое вещество приобрело свойство биогенного фотосинтеза, а вместе с тем и стало создавать те ярко выраженные окислительные условия на земной поверхности, которые характерны для настоящего времени. Эти окислительные условия возникли не сразу. Они создавались в течение длительного геологического времени, может быть в

138

течение сотен миллионов лет. Следовательно, между этапом восстановительных условий в земной атмосфере и гидросфере и этапом окислительных условий выделяется переходная стадия.

Некоторые авторы (Г. Тоде, например) приходят к выводу, что коренной переход от восстановительных условий к окислительным в земной атмосфере наступил только 700-800 млн. лет назад, т.е. когда на Земле уже существовала значительно развитая жизнь и начался фотосинтез. По-видимому, это относится к середине протерозоя. Если возраст нашей планеты определяется в 3,4-5,3 млрд. лет, то, следовательно, на значительную часть ее существования приходится восстановительный характер атмосферы и гидросферы.

По мере того как в ходе эволюции организмов возникали фотоавтотрофные формы, способные при помощи длинноволновой радиации солнечного света разлагать воду, освобождая в молекулярной форме кислород, восстановительные условия на поверхности Земли постепенно заменились окислительными. Это был весьма существенный момент в истории нашей планеты, это была переломная стадия между двумя совершенно различными этапами в истории атмосферы – переход от восстановительного к окислительному периоду. Такой же переломной стадией это было и в жизни гидросферы и, в частности, подземных вод.

Вэту переходную стадию «в атмосфере, – пишет А.И. Опарин, – в изобилии находились углекислый газ, водород, метан и другие газообразные вещества, образовавшиеся при различного рода брожениях.

Вводах морей и океанов в растворенном состоянии присутствовали этиловый спирт, различные органические кислоты и другие, не утилизируемые уже более отходы анаэробного обмена. Частично в растворе, частично в осадках находились карбонаты и ряд сохранившихся и заново восстановленных неорганических соединений (как, например, закись железа), а также первично сохранившиеся и возникшие биогенно аммиак, сероводород и т.д.

Все эти вещества в отсутствии свободного кислорода были малодоступными для живых существ. Только возникшие уже к этому времени первичные фотосинтетики могли весьма широко и почти монопольно использовать разнообразные органические отходы брожения и такие соединения, как метан и водород, для восстановления фиксируемой ими углекислоты, построения компонентов своей биомассы».

Вэтого время усиливается процесс совершенствования аппарата обмена веществ и общей эволюции фотоавтотрофных организмов. Начался

процесс все более интенсивного биохимического поглощения СО2 из атмосферы и выделения О2. В результате этого процесса концентрация

139

кислорода в атмосфере значительно возросла, а концентрация двуокиси углерода уменьшилась. С увеличением концентрации О2 в атмосфере началось окисление многих газов (СО, SО2, NH3, Cl, HC1, углеводородов и других летучих органических веществ). Окисление СО и NH3 расширило участие углерода и азота в циклических процессах, связанных с живым веществом. На поверхности Земли, в её атмосфере и гидросфере постепенно вместо восстановительной, возникла окислительная среда.

Вместе с этим начался процесс развития хемоавтотрофных организмов, использующих восстановленные неорганические соединения за счет энергии реакции окисления их свободным кислородом: окисление сероводорода серными бактериями, аммиака – микробаминитрификаторами, перевод закисного железа в окисное железобактериями, окисление водорода и метана водородными и метановыми бактериями.

Резкое нарастание количества органического вещества на Земле в связи с возникновением биологического фотосинтеза, в свою очередь, явились причиной нового этапа обильного и многообразного развития гетеротрофных организмов, в т.ч. животных. Они питались готовым органическим веществом, но уже не в анаэробных, а аэробных условиях.

Со времени возникновения жизни на Земле живому веществу принадлежит исключительно большая роль в разделении изотопов таких элементов, как О, С, S, Н. Так, более тяжелый изотоп О18 углекислоты концентрируется в растительных тканях, а более легкий изотоп О16 воды в результате фотосинтеза и разложения воды поступает в атмосферу. В результате фотосинтеза происходит преимущественное поглощение и связывание органическим веществом легкого изотопа С12. Тяжелый изотоп С13 углекислоты, наоборот, накопляется в таких её соединениях, как известняки, доломиты и др. Это приводит к минимальному содержанию С13 в углях, жидких и твердых битумах и т.д.

Благодаря оптимальной температуре, грозовым разрядам, усиленному ультрафиолетовому облучению относительно простые молекулы органических соединений при взаимодействии с веществами усложнялись и образовывались углеводы, аминокислоты, белки и нуклеиновые кислоты.

Возможность такого синтеза была доказана опытами А.М. Бутлерова, который еще в середине прошлого столетия получил синтетическим путем углеводы (сахар). В 1953-1957гг. химиками различных с (США, СССР, Германии) в целом ряде экспериментов из смеси (аммиака, метана, водяного пара, водорода) при 70-80°С и давлении несколько атмосфер под воздействием электрических разрядов напряжением 60 тыс. вольт и ультрафиолетовых лучей были синтезированы органические кислоты, в том числе аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты), которые являются материалом для образования белковой молекулы. Таким образом, были смоделированы условия первичной

140

атмосферы Земли, при которых могли образовываться аминокислоты, а при их полимеризации – и первичные белки.

Эксперименты в этом направлении оказались перспективными. В дальнейшем (при использовании других соотношений исходных газов и видов энергии) путем реакции полимеризации из простых молекул получали более сложные молекулы: белки, липиды, нуклеиновые кислоты и их производные, а позже была доказана возможность синтеза в условиях лаборатории и других сложных биохимических соединений, в том числе белковых молекул (инсулина), азотистых оснований нуклеотидов. Особенно важно то, что «лабораторные эксперименты совершенно определенно показали возможность образования белковых молекул в условиях отсутствия жизни».

Живому веществу на Земле за все время его существования принадлежит огромная роль в круговороте воды на Земле и в формировании химического состава природных водных растворов, особенно таких, как воды океана. На протяжении от второго и до последнего этапов истории земной атмосферы продолжался процесс выделения из магматических пород паров воды, инертных газов и распад радионуклидов. Выделявшиеся из магматических пород водяные пары, выпадавшие затем в виде осадков, создавали на поверхности Земли все расширявшиеся водоемы.

Образование океанических впадин. В начальный период существования твердой земной коры она не была столь гетерогенна или, употребляя термин В.И. Вернадского, асимметрична.

Суша прежде занимала гораздо больше поверхности; водоемы не носили характера современных океанов, а имели характер неглубоких эпиконтинентальных морей. Общее количество воды было значительно меньше. Современные океанические впадины развивались вследствие тектонических движений земной коры и стока поверхностных вод.

Геологические доказательства более широкого распространения суши в прошлом и факты недавних опусканий суши и дна океанов позволяют сделать выводы, что раньше на поверхности Земли глубоких океанов не было вообще, и на их месте находились мелководные морские бассейны, меньшие по площади, чем современные океаны. С течением времени происходил процесс углубления океанических впадин, охватывающий огромные площади и не компенсированный накоплением осадков. Он и привел к образованию океанических впадин. Все более подтверждающиеся в геологии факты молодости океанических впадин и более значительного распространения суши в былые времена приводят к выводу о прогрессивном увеличении количества воды на Земле в течение геологической истории. Это увеличение происходило за счет выделения из

141

магм, сначала из гранитной магмы при формировании первичной гранитной коры (главным образом в архее), затем все более и более из базальтовой магмы.

Особенно заметное увеличение массы океанической воды произошло за время мезозоя и кайнозоя, особенно кайнозоя. Выделение воды в указанные эры происходило главным образом из базальтовой лавы при ее подъеме в процессе опускания дна океанических впадин. Видимо, так шло пополнение водами современного Мирового океана.

В архее (около 1-1,3 млрд. лет назад) дифференциация вещества во внешних сферах земной планеты заключалась в образовании гранитной коры на поверхности, с некоторым выделением воды из магмы и, следовательно, с образованием на гранитной коре гидросферы. Этот процесс особенно энергично стал протекать, начиная со времени около 200 млн. лет назад.

Подводя итог, можно выделить пять этапов в развитии литосферы, атмосферы и гидросферы Земли. В каждом из них атмосфера и гидросфера играли различную роль в ходе общих геологических процессов. При этом на каждом последующем этапе эта роль все более усложняется.

На первом этапе, на протяжении 1,5 млрд. лет (от 5 млрд. до 3,5 млрд. лет назад) гидросферы как отдельной составной части земной поверхности не существовало, водяные пары составляли лишь элемент земной атмосферы. Состав атмосферы менялся на разных стадиях этого этапа в зависимости от термического состояния Земли; в целом атмосфера имела восстановительный характер. Так называемые экзогенные геологические процессы стали возможны только во второй половине этого этапа, когда образовалась твердая земная кора.

На втором этапе, на протяжении следующих 1,5 млрд. лет (от 3,5 до 2 млрд. лет назад) температура на земной поверхности снизилась до 100 С. Стало возможно существование капельножидкой воды и водоемов на поверхности Земли. К химической деятельности водяных паров атмосферы на поверхности Земли добавилась растворяющая деятельность горячей капельножидкой воды, как на поверхности, так и в недрах Земли.

На третьем этапе, на протяжении 1,2 млрд. лет (от 2 млрд. до 800 млн. лет назад) зарождается и развивается жизнь на Земле; возникает биосфера. По мере развития жизни меняется характер атмосферы и гидросферы. Увеличивается количество воды на поверхности Земли и в атмосфере. Все возрастающая роль свободного кислорода и геохимическая роль организмов резко меняют и очень усложняют характер всех геологических процессов на поверхности Земли и в недрах её твердой коры.

На четвертом этапе, на протяжении 600 млн. лет (от 800 до 200 млн. лет назад) от середины протерозоя до начала мезозоя на Земле

142

уже существовала значительно развитая жизнь. Начался и все более интенсивно развивался органический фотосинтез, что привело в начале этого этапа к коренному переходу от восстановительных к окислительным условиям в атмосфере и гидросфере. За это время геологические и геохимические процессы на поверхности Земли и в недрах её коры по своему характеру делаются все более близкими к современным.

На пятом этапе, на протяжении последних 200 млн. лет (от 200 млн. лет назад до современности) происходит резкое увеличение воды на Земле

– этого сильнейшего растворителя и фактора геохимической миграции элементов. Возникают океанические впадины. Создаются современные особенности взаимоотношений атмосферы, гидросферы и литосферы, в которых все большее значение имеет биосфера, а в самом конце этого этапа и ноосфера, т.е. преобразующая деятельность человека.

Смомента появления человека начинается 6-й этап – антропогенный.

6.2.Биосфера Земли

Характеристика и состав биосферы

Вбуквальном переводе термин «биосфера» обозначает «сферу жизни».

Втаком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности, «пространство жизни», «картина природы», «живая оболочка Земли» и его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете. Иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина биосфера Э.Зюсс в своей книге «Лик Земли», опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909), не замечал обратного воздействия биосферы на литосферу.

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль организмов в образовании земной коры, был Ж.Б. Ламарк. Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений. Возникла новая наука – экология, которая изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды.

Биосфера является определенной природной системой, а её существование, в первую очередь, выражается в круговороте энергии и веществ, при участии живых организмов.

