Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Доп. образование / Другие методич. материалы / УМК Концепции современного естествознания

УМК Концепции современного естествознания

  • Доп. образование

Поделитесь материалом с коллегами:


Гhello_html_99eb85b.gifОУ ВПО Дагестанский

государственный

институт народного

хозяйства Правительство РД




Дибиров Гаджи Шарапович


Кафедра гуманитарных дисциплин

Учебно-методический комплекс

по дисциплине

«КОНЦЕПЦИИ СОРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

для специальностей

«Менеджмент организации», «Математические методы в экономике», «Финансы и кредит», «Налоги и налогообложение», «Бухучет, анализ и аудит», «Коммерция», «Маркетинг», «Юриспруденция», «Землеустройство».



hello_html_497cec91.jpg




Махачкала – 2007

УДК 001

ББК 20


Составитель: Дибиров Гаджи Шарапович преподователь кафедры гуманитарных дисциплин ДГИНХ


Внутренний рецензент: Назаров Александр Давыдович кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедры высшей математики


Внешний рецензент: Исрапов Исрап Магомедович доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедры естествознания



Учебно-методический комплекс разработан с учетом п. 41 типового положения об образовательном учреждении высшего профессионального образования (высшем учебном заведении) РФ утвержденного постановлением Правительства РФ от 5 апреля 2001 г. № 204, а также в соответствии с письмом Министерства образования и науки РФ от 19. 05. 2000 г. №14-52-357 ин/13 « О порядке формирования основных образовательных программ высшего учебного заведения на основе государственных образовательных стандартов».


Дибиров Г.Ш. Учебно-методический комплекс по дисциплине «Концепции современного естествознания» для специальностей «Менеджмент организации», «Математические методы в экономике», «Финансы и кредит», «Налоги и налогообложение», «Бухучет, анализ и аудит», «Коммерция», «Маркетинг», «Юриспруденция», «Землеустройство».

Махачкала: издательство «Формат», 2007 – 314с.


РЕКОМЕНДОВАНО ОДОБРЕНО

К УТВЕРЖДЕНИЮ

Начальник департамента Советом факультета

по учебной работе, председатель «Налоги и налогообложение»

методического совета ДГИНХ Председатель Совета,

д.э.н. профессор Казаватова Н.Ю. к.и.н. Кадиев Д.К.


____________________________ __________________________

«_28_» _____августа_______ 2007г. «_5__» _____июня_______ 2007г.


ОДОБРЕНО

кафедрой гуманитарных дисциплин

зав. кафедрой, к.ф.н. доцент Буттаева А.М.


_______________________________

«___15__» _________май________2007г.



Содержание

Стр.

1.

2.

3.

4.

5.


6



7.

7.1.

7.2.1.

7.2.2.

8.

8.1.

8.2.

10.

10.1.

10.2.

Цель преподавания дисциплины

Задачи преподавания дисциплины

Рекомендации по изучению дисциплины

Требование к минимуму содержания дисциплины

Содержание теоретического материала (лекций) по дисциплине.

Содержание семинарских занятий и самостоятельных работ

Лекционный материал по дисциплине

Содержание семинарских занятий

Задания для итогового контроля усвоения материала.

Перечень контрольных вопросов по дисциплине

Тесты для проверки остаточных знаний

Материалы итогового тестирования по КСЕ

Задание для самостоятельной работы студентов

Перечень вопросов для самостоятельного изучения

Тематика рефератов и творческих работ

Информационное обеспечение дисциплины

Обеспечение основной учебной литературой.

Обеспечение учебно-методической литературой.

6

6

6

7


10

15

16

292


294

296

301

304

309

310

311


Аннотация


Естествознание изучает реальный мир, как он есть, в его естественном состоянии, независимо от человека. Объекты и явления природы рассматриваются как единое целое во взаимосвязи с окружением. Чтобы осознать единство природы, необходимо изучить основные законы, связывающие микро-, макро- и мегамиры, Землю и космос, взаимоотношения объекта и окружающей среды, физические и химические явления между собой, а также с жизнью и разумом. Программой предусмотрено также ознакомление с основными научными методами. Уделено внимание концепциям эволюционного развития неживой и живой природы, человека и общества.

Предлагаемый курс «Концепции современного естествознания» не претендует на всестороннее и глубокое изучение всех законов и принципов естествознания. Его основная задача-формирование научного мировоззрения и культуры студентов.

Предмет концепция современного естествознания входить общепредметного цикла как федеральный компонент, для повышения уровня фундаментальных знаний.

Дисциплина построена по принципу от простых понятий к сложным. От объективного к абстрактному.

Практически во всех учебниках предмет назван одинаково: «Концепция современного естествознания». Для углубленного изучения предмета в конце данной программы представлен списки основных и дополнительных литератур. В работе использованы следующие авторы: Горелов А.А., Лавриенко В.Н., Карпенков С.Х., Найдыш В.М., Рузавин Г.И., Садохин А.П., Самыгина С.И., Амбарцумян В.А, Аршинов В.И., Бронштейн В.А., Вернадский В.И., Гинзбург В.Л., Дагаев М.М., Данин Д.С., Дышлевский П.С., Евсюков Б.В., Ефремов Ю.Н., 3авадовский Б.М., Казначеев В.П., Климишин И.А., Круть И.В., Медников Б.М., Мухин Л.М., Назаретян А.П., Новиков И.Д., Пригожий И.И., Рогинский ЯЛ., Рузавин Г.И., Савенков В.П., Степии B.C., Тимиржев К.А., Турсунов А., Чижевский А.Л., Шама М., Шарден П.Т., Шкловский И.С., Шреденгер Э., Энгельс Ф., Яблоков А.В., Юсуфов А.Г., Якимов В.П.

УМК предназначена для студентов 1 курса дневного и заочного отделения факультетов «Менежмент», «Математические методы в экономике», «Бухучет и аудит», «Налоговый», «Прикладная информатика в экономике», «Землеустроительный».

УМК составлено согласно требованиям ГОС ВПО по специальностям:

061100 - «Менеджмент»,

060500- «Бухучет анализ и аудит»,

351200- «Налоги и налогообложение»,

061800- «Математические методы в экономике»,

650500 - «Землеустройство»,

021100 - « Юриспруденция»,

060400 - «Финансы и кредит» и требованиям образовательной программы выше изложенных специальностей.

На изучение данного предмета отводится 36 часа лекций на каждый факультет и 36 часов самостоятельной подготовки.

По программе предусмотрена тестовая форма контроля.

УМК составил преподователь кафедры гуманитарных дисциплин

Дибиров Гаджи Шарапович

К использованию и изданию рекомендован:

Кафедрой гуманитарных дисциплин

протокол № 9 от 15. 05. 2007 г.,

методическим советом налогового факультета

протокол №1 от 28. 08. 2007 г. и

советом налогового факультета

протокол № 10 от 5. 06. 2007 г.




1. Цель преподавания дисциплины

Цель и задачи изучения дисциплины соотносятся с общими целями ГОС ВПО по специальностям: «Менеджмент», «Математические методы в экономике», «Бухучет и аудит», «Налоговый», «Прикладная информатика в экономике», «Землеустроительный». Цель данной дисциплины – помочь студенту овладеть предметом концепция современного естествознания, введенным в систему преподавания ВПО, а также в формировании основных идей, характеризующую современную фундаментальную науку, и главные теории XX века.


2. Задачи преподавания дисциплины

а) Раскрыть всеобщие связи процессов и явлений, установить единство материального мира.

б) Выяснить интеграционные процессы естественных наук в целостное естествознание.

в) Определить единство и различия между естественно - научной и гуманитарной культурами.

г) Выявить применение естественно-научных знаний.

д) Рассмотреть роль естественно-научного и гуманитарного образования в формировании гармоничной личности.


3. Рекомендации по изучению дисциплины

Предлагаемый курс «Концепции современного естествознания» не претендует на всестороннее и глубокое изучение всех законов и принципов естествознания, а также на формирование научного мировоззрения и культуры студентов в соответствии с ГОС ВПО.

В результате изучения дисциплины специалист должен:

а) Овладеть современной естественно-научной картиной мира.

б) Синтезировать в единое целое гуманитарную и естественно-научную культуры.

в) Сформулировать у будущих специалистов естественно-научный способ мышления и целостное мировоззрение.


4. Требование к минимуму содержания дисциплины согласно Государственному образовательному стандарту по специальностям:

061100- «Менеджмент»,

060500- «Бухучет анализ и аудит»,

351200- «Налоги и налогообложение»,

061800- «Математические методы в экономике»,

650500 - «Землеустройство»

021100 - « Юриспруденция»,

060400 - «Финансы и кредит» утвержденным заместителем министра образования РФ В.Д. Шадриковым 17 марта 2000г.