143

Очень важным для понимания биосферы было установление способов питания живых организмов:

автотрофное – построение организма за счет использования веществ неорганической природы;

гетеротрофное – строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;

миксотрофное – смешанный тип построения организма (автотрофиогетеротрофный).

Биосфера (в современном понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.

Атмосфера имеет несколько слоев:

-тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9-17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;

-стратосфера;

-ионосфера – там «живое вещество» отсутствует.

Преобладающие элементы химического состава атмосферы: азот (78%), кислород (21%) и углекислый газ (0,03%).

Гидросфера – водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мг/л растворимых веществ. Преобладающие элементы химического состава гидросферы: натрий, магний, кальций, хлор, сера, углерод. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит натрию, фосфору, кремнию, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными

144

частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы. Преобладающие элементы химического состава литосферы: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий и калий.

Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% её объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. В количественном отношении земная кора – это «царство» кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным.

На рубеже XIX - XX вв. в науку все шире проникают идеи целостного подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод её изучения. Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых факторов на абиотические условия. Так, состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют её структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой – сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача – конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863-1945).

В.И. Вернадский о биосфере и «живом веществе»

Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В.И.Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И.Вернадский включает сюда и

146

проявляется «в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно»;

-только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч.Дарвина (1859 г.);

-живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.

В современных терминах это явление можно описать как необратимость изменений, которые присущи любому процессу эволюции

иразвития.

Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные биокосные тела, например, почвы, наземные и подземные воды и т.д. Это подтверждается тем, что почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и тем более нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.

Биогенная миграция химических элементов

Фридрих Энгельс дал классическое определение жизни: «жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь».

Вернадский В.И. работу живого вещества рассматривал в 2-х формах: химической (биохимической) и механической.

Биохимическая деятельность живого вещества связана с построением тел организмов и перевариванием пищи. По подсчетам биолога П.Б. Гофмана-Кадошникова, в течение жизни человека через его тело проходит 75 т воды, 17 т углеродов, 2,5 т белков и 1,3 т жиров. Между тем по геохимическому эффекту своей физиологической деятельности человек отнюдь не самый важный вид разнородного живого вещества биосферы. Геохимический эффект физиологической деятельности организмов обратно пропорционален их размерам, и наиболее значимой оказывается деятельность прокариотов – бактерий и цианобактерий.

Большое значение имеет также количество пропускаемого через организм вещества. В этом отношении максимальный геохимический эффект на суше имеют грунтоеды, а в океане – илоеды и фильтраторы. Еще Чарлз Дарвин подсчитал, что слой экскрементов, выделяемых дождевыми червями на плодородных почвах Англии, составляет около 5 мм в год! Таким образом, почвенный пласт мощностью в 1 м дождевые

147

черви полностью пропускают через свой кишечник за 200 лет. В океане с дождевыми червями по «пропускной способности» могут конкурировать их близкие родственники, представители того же типа кольчатых червей – полихеты, а также ракообразные. Достаточно 40 экземпляров полихет на 1 м2, чтобы поверхностный слой донных осадков мощностью в 20-30 см ежегодно проходил через их кишечник. Субстрат при этом существенно обогащается кальцием, железом, магнием, калием и фосфором по сравнению с исходными илами.

Копролиты (ископаемые остатки экскрементов) известны в геологических отложениях, начиная с ордовика, однако бесспорно, что большинство их при геологических описаниях не учитывается. Происходит это из-за слабой изученности вопроса и из-за отсутствия диагностических признаков для определения копролитов.

В донных отложениях современных водоемов фекальные комочки беспозвоночных распространены очень широко и нередко являются основной частью осадка. В южной Атлантике, например, илы почти нацело слагаются фекалиями планктонных ракообразных, а по берегам Северного моря донные осадки, образованные фекалиями мидий, имеют мощность до

8 м.

Механическая биогенная миграция атомов проявляется в наземных экосистемах с хорошо развитым почвенным покровом, позволяющим животным создавать глубокие укрытия (гнездовые камеры термитов, например, расположены на глубине 2-4 м от поверхности). Благодаря выбросам землероев, в верхние слои почвы попадают первичные невыветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в биологический круговорот. Недаром известный геолог Г.Ф. Мирчинк (1889-1942) называл сурка «тарбагана» лучшим геологом Забайкалья. Его норы окружены «коллекциями» горных пород, добытых с глубины нескольких метров. Понятие «нора» и «гнездо» обычно ассоциируются у нас с грызунами и птицами. Между тем механическая биогенная миграция атомов распространена не только в наземных, но и в морских экосистемах, и здесь ее роль, может быть, еще более значительна. И на дне моря организмы строят себе укрытия, причем не только в мягком, но и в скальном грунте. Олигохеты и полихеты углубляются в грунт на 40 см и более. Двустворчатые моллюски зарываются обычно неглубоко, но некоторые из них – солениды и миа – роют норы в скальных породах, которые достигают глубины нескольких метров. Сверлят скальные породы водоросли и губки, бактерии и моллюски, полихеты, морские ежи и рачки.

Сверлильщики появились в далеком геологическом прошлом. Источенные ими породы находят даже в докембрийских отложениях; и поныне они продолжают свою разрушительную работу. Сверлящая деятельность моллюсков фолад вызывает иногда катастрофические последствия. Когда в районе Сочи в результате непродуманного

148

строительства берег обнажился от гальки, он начал отступать со скоростью до 4 м в год. Главным виновником разрушения были фолады, которые заселили каждый метр скального берега, сложенного глинистыми сланцами, и принялись дружно сверлить себе подводные норки. К счастью, был найден выход: берег стали укреплять поперечными стенками, а между ними засыпать гальку. В результате сверлильщики были уничтожены, движущаяся под ударами волн галька перемолола их. В Западной Европе не менее опасную деятельность проводит случайно завезенный из Китая мохнаторукий краб – он проник во многие реки, и, строя свои норы, подрывает берега и разрушает плотины.

К механической биогенной миграции можно отнести и перемещение самого живого вещества. Сюда относятся сезонные перелеты птиц, перемещения животных в поисках корма, массовые миграции животных. Естественно, что все эти разнообразные формы движения живого вызывают и транспортировку небиогенного вещества.

Вернадский, как мы видели, подразделял процессы, осуществляемые в биосфере живым веществом, по характеру самих процессов.

Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных положения, которые Владимир Иванович называл «биогеохимическими принципами»:

I-й принцип: «Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению».

II-й принцип: «Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы».

III-й принцип: «В течение всего геологического времени заселение живым веществом планеты было максимальным для конкретных природно-климатических условий».

Развитие органического мира

Возраст Земли исчисляется примерно 5 млрд. лет. Жизнь существует на Земле, видимо, более 3,5 млрд. лет. Признаки деятельности живых организмов обнаружены в докембрийских породах, рассеянных по всему земному шару. Происхождение жизни связано с протеканием определенных химических реакций на поверхности первичной планеты. По мере химической эволюции на Земле активное участие принимает кислород. С накоплением его в атмосфере восстановленные органические соединения начали окисляться, в последующем давая начало аминокислотам. Анализ возможных оценок количества органического вещества, которое накопилось неорганическим путем на ранней Земле, впечатляет: по некоторым расчетам за 1 млрд. лет на каждый квадратный сантиметр земной поверхности образовалось несколько килограммов органических соединений.

149

Возникновение простейших форм жизни. Главная проблема в учении о происхождении жизни состоит в объяснении возникновения матричного синтеза белков. Жизнь возникла не тогда, когда образовались пусть даже очень сложные органические соединения, отдельные молекулы ДНК, а тогда, когда начал действовать механизм ковариантной редупликации. Завершение процесса биогенеза связано с возникновением у более стойких органических соединений способности к самовоспроизведению составных частей (матричный синтез белка, характерен для живых организмов).

В ходе предбиологического отбора наибольшие шансы на сохранение имели те органические структуры, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению.

Переход к матричному синтезу белков был величайшим качественным скачком в эволюции материи.

Строение нуклеиновых кислот изменялось в направлении преимущественного «размножения» систем, в которых строение нуклеиновых кислот осуществлялось с участием ферментов. На этом пути и возникает характерный для живых существ циклический обмен веществ. В системе биоорганических структур происходил и отбор кислот по наиболее удачному сочетанию последовательности нуклеотидов. На этом пути формировались гены, самовоспроизводящиеся системы. Знание условий, которые способствовали возникновению жизни на земле, позволяет понять, почему в наше время невозможно появление живых существ из неорганических систем.

Внашу эпоху отсутствуют условия для синтеза и усложнения органических веществ, простые соединения, которые могли бы где-то образоваться, сразу же были бы использованы гетеротрофами. Теперь живые существа появляются только вследствие размножения. Возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами (ускорение эволюции во времени). Так, развитие от первичных протобионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд. лет, тогда как с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн. лет; птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн. лет, приматы выделились за 12-15 млн. лет, для становления человека потребовалось около 3 млн. лет.

Впроцессе эволюции световая энергия постепенно стала использоваться для усиления обмена, в частности, для образования органических соединений, которые могут сначала накапливаться, а затем расщепляться с освобождением энергии. На этом пути и шел процесс образования хлорофилла и фотосинтеза. Фотосинтез обеспечивал организму поглощение необходимой энергии от Солнца, стимулировал питание за счет поглощения из внешней среды таких веществ, как вода, углекислый газ и минеральные соединения.

150

Первыми фотосинтетиками на нашей планете были, видимо, цианеи, а затем зеленые водоросли. Остатки их находят в породах архейского возраста (около 3 млрд. лет назад). В протерозое в морях обитало много разных представителей зеленых и золотистых водорослей. В это же время, видимо, появились первые прикрепленные ко дну водоросли.

Переход к фотосинтезу и автотрофному питанию был великим революционным переворотом в эволюции живого. Значительно увеличилась биомасса Земли. В результате фотосинтеза кислород уже в значительных количествах стал выделяться в атмосферу. Первичная атмосфера Земли не содержала свободного кислорода, и для анаэробных организмов он был ядом. Потому многие анаэробные одноклеточные, питаясь, выделяли не кислород, а метан. Другие организмы приспособились к кислороду, получив огромное преимущество в способности запасать энергию (аэробные клетки выделяют энергии в 10 раз больше, чем анаэробные). Благодаря фотосинтезу в органическом веществе Земли накапливалось все больше и больше энергии солнечного света, что способствовало ускорению биологического круговорота веществ и ускорению эволюции в целом.

Переход к фотосинтезу потребовал много времени. Он завершился примерно 1,8 млрд. лет назад и привел к важным преобразованиям на Земле: первичная атмосфера земли сменилась вторичной, кислородной; возник озоновый слой, который сократил воздействие ультрафиолетовых лучей, на биосферу. Постепенно изменился состав морской воды – он стал менее кислотным.

С «кислородной революцией» связан и переход от прокариотов к эукариотам. Первые организмы были прокариотами. Это были такие клетки, у которых не было ядра, деление клетки не включало в себя точной дупликации генетического материала (ДНК), через оболочку клетки поступали только отдельные молекулы. Прокариоты – это простые, выносливые организмы, обладавшие высокой вариабельностью, способностью к быстрому размножению, легко приспосабливающиеся к изменяющимся условиям природной среды.