В ходе обучения КСЕ студент должен получить целый ряд новых систематизированных знаний и умений, необходимых ему в его, творческой профессиональной деятельности. Для этого студент должен учитывать и воспринимать следующие требования:

- иметь представления о многообразии форм человеческого опыта и знания, природе мышления, соотношении истины и заблуждения, знания и веры, рационального и иррационального в мире и человеческой жизнедеятельности, особенностях функционирования науки в современном обществе, о духовных и интеллектуальных ценностях, их значении в повседневной жизни и творчестве, уметь ориентироваться в них;

- понимать сложность и многомерность человека, смысл соотношения биологического, социального и духовного в человеке, отношения человека к природе, противоречий и кризисных явлений современной эпохи научно-технического развития;

- знать условия формирования личности, ее свободы, ответственности за сохранение жизни, природы, культуры, понимать роль насилия и ненасилия в истории и повседневном человеческом поведении, нравственных обязанностей человека по отношению к другим и самому себе;

- понимать роль науки в развитии цивилизации, соотношение науки и техники и связанные с ними современные проблемы, различие исторических типов научной рациональности, знать структуру, формы и методы научного познания, их эволюцию;

- быть знакомым с важнейшими отраслями и этапами развития науки, основными направлениями, концепциями, источниками познания и приемами работы с ними;

Методические требования, которые положены в основу обучения:

- учебный материал должен отражать исторический путь, пройденный каждой наукой, раскрывать неповторимость, уникальность развития каждой науки;

- исторический аспект рассмотрения дополняется систематическим, показывает структурное развитие естествознания выявляет специфику научного мышления в познании и преобразовании природной и социальной действительности;

- развитие естественно научного знания должно быть представлено как сложный, многосторонний, противоречивый процесс, где сталкиваются, взаимодействуют, взаимообогащаются различные подходы, направления, школы, течения и взгляды.

В связи с этим государственный образовательный стандарт определяет как обязательные требования к минимальному содержанию образовательной программы по КСЕ, так и дидактические единицы базового курса КСЕ.

Естественнонаучная и гуманитарная культура; научный метод; история естествознания; панорама современного естествознания; тенденция развития; корпускулярная и континуальная концепции описания природы; порядок и беспорядок в природе; хаос; структурные уровни организации материи; микро -, макро – и мега миры; пространство, принципы относительности; принципы симметрии; законы сохранения; взаимодействие; близкодействие; дальнодействие; состояние; принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности, динамические и статические закономерности в природе; законы сохранения энергии в макроскопических процессах; принципы возрастания энтропии; химические системы, энергетика химических процессов, реакционная способность веществ; особенности биологического уровня и организации материи; принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем; многообразие живых систем – основа организации и устойчивости биосферы; генетика и эволюция; человек: физиология, здоровье, эмоции, творчество, работоспособность; биоэтика; человек, биосфера и космические циклы; ноосфера; необратимость времени; самоорганизация в живой и неживой природе; принципы универсального эволюционизма; путь к единой культуре.


5. Содержание теоретического материала (лекций)


Тема и развернутый план лекций

ЗУФ

НФ

МЕН

ММЭ

ЮФ

Б/У

ФИК

1.

Тема: Предмет, задачи и методы в естествознании.

1. Естествознание – комплекс наук о природе.

2. Уровни и формы научного познания.


2

2

2

2

2

2

2

2.

Тема: Методы научного познания.

1. Особенные эмпирические методы научного познания.

2. Особенные теоретические методы научного познания.

3. Особенные универсальные методы научного познания.



2

2

2

2

2

2

3.

Тема: Научные подходы к познанию

1. Общенаучные подходы.

2. Системный подход.

3. Глобальный эволюционизм.


2

2

2

2

2

2

4.

Тема: Основы естествознания

1. Структура естествознания

2. История естествознания.

2

2

2

2

2

2

2

5.

Развитие науки естествознание

1. Начало развития науки естествознание.

4. Глобальная научная революция конца XIX - начала XX в.

5. Основные черты современного естествознания как науки.


4

4

4

2

4

4

6.

Тема: Вселенная

1. Сущность концепции развития

2. Эволюция Вселенной.

3. Структура Вселенной.

4. Средства наблюдения объектов Вселенной.

5. Проблема поиска внеземных цивилизаций.

2

2

2

2

2

2

2

7.

Тема: Солнечная система

1. Строение солнца

2. Происхождение Солнечной системы.

3. Характеристика планет Солнечной системы.

2

2

2

2

2

2

2

8.

Тема: Земля – планета

1. Общая характеристика земной поверхности.

2. Форма и размеры земли.

3. Движения земли.

4. Обращение земли вокруг солнца.

5. Пояса освещенности астрономические тепловые пояса.

6. Строение земли.

7. Тепло земли.

8. Земной магнетизм.

2

2

2

2

2

2

2

9.

Тема: Структурные уровни, происхождение и сущность жизни

1. Структура биологического знания.

2. Структурные уровни организации жизни.

3. Сущность жизни.


2

2

2

2

2

2

10

Тема 10: Основные концепции происхождения жизни.

1. Разнообразие концепций происхождения жизни.

2. Современное состояние проблемы происхождения жизни.

3. Появление жизни на Земле.

4. Формирование и развитие биосферы Земли.

5. Появление царств растений и животных.


2

2

2

2

2

2

2

11.

Тема: Растения и животные

1. Таксономическая характеристика живых существ.

2. Систематика растений.

3. Систематика животных.

2

2

4

4

2

4

4

12.

Тема: Теория эволюции органического мира

1. Становление идеи развития в биологии.

2. Теория эволюции Ч. Дарвина.

3. Дальнейшее развитие эволюционной теории.

4. Основы генетики.

5. Синтетическая теория эволюции.


2

2

2

2

2

2

13.

Тема: Человек как предмет естествознания.

1. Концепции происхождения человека.

2. Сходство и отличия человека и животных.

3. Сущность человека.

4. Этология о поведении человека.

2

2

2

2

2

2

2

14.

Тема: Феномен человека в современной науке

1. Сущность и истоки человеческого сознания.

2. Эмоции человека.

3. Здоровье, работоспособность и творчество человека.

4. Биоэтика.


2

2

2

2

2

2

15.

Тема: Понятие и сущность биосферы.

1. Понятие биосферы

2. Биосфера и космос.

3. Человек и космос.

4. Человек и природа.

2

2

2

2

2

2

2

16

Тема: Концепции взаимоотношения человека и природы

1. Концепция ноосферы В.И. Вернадского.

2. Охрана окружающей среды.

3. Рациональное природопользование.

4. Антропный принцип в современной науке.


2

2

2

2

2

2

Всего

18

34

36

36

32

36

36


6. Содержание семинарских занятий и самостоятельных работ


Темы семинарских и самост. работ

Зуф

НФ

МЕН

ММЭ

Б/У

ФИК


Пр.

Сам.

Сам.

Пр.

Сам.

Сам.

Сам.

Сам.

1.

Тема: Методы научного познания

2

4

4

4

8

4

2

4

2.

Тема: Основы естествознания

2

4

4

4

10

4

4

4

3.

Тема: Вселенная

2

6

4

4

10

4

4

4

4.

Тема: Земля - планета

2

6

4

4

10

4

4

4

5.

Тема: Основные концепции происхождения жизни

4

6

6

6

12

4

4

6

6

Тема: Теория эволюции органического мира

2

6

4

4

10

6

4

6

7.

Тема: Феномен человека в современной науке

2

6

4

4

10

4

4

4

8

Тема: Понятие и сущность биосферы

2

6

4

4

10

4

4

4

Всего

18

44

36

36

80

34

30

36


7. Лекционный материал по дисциплине


Тема 1: Предмет, задачи и методы в естествознании

1. Естествознание – комплекс наук о природе.

2. Уровни и формы научного познания.

1. Естествознание – комплекс наук о природе. Стремление человека к познанию окружающего мира выражается в различных формах, способах и направлениях исследовательской деятельности. Каждая из основных частей объективного мира - природа, общество и человек - изучается своими отдельными науками. Совокупность научных знаний о природе формируется естествознанием. Этимологически слово «естествознание» происходит от соединения двух слов: «естество», что означает природа, и «знание», т.е. знание о природе.

В современном употреблении термин «естествознание» в самом общем виде обозначает совокупность наук о природе, имеющих предметом своих исследований различные природные явления и процессы, а также закономерности их эволюции. Кроме того, естествознание является самостоятельной наукой о природе как едином целом и в этом качестве позволяет изучить любой объект окружающего нас мира более глубоко, чем это может сделать одна какая-либо из естественных наук в отдельности. Поэтому естествознание наряду с науками об обществе и мышлении является важнейшей частью человеческого знания. Оно включает в себя как деятельность по получению знания, так и ее результаты, т.е. систему научных знаний о природных процессах и явлениях.

Роль естествознания в жизни человека трудно переоценить. Оно является основой всех видов жизнеобеспечения - физиологического, технического, энергетического. Кроме того, естествознание служит теоретической основой промышленности и сельского хозяйства, всех технологий, различных видов производства. Тем самым оно выступает важнейшим элементом культуры человечества, одним из существенных показателей уровня цивилизации.

Отмеченные характеристики естествознания позволяют сделать вывод, что оно является подсистемой науки и в этом качестве связано со всеми элементами культуры - религией, философией, этикой и др. С другой стороны, естествознание - самостоятельная область знания, обладающая собственной структурой, предметом и методами.

Понятие «естествознание» появилось в Новое время в Западной Европе и стало обозначать всю совокупность наук о природе. Корни этого представления уходят в Древнюю Грецию, во времена Аристотеля, который первым систематизировал имевшиеся тогда знания о природе в своей «Физике». Однако эти представления были достаточно аморфными, и поэтому сегодня под естествознанием понимается так называемое точное естествознание - знание, соответствующее не только первым четырем, но и последнему, пятому критерию научности. Важнейшей характеристикой точного естествознания является экспериментальный метод, дающий возможность эмпирической проверки гипотез и теорий, а также оформление полученного знания в математических формулах.

Существуют два широко распространенных представления о предмете естествознания:

  1. естествознание - это наука о Природе как единой целостности;

  2. естествознание - совокупность наук о Природе, рассматриваемой как целое.

На первый взгляд, эти определения отличны друг от друга. Одно говорит о единой науке о Природе, а другое - о совокупности отдельных наук. Тем не менее на самом деле отличия не столь велики, так как под совокупностью наук о Природе подразумевается не просто сумма разрозненных наук, а единый комплекс тесно взаимосвязанных естественных наук, дополняющих друг друга.

Являясь самостоятельной наукой, естествознание имеет свой предмет исследования, отличный от предмета специальных (частных) естественных наук. Спецификой естествознания является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиций нескольких наук, выявляя наиболее общие закономерности и тенденции. Только так можно представить Природу как единую целостную систему, выявить те основания, на которых строится все разнообразие предметов и явлений окружающего мира. Итогом таких исследований становится формулировка основных законов, связывающих микро-, макро- и мегамиры, Землю и Космос, физические и химические явления с жизнью и разумом во Вселенной.

В школе изучаются отдельные естественные науки - физика, химия, биология, география, астрономия. Это служит первой ступенью познания Природы, без которой невозможно перейти к осознанию ее как единой целостности, к поиску более глубоких связей между физическими, химическими и биологическими явлениями. Это и есть главная задача настоящего курса. С его помощью мы должны более глубоко и точно познать отдельные физические, химические и биологические явления, занимающие важное место в естественно-научной картине мира; а также выявить скрытые связи, создающие органическое единство этих явлений, что невозможно в рамках специальных естественных наук.

Итак, Естествознание – это раздел науки основанный на воспроизводимой эмпирической проверке гипотез и создании теории или эмпирических обобщений, описывающих природные явления.

Задачами естествознания являются:

а) Раскрыть всеобщие связи процессов и явлений, установить единство материального мира.

б) Выяснить интеграционные процессы естественных наук в целостное естествознание.

в) Определить единство и различия между естественно - научной и гуманитарной культурами.

г) Выявить применение естественно-научных знаний.

д) Роль естественно-научного образования в формировании гармоничной личности.

2. Уровни и формы научного познания. Уровни научного познания. В современном естествознании обычно выделяют эмпирический и теоретический уровни познания.

Эмпирический уровень познания. На эмпирическом (опытном) уровне познания используются главным образом методы, опирающиеся на чувственно-наглядные приемы и способы познания, такие, как систематическое наблюдение, сравнение, аналогия и т.д. Здесь накапливается первичный опытный материал, который требует дальнейшей обработки и обобщения. На данном уровне познание имеет дело с фактами и их описанием. Вся научная информация основана на наблюдениях и подвергается объективной проверке. Непосредственные наблюдения ограничиваются только ощущениями, полученными от пяти органов чувств. Эти данные можно проверить, поскольку наши органы чувств могут обманываться и предоставлять нам неверную информацию.

К сожалению, сами по себе эмпирические факты и обобщения мало что объясняют. Можно сделать наблюдение, что на Земле любой предмет (а не только яблоки) будет падать сверху вниз. Но еще один непреложный факт - то, что звезды и планеты, которые мы можем увидеть у себя над головой, на Землю не падают. Выявить разницу между этими событиями, а также объяснить их причину на уровне эмпирического обобщения невозможно. Чтобы это понять, нужно пойти дальше и перейти с эмпирического на теоретический уровень познания.

Теоретический уровень познания. Только на этом уровне становится возможным формулирование законов, являющееся целью науки. Для этого нужно уметь увидеть за многочисленными, часто совершенно непохожими внешне фактами, именно существенные, а не просто повторяющиеся свойства и характеристики предметов и явлений.

Главная задача теоретического уровня познания заключается в том, чтобы привести полученные данные в стройную систему и создать из них научную картину мира. Для этого отдельные чувственные данные складываются в одну целостную систему - теорию Но при построении теории используются другие, более высокие методы познания - теоретические.

Теоретический уровень познания обычно расчленяется на два типа - фундаментальные теории и теории, которые описывают конкретную область реальности. Так, механика описывает материальные точки и взаимоотношения между ними, а на основе ее принципов строятся различные конкретные научные теории, описывающие те или иные области реального мира.

При всех различиях между эмпирическим и теоретическим уровнями познания нет непреодолимой границы: теоретический уровень опирается на данные эмпирического, а эмпирическое знание не может существовать без теоретических представлений, оно обязательно погружено в определенный теоретический контекст.

Формы научного познания. К основным формам научного познания относятся научные факты, проблемы, гипотезы и теории. Их назначение состоит в том, что они раскрывают динамику процесса познания, т.е. движение и развитие знания в ходе исследования или изучения какого-либо объекта.

Фундаментом всего научного знания являются научные факты, с установления которых начинается научное познание. Научный факт - это отражение конкретного явления в человеческом сознании, т.е. его описание с помощью языка науки (обозначение, термины и т.п.). Одним из важнейших свойств научного факта является его достоверность, которая обусловливается возможностью его воспроизведения с помощью различных экспериментов. Чтобы факт считался достоверным, требуется его подтверждение в ходе многочисленных наблюдений или экспериментов. Так, если мы один раз увидели, что яблоко с дерева падает на землю, то это всего лишь единичное наблюдение. Но если мы фиксировали подобные падения неоднократно, то можно говорить о достоверном факте. Подобные факты составляют эмпирический, т.е. опытный, фундамент науки.

Трудность заключается в том, что в непосредственном наблюдении зафиксировать сущностные характеристики предмета практически невозможно. Поэтому прямо перейти с эмпирического на теоретический уровень познания тоже нельзя. Теория не строится путем непосредственного индуктивного обобщения опыта. Поэтому следующим шагом в научном познании становится формулирование проблемы.

Проблема определяется как «знание о незнании», как форма знания, содержанием которой является осознанный вопрос, для ответа на который имеющихся знаний недостаточно. Любое научное исследование начинается с выдвижения проблемы, что свидетельствует о возникновении трудностей в развитии науки, когда вновь обнаруженные факты не удается объяснить существующими знаниями. Поиск, формулирование и решение проблем - основная черта научной деятельности. Проблемы отделяют одну науку от другой, задают характер научной деятельности как подлинно научной или псевдонаучной.

В свою очередь, наличие проблемы при осмыслении необъяснимых фактов влечет за собой предварительный вывод, требующий своего экспериментального, теоретического и логического подтверждения. Такого рода предположительное знание, истинность или ложность которого еще не доказана, называется научной гипотезой.

Гипотеза - это знание в форме предположения, сформулированного на основе ряда достоверных фактов.

По своему происхождению гипотетическое знание носит вероятностный, а не достоверный характер и поэтому требует обоснования и проверки. Если в ходе проверки содержание гипотезы не согласуется с эмпирическими данными, то гипотеза отвергается. Если же гипотеза подтверждается, то можно говорить о той или иной степени вероятности гипотезы. Чем больше фактов, подтверждающих гипотезу, найдено, тем выше ее вероятность. Таким образом, в результате проверки одни гипотезы становятся теориями, другие уточняются и конкретизируются, а третьи отбрасываются как заблуждения, если их проверка дает отрицательный результат. Решающим критерием истинности гипотезы является практика во всех своих формах, а вспомогательную роль при этом играет логический критерий истины.

Выдвижение гипотез - один из самых сложных моментов в науке. Ведь они не связаны прямо с предшествующим опытом, который лишь дает толчок к размышлениям. Огромную роль играют интуиция и талант, отличающие настоящих ученых, имена которых нам известны из школьных учебников. Интуиция важна так же, как и логика. Ведь рассуждения в науке не являются доказательствами, это только выводы, которые свидетельствуют об истинности рассуждений, если посылки верны, но они ничего не говорят об истинности самих посылок. Выбор посылок связан с практическим опытом и интуицией ученого, который из огромного множества эмпирических фактов и обобщений должен выбрать действительно важные. Затем ученый должен выдвинуть предположение, объясняющее эти факты, а также целый ряд явлений, еще не зафиксированных в наблюдениях, но относящихся к этому же классу событий. При выдвижении гипотезы принимается во внимание не только ее соответствие эмпирическим данным, но и требования простоты, красоты и экономичности мышления.