Новая среда стабилизировалась. Изменилась первичная атмосфера. Организмы генетически приспосабливались к новым условиям. На формирование генетической стабильности потребовалось 1,8 млрд. лет. У эукариотов ДНК стала собираться в хромосомы, а хромосомы сосредотачиваться в ядре клетки. Такая клетка могла воспроизводиться без существенных изменений.

Появление многоклеточных организмов

(растительных и животных сообществ)

Ярчайшим событием в эволюции форм живого являлся выход растений и живых существ из воды и последующее образование большого

151

разнообразия наземных растений и животных. Из них в дальнейшем и происходят высокоорганизованные формы жизни.

Переход к наземной среде обитания требовал соответствующих изменений, т.к. вес тела на суше больше, чем в воде, и воздух, в отличие от воды не содержит питательных веществ. Кроме этого, сухой воздух иначе, чем вода, пропускает через себя свет и звук.

Новейшая эволюция эукариотов была связана с разделением на растительные и животные клетки. Важным этапом развития жизни и усложнения её было возникновение примерно 900 млн. лет назад полового размножения. Половое размножение состоит в механизме слияния ДНК двух индивидов и последующего перераспределения генетического материала, при котором потомство похоже на родителей, но им не идентично. Достоинство полового размножения в том, что оно значительно повышает видовое разнообразие и резко ускоряет эволюцию, позволяя быстрее и эффективнее приспосабливаться к изменениям среды.

Внутри семени зародыш мог находиться достаточно долго, пока растение не рассеет семена, и они не попадут в благоприятные условия произрастания. И тогда росток раздувает семенную оболочку, прорастает и питается запасами до тех пор, пока его корни и листья не станут сами поддерживать и питать растение. Так у всех семенных растений исчезает зависимость процесса полового размножения от наличия водной среды.

Переход к семенному размножению связан с рядом эволюционных преимуществ: диплоидный зародыш в семенах защищен от неблагоприятных условий наличием покровов и обеспечен пищей, а семена имеют приспособления для распространения животными и др.

В дальнейшем происходит специализация опыления (с помощью насекомых) и распространение семян и плодов животными, усиление защиты зародыша от неблагоприятных условий, обеспечение пищей, образование покровов и др. В раннем меловом периоде у некоторых растений улучшается система защиты семян путем образования дополнительной оболочки.

Возникновение покрытосеменных было связано с совершенствованием процесса оплодотворения: с переходом к тому, чтобы пыльцу переносил не ветер, а животные (насекомые). Это потребовало значительных трансформаций растительного организма. Такой организм должен содержать средства сигнализации животным о себе, привлечения животных к себе, чтобы затем отнести пыльцу на другое растение того же вида, и, в конце концов, животное должно само что-либо при этом получить для себя (нектар или пыльцу).

Весь этот комплекс вопросов решался на пути возникновения огромного множества прекрасных и разнообразных покрытосеменных (цветковых) растений: цветки каждого растения по внешнему (форме, окраске) виду (и запаху) должны отличаться от цветков прочих растений.

152

Цветковым растениям свойственна высокая эволюционная пластичность, разнообразие, порождаемые опылением насекомыми. Постепенно распространяясь, цветковые растения завоевали все материки, победили в борьбе за сушу. В этом главную роль играл цветок, обеспечивавший привлечение насекомых-опылителей. Кроме того, цветковые имеют развитую проводящую систему: плод, зародыш цветковых имеют значительные запасы пищи, что обеспечивает развитие зародыша и семени. В кайнозое формируются близкие к современным ботанико-геологические области. Покрытосеменные достигают господства. Леса получают наибольшее распространение на Земле. Территория Европы была покрыта пышными лесами: на севере преобладали хвойные, на юге – каштаново-буковые леса с участием гигантских секвой.

Географические области (ландшафты) изменялись в зависимости от изменений климата. При потеплении теплолюбивые растения распространялись на север, а при похолодании – на юг.

Значительным шагом в дальнейшем усложнении организации живых существ было появление примерно 700-800 млн. лет назад многоклеточных организмов с дифференцированным телом, развитыми тканями, органами, которые выполняли определенные функции. Первые многоклеточные животные представлены сразу несколькими типами: губки, кишечно-полостные, плеченогие, членистоногие.

Многоклеточные происходят от колониальных форм одноклеточных жгутиковых. Эволюция многоклеточных шла в направлении совершенствования способов передвижения и лучшей координации деятельности клеток, совершенствования способов дыхания и др.

В протерозое и в начале палеозоя растения населяют в основном моря. Среди прикрепленных ко дну встречаются зеленые и бурые водоросли, а в толще воды – золотистые, красные и другие водоросли. В кембрийских морях уже существовали почти все основные типы животных, которые впоследствии лишь специализировались и совершенствовались. Облик морской фауны определяли многочисленные ракообразные, губки, кораллы, иглокожие, разнообразные моллюски, плеченогие, трилобиты. В теплых и мелководных морях обитали многочисленные кораллы, значительного развития достигли головоногие моллюски – существа, похожие на современных кальмаров, длиной в несколько метров. В конце ордовика в море появляются крупные плотоядные, достигавшие 10-11 м в длину. В ордовике, примерно 500 млн. лет назад, появляются и первые животные, имеющие скелеты, позвоночные. Это было значительной вехой в истории жизни на Земле.

Первые позвоночные возникли в мелководных пресных водоемах, и уже затем эти пресноводные формы завоевывают моря и океаны. Первые позвоночные – мелкие (около 10 см длиной) существа, бесчелюстные

153

рыбообразные, покрытые чешуей, которая помогала защищаться от крупных хищников (осьминогов, кальмаров).

Дальнейшая эволюция позвоночных шла в направлении образования челюстных рыбообразных, которые быстро вытеснили большинство бесчелюстных. В девоне возникают и двоякодышащие, которые были приспособлены к дыханию в воде, но обладали легкими. Как известно, к хрящевым относятся акулы. Костистые рыбы представляют собой наиболее многочисленную группу рыб, в настоящее время преобладающую в морях, океанах, реках, озерах. Некоторые пресноводные (двоякодышащие рыбы), очевидно, и дали жизнь сначала первичным стегоцефалам, а затем и сухопутным позвоночным. Таким образом, первые амфибии появляются в девоне. В девоне возникает и другая чрезвычайно прогрессивная группа животных – насекомые.

156

Образование насекомых свидетельствовало о том, что в ходе эволюции сложилось два разных способа решения задач укрепления тела и совершенствования форм отражения. У позвоночных роль каркаса выполняет внутренний скелет, у высших форм беспозвоночных насекомых

– наружный. Что касается форм отражения, то у насекомых чрезвычайно сложная нервная система с разбросанными по всему организму огромными и относительно самостоятельными нервными центрами. У позвоночных отмечается развитие головного мозга и преобладание условных рефлексов над безусловными. Различие этих двух разных способов строения важнейших эволюционных задач в полной мере проявилось до перехода к жизни на суше. Вышедшие на сушу рептилии оказались перспективной формой. Они осваивали сушу. Некоторые рептилии становятся хищными, другие – растительными.

В меловом периоде возникают гигантские растительноядные динозавры (рис. 6.2). Особенно интенсивно развиваются морские рептилии в юре (ихтиозавры). Постепенно идет и завоевание воздушной среды. Насекомые начали летать еще в карбоне и около 100 млн. лет были единовластными в воздухе. И только в триасе появляются первые летающие ящеры. Пресмыкающиеся успешно осваивают воздушную среду. Возникают крупные насекомые. Некоторые летающие ящеры имели размах крыльев до 20м. В конце мезозоя возникают плацентарные млекопитающие.

Рис. 6.2. Диплодок достигал 30 м длинны и был одним из самых крупных животных, обитавших когда-либо на Земле.

В конце мезозоя в условиях похолодания сокращаются пространства, занятые богатой растительностью. Это влечет за собой вымирание сначала растительноядных динозавров, а затем и охотившихся на них хищных динозавров. В условиях похолодания исключительные преимущества получают теплокровные животные – птицы и млекопитающие. В палеоцене появляются первые хищные млекопитающие. В это же время некоторые виды млекопитающих «уходят» в море (китообразные,

157

ластоногие). От некоторых видов насекомоядных обособляется отряд приматов. В плиоцене встречаются уже все современные семейства млекопитающих.

В кайнозое формируются те важнейшие тенденции, которые привели к возникновению человека. Это касается возникновения стадного образа жизни, который был ступенькой к возникновению социального общения. Причем, если у насекомых биосоциальность вела к потере индивидуальности; то у млекопитающих, напротив, к подчеркиванию индивидуальных черт особи. В неогене на обширных открытых пространствах саванн Африки появляются многочисленные виды обезьян. Некоторые виды приматов переходят к прямохождению. Развитие сознания привело к тому, что они стали планировать свои действия.

Так в биологическом мире возникли предпосылки возникновения Человека и мира культуры.

Геология и геохимия дали возможность определить время существования переходных форм между человеком и теми животными, от которых произошли люди. Археология, изучая вещественные памятники древней материальной культуры человека, раскрывает историю развития человеческого общества. Самое главное, что отличает человека от животного, - высокоразвитое сознание, при помощи которого человек стал планировать свои действия, сознательно производить все необходимые ему средства существования и членораздельная речь. Однако, несмотря на множество общих признаков у человека с обезьянами, ни одна из ныне живущих обезьян не была предком человека.

6.3. Антропогенез. Эволюция мозга и развитие сознания

Эволюция человека, или антропогенез (от греч. anthropos —

человек, genesis — развитие) — это исторический процесс эволюционного становления человека. Науку, изучающую происхождение человека, называют антропологией, возникновение которой датируют XVIII в.

Эволюция человека качественно отличается от эволюции организмов других видов, ибо в ней действовали не только биологические, но и социальные факторы. Человек относится к разряду высших млекопитающих животных с развитым сознанием, способным не только осуществлять биологические функции, но и социальные.

Еще в начале XX в. И.И. Мечников отмечал, что «...теория происхождения человека может быть причислена к числу наиболее прочных научных теорий». Будучи связанным тесными узами кровного родства с животным миром, человек имеет свою биологическую предысторию. Однако человек имеет и качественные отличия от

158

животных. Эти отличия возникли под влиянием социальных факторов в процессе исторического развития человеческого общества.

Наследственная конституция человека сложилась в результате постепенного и длительного процесса эволюции. У непосредственных предшественников человека в процессе эволюции на базе генетической программы непрерывно возникали противоречия между их морфофизиологической организацией и формирующимися элементарными способами «инстинктивно-трудовой» деятельности. Разрешение этого противоречия путем естественного отбора вначале привело к изменениям передних конечностей, затем к развитию коры больших полушарий головного мозга и, наконец, к появлению сознания. Можно сказать, что это был первый, но решающий акт в завершении специализации генов на гены-структуры и гены-регуляторы, причем сознание обеспечило не только становление, но и дальнейшее развитие человека.

В последующем темпы биологического развития человека стали снижаться. Поскольку появление сознания обеспечивало новые формы и возможности приспособления к среде, это вело к уклонениям от действия естественного отбора, в результате чего биологическое развитие уступило место социальному развитию и совершенствованию. Как заметил в свое время К.А. Тимирязев, биологическая эволюция человека осталась за порогом его истории. Таким образом, современный человек является продуктом его генов и среды. Выйдя из природы, человек остался тесно связанным с ней.

Учение об антропогенезе тесно связано с учением о расогенезе. Вопреки научному пониманию расогенеза извращение научных представлений о происхождении рас ведет к расизму, в основе которого лежит реакционная идея о высших и низших расах.

После рамапитека современная антропология не располагает какимилибо ископаемыми останками, в результате чего еще невозможно составить полный эволюционный ряд для человека, хотя на территории Эфиопии и обнаружен, вероятно, самый ранний гоминид A. ramidus, возраст которого составляет около 4,4 млн. лет. Тем не менее, условно филогенез человека можно представить в виде ряда последовательных, сменяющихся одна за другой стадий (рис.6.3.1):

1.Предшественник – предки рода Homo, представляющие собой ископаемых обезьянолюдей – парантропов.

2.Архантропы – древнейшие люди, представленные ископаемыми остатками.

3.Палеантропы – древние люди, непосредственные предки Н. sapiens. представлены ископаемыми останками.

4.Неоантропы – ископаемые формы, связанные с культурами позднего палеолита (Н. sapiens fossilis) и ныне живущие формы (Н. sapiens ricens).

159

Эволюция предков человека была постепенной. Она проходила с разной скоростью в разные периоды.

Стадия предшественников. В 1924 г. в Южной Африке был обнаружен череп ископаемого гоминида, который по строению костей лицевого отдела и зубов принадлежал существу, занимавшему среднее положение между обезьяной и человеком. Это существо было названо парантропом или южной обезьяной, а позднее – австралопитеком (от лат. australis – южный, pithecus – обезьяна). Возраст южно-африканского австралопитека составляет около 3,0-2,3 млн. лет. Изучение скелетных останков этого существа показало, что его масса составляла 35-55 кг, зубы почти сходны с человеческими, а объем головного мозга – до 500 мл. Хотя объем головного мозга не достигает и половины объема мозга человека, он все же превышает объем мозга высших обезьян. Австралопитеки обладали способностью к прямохождению.

Ископаемые останки гоминид, которые характеризовались уменьшенными клыками, увеличенным мозгом и способностью к прямохождению, были обнаружены в 1978 г. в Восточной Африке (Танзания и Эфиопия). Их возраст составляет около 3,9-3,4 млн. лет. Эти останки, названные останками Люси, были отнесены к виду A. afarensis.

В1994 г. в Эфиопии были обнаружены останки существа, названного А.ramidus. Возраст этих останков 4,4 млн. лет, а его зубы более примитивны по сравнению с A. afarensis. Считают, что это существо обитало во время между расхождением эволюционных ветвей гоминид и понгид и появлением А.afarensis.

В1938 г. в Южной Африке были обнаружены ископаемые останки «сильного» (по нижней челюсти) австралопитека, которого называют сейчас А. robustus. Его рост составлял 150-155 см, масса – до 70 кг, а возраст – около 1,9-1,6 млн. лет.

Дарвин, Гексли и Геккель доказали происхождение человека от высших ископаемых обезьян. Движущей силой антропогенеза, как показал Энгельс, было развитие сознание и общественная трудовая деятельность древних людей. Это опровергает религиозно-идеалистические домыслы о божественном сотворении человека. Современная наука подтверждает общественно-трудовую теорию антропогенеза.

Этапы развития человека

Процесс возникновения и развития человека делят на ряд этапов.

1-й этап – автралопитеки, двуногое хождение, охота, систематическое использование естественных орудий, затем деятельность по их изготовлению.

Рис. 6.3.1. Генеалогическое древо приматов:

1 – насекомоядные, 2 – дриопитек африканский, 3 – рамапитек, 4 – австралопитек африканский, 5 – австралопитек боисей,

6, 7 – Н. erectus, 8 – неандерталец, 9,10 – Н. sapiens, 11 – узконосые обезьяны Старого Света, 12 – широконосые обезьяны Нового Света, 13 – лемуры, 14 – лори, 15 – долгопяты, 16 – орангутаны, 17 – гиббоны, 18 – гориллы, 19 – шимпанзе.

161

2-й этап – первобытное стадо, пятикантропы, синантропы, неандертальцы, систематическое изготовление искусственных орудий. Возникавшее общественное производство обусловливало появление сознания и речи, формировало конституцию человека. Становление человека продолжалось сотни тысяч лет (Юго-Восточная, Южная, Передняя Азия и Африка).

3-й этап – превращение первобытного стада в первобытное общество, а неандертальца – в человека современного типа.

Длительное время самые древние из пралюдей – австралопитеки и homo habilis (человек умелый), жившие стадами 2,5-3 млн. лет назад, применяли «природные» орудия и лишь немного подправляли и улучшали их. Они отличались прямохождением. Антропологи считают, что наши предки приобрели прямохождение вследствие того, что более систематически употребляли в качестве орудий различные предметы: палки, рога, камни, кости. Ч. Дарвин в 1871 г. дал естественнонаучное объяснение происхождения человека от животных предков и развил идею о постепенной эволюции человека от исходных биологических форм. Ему удалось доказать, что существует тесная связь между далекими протоантропами и современным человеком (homo sapiens – человек разумный).

Врамках биологической формы движения важнейшей предпосылкой антропогенеза является феномен так называемого неограниченного прогресса, т.е. существование в эволюции живой природы единой

магистральной линии от амебы до человека.

Втеории Дарвина ценной для понимания биологических предпосылок антропогенеза является идея о том, что элементарной единицей биологической эволюции выступает популяция, а не организм.

Популяция древних антропов состояла из особей, обладавших лабильным индивидуальным поведением и отличавшихся высокой степенью самостоятельности, способностью к изучению, т.е. к выработке условных рефлексов. В таких популяциях молодые особи выживают благодаря передаче им от родителей генетической информации о поведении и накоплении индивидуального опыта.

Популяция архантропов стала превращаться в человеческое общество только тогда, когда научилась передавать индивидуальный опыт и тем самым накапливать опыт общественный.

Это и было началом прорыва в принципиально новую адаптивную зону эволюции. Популяции архантропов отличались богатым резервом наследственной изменчивости. Чем выше был этот резерв, тем были богаче генетические возможности популяции, тем выше были шансы выжить и развиваться по пути неограниченного прогресса.

162

Последняя из биологических предпосылок – стадность, объединение семей в стада. Стадный образ жизни древних антропов бесспорно способствовал их выживанию и процветанию. Стада создавали ту среду, в которой происходила передача опыта друг другу и обучение детенышей жизненно важным навыкам: распознаванию съедобных плодов, способам добывания пищи, умению обнаружения мест нахождения врагов, а также использование природных предметов в качестве орудия.

Самая примитивная форма стада, известная у человека разумного, это группа, занятая охотой и собирательством. Группы, живущие за счет собирательства и охоты, существовали в разных областях земного шара до недавнего прошлого, в некоторых местах существуют и до сих пор. Например, индейские племена шошонов и алгонкинов в Северной Америке, бушменов и негритосов в Африке, аборигенов в Австралии и Тасмании.

Возникшее у приматов направление эволюции общественного образа жизни продолжается и в настоящее время. На всех ступенях от полуобезьяны до современного человека отмечается общая тенденция к увеличению размеров общественной группы и усложнению её организации, повышению технического уровня, усложнению языка, развитию интеллекта. Историческое развитие гоминид представляет собой яркий пример мозаичной эволюции, характеризующейся неравномерным темпом развития органов и систем. Наиболее быстрыми темпами, начиная с человека умелого, шла эволюция мозга. Развитию мозга предшествовало завершение прямохождения и связанное с ним преобразование тазовых

костей и передних конечностей.

Движущей силой эволюции человека являлся отбор. На ранних этапах эволюции человека шел отбор индивидов более способных к изготовлению примитивных орудий, с помощью которых они могли добывать пищу и защищаться от врагов.

Характерная особенность антро-

погенеза – однонаправленность эволюционных преобразований, связанных с развитием прямохождения, мозга и рук, совершенствованием коллективного образа жизни. Характерные черты предков человека (парантропа)

представлены на рисунке 6.3.2.

Рис. 6.3.2. Предок человека – парантроп

163

На стадии парантропа определенную роль играл отбор на основе индивидуальной изобретательности. Постепенно объектом отбора становилось характерное для человека свойство – стадность и связанная с ней форма общения. В борьбе за существование выживали группы особей (семьи), которые сообща могли противостоять неблагоприятным факторам среды.

Индивидуальный отбор на основе избирательности формировал преимущественно морфофизиологические особенности организации человеческого типа (прямохождение, мозг, кисть руки), а групповой отбор совершенствовал социальную организацию (формы отношений в стаде).

Совместные действия индивидуального и группового отбора на лучшую организацию стада получило название биосоциального отбора. На первых порах биосоциального отбора были мелкие по численности коллективы (семьи или группы семей в стаде). Затем масштабы его действия расширились до выживания целых поселений и племен.

Все три уровня биосоциального отбора (индивидуальный семейный и групповой) были взаимосвязаны в едином процессе выживания особей и групп.

Развитие сознания

Сознание – свойство высокоорганизованной материи – человеческого мозга. Оно выступает, как способность нашего мозга отражать материальный мир. Сознание неотделимо от мозга. Сознание возникло и развивалось в тесной связи с развитием нашего мозга как его продукта. Сознание – это не вещество мозга и ни какая-то друга материя, а особая, весьма сложная способность человеческого мозга отражать существующий мир. Как функция мозга сознание существует до тех пор, пока функционирует мозг, когда же мозг разрушается, сознание исчезает.

Основным из признаков жизни является раздражимость. Свойство раздражимости представляет собой первую форму отражения, присущую живой материи. Это свойство возникло в результате развития органической материи из неорганической. По мере развития организмов, раздражимость как форма отражения, принимала все более ясно выраженный биологический характер. В результате на земле нет ни одного живого существа, которое бы не обладало способностью реагировать на раздражение извне. Раздражимость не только присуща живым организмам, обладающим нервной системой, но и простейшим организмам, которые не имеют нервной системы. Раздражимость связана с обменом веществ, без которого не может быть и самой жизни.

В живом белке в процессе питания и выделения проявляется раздражимость как биологическое отражение: белок реагирует на воздействие внешней среды тем, что усваивает из неё лишь те вещества, которые необходимы для его существования. Раздражимость является

164

средством управления живых организмов, т.к. она регулирует приспособительное поведение организмов.

Впроцессе эволюции живого возникла качественно новая формы отражения – чувствительность, которая затем превратилась в ощущение.

По сравнению с раздражимостью ощущение представляет собой более сложное свойство живой материи, психическую форму отражения.

Способность ощущения развивалась у животных постепенно, в соответствии с развитием их организма и нервной системы.

Входе эволюции простейшие формы отражения у живых организмов сменялись всё более высокоорганизованными формами. Фиксация этих процессов формировала нервную деятельность животных.

Нервная деятельность постепенно подразделялась на низшую и высшую. Низшая (врождённая) нервная деятельность включает в себя

приспособления рефлекторного типа (безусловные рефлексы), направленные на регуляцию взаимодействия частей и органов самого организма в процессе поддержания его жизненно важных функций.