В случае своего подтверждения гипотеза становится теорией.

Теория - это логически обоснованная и проверенная на практике система знаний, дающая целостное отображение закономерных и существенных связей в определенной области объективной реальности.

Главная задача теории - описать, систематизировать и объяснить все множество эмпирических фактов. Иными словами, теория представляет собой систему истинного, уже доказанного, подтвержденного знания о сущности явлений, высшую форму научного знания, всесторонне раскрывающую структуру, функционирование и развитие изучаемого объекта, взаимоотношения всех его элементов, сторон и связей.

Научная теория - это развивающаяся система знания, главными элементами которой являются принципы и законы. Принципы - это наиболее общие и важные фундаментальные положения теории. В теории принципы играют роль исходных, основных и первичных посылок, образующих фундамент теории. В свою очередь, содержание каждого принципа раскрывается с помощью законов, которые конкретизируют принципы, объясняют механизм их действия, логику взаимосвязи вытекающих из них следствий. На практике законы выступают в форме теоретических утверждений, отражающих общие связи изучаемых явлений, объектов и процессов.

Раскрывая сущность объектов, законы их существования, взаимодействия, изменения и развития, теория позволяет объяснять изучаемые явления, предсказывать новые, еще не известные факты и характеризующие их закономерности, прогнозировать поведение изучаемых объектов в будущем. Таким образом, теория выполняет две важнейшие функции: объяснение и предсказание, т.е. научное предвидение.


Тема 2: Методы научного познания

1. Характеристика методов научного познания.

2. Особенные эмпирические методы научного познания.

3. Особенные теоретические методы научного познания.

4. Особенные универсальные методы научного познания.


1. Характеристика методов научного познания. Процесс познания окружающего нас мира в самом общем виде представляет собой решение разного рода задач, возникающих в ходе практической деятельности человека. Эти проблемы решаются путем использования особых приемов - методов.

Научный метод - это совокупность приемов и операций практического и теоретического познания действительности.

Они оптимизируют деятельность человека, вооружают его наиболее рациональными способами организации деятельности.

На эмпирическом уровне происходит сбор фактов и информации (установление фактов, их регистрация, накопление), а также их описание (изложение фактов и их первичная систематизация).

Теоретическая сторона связана с объяснением и обобщением фактов, созданием новых теорий, выдвижением гипотез, открытием новых законов, а также предсказанием новых фактов в рамках этих теорий. С их помощью вырабатывается научная картина мира, что важно для осуществления мировоззренческой функции науки.

В основе методов науки лежит единство эмпирических и теоретических сторон. Они взаимосвязаны и обусловливают друг друга. Их разрыв, или преимущественное развитие одной стороны за счет другой, закрывает путь к правильному познанию природы: теория становится беспредметной, опыт - слепым.

Помимо выделения двух уровней познания, в основу классификации научных методов может быть положена применяемость метода, возможность его использования в разных сферах человеческой деятельности. В таком случае можно выделить общие, особенные и частные методы научного познания.

Общие методы научного познания. Общие методы познания касаются любого предмета, любой науки. Это различные формы метода, дающего возможность связывать воедино все стороны процесса познания, все его ступени. Это, скорее, общефилософские методы познания. В истории философии можно найти только два таких метода - метафизический и диалектический. До конца XIX в. в науке господствовал метафизический метод, и лишь с XX в. он уступил свое место диалектическому методу познания. Оба этих метода лишь намечают границы познания.

Частные методы научного познания. Частные методы научного познания - это специальные методы, действующие только в пределах отдельной отрасли науки. Таков, в частности, метод кольцевания птиц, применяемый в зоологии. Иногда частные методы могут использоваться за пределами той области знания, в которой они возникли. Так, методы физики, применяемые в других отраслях естествознания, привели к созданию астрофизики, геофизики, кристаллофизики и других междисциплинарных наук. Нередко применяется комплекс взаимосвязанных частных методов к изучению одного предмета. Например, молекулярная биология одновременно пользуется методами физики, математики, химии, кибернетики.

Хотя частные методы и способы исследования в разных науках могут заметно отличаться друг от друга, однако общий подход этих методов к процессу познания остается в сущности одним и тем же. Все они определяют тактику исследования. Стратегию исследования определяют особенные методы познания. Кроме того, все частные методы познания связаны с определенными сторонами или сочетаниями особенных методов.

Особенные методы научного познания. Особенные методы научного познания используются большинством наук на разных этапах познавательной деятельности и касаются определенной стороны изучаемого предмета или приема исследования. Именно среди особенных методов можно выделить эмпирический и теоретический уровни познания. Таким образом, существуют особенные методы, проявляющиеся:

  • на эмпирическом уровне познания (особенные эмпирические методы);

  • на теоретическом уровне познания (особенные теоретические методы);

  • методы, действующие как на эмпирическом, так и на теоретическом уровнях познания (особенные универсальные методы).

Остановимся подробнее на этих трех группах особенных методов научного познания.

2. Особенные эмпирические методы научного познания. К особенным эмпирическим методам научного познания относятся наблюдение, измерение и эксперимент.

Наблюдение - это целенаправленный строгий процесс восприятия предметов действительности, которые не должны быть изменены.

Сущностью наблюдения является чувственное отражение предметов и явлений объективного мира, в ходе которого мы получаем некую первичную информацию о них. Поэтому исследование любых интересующих объектов окружающего нас мира чаще всего начинают с наблюдения, и лишь затем переходят к другим методам изучения.

Результаты наблюдения должны фиксироваться в описании, отмечающем те свойства и стороны изучаемого объекта, которые являются предметом исследования ученого. Такое описание должно быть максимально полным, точным и объективным. Ведь оно должно дать достоверную и адекватную картину изучаемого явления. Именно описания результатов наблюдений составляют эмпирический базис науки, на их основе создаются эмпирические обобщения, систематизации и классификации.

Измерение - это определение количественных значений (характеристик) изучаемых сторон или свойств объекта исследования с помощью специальных технических устройств.

Эти устройства могут работать как в руках человека, так и в автоматическом режиме. Современные компьютеры позволяют проводить не только процедуру измерения, но и обрабатывать полученные данные.

Большую роль в исследовании играют единицы измерения - эталоны, с которыми сравниваются полученные данные. Они могут быть основными, или базисными, и производными, выводимыми из них с помощью математических операций.

За последние четыре века бурного развития естествознания образовалось множество различных систем единиц измерения, что затрудняло работу ученых. Поэтому в I960 г. Генеральная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц - СИ. Она базируется на семи основных (метр (м) - единица длины, килограмм (кг) - единица массы, секунда (с) - единица времени, ампер (А) - сила электрического тока, кельвин (К) - термодинамическая температура в градусах, кандела (кд) - сила света, моль - количество вещества) и двух дополнительных (радиан (рад) - плоский угол, стерадиан (ср) - телесный угол) единицах. Сегодня большая часть измерительных приборов градуируется в этих единицах.

На основании данных единиц измерения введены производные единицы - площади, объема, частоты, скорости, ускорения и др.

Развитие науки немыслимо без развития измерительной техники. Можно говорить как о совершенствовании давно известных приборов, так и о появлении принципиально новых инструментов, сконструированных на основе недавно появившихся в науке гипотез и теорий.

Частным случаем измерения является сравнение. Оно позволяет оценить различные объекты и соотнести их друг с другом.

Эксперимент - более сложный метод эмпирического познания по сравнению с наблюдением, без которого он не обходится.

Эксперимент - это целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на интересующий его объект для изучения различных его сторон, связей и отношений.

Таким образом, в ходе эксперимента ученый может вмешиваться в естественный ход процессов, преобразовывать объект исследования, помещать его в искусственные условия.

Специфика эксперимента состоит также в том, что он позволяет увидеть объект или процесс в «чистом» виде за счет максимального исключения воздействия посторонних факторов. Ведь в обычных условиях все природные процессы крайне сложны и запутанны, не поддаются полному контролю и управлению. Поэтому экспериментатор отделяет существенные факторы от несущественных и тем самым значительно упрощает ситуацию. Такое упрощение способствует более глубокому пониманию сути явлений и процессов и дает возможность контролировать немногие важные для данного эксперимента факторы и величины.

3. Особенные теоретические методы научного познания. К особенным методам научного познания относятся процедуры абстрагирования и идеализации, в ходе которых образуются научные понятия.

Абстрагирование - мысленное отвлечение от всех свойств, связей и отношений изучаемого объекта, которые представляются несущественными для данной теории.

Результат процесса абстрагирования называется абстракцией. Примером абстракций являются такие понятия, как точка, прямая, множество и т.д.

Идеализация - это операция мысленного выделения какого-либо одного, важного для данной теории свойства или отношения (не обязательно, чтобы это свойство существовало реально), и мысленного конструирования объекта, наделенного этим свойством.

Именно посредством идеализации образуются такие понятия, как «абсолютно черное тело», «идеальный газ», «атом» в классической физике и т.д. Полученные таким образом идеальные объекты в действительности не существуют, так как в природе не может быть предметов и явлений, имеющих только одно свойство или качество. В этом состоит главное отличие идеальных объектов от абстрактных.