Нервные элементы, осуществляющие эту регуляцию, объединены связями уже в процессе внутриутробного развития организма.

Нервные связи, обеспечивающие высшую нервную деятельность, образуются в процессе индивидуального жизненного опыта особи, в зависимости от складывающихся условий внешней среды. Понятие высшей нервной деятельности было введено в науку Иваном Петровичем Павловым в 1883 г. в связи с открытием им условного рефлекса как новой, неизвестной ранее формы нервной деятельности.

Под высшей нервной деятельностью Павлов понимал совокупность

наиболее сложных форм деятельности больших полушарий головного мозга. Высокоразвитая нервная система и специализированные органы чувств, которыми обладают высшие животные и, особенно, человек, являются результатом длительной эволюции. В первоначальном элементарном виде нервная система состояла из нервных клеток, расположенных среди других клеток данного организма. Эти нервные клетки выполняли в начале несколько функций: воспринимали, поступающие извне раздражения, передавали их друг другу и осуществляли ответные действия на раздражитель.

Следующий шаг в развитии нервной системы связан с появлением нервных узлов. В нервных узлах клетки распределялись по своим функциям на воспринимающие и двигательные. Нервные узлы соединялись в единую систему.

С появлением центральной нервной системы все функциональные связи от органов живого организма сосредоточивались в едином центре – головном мозге. Вместе с развитием центральной нервной системы у высших животных дифференцировались и специализировались органы

165

чувств. Специализация органов чувств, происходившая в ходе эволюции живых существ и достигшая наивысшего развития в организме человека, явилась результатом постепенного, очень длительного приспособления живого организма к воздействиям внешней среды.

Ощущения человека, в отличие от ощущения животных, носят осознанный характер. Человеческий мозг по сравнению с мозгом животных обладает способностью сознательно отражать объективный мир.

Мозг человека – это высшая организация живой материи. Сознание – высшее свойство человеческого мозга.

Ощущение – это элементарная форма сознания человека. Высшим

проявлением сознания человеческого мозга является мышление.

Сознание и мышление – это продукты мозга человека, а мозг – орган мышления.

В 1963 г. Иван Михайлович Сеченов, выдающийся русский физиолог, в своем труде «Рефлексы головного мозга» подтвердил положение о том, что мысль есть функция материального тела – головного мозга, а кора больших полушарий является основным органом нервной деятельности животных и человека. Мозг при помощи органов чувств отражает многообразие явления материальной среды, регулирует соответственно с ней деятельность организма и тем самым устанавливает взаимосвязь организма со средой. В кору головного мозга приходят сигналы не только из внешнего мира, но и сигналы от внутренних органов.

Основными формами связи организма со средой являются безусловные и условные рефлексы. Рефлекс – это закономерная реакция организма

на воздействие внешних и внутренних раздражителей.

Постоянную связь с внешним миром можно назвать безусловным рефлексом, а временную связь – условным. Безусловные рефлексы в процессе развития органического вида передаются по наследству от одного поколения к другому. Сложные безусловные рефлексы

называются инстинктами.

Условные рефлексы образуются в высшем отделе центральной нервной системы при воздействии внешних раздражителей на органы чувств. В результате этих воздействий в коре больших полушарий головного мозга возникают физиологические процессы возбуждения и торможения. Эти процессы происходят сначала в специальных клетках, а затем распространяются по коре больших полушарий. Далее благодаря торможению происходит сужение сферы раздражения и сосредоточение его в отдельном нервном пункте коры мозга, что даёт возможность организму правильно ориентироваться в данной среде. Эти физиологические процессы являются механизмом деятельности мозга.

Процессы возбуждения и торможения, иррадиация и концентрация являются законами работы головного мозга. Эти законы лежат в основе не

166

только образования временных связей организма со средой, но и всей психической деятельности человека и животных.

Психика человека Психика – субъективное отражение объективной действительности

в образах, на основе которых регулируется взаимоотношение человека с внешней средой.

Предметы и явления, воздействуя на органы чувств, отражаются в мозгу организма в виде различных психических явлений – ощущений, восприятий и т.д. Теорию отражения развил В.И. Ленин. Он писал: «Отражение мозгом внешнего мира не является пассивным процессом. Отражение является важнейшим условием активного отношения человека к действительности и побудителем его к деятельности. Отражение формируется в процессе деятельности и в ней проверяется его истинность, соответствие объективной действительности». Благодаря психике у человека формируются адекватные представления о реальности, в т.ч. о себе самом как путём непосредственных контактов с объектами окружающей действительности, так и при помощи умозаключений.

Психика формируется с первых дней рождения человека, преимущественно под влиянием окружающей среды. Головной мозг осуществляет свою отражательную функцию посредством органов чувств. Поставляемую ими информацию этот высший орган психический деятельности сопоставляет с прежним опытом, проверяет практикой, накапливает, закрепляет в памяти. Память служит основой для сознательных действий человека. Те системы головного мозга, которые служат биологической основой психики, формируются под влиянием как врождённых, так и внешних факторов.

Содержание психики не наследуется, а формируется за счёт отражения бесконечного многообразия реальной деятельности человека.

Психика животных

Возникновение и развитие психики в животном мире подчинялось действию общего закона эволюции, согласно которому закреплялась та деятельность животных, которая биологически была полезна. Таким образом, психика обеспечивала более эффективное приспособление к среде.

Установлены (русским естествоиспытателем А.П. Северцевым)

принципиально два различных способа приспособления живых

организмов к изменениям условий среды: 1-й – путём изменения строения и функциональных органов, 2-й способ – путём изменения поведения без изменения организации.

Первый способ был общим у растений и животных, второй – имел место только у животных и был связан с развитием психики. Внутри

167

второго способа приспособления было выделено, в свою очередь, два различных направления.

Одно из них состояло в медленных изменениях наследуемых форм поведения – инстинктов. Эволюция инстинктов происходила под влиянием медленно протекающих изменении условии внешней среды. Её темпы совпадали с темпами изменения структурной организации животных.

Другое направление состояло в развитии способности к приобретению индивидуального опыта, т.е. разумных действий». Под термином «разумные действия» понимается быстрое изменение поведения, или «изобретение» новых способов поведения в ответ на быстрое изменение среды, перед лицом которых инстинкт оказывается беспомощным.

Приобретенный индивидуальный опыт у животных не фиксировался настолько, чтобы передаваться по наследству. По наследству передавалась лишь способность к приобретению опыта.

Психика появилась тогда, когда появилась способность организма отражать объективные связи между свойствами среды.

ВФилогенезе (развитии) психики выделены три основные иерархические тенденции: 1) усложнение форм поведения (форм двигательной активности); 2) совершенствование способности к индивидуальному научению; 3) усложнение форм психического отражения.

Вэволюции психики выделяют 3 стадии:

1-стадия элементарной, сенсорной психики,

2-стадия перцептивной психики,

3-стадия интеллекта.

Рассмотрим все три стадии.

1. На стадии сенсорной психики животные способны отражать лишь отдельные свойства внешних воздействий.

Например, уход простейших из зон повышенной температуры воды в более прохладную. У простейших обнаружены элементарные формы индивидуального научения. Оно проявляется в эффектах привыкания. Так, простейшие, заключенные в квадратный (или треугольный) сосуд и привыкшие плавать вдоль его стенок, сохраняют некоторое время квадратную (или соответственно треугольную) форму траектории и будучи перемещенными в круглый сосуд.

Другой опыт. Освещение части сосуда с водой, в которой находились туфельки, сочеталось с высокой температурой или электрическим током. В результате простейшие животные, ранее безразличные к освещению, стали предпочитать затемненную часть сосуда, даже тогда, когда освещение не подкреплялось отрицательными воздействиями. Таким образом, поведение простейших иллюстрирует ряд рассмотренных выше положений:

168

простейшие реагируют на абиотическое воздействие внешней среды и на отдельные её свойства.

2. Стадия перцептивной психики Представители этой стадии отражают внешнюю целостность в

форме не отдельных ощущений, а целостных образов вещей.

На данной стадии находятся насекомые, головоногие моллюски, членистоногие, рыбы, позвоночные животные. При этом проявление психики различно в зависимости от сложности структурной организации. Объединяет это разнообразие проявлений форм психики то, что типично усложнение форм поведения на пути к конечным биологическим целям. Если на самом раннем этапе психика проявлялась в реакциях приближении или ухода, то теперь «реакции» превращаются в развернутую цепь действий. Доказательством этому являются, многие способы добывания пищи, зашиты от нападения, строительства жилищ, не говоря уже о сложном ориентировочно-исследовательском поведении высших животных.

Основу всех форм поведения животных составляют инстинкты – генетически фиксированные и наследуемые элементы поведения, осуществляемые на основе условных рефлексов.

Многие инстинктивные действия проходят период становления и тренировки в ходе индивидуального развития животного. Так, например, клевательные движения цыпленка появляются сразу же после вылупления, но их точность невелика. В течение первых дней она значительно повышается.

Еще одни пример. Некоторые виды птиц (зяблик, снегирь), не в состоянии воспроизвести песню своего вида, если они выросли в изоляции или в обществе других птиц.

Многие инстинктивные акты совершенствуются под действием индивидуального опыта животных. Такая пластичность инстинктивного действия запрограммирована, но при этом ограничена генетически заданной «нормой реагирования».

Каждый индивид владеет индивидуально особыми формами поведения. Ярким примером могут служить любые полезные привычки домашних животных, цирковая дрессировка животных.

Описаны случаи передачи нового, изобретенного каким-нибудь животным способа поведения другим особям популяции, а затем и последующим поколениям.

Групповое поведение животных подчинено биологическим целям, законам. Оно закреплялось естественным отбором, причем фиксировались только те его формы, которые обеспечивали лучшее решение прямых биологических задач – питания, самосохранения и размножения.

169

3. Стадия интеллекта Интеллект (от лат. интеллектус – понимание, рассудок) – это

психологическое понятие. Часто понимается как способность мышления, рационального познания.

Эволюционные стадии психики у низших животных – генетические программы, у высших животных – условные рефлексы, у человека – познание.

В кибернетике появилось понятие «искусственный интеллект» – это отражающая система различных уровней сложности ее технической организации, система процессов улавливания, запоминания и установления связей между информацией для решения определенных задач.

Главные особенности психики животных, которые отличают ее от психики человека.

1.Вся активность животных определяется биологическими мотивами.

2.Вся деятельность животных ограничена рамками наглядных конкретных ситуаций. Они не способны планировать своих действий.

3.Основу поведения животных во всех сферах жизни, включая язык и общение, составляют наследственные видовые программы. Научение у них ограничивается приобретением индивидуального опыта, благодаря которому видовые программы приспосабливаются к конкретным условиям существования индивида.

4.У животных отсутствует закрепление, накопление и передача опыта поколениям в материальной форме, т.е. в форме предметов материальной культуры.

Эволюция психической деятельности человека

Человеческое общество возникло на основе совместной трудовой деятельности, неизвестной и недоступной животным. Как в своем индивидуальном развитии, так и в общественной жизни, человек вышел из-под власти биологических законов и с определенного момента антропогенеза стал подчиняться законам социальным. В процессе роста человека его психика постепенно развивается от образного познания в детском возрасте к познанию отвлеченному, включающему построение обобщений и абстракций, характерного для более зрелого возраста. При этом переход на этап обобщений не снимает образного чувственного познания. Наоборот, чувственное познание служит основой для построения обобщений. Формированию психики у человека предшествовал длительный период, при этом определяющим фактором в развитии психики явился труд. Человек стал обладать таким уровнем психики, который позволил ему не только познавать мир, но и преобразовывать его.

170

Развитие психики человека связано с формированием высокоорганизованной структуры мозга человека.

Строение и функции нервной системы человека

Вся нервная система делится на центральную и периферическую. К центральной нервной системе относится головной и спинной мозг. От них по всем органам расходятся нервные волокна – периферическая нервная система.

Основная функция нервной системы интеграция внешнего воздействия с соответствующей приспособительной реакцией организма. Структурной единицей нервной системы является нервная клетка – нейрон. Он играет существенную роль в фильтрации нервных импульсов: пропускает одни импульсы и задерживает другие. Нейроны связаны друг с другом и осуществляют объединенную деятельность.

Центральная нервная система состоит из головного и спинного мозга. Головной мозг подразделяется на ствол мозга и передний мозг. Ствол мозга состоит из продолговатого мозга и среднего мозга. Передний мозг подразделяется на промежуточный и конечный. Все отделы мозга имеют свои функции.

Промежуточный мозг состоит из гипоталамуса – центра эмоций и витальных потребностей (голода, жажды), лимбической системы (ведающей эмоционально-импульсивным поведением) и таламуса (осуществляющего фильтрацию и первичную обработку чувственной информации).

У человека особенно развита кора больших полушарий – орган высших психических функций. Она имеет толщину 3-4 мм, а площадь её в среднем равна 0,25 м2.

Кора состоит из шести слоев. Клетки мозга связаны между собой. Их насчитывается около 15 миллиардов. Различные нейроны коры имеют свою специфическую функцию. Одна группа нейронов выполняет функцию анализа (дробления, расчленения нервного импульса), другая группа осуществляет синтез, объединяет импульсы, идущие от различных органов чувств и отделов мозга (ассоциативные нейроны). Существует система нейронов, удерживающая следы от прежних воздействий и сличающая новые воздействия с имеющимися следами.

По особенностям микроскопического строения всю кору мозга делят на несколько десятков структурных единиц – полей, а по расположению его частей – на четыре доли: затылочную, височную, теменную и лобную.

Кора головного мозга человека является целостно работающим органом, хотя отдельные его области функционально специализированы.

Так, затылочная область коры осуществляет сложные зрительные

функции, лобно-височная – речевые, височная – слуховые.

171

Наибольшая часть двигательной зоны коры головного мозга связана с регуляцией движения органов труда (рук) и органов речи.

Подкорковые образования, регулируя врожденную безусловно-

рефлекторную деятельность, являются областью тех процессов, которые проявляются в виде эмоций.

С функций коры больших полушарий также связано формированием эмоций. Функция височной зоны определяет память, теменной

области – ориентировку в пространстве, лобной доли – прогнозирование, ассоциативное мышление и интеллект.

Как известно, у человека имеются две височные доли полушарий. Они принимают участие в сохранении памяти на прошлые события.

Гиппокамп – это парное образование, часть коры большого мозга, располагается на внутренней стенке боковых желудочков. Гиппокамп

участвует в организации ориентировочного рефлекса и внимания, регулирует вегетативные реакции, мотивацию, эмоции, управление произвольными движениями, механизмами обучения и памяти.

Полагают, что гиппокамп участвует в регистрации новой информации, при этом вновь поступающая информация сравнивается с уже имеющейся, на основании чего происходит выявление сигналов, подлежащих записи.

Мозжечок – это часть заднего мозга, которая заполняет большую часть задней черепной ямки. К коре мозжечка подходят тактильные, акустические, зрительные и другие проводящие пути. Функции мозжечка

связаны с рефлекторной координацией сокращений мышц туловища и конечностей, обеспечивающих поддержание равновесия тела в пространстве.

Миндалевидное тело (или миндалина мозжечкам) – это структура, входящая в нижнюю долю мозжечка.

Височная область и гиппокамп участвуют в формировании и временном сохранении следов памяти, но не служат местом постоянного хранения информации.

Больные с тяжелыми двусторонними поражениями гиппокампа не могут обучаться, не могут хранить в памяти то, что узнали, не способны вспомнить лицо человека, которого только что видели. Память о событиях, происходивших до болезни или травмы, полностью сохраняется.

В опытах на обезьянах было показано, что только одновременное удаление гиппокампа и миндалевидного тела уничтожает результаты недавнего обучения. Если удалялось только миндалевидное тело или только гиппокамп, то обучение новым формам поведения было возможным, хотя непосредственно предшествовавшее обучение практически забыто.

Таламус – образование, которое объединяет около 150 ядер. Физиологически их принято делить на специфические, ассоциативные и неспецифические.

172

Через специфические ядра таламуса в проекционные зоны коры

поступает вся информация (за исключением обонятельной) о внутренней среде организма и окружающей его среде.

Функция ассоциативных ядер окончательно не выяснена.

Неспецифические ядра являются промежуточным звеном между восходящими системами головного мозга, корой и другими структурами.

Неспецифические ядра таламуса полисенсорны (т.е. воспринимают большое количество разной информации), они обеспечивают коре больших полушарий тормозное влияние.

Роль этих структур мозга была выявлена в экспериментах на животных и при различных травматических повреждениях у человека.

Более существенна для организации памяти роль коры головного мозга. Медиальная (внутренняя) часть височной коры связана с запоминанием текущих событий и наравне с гиппокампом обеспечивает сохранение у человека следов недавних событий (рис. 6.3.3.).

Люди с поврежденной височной долей (медиальная часть коры и гиппокамп) живут только в настоящем времени, у них нет недавнего прошлого. Существует в памяти только та часть жизни, которая произошла до травмы. Все, что произошло в момент или после травмы, человек не

помнит.

О роли различных областей коры мозга в процессах памяти косвенно свидетельствует то, что у животных, выращенных в условиях воздействия множества раздражителей и обучения, слои коры головного мозга толще, структура нервных клеток (нейронов) сложнее.

Найти определенное место в коре больших полушарий, где хранится информация, пока не удалось. Полагают, что память хранится в лобной части коры головного мозга и ядрах таламуса.

У человека с повреждением заднемедиального ядра в результате травмы память на события, предшествовавшие травме, полностью сохраняется, но возможность усвоения нового словесного материала практически исчезает. При одновременном поражении внутренних ядер таламуса и нейронов лобной части коры и мозжечка у человека исчезает способность решать задачи, возможность переучиваться.

173

В сохранении результатов обучения двигательным условным рефлексам большое значение имеет мозжечок. Удаление зоны мозжечка, приводит к полному исчезновению условного рефлекса. Разрушение определенной области мозжечка ликвидирует не только следы обучения, но и блокирует образование новых условных рефлексов. Разрушение глубинных мозжечковых ядер гибельно для следов памяти об обучении движениям.

Изменение памяти, особенно ее эмоциональных аспектов, связаны с миндалевидным телом. Нормальное функционирование височной доли коры является условиям сохранения памяти, как на недавние, так и отдаленные события. Все, что содержится в памяти более одной минуты, переводится в систему долговременной памяти. Переход от кратковременной к долговременной памяти – это преобразование процесса получения информации в процесс ее сохранения. Одна из систем мозга, обеспечивающих подобное преобразование – гиппокамп.

Длительному хранению информации способствует внимание

(сознательный компонент психики), которое контролируется ретикулярной формацией мозга. Часть информации запоминается непроизвольно (подсознательный компонент). Запоминание осуществляется с участием медиальной височной доли и гиппокампа.

Накопление и хранение информации в памяти обеспечивается за счет электрических и химических процессов. В процессе запоминания усиливается синтез рибонуклеиновых кислот (РНК) и белков, в т.ч. эндогенных пептидов (морфиноподобных веществ).

Варианты психической деятельности человека

Психическое состояние человека – это общий функциональный уровень психической активности в зависимости от условий деятельности человека и его личностных особенностей. Все психические состояния подразделяются на четыре вида:

1)мотивационные (желание, стремление, интересы, влечения и страсти);

2)эмоциональные (настроение, эмоциональный тон ощущений, эмоциональный отклик на явление действительности, конфликтные эмоциональные состояния – стресс, аффект);

3)волевые состояния – инициативность, целеустремленность, решительность, настойчивость;

4)состояния разных уровней организованности сознания. Они проявляются в различных уровнях внимательности.

Стресс – продолжительное состояние тревоги, связанное с ожиданием событий, при котором организм вынужден затрачивать дополнительную энергию для поддержания своей «дееспособности».

174

Стресс нередко приводит к различным физиологическим нарушениям, таким как головные боли, нарушение сна и способствуют обострению хронических заболеваний.

Аффект – это кратковременная и сильная положительная или отрицательная эмоция, возникающая в ответ на воздействие внешних или внутренних факторов и сопровождающаяся изменениями со стороны деятельности вегетативной нервной системы и внутренних органов.

Патологический аффект – кратковременное психическое расстройство, возникающее в ответ на интенсивную, внезапную психическую травму и выражающуюся концентрацией сознания на травмирующих переживаниях с последующим аффективным разрядом, за которым следует общая расслабленность, безразличие и часто глубокий сон; сопровождается частичной потерей памяти на прошедшие события.

Эмоции – это реакции организма на раздражители, исходящие из внутренней и внешней среды, направленные на усиление или ослабление состояний, вызванных этими раздражителями. Взаимодействуя между собой эмоции формируют довольно устойчивые комплексы (тревожность, депрессию, любовь, враждебность). Эмоции имеют четкие выражения в мимике. Изучение эмоций осуществлялось при электрической стимуляции и хирургическом удалении участков мозга у животных. Удаление у обезьян височных долей, совместно с гиппокампом и миндалиной, приводило к исчезновению чувства страха, агрессивности, снижению сексуальной активности. Таким образом, целостность височных структур мозга необходима для сохранения нормального эмоционального статуса, связанного с агрессивно-оборонительным поведением.

Память – одно из основных свойств нервной системы, выражающееся в способности длительное время хранить информацию о событиях внешнего мира и реакциях организма, неоднократно вводить эту информацию в область сознания и поведения. Обучение и память – это две стороны одного процесса. Пространственная организация памяти связана со многими структурами мозга. Прежде всего, это височные доли, гиппокамп и миндалевидное тело мозжечка, а также связанные с ними структуры мозжечка, коры больших полушарий, специфические и неспецифические таламические ядра.

Память человека и животных включает четыре характеристики – запоминание информации, её сохранение, извлечение и воспроизведение. Благодаря свойствам памяти человек использует свои индивидуальный опыт в своей будущей деятельности. У человека существует три различных типа памяти: непосредственный отпечаток сенсорной информации, кратковременная и долговременная память. В зависимости от рецепторов, воспринимающих раздражения, выделяют зрительную память, слуховую, осязательную, обонятельную, вкусовую и т.д.

175

Сознание человека – это способность отделения себя («Я») от других людей и окружающей среды.

Сознание базируется на коммуникации между людьми, развивается по мере приобретения жизненного опыта и связано с языком, с помощью которого человек выражает свой опыт (посредством речи, научных и художественных произведений).