Формализация - использование специальной символики вместо реальных объектов.

Ярким примером формализации является широкое использование математической символики и математических методов в естествознании. Формализация дает возможность исследовать объект без непосредственного обращения к нему и записывать полученные результаты в краткой и четкой форме.

Индукция - метод научного познания, представляющий собой формулирование логического умозаключения путем обобщения данных наблюдения и эксперимента, получение общего вывода на основании частных посылок, движение от частного к общему.

Различают полную и неполную индукцию. Полная индукция строит общий вывод на основании изучения всех предметов или явлений данного класса. В результате полной индукции полученное умозаключение имеет характер достоверного вывода. Но в окружающем нас мире не так много подобных объектов одного класса, число которых ограниченно настолько, что исследователь может изучить каждый из них.

Поэтому гораздо чаще ученые прибегают к неполной индукции, которая строит общий вывод на основании наблюдения ограниченного числа фактов, если среди них не встретились такие, которые противоречат индуктивному умозаключению. Например, если ученый в ста или более случаях наблюдает один и тот же факт, он может сделать вывод, что этот эффект проявится и при других сходных обстоятельствах. Естественно, что добытая таким путем истина неполна, полученное знание носит вероятностный характер и требует дополнительного подтверждения.

Индукция не может существовать в отрыве от дедукции.

Дедукция - метод научного познания, представляющий собой получение частных выводов на основе общих знаний, вывод от общего к частному.

Дедуктивное умозаключение строится по следующей схеме: все предметы класса А обладают свойством В; предмет а относится к классу А; следовательно, а обладает свойством В. Например: «Все люди смертны»; «Иван - человек»; следовательно, «Иван - смертен».

Дедукция как метод познания исходит из уже познанных законов и принципов. Поэтому метод дедукции не позволяет получить содержательно нового знания. Дедукция представляет собой лишь способ логического развертывания системы положений на базе исходного знания, способ выявления конкретного содержания общепринятых посылок. Поэтому она не может существовать в отрыве от индукции. Как индукция, так и дедукция незаменимы в процессе научного познания.

Решение любой научной проблемы включает выдвижение различных догадок, предположений, а чаще всего более или менее обоснованных гипотез, с помощью которых исследователь пытается объяснить факты, не укладывающиеся в старые теории.

Гипотеза представляет собой всякое предположение, догадку или предсказание, выдвигаемое для устранения ситуации неопределенности в научном исследовании.

Поэтому гипотеза - это не достоверное, а вероятное знание, истинность или ложность которого еще не установлена.

4. Особенные универсальные методы научного познания. К универсальным методам научного познания относятся аналогия, моделирование, анализ и синтез.

Аналогия - метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного при рассмотрении какого-либо одного объекта, на другой, менее изученный, но схожий с первым объектом по каким-то существенным свойствам.

Метод аналогии основывается на сходстве предметов по ряду каких-либо признаков, причем сходство устанавливается в результате сравнения предметов между собой. Таким образом, в основе метода аналогии лежит метод сравнения.

Применение метода аналогии в научном познании требует определенной осторожности. Дело в том, что можно принять чисто внешнее, случайное сходство между двумя объектами за внутреннее, существенное, и на этом основании сделать вывод о сходстве, которого на самом деле нет. Так, хотя и лошадь, и автомобиль используются как транспортные средства, было бы неверным переносить знания об устройстве машины на анатомию и физиологию лошади. Данная аналогия будет ошибочной.

Тем не менее, метод аналогии занимает намного более значимое место в познании, чем это может показаться на первый взгляд. Ведь аналогия не просто намечает связи между явлениями. Важнейшей особенностью познавательной деятельности человека является то, что наше сознание не способно воспринять абсолютно новое знание, если у него нет точек соприкосновения с уже известным нам знанием. Именно поэтому при объяснении нового материала на занятиях всегда прибегают к примерам, которые и должны провести аналогию между известным и неизвестным знанием.

Метод аналогии тесно связан с методом моделирования.

Метод моделирования предполагает изучение каких-либо объектов посредством их моделей с дальнейшим переносом полученных данных на оригинал.

В основе этого метода лежит существенное сходство объекта-оригинала и его модели. К моделированию следует относиться с той же осторожностью, что и к аналогии, строго указывать пределы и границы допустимых при моделировании упрощений.

Современной науке известно несколько типов моделирования: предметное, мысленное, знаковое и компьютерное.

Предметное моделирование представляет собой использование моделей, воспроизводящих определенные геометрические, физические, динамические или функциональные характеристики прототипа. Так, на моделях исследуются аэродинамические качества самолетов и других машин, ведется разработка различных сооружений (плотин, электростанций и др.).

Мысленное моделирование - это использование различных мысленных представлений в форме воображаемых моделей. Широко известна идеальная планетарная модель атома Э. Резерфорда, напоминавшая Солнечную систему: вокруг положительно заряженного ядра (Солнца) вращались отрицательно заряженные электроны (планеты).

Знаковое (символическое) моделирование использует в качестве моделей схемы, чертежи, формулы. В них в условно-знаковой форме отражаются какие-то свойства оригинала. Разновидностью знакового является математическое моделирование, осуществляемое средствами математики и логики. Язык математики позволяет выразить любые свойства объектов и явлений, описать их функционирование или взаимодействие с другими объектами с помощью системы уравнений. Так создается математическая модель явления. Часто математическое моделирование сочетается с предметным моделированием.

Компьютерное моделирование получило широкое распространение в последнее время. В данном случае компьютер является одновременно и средством, и объектом экспериментального исследования, заменяющим оригинал. Моделью при этом является компьютерная программа (алгоритм).

Анализ - метод научного познания, в основу которого положена процедура мысленного или реального расчленения предмета на составляющие его части и их отдельное изучение.

Эта процедура ставит своей целью переход от изучения целого к изучению его частей и осуществляется путем абстрагирования от связи этих частей друг с другом.

Анализ - органичная составная часть всякого научного исследования, являющаяся обычно его первой стадией, когда исследователь переходит от описания нерасчлененного изучаемого объекта к выявлению его строения, состава, а также свойств и признаков. Для постижения объекта как единого целого недостаточно знать, из чего он состоит. Важно понять, как связаны друг с другом составные части объекта, а это можно сделать, лишь изучив их в единстве. Для этого анализ дополняется синтезом.

Синтез - метод научного познания, в основу которого положена процедура соединения различных элементов предмета в единое целое, систему, без чего невозможно действительно научное познание этого предмета.

Синтез выступает не как метод конструирования целого, а как метод представления целого в форме единства знаний, полученных с помощью анализа. Важно понять, что синтез вовсе не является простым механическим соединением разъединенных элементов в единую систему. Он показывает место и роль каждого элемента в этой системе, его связь с другими составными частями системы. Таким образом, при синтезе происходит не просто объединение, а обобщение аналитически выделенных и изученных особенностей объекта.

Синтез - такая же необходимая часть научного познания, как и анализ, и идет вслед за ним. Анализ и синтез - это две стороны единого аналитико-синтетического метода познания, которые не существуют друг без друга.

Классификация - метод научного познания, позволяющий объединить в один класс объекты, максимально сходные друг с другом в существенных признаках.

Классификация позволяет свести накопленный многообразный материал к сравнительно небольшому числу классов, типов и форм, выявить исходные единицы анализа, обнаружить устойчивые признаки и отношения. Как правило, классификации выражаются в виде текстов на естественных языках, схем и таблиц.

Разнообразие методов научного познания создает трудности в их использовании и понимании их значимости. Эти проблемы решаются особой областью знания - методологией, т.е. учением о методах. Важнейшая задача методологии - изучение происхождения, сущности, эффективности и других характеристик методов познания.



Тема 3: Научные подходы к познанию

1. Общенаучные подходы.

2. Системный подход.

3. Глобальный эволюционизм


1. Общенаучные подходы. Общая характеристика общенаучных подходов. Мы рассмотрели систему методов научного познания, но она не является статичной и неизменной. Появляются новые методы, а уже известные могут в ходе развития науки переходить из одной категории в другую: частные методы превращаются в особенные, особенные - в общие. Кроме того, в современном научном познании особое значение приобретают общенаучные подходы, которые задают определенную направленность научного исследования, фиксируют определенный его аспект, но не указывают жестко специфику конкретных исследовательских средств. Общенаучные подходы акцентируют основное направление исследования, «угол зрения» на объект изучения.

Важнейшая черта общенаучных подходов - принципиальная применимость к исследованию любых явлений и любой сферы действительности. Они могут работать во всех без исключения науках. Это обусловлено общенаучным характером категорий, лежащих в основании данных подходов.

Виды общенаучных подходов.