Сознание развивалось в антропогенезе с образованием мышления и речи в процессе труда и общения членов первобытного коллектива. Человек может «терять» сознание во время сна, обморока, шока, под влиянием наркоза и тяжелых психических заболеваний. В остальное время субъективное содержание его психики и сознания – явления тождественные.

Различают три формы сознания: индивидуальное, групповое и общественное. На базе биологических и социальных потребностей человека создается подсознание (автоматизированные навыки и нормы поведения), самосознание (диалог с самим собой), сознание (знание, которое может быть передано другим) и сверхсознание (творческая интуиция).

Речь – способность знаково-символического отражения предметов и явлений окружающего мира, собственных состояний является уникальной способностью человека. Посредством слова осуществляются обобщения. Основной характеристикой речи человека является её фразовая разборчивость. Отмечена асимметрия в функции коры больших полушарий. Левое полушарие необходимо для обнаружения и опознания звуков речи, правое полушарие – для опознавания интонаций, транспортных и бытовых шумов, музыкальных мелодий.

Восприятие, генерация звуков речи (т.е. речевая активность) обеспечивается левым полушарием, а улучшение выделения сигналов из шума – правым. Правое полушарие обеспечивает понимание устной речи и написанных слов. Деятельность речевой системы контролируется слуховым аппаратом, нервно-мышечным (правильность двигательного мышечного акта при произношении звуков) и зрительным.

Мышление – процесс познавательной деятельности человека, характеризующейся обобщенным и опосредованным отражением внешнего мира и внутренних переживаний. Первый этап в формирования мышления – построение сенсомоторных схем (до 2-х лет). Сенсомоторная схема – это выполнение организованной последовательности действии, составляющих определенную схему поведения (ходьба, еда, речь).

Развитием речи и появлением способности мысленно совершать действия формируется первая фаза человеческого мышления (2-7 лет).

Основной особенностью этой фазы человеческого мышления становится способность ребенка предсказывать результат действия, не производя его фактически например, если бросить чашку со стола, то она разобьется;

176

если поднести руку к огню, то можно обжечься – формируется способность к логическому рассуждению и его использованию.

Вторая фаза человеческого мышления – конкретные понятия в пределах реальных событий (7-10 лет). В этот период активируются

корковые ассоциативные связи в коре.

Третья фаза – способность к формальным операциям, к оценке гипотез (11-15 лет). Считают, что в этот период завершается формирование связей лобной коры с другими отделами мозга. Мысленное моделирование человеком различных событий составляет сущность его мышления. Мышление имеет два аспекта: распознавание (принятие решений) и устойчивое сохранение поиска (стратегия решения задач).

В табл. 6.4.1. приведены некоторые эмоциональные показатели, которые, по мнению психологов, могут способствовать хорошему здоровью или привести к развитию функциональных нарушений.

Таблица 6.4.1.

Два аспекта распознавания состояния психического здоровья

Поведение человека основывается на взаимодействии рефлекторной деятельности, мышления и сознания. Вся сложная деятельность мозга детерминирована воздействием на него материальных раздражителей.

Предметы и явления материального мира, объективные связи между ними отражаются мозгом и, таким образом, дают содержание ощущениям, восприятию, мышлению и другим психическим явлениям. Без внешних материальных воздействий работа мозга становится невозможной. Мозг как орган мышления перестает функционировать.

Психические функции мозга, такие как ощущения, восприятие, сохраняются лишь до тех пор, пока анализаторы испытывают толчок извне от тех или иных предметов, и исчезают, когда устраняется действие этого

177

толчка. Соответственно и высшая функция мозга, возникая на базе ощущения и восприятия, зависит, прежде всего, от воздействия материального мира и изменяется в соответствии с его изменением.

Тестовые задания к главе 6

1.Какая из стадий образования Земли готовила основу для возникновения жизни:

1) стадия уплотнения и разогрева газово-пылевого облака; 2) стадия дифференциации вещества и постепенного охлаждения;

3) стадия образования оболочек – литосферы, гидросферы, атмосферы.

2.В каких процессах возникновения жизни на Земле наиболее ярко проявилось влияние солнечной энергии:

1) образование коацервантов в водах Земной гидросферы; 2) полимеризация веществ – сахаридов, кислот жирного ряда,

липоидов, аминокислот и др.; 3) биогенный фотосинтез.

3.Появление человека связано в первую очередь с развитием:

1)сознания;

2)речи;

3)способности адаптации к изменяющимся условиям среды.

4.На каком этапе эволюции живых организмов отмечается наибольшее ускорение развития форм:

1) наземных животных и растений – 500 млн. лет; 2) приматов 15-12 млн. лет; 3) птиц и млекопитающих-100 млн. лет.

5.Какие процессы являются главными в работе головного мозга:

1)возбуждение и торможение;

2)иррадиация и концентрация;

3)фиксация и отражение.

178

Глава 7

ЦИКЛЫ И РИТМЫ ВСЕЛЕННОЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЭВОЛЮЦИЮ ЗЕМЛИ

Ритмы и циклы Вселенной в иерархической последовательности: Галактика – (созвездие Стрелец) – Солнце – Земля и их влияние на геофизические процессы. Ритмы Галактики. Ритмы Солнца. Ритмы Земли. Эволюция географической оболочки Земли. Вариации скорости вращения, прецессия и эклиптика Земли.

Цикл – это совокупность явлений, процессов, составляющих кругооборот в течение определенного промежутка времени. Под ритмом понимается чередование каких-либо элементов, процессов, происходящих с определенной последовательностью и частотой. Изучение цикличности и ритмичности в природных процессах, их проявление в окружающей нас географической среде и закономерности позволяют предвидеть изменение этой среды в будущем. Ритмичность – одно из наиболее ярких и широко распространенных явлений, присущих природной среде. Начиная с суток, через сезоны года, через десятилетия и столетия к тысячелетиям и миллионам лет ритмы, как четкие периоды циклов, неизменно сопровождают развитие земной оболочки. Ритмы свойственны как явлениям неорганической природы, так и явлениям биологическим. Причем ритмичность последних зависит от первых и неразрывно с ними связана.

7.1. Ритмы Галактики

Изучением циклов и ритмов Вселенной занимались многие ученые еще с глубокой древности. На этапах познания их привлекали внимание суточные, сезонные, годовые и многолетние ритмы. Непосредственную причину этих ритмов они видели в Солнце. Постепенно появился интерес к Луне и ее фазам, от которых зависели затмения. Так, уже у древних халдеев были известны периоды «большой» и «малый» Сарос (первый – длительностью 18-19 лет, второй – 9-10 лет), игравшие в их религиозных обрядах, а через них и в жизненном укладе большую роль.

Условия обращения Земли вокруг Солнца и Луны вокруг Земли формируют закономерности взаимного положения этих трех небесных тел

ибольшинство природных ритмов Земли. Они приводят к периодической изменчивости в условиях облучения Земли солнечной радиацией и интенсивности приливообразующих сил, что, в свою очередь, влияет на состояние всех элементов географической среды.

Ритмы изменчивости параметров взаимного положения Земли, Солнца

иЛуны по своему происхождению обладают свойствами «периодов», т.е.

179

возникают в весьма точных пределах времени и каждый – в пределах одной амплитуды по мощности его воздействия на Землю. Они определяют условия охлаждения и потепления высоких широт земного шара, с чем, в свою очередь, связаны некоторые ритмы развития оледенения, а также крупные климатические колебания.

Другой фактор возникновения ритмических природных процессов – это солнечная активность, приводящая к изменению мощности колебаний коротковолновой ультрафиолетовой радиации Солнца. Один из хорошо известных и изученных циклов солнечной активности – 11-летний, амплитуда которого колеблется от 7-14 лет. Циклы и ритмы, возникающие и повторяющиеся в виде некоторых временных волн, ритмично влияют на биосферу. От них зависит периодичность землетрясений, вулканических извержений, изменений климата. Климатические волны, с которыми связано потепление и похолодание в течение ряда лет, приводили то к пересыханию рек и озер, то к наводнениям. В биологическом мире ритмический характер климата проявлялся в изменении ландшафтов. По мере развития цивилизации и повышения уровня знаний человек обращал все большее внимание на ритмичность природных явлений, стремясь научиться их предвидеть и предотвратить неблагоприятные последствия.

Большой вклад в изучение цикличности природных явлений внесли работы крупных советских ученых геофизиков А.В. Шнитникова, А.А. Гангнуса, Д.В. Наливайкина, М.В. Стовас и других, которые систематизировали ритмические процессы и делали попытки объединения их в единую систему галактической среды.

Наша Галактика – скопление звезд и газовых туманностей спиралеобразного вида, в одном из рукавов которого вращается Солнце, как рядовая желтая звезда. Галактика имеет форму диска с утолщением по центру с диаметром диска около 3х104 парсек: она находится в постоянном вращательном движении (рис. 7.1.1).

180

находится на расстоянии около 104 парсек от центра Галактики. Центр Галактики почти постоянно скрыт от нас облаками межзвездной пыли. Огромные спиральные ветви содержат наиболее горячие и яркие звезды, а также массивные и газовые облака.

Галактика – колоссальная звездная система. В ней существует поток космических лучей, направленных из густо заселенного звездами центра к краям вдоль магнитных силовых линий в открытый космос. На этом пути поток галактических космических лучей, следуя магнитным силовым линиям Галактики неизбежно проходит через Солнечную систему и возвращается обратно, при этом частично передавая другим галактикам свою энергию в открытом космосе.

По данным известного российского астронома П.П. Паренаго, галактический год длится 212 млн. лет, однако геологов больше интересует другой период – 176 миллионов лет. Дело в том, что орбита

181

Солнца (эллиптическая, с перигалактием – моментом наибольшего сближения Солнца с центром Галактики и апогалактием – моментом максимального удаления) оказалась весьма непростой. Сама плоскость этой орбиты как бы вращается навстречу движению Солнца. Из-за этого, покинув перигалактий, Солнце придет в него снова не через полный галактический год, а раньше – через 176 млн. лет (рис. 7.1.2).

Итак, раз в 176 миллионов лет Солнце вместе со всей своей планетной семьей приближается к центру Галактики, проходит через пространство, более насыщенное звездами, межзвездной материей, магнитными полями, космическими лучами. Таким образом, Солнце подвергается волновым импульсам воздействия галактической плазмы, исходящей из галактического ядра, и вращающихся газово-пылевых облаков межзвездной материи. Это регулирует солнечную активность, и, соответственно, проявляется в виде геомагнитных возмущений, в геофизических, гидродинамических и биофизических процессах атмосферы над северным и южным полушариями и изменениях климата в целом.

Очередное максимальное (хотя и не такое уж близкое) сближение Солнца с центром Галактики наступит через 12 млн. лет (рис. 7.1.2.). Это значит, что через 12 млн. лет Солнце окажется под более сильными пульсирующими потоками галактической плазмы. К такому состоянию оно будет идти постепенно в течение 10 млн. лет.

Солнце, погружаясь в моменты перигалакгиев в самую гущу нашей звездной системы, попадёт в гораздо более мощные поля электромагнитных сил и сил тяготения, чем те, которые воздействовали на него в дальних частях орбиты.