К числу общенаучных подходов относятся:

  • структурный подход, ориентирующий на изучение внутреннего строения системы, характера и специфики связей между ее элементами;

  • функциональный подход, изучающий функциональные зависимости элементов данной системы, а также ее входных и выходных параметров;

  • алгоритмический подход, использующийся при описании информационных процессов, функционирования систем управления и в других случаях, когда существует возможность представить изучаемое явление в виде процесса, происходящего по строгим правилам;

  • вероятностный подход, нацеливающий исследователя на выявление статистических закономерностей, ориентирует на изучение процессов как статистических ансамблей;

  • информационный подход связан с выделением и исследованием информационного аспекта различных явлений действительности - объема потока информации, способов ее кодирования и алгоритмов переработки.

Среди общенаучных подходов в современной науке все более важное место занимают системный подход и глобальный эволюционизм.

2. Системный подход. Под системным подходом в широком смысле понимают метод исследования окружающего мира, при котором интересующие нас предметы и явления рассматриваются как части или элементы определенного целостного образования.

Эти части и элементы, взаимодействуя друг с другом, формируют новые свойства целостного образования (системы), отсутствующие у каждого из них в отдельности. Таким образом, мир с точки зрения системного подхода предстает перед нами как совокупность систем разного уровня, находящихся в отношениях иерархии.

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит именно системный подход, согласно которому любой объект материального мира может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целое. Для обозначения этой целостности в науке выработано понятие системы.

В современной науке под системой понимают внутреннее (или внешнее) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, проявляющее себя как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям.

Понятие «элемент» означает минимальный, далее уже неделимый компонент в рамках системы. Во всех системах связь между ее элементами является более устойчивой, упорядоченной и внутренне необходимой, чем связь каждого из элементов с окружающей средой. Элемент является таковым лишь по отношению к данной системе, при других отношениях он сам может представлять сложную систему. Совокупность связей между элементами образует структуру системы. Существует два типа связей между элементами системы: горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальные связи - это связи координации между однопорядковыми элементами системы. Они носят коррелирующий характер: ни одна часть системы не может измениться без того, чтобы не изменились другие ее части.

Вертикальные связи - это связи субординации, т.е. соподчинения элементов. Они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей значимости могут уступать другим и подчиняться им.

Степень взаимодействия частей системы друг с другом может быть различной. Кроме того, любой предмет или явление окружающего мира, с одной стороны, может входить в состав более крупных и масштабных систем, а с другой стороны - сам являться системой, состоящей из более мелких элементов и составных частей. Поэтому все предметы и явления окружающего нас мира могут изучаться и как элементы систем, и как целостные системы, а системность является неотъемлемым свойством мира, в котором мы живем. В этом заключается сущность системного подхода.

Строение системы. Рассматривая строение системы, в ней можно выделить следующие компоненты: подсистемы и части (элементы). Подсистемы являются крупными частями систем, обладающими значительной самостоятельностью. Разница между элементами и подсистемами достаточно условна, если отвлечься от их размера. В качестве примера можно привести человеческий организм, безусловно, являющийся системой. Его подсистемами являются неравная, пищеварительная, дыхательная, кровеносная и другие системы. В свою очередь, они состоят из отдельных органов и тканей, которые являются элементами человеческого организма. Но мы можем рассматривать в качестве самостоятельных систем выделенные нами подсистемы, в таком случае подсистемами будут органы и ткани, а элементами системы - клетки. Таким образом, системы, подсистемы и элементы находятся в отношениях иерархического соподчинения.

Классификация систем. В рамках системного подхода была создана общая теория систем, которая сформулировала принципы, общие для самых различных областей знания. Она начинается с классификации систем и дается по нескольким основаниям.

В зависимости от структуры системы делятся на дискретные, жесткие и централизованные. Дискретные (корпускулярные) системы состоят из подобных друг другу элементов, не связанных между собой непосредственно, а объединенных только общим отношением к окружающей среде, поэтому потеря нескольких элементов не наносит ущерба целостности системы.

Жесткие системы отличаются повышенной организованностью, поэтому удаление даже одного элемента приводит к гибели всей системы.

Централизованные системы имеют одно основное звено, которое, находясь в центре системы, связывает все остальные элементы и управляет ими.

По типу взаимодействия с окружающей средой все системы делятся на открытые и закрытые. Открытыми являются системы реального мира, обязательно обменивающиеся веществом, энергией или информацией с окружающей средой. Закрытые системы не обмениваются ни веществом, ни энергией, ни информацией с окружающей средой. Это понятие является абстракцией высокого уровня и, хотя существует в науке, реально не существует, так как в действительности никакая система не может быть полностью изолирована от воздействия других систем. Поэтому все известные в мире системы являются открытыми.

По составу системы можно разделить на материальные и идеальные. К материальным относится большинство органических, неорганических и социальных систем (физические, химические, биологические, геологические, экологические, социальные системы). Также среди материальных систем можно выделить искусственные технические и технологические системы, созданные человеком для удовлетворения своих потребностей.

Идеальные системы представляют собой отражение материальных систем в человеческом и общественном сознании. Примером идеальной системы является наука, которая с помощью законов и теорий описывает реальные материальные системы, существующие в природе.

Свойства системы. Теория систем также изучает свойства систем. Многие высокоорганизованные системы отвечают понятию целесообразности, т.е. ориентированы на достижение какой-либо цели. Эти свойства отсутствуют у отдельных элементов системы и появляются только у системы в целом. Такие свойства называются эмерджентными свойствами системы. Например, вода состоит всего из двух химических элементов - кислорода (О) и водорода (Н), которые по отдельности не обладают свойствами воды. Только при соединении этих элементов в определенную систему (Н2О) появляется вода как вещество с присущими ей специфическими свойствами.

У многих высокоорганизованных систем формируется механизм обратной связи - реакция системы на воздействие окружающей среды. Если мы бросим камень, то он пролетит некоторое расстояние и упадет, никак не сопротивляясь этому. В данном случае обратная связь отсутствует. Но если мы попытаемся дернуть кошку за хвост, обратной связью, скорее всего, будут наши исцарапанные руки.

Существует несколько типов обратной связи. Система может своим поведением усиливать внешнее воздействие (если рота солдат будет идти по мосту, шагая «в ногу», мост может рухнуть из-за резонанса), при этом формируется положительная обратная связь. При уменьшении внешнего воздействия создается отрицательная обратная связь. Разновидностью таких связей является гомеостатическая обратная связь, сводящая внешнее воздействие к нулю. Примером может служить постоянная температура человеческого тела, остающаяся таковой несмотря на колебания температуры окружающей среды.

Механизм обратной связи делает систему более устойчивой, надежной и эффективной. Также он повышает ее внутреннюю организованность. Именно наличие механизма обратной связи дает возможность говорить, что система имеет какие-то цели, что ее поведение целесообразно.

Практически для любой системы характерна иерархичность строения - последовательное включение системы более низкого уровня в систему более высокого уровня. Это означает, что отношения и связи в системе при определенном ее представлении сами могут рассматриваться как ее элементы, подчиняющиеся соответствующей иерархии. Это позволяет строить различные, не совпадающие между собой последовательности включения систем друг в друга, описывающие исследуемый материальный объект с разных сторон.

В соответствии с системным подходом в природе все взаимосвязано, поэтому можно выделить такие системы, которые включают элементы как живой, так и неживой природы. Естественные науки, начиная изучение материального мира с наиболее простых, непосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, переходят постепенно к изучению сложнейших структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного окружения. Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, но и раскрывает их связи и соотношения.

Системный подход как интеграция научного знания. Понятие системы, как и системный подход в целом, было сформировано в XX в. на основе работ А.А. Богданова и Л. фон Берталанфи. Известный русский советский ученый А.А. Богданов стал основоположником тектологии (всеобщей организационной науки). Он утверждал, что любой предмет или явление имеет свою цель и устроен в соответствии с ней. Это дает нам основания считать эти предметы и явления организмами и организациями. В природе существует объективная целесообразность, или организованность, являющаяся результатом естественного отбора. Богданов понимал организованность как свойство целого быть больше суммы своих частей, причем, чем больше эта разница, тем выше степень организации.

Известный австрийский биолог-теоретик Л. фон Берталанфи разработал теорию открытых биологических систем, способных достигать своего конечного состояния, несмотря на некоторые нарушения условий своего существования. Он обратил внимание на существование моделей, принципов и законов, применимых к любым системам, независимо от их содержания. Физические, химические, биологические и социальные системы, по его мнению, должны функционировать по одним и тем же правилам. Он же дал первое определение системы как совокупности элементов, находящихся во взаимодействии.

Появление системного подхода говорит о зрелости современной науки. Оно было бы невозможно еще сто лет назад. Этот подход тесно связан с интегративным характером современного естествознания и проявляет себя в междисциплинарных исследованиях, занимающих все более почетное место в современной науке. Конечным пунктом системного исследования является формирование целостной, интегративной модели изучаемого объекта. Для этого отдельные компоненты анализируются не ради их собственного познания, а с целью их последующего сведения в единое целое. Не менее важным является изучение воздействия окружающей среды на целостность системы. При этом сам познавательный процесс также должен быть организован в соответствии с требованием целостности, нацелен на получение интегративного знания. Системный подход отражает единство научного знания, которое выражается в установлении связей и отношений между различными по сложности организации системами, в возможности целостного познания этих систем, во все более глубоком проникновении человека в тайны природы.

3. Глобальный эволюционизм. Если в системном подходе воплотилась идея всеобщей связи всех предметов и явлений мира, то в глобальном эволюционизме - идея развития мира.

Глобальный эволюционизм - это убеждение в том, что как Вселенная в целом, так и отдельные ее элементы не могут существовать, не развиваясь. При этом считается, что развитие идет по единому алгоритму - от простого к сложному путем самоорганизации.

Классическая концепция развития. Этот принципиально новый взгляд на мир был сформулирован лишь во второй половине XX в., хотя сама идея развития была присуща научному мировоззрению еще с начала XIX в. Тогда существовала классическая концепция развития, которая признавала, что весь мир находится в постоянном развитии, но живая природа развивается от простого к сложному, а неживая - от современного сложного состояния к самому простому состоянию хаоса. Классическая концепция развития нашла свое обоснование в эволюционной теории Ч. Дарвина, которая описывала эволюцию живой природы, а также в классической термодинамике, из которой вытекали представления об эволюции неживой материи.

Классическая термодинамика - это физическая наука, занимающаяся изучением взаимопревращения различных видов энергии. Она основывается на трех основных постулатах, или началах.

Первое начало термодинамики известно как закон сохранения энергии. Это фундаментальный закон, согласно которому важнейшая физическая величина - энергия - сохраняется неизменной в изолированной системе. Когда мы говорим о сохранении энергии, то имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергию, т.е. энергию, зависящую лишь от термодинамического состояния системы. Она складывается из движения атомов, энергии химических связей и других видов энергий, связанных с состоянием электронов в атомах и молекулах.

Согласно этому закону, в изолированной системе энергия может только превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным. Если система не изолирована, энергия может изменяться за счет обмена между частями системы или разными системами. Например, ежедневно мы сталкиваемся с тем, что горячий чайник, охлаждаясь, нагревает воздух.

Науке сегодня неизвестна ни одна причина, которая могла бы привести к нарушению данного закона. Иначе можно было бы построить вечный двигатель, создающий энергию из ничего. Поэтому первый закон термодинамики более известен в другой редакции: нельзя построить венный двигатель первого рода, т.е. такую машину, которая совершала бы работу больше подводимой к ней извне энергии.

Существование вечного двигателя второго рода запрещает второе начало термодинамики: теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему. Поэтому невозможно построить такую машину, которая работала бы за счет переноса тепла от холодного тела к горячему. Это не запрещено первым началом термодинамики, но практически невозможно.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии - теплоты, связанной с неупорядоченным, хаотическим движением молекул (например, броуновское движение молекул, скорость которого напрямую связана с температурой), и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло - вспомните, как наши предки получали огонь трением. В то же время тепло в эквивалентную ему работу полностью превратить нельзя, всегда останется некоторое количество теплоты, которое пропадет бесполезно. Другими словами, неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности, или мерой хаоса, системы в термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положительна. Исключением является случай, когда идеальный кристалл находится при температуре абсолютного нуля (но на этот счет существует третье начало термодинамики, говорящее о недостижимости абсолютного нуля, равного - 273"С), что невозможно, так как это означало бы прекращение любого движения, в том числе движения атомов и элементарных частиц.

Иногда используется отрицательная величина энтропии - негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Эта величина может быть только отрицательной. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, энтропии - росту хаоса.

Таким образом, в соответствии со вторым началом термодинамики в случае изолированной системы (не обменивающейся веществом, энергией или информацией с окружающей средой) неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. Представим себе закрытую систему, в которой вся энергия находится в упорядоченном состоянии (энергия-работа). Если в этой системе начнется процесс преобразования энергии, то мы увидим, что вся энергия-работа постепенно перейдет в энергию-тепло. Полученное тепло может быть использовано для совершения какой-либо полезной работы, но не полностью. Так появится энтропия. При следующем цикле преобразования работа опять полностью перейдет в тепло, но тепло вновь не сможет полностью превратиться в работу, и поэтому энтропия вновь увеличится. Так будет происходить до тех пор, пока вся энергия системы не превратится в тепло и не установится состояние термодинамического равновесия. Таким образом, в изолированной системе энтропия может только возрастать. Поэтому второе начало термодинамики также называют принципом возрастания энтропии. Эта более точная формулировка второго начала термодинамики утверждает, что при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Иными словами, любая система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.

Именно из этого принципа вытекали пессимистические представления о развитии Вселенной, характерные для второй половины XIX в. Они воплотились в идею тепловой смерти Вселенной, сформулированную В. Томсоном в 1851 г. Упорядоченными источниками энергии во Вселенной являются звезды, возраст которых хотя и велик, но не бесконечен. До открытия второго начала термодинамики считалось, что на смену погасшим звездам загораются новые, и процесс этот будет идти бесконечно. Но признание того факта, что все виды энергии деградируют, со временем превращаясь в тепло, требовало признать, что новых звезд должно загораться меньше, чем погасло старых. Поэтому со временем должны закончить свое существование все звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и вся Вселенная придет в состояние хаоса - термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие шары планет и звезд. Не будет источников энергии - не будет жизни.

Хотя эту концепцию пытались опровергнуть крупнейшие философы и ученые того времени, в рамках существовавших тогда гносеологических предпосылок это было невозможно. Лишь в XX в., признав Вселенную открытой системой, удалось отказаться от идеи тепловой смерти.

Становление современной концепции развития. Идея самоорганизации материи. Первая крупная брешь в классической концепции развития была пробита в 1920-е гг. в результате создания новой модели расширяющейся Вселенной, которая сменила старую стационарную модель. Согласно новым представлениям, наша Вселенная возникла 15-20 млрд. лет назад в результате Большого взрыва и лишь постепенно пришла к современному состоянию, которое также не является стабильным. При этом эволюция шла от простейшего хаотического к современному упорядоченному состоянию.

Затем новые эволюционные идеи проникли и утвердились в химии, геологии, экологии и других науках. Но до середины XX в. по-прежнему считалось, что для неживой материи основной тенденцией является стремление к разрушению и лишь жизнь, представляющая стремление к упорядоченности и организованности, противостоит этой основной тенденции. Данное противоречие впервые было четко зафиксировано в книге известного физика-теоретика Э. Шредингера «Что такое жизнь?». Так был дан толчок исследованиям, позволившим по-новому посмотреть на процессы в неживой природе.

Также к середине XX в. была сформулирована общая теория систем и основы кибернетики. В них было установлено, что все системы, известные нам, являются открытыми, т.е. постоянно обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Поэтому решить проблему развития в физике и, самое главное, найти подходы к решению вопроса о тепловой смерти Вселенной удалось только тогда, когда физика обратилась к понятию открытой системы. Тогда же было установлено, что при определенных условиях в открытых системах могут возникать процессы самоорганизации.

Самоорганизация - это скачкообразный природный процесс, переводящий открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем упорядоченности по сравнению с исходным.

Критическое состояние - это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного, эволюционного развития. Ключ к пониманию процессов самоорганизации находится в исследовании взаимодействия открытых систем с окружающей средой.

Примеров процессов самоорганизации можно привести достаточно много. Все слышали о лазерах. Эти приборы создают высокоорганизованное оптическое излучение. Лазер отличается от традиционных источников света - ламп накаливания и газоразрядных ламп, которые действуют за счет процессов, подчиняющихся статистическим законам. В них в нагретой до высокой температуры среде возбужденные атомы и ионы излучают кванты света с различными длинами волн во всех направлениях, причем только малую часть из них мы воспринимаем как видимый свет. А в лазере, в активной среде резонатора, под воздействием внешнего светового поля (при «накачке») благодаря поступлению энергии извне частицы начинают колебаться в одной фазе. В результате возникает когерентное, или согласованное, взаимодействие, формирующее узконаправленный луч почти монохроматических квантов света.

Классическим также считается пример превращения ламинарного течения жидкости в турбулентное. Каждый из нас не раз наблюдал это явление, когда смотрел, как стекает вода из ванной. Пока воды в ванной мало, она стекает ламинарно (жидкость движется слоями по направлению течения). Но если воды много, давление на нижний слой заставляет воду стекать быстро. Это приводит к формированию вихреобразной вращающейся воронки, т.е. к появлению турбулентности.

Еще один опыт впервые был проведен еще в 1900 г. физиком X. Бенаром. Он наливал ртуть в плоский сосуд, подогреваемый снизу. Когда разность температур верхнего и нижнего слоев ртути достигала некоторого критического значения, верхний слой образовывал множество шестигранных призм, похожих на пчелиные соты. Они получили название ячеек Бенара и служат классическим примером спонтанного образования структур, причем оно происходит за счет внутренней перестройки связей между элементами системы. В химии примером самоорганизации могут служить так называемые «химические часы» (реакция Белоусова - Жаботинекого). Она была открыта в 1951 г. химиком Б.П. Белоусовым, который установил, что если в пробирку слить раствор некоторых кислот, сульфат церия и бромид калия, то за ходом идущей окислительно-восстановительной реакции можно следить по изменению цвета промежуточных продуктов. На протяжении получаса цвет строго периодично менялся с красного на синий, и наоборот. В 1960-е гг. молодой биофизик A.M. Жаботинский раскрыл механизм этой реакции, которая получила свое название по именам двух ученых: того, кто ее открыл, и того, кто ее объяснил.