Близость Солнца к галактическому ядру усилит приливные воздействия непосредственно на планеты. Сейчас Земля обращена к центру южным своим полушарием. И именно в южном полушарии Земли находится самый высокий её материк – Антарктида. Через четверть галактического года центр Галактики будет над экватором Земли. Его приливная сила будет то складываться с приливными силами Луны или Солнца, то вычитаться из них. Пройдет еще один галактический сезон – и центр Галактики окажется над северным полушарием Земли.

Фигура Земли вынуждена будет подстраиваться к изменяющимся условиям каждую четверть галактического года, то есть каждые 40–50 млн. лет. Именно с этими циклами связаны отдельные фазы большого горообразовательного процесса и изменения климата Земли.

Плоскость орбиты Солнца не совпадает с плоскостью Галактики. Значит, только дважды в галактический год Солнце попадает точно на эту плоскость. Это очень важно, ибо Галактика – очень плоское образование, вроде блина, и, чуть-чуть удаляясь от этой плоскости Солнце довольно резко меняет среду обитания, звездная плотность колеблется, поэтому в

182

ритмах влияния Галактики на земные процессы следует учитывать и периоды, равные половине галактического года (80-100 млн. лет).

Главная часть космических лучей приходит к нам из галактического ядра (созвездие «Стрелец»). Некоторые частицы, самые энергичные, – метагалактического происхождения. В максимумы солнечной активности Солнце после мощных хромосферных вспышек наводняет всю планетную систему своими собственными, малоэнергичными, но изобильными космическими лучами. Околосолнечный космос становится опасно радиоактивным для космонавтов. Поэтому вспышки – это серьезная угроза межпланетному сообщению.

Но все ли вспышки одинаково опасны? Если бы это было так, то в годы максимума одиннадцатилетнего ритма солнечной деятельности космос был бы просто закрыт для всяких полетов. Годы тщательных наблюдений на десятках космостанций планеты показали, что особо опасные потоки солнечных космических лучей приходят в окрестности нашей планеты только в одном случае, если вспышка произошла в западной части солнечного диска.

Силовая линия Солнце – Земля всегда начинается на западном краю светила и подходит к планете, изогнувшись в пространстве плавной дугой.

И сейчас, зная все это, ученые безошибочно могут предсказать, насколько опасна та или иная вспышка для космонавта. Большое значение имеет 18-часовая вариация потока космических лучей. Стройная картина магнитной солнечной короны со спиралями силовых линий соответствует реальному околосолнечному пространству (рис. 7.1.3).

Солнечный ветер – поток заряженных частиц от Солнца вместе с «пузырьками» – дефектами, нарушениями регулярного, однородного магнитного поля дует то ровно, то порывами от Солнца в период появления солнечных вспышек, стремясь при этом двигаться не по спирали, а напрямик, по радиусу.

183

Рис. 7.1.4. Образование вспышечной ударной волны Рис. 7.1.3. Секторная

структура межпланетного магнитного поля (ММП). Выделено 4 сектора с различным направлением ММП, показанным стрелками. Маленькой стрелкой показано направление вращения Солнца.

Солнечный ветер выдувает галактические космические лучи, оттесняя их на задворки планетной системы тем дальше, чем он сильнее. Но вот его напор ослабевает, и упругая граница между ослабевшим солнечным ветром и напирающим галактическим фоном космического излучения начинает возвращаться к Солнцу. Возникает сравнительно медленный поток космических лучей. Он, медлительный и неуверенный, уже обязательно течет вдоль магнитных силовых линий солнечного магнита.

Поскольку магнитные силовые линии имеют спиральный вид, галактические космические лучи идут к Солнцу не прямо, а под углом, причем этот поток можно разложить на две составляющие.

Образование вспышечной ударной волны представлено на рисунке

(рис. 7.1.4.).

Одну составляющую, направленную к Солнцу, почти полностью уравновешивает ослабевший, но все же дующий навстречу солнечный ветер. А вторая составляющая, направленная по окружности с запада на восток, вслед за вращением Земли, образует суточный ритм космических лучей.

Космические лучи, представляющие собой потоки электрически заряженных высокоэнергичных частиц, разгоняются до скоростей, близких к скорости света, и приобретают огромную энергию в гравитационных и магнитных волнах. Вращаясь вокруг галактического ядра, звезды оказываются то в положительном, то в отрицательном знаке межзвездного

184

магнитного поля Галактики. Это приводит к инверсии магнитных полей звезд и формирует в них ритмическую цикличность в излучении.

7.2. Ритмы Солнца

Солнечная активность оценивается по периодичному появлению локальных вспышек (пятен) на поверхности Солнца. Максимальное их количество появляется в среднем через каждые 11, 22, 44, 88 лет. Солнце, вращаясь вокруг галактического ядра, периодически оказывается то в положительном, то в отрицательном знаке межзвездного магнитного поля. При пересечении секторов магнитного поля на Солнце происходит смена знаков магнитного поля на обратные значения. Это проявляется в появлением пятен одновременно в обеих частях полушария с обратным знаком по отношению к общему магнитному полю (рис. 7.2.1).

Пятна появляются на широтах 40-300. Постепенно количество их растет, с ними увеличивается солнечная активность. Пятна медленно приближаются к экватору, но никогда до него не доходят и не сливаются. Как только произошла инверсия магнитного поля Солнца (смена знаков у полюсов на обратные значения), пятна слабеют, вспышки становятся реже и постепенно исчезают. Наступает минимум солнечной активности. Через некоторое время на широте 40-300 снова появляются пятна следующего 11-летнего цикла, которые проходят тот же путь. Пятна, появляющиеся на Солнце, имеют парные образования, своего рода магнитные сплетения, скрытые в теле звезды.

185

Рис. 7.2.1. Магнитная инверсия Солнца.

а) пересечение Солнечной системой магнитных секторов Галактики; б) появление пятен; в) - исчезновение пятен на Солнце.

Самый короткий ритм солнечной активности на Земле – 27-дневный (период обращения Солнца вокруг собственной оси).

Плоскости земной орбиты и солнечного экватора не совпадают. Иначе говоря, Земля не находится все время над экватором Солнца, а переходит в небе нашей звезды то на 7 градусов в южное её полушарие, то на столько же в северное. Над солнечным экватором Земля повисает только в июне и декабре. Но экватор Солнца всегда чист от солнечных пятен, от хромосферных вспышек. И значит, Земля в это время находится в условиях более спокойной «солнечной погоды», чем, скажем, в марте и сентябре, когда она пролетает над более активными широтами Солнца.

186

В течение года Земля дважды, в дни равноденствий, попадает в более бурные области неба Солнца и дважды, во время солнцестояний, в более спокойные. Это не может не отразиться на климатических и геофизических процессах Земли. И действительно, многие исследователи обнаружили годовой и полугодовой циклы в ходе геомагнитных возмущений, атмосферной циркуляции и других геофизических процессах, причем таких, которые трудно было бы объяснить просто сменой времен года.

Зеркалом геомагнитных возмущений в полярных широтах являются «полярные сияния». Вертикальные лучи полярного сияния – это силовые линии магнитного поля Земли, ставшие видимыми благодаря заряженным частицам, спустившимся по этим линиям из космоса и заставившим светиться атомы ионосферы. Они то усиливаются, то ослабевают в зависимости от солнечной активности и интенсивности хромосферных вспышек. Форма полярных сияний изменяется под влиянием «берегового эффекта».

Солнце по-разному облучает Землю, поворачиваясь к ней то одним, то другим боком, выходит, что есть на нашем светиле меридианы более активные и менее активные. И это не удивительно. Солнечные пятна, а значит, и связанные с ними зоны частых вспышек расположены кучно, группами. И появляясь из-за края солнечного диска, такая группа начинает усиленный обстрел Земли сгустками выброшенных из недр Солнца корпускул.

Солнце обращается вокруг своей оси с близким периодом – 27 дней и воздействует на Землю своими активными меридианами. Очень давно люди заметили, что месяцы, выделенные ими по фазам Луны (лунный месяц равен 29,5 дня), имеют тесную связь с характером погоды.

Профессору Л.А. Вительсу удалось проследить за несколькими активными, долго прожившими образованиями на Солнце, появление которых из-за края вращающегося Солнца вызывало мощные потрясения в земной атмосфере. В течение нескольких оборотов Солнца на нем держалась монолитная группа пятен. И каждый раз появление этой группы вызывало на Земле взрыв климатических происшествий. В мае с ними были связаны невиданно резкие похолодания и потепления в Западной Европе. В те же дни над Америкой бушевал жестокий ураган. И из месяца

вмесяц, преодолевая инерцию земной атмосферы, солнечные пятна регулярно вызывали образование мощных циклонов, ливней, бурь.

Интересное исследование провел американский астроном П. Джозе. Путем сложных вычислений он определил центр тяжести Солнечной системы в целом. Оказалось, что он не совпадает с центром Солнца и что само Солнце обращается вокруг этого общего центра тяжести с периодом

в178,77 земного года! После этого он обратился к таблицам чисел Вольфа (характеризующих количество пятен на Солнце). Эти таблицы астрономы

187

ведут с 1610 года. Вычисления, сделанные на основании этих таблиц, дали новый большой период солнечной активности продолжительностью 178,55 года! Интересно, что близкий период солнечной деятельности раньше нашел советский ученый П.П. Предтеченский, а еще раньше, в начале века географ – Э.А. Брикнер, изучая морены альпийских ледников.

К настоящему времени в солнечной активности выделены следующие циклы: 6,9–11,1–16,1–34,2–58,4 – 88… и многолетних климатических колебаний: 80 - 5 400 лет. Магнитные инверсии и интенсивность пятнообразования соответственно влияли на геомагнитное поле, положение земной оси, эксцентриситета и прецессии Земли.

На рис. 7.2.2 приводится кривая цюрихских среднегодичных чисел солнечных пятен за период 1755 – 1969 гг.

Рис. 7.2.2. Кривая изменения цюрихских среднегодичных чисел Вольфа за 1755-1969 гг.

На рисунке видна цикличность солнечной активности, которая имела место за рассматриваемый период.

Секторная структура межпланетного магнитного поля приведена на рис. 7.2.3.

188

Рис. 7.2.3. Спиральное солнечно-межпланетное поле в плоскости солнечного экватора (или в эклиптики) для спокойного Солнца

Межпланетная секторная структура существует даже во время самого спокойного периода 11-летнего цикла солнечной активности. Такие характерные параметры, как скорость, концентрация и напряженность межпланетного магнитного поля, систематически изменяются внутри каждой секторной структуры. Эти параметры достигают своих максимальных значений вблизи ведущей границы сектора. Сектора между собой различаются полярностью и направлением солнечного ветра.

7.3. Влияние ритмов Галактики и Солнца на геофизические процессы Земли

Общеизвестно, что режим вращения Земли широко и неумолимо влияет на многие природные процессы, происходящие на поверхности планеты и в литосфере. От этого зависят колебания внутреннего напряжения Земли и, как следствие, интенсивность землетрясений, горообразований и приливов. Приливы – это проявление взаимодействий космических и земных сил тяготения. И не случайно многие совпадения в мировых ритмах ученые стремятся объяснить именно приливными силами.

Роджер Бэкон, знаменитый ученый XIII века, искал и не нашел на него ответа. Правильный ответ дал только Исаак Ньютон.