У всех приведенных примеров есть общий алгоритм: огромное множество элементов, составляющих эти системы, вдруг, как по команде, начинают вести себя скоординированно, согласованно, хотя до этого пребывали в состоянии хаоса. Более того, эта возникшая упорядоченность не распадается, а продолжает устойчиво существовать.

Хотя процессы самоорганизации были известны ученым достаточно давно, общие теории самоорганизации появились лишь в 1970-е гг. К их созданию ученые шли разными путями: Г. Хакен, создатель синергетики, - из квантовой электроники и радиофизики; И. Пригожий, основатель неравновесной термодинамики, - из анализа специфических химических реакций. Были ученые, изучавшие эти процессы в биологии, - М. Эйген, в метеорологии - Е. Лоренц, а также автор теории катастроф Р. Том. Постепенно ученые начали выходить за рамки своих узких дисциплин, стали замечать аналогию между математическими моделями и концептуальными системами, описывающими такие разные на первый взгляд процессы.

Так стало формироваться убеждение, что во всех этих явлениях есть единая основа, позволяющая создать общую теорию самоорганизации материи. Сегодня общая теория самоорганизации развивается в основном в рамках двух наук - синергетики и неравновесной термодинамики, во многом дополняющих друг друга.

Основы синергетики и неравновесной термодинамики. Синергетика (кооперативность, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы) - по определению ее создателя Г. Хакена, занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких, как атомы, молекулы, клетки, механические элементы, органы, животные и даже люди. Это наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок.

Основная идея синергетики - идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Это происходит при возникновении положительной обратной связи между системой и окружающей средой. Иными словами, под воздействием внешней среды внутри системы возникают полезные изменения, которые постепенно накапливаются, а затем кардинально меняют эту систему, превращая ее в другую, более сложную и высокоорганизованную.

Воздействию окружающей среды могут подвергаться сразу несколько однотипных систем, но в силу различных флуктуации (отклонений) они могут формировать разные обратные связи, порождать разные ответные реакции, далеко не все из которых могут привести к самоорганизации системы. Можно сказать, что между системами идет своеобразная конкуренция, отбор того типа поведения, такой обратной связи, которая позволяет выжить в условиях конкуренции. Как замечает сам Хакен, это приводит нас в определенном смысле к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический мир, но и на неживую природу, а также на социальные системы.

Синергетика претендует на открытие универсального механизма самоорганизации. Однако объектом синергетики независимо от его природы могут быть только те системы, которые удовлетворяют определенным требованиям. Такими требованиями, в частности, являются открытость, существенная неравновесность и выход из критического состояния скачком, в процессе фазового перехода.

Открытость - важнейшее свойство самоорганизующихся систем, которые постоянно обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Именно открытость является причиной неравновесности систем. Если закрытые системы, для которых и были сформулированы начала классической термодинамики, неизбежно стремятся к однородному равновесному состоянию - состоянию термодинамического равновесия, то открытые системы меняются, причем необратимо, в них важным оказывается фактор времени.

При определенных условиях и значениях параметров, характеризующих систему и изменяющихся под воздействием изменений окружающей среды, система переходит в состояние существенной неравновесности - критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости. Ведь любая система остается сама собой только в определенных рамках. Так, вода остается водой только при температуре от 0 до 100°С при нормальном атмосферном давлении, за границами этих условий она превращается в лед или пар. Естественно, что существование социальной или биологической системы будет зависеть от иных условий, чем функционирование физических или химических систем. Но такие важнейшие показатели, от которых зависит само существование систем, есть всегда. Они называются управляющими параметрами системы.

Из критического состояния существенной неравновесности системы всегда выходят скачком. Скачок - это крайне нелинейный процесс, при котором даже малые изменения управляющих параметров системы вызывают ее переход в новое качество. Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачкообразно превращается в лед. Около критической точки перехода достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр) на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело.

Итак, самоорганизующиеся системы обретают присущие им структуры или функции без какого бы то ни было вмешательства извне. Обычно они состоят из большого числа подсистем. При изменении управляющих параметров в системе образуются качественно новые структуры. При этом системы переходят из однородного, недифференцированного состояния покоя в неоднородное, но хорошо упорядоченное состояние или в одно из нескольких возможных состояний.

Важно, что этими системами можно управлять, изменяя действующие на них внешние факторы. Поток энергии, вещества или информации уводит физическую, химическую, биологическую или социальную систему далеко от состояния термодинамического равновесия. Изменяя температуру, уровень радиации, давление и т.д., мы можем управлять системами извне.

Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устойчивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохранения, чтобы не разрушаться и даже улучшать свою структуру.

Несколько иной аспект имеет неравновесная термодинамика И. Пригожина. В созданной им науке он поставил задачу доказать, что неравновесие может быть причиной порядка. Новая термодинамика стала способна отражать скачкообразные процессы.

Чтобы система могла не только поддерживать, но и создавать упорядоченность из хаоса, она непременно должна быть открытой и иметь приток вещества, энергии и информации извне. Именно такие системы названы Пригожиным диссипативными.

Диссипативность - это особое динамическое состояние, когда из-за процессов, протекающих с элементами неравновесной системы, на уровне всей системы проявляются качественно новые свойства и процессы.

Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые структуры, происходить переход к порядку из хаоса.

В ходе своего развития диссипативные системы проходят два этапа:

1) период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию;

2) скачок, одномоментно переводящий систему в новое устойчивое состояние с более высокой степенью сложности и упорядоченности.

Особое внимание неравновесная термодинамика уделяет фазе скачка, являющейся разрешением возникшей кризисной ситуации и характеризующейся критическими значениями управляющих параметров системы. Пригожий трактует такой переход как приспособление диссипативной системы к изменившимся внешним условиям, чем обеспечивается ее выживание. Это и есть акт самоорганизации.

Очень важно отметить, что переход диссипативной системы из критического состояния в новое устойчивое состояние неоднозначен. Сложные неравновесные системы имеют возможность перейти из неустойчивого положения в одно из нескольких возможных устойчивых состояний. В какое именно из них совершится переход - дело случая. Это связано с тем, что в системе, пребывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации. Под действием одной из них и происходит скачок в конкретное устойчивое состояние. Поскольку флуктуации случайны, то и «выбор» конечного состояния оказывается случайным. Но после совершения перехода назад возврата нет. Скачок носит одноразовый и необратимый характер.

Критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние, называют точкой бифуркации.

Обнаружение феномена бифуркации, как считает Пригожий, ввело в физику элемент исторического подхода, смогло доказать необратимость времени. При протекании самоорганизации в явном виде обнаруживается «стрела времени» - однонаправленность времени от прошлого к будущему. Классическая термодинамика доказывала необратимость времени, используя второе начало термодинамики. Необратимый процесс возрастания энтропии всегда идет от прошлого к будущему. Тем не менее, в классической механике возможность обращения времени была не исключена. Так, поменяв в уравнениях «плюс» на «минус» перед временем и скоростью, можно получить описание движения данного тела по пройденному пути в обратном направлении. Конечно, весь наш опыт убеждал в невозможности повернуть время вспять, однако теоретически такая возможность оставалась.

Неравновесная термодинамика Пригожина использует для доказательства существования «стрелы времени» скачок - процесс скачка невозможно повернуть назад. После перехода через точку бифуркации система качественно преобразуется. Таким образом, законы неравновесной термодинамики с неизбежностью говорят о необратимости времени. Ведь скачок в точке бифуркации всегда случаен, определяется уникальным сочетанием множества факторов, воссоздать которые вновь (если бы мы захотели повернуть процесс вспять) практически невозможно.

Феномен бифуркации также заставляет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем и в природе в целом. Если в фазе эволюции ход процессов закономерен и жестко детерминирован, то скачок всегда происходит случайным образом, и поэтому именно случайность определяет последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в новой критической точке.

В том, что точки бифуркации - это не абстракция, имеет возможность убедиться каждый человек. Ведь человек и его жизнь тоже являются сложной открытой неравновесной системой. У каждого из нас периодически возникают ситуации, когда мы стоим перед выбором своего дальнейшего жизненного пути. И очень часто наш выбор определяется случайным стечением обстоятельств. Например, человек собирался уехать учиться в другой город, но заболел и остался дома, поэтому пошел учиться совсем в другое место. Этот случайный выбор определил его последующий жизненный путь - выбор работы, знакомство с друзьями, будущим спутником жизни и т.д.

Системный подход и глобальный эволюционизм являются важнейшими составными частями современной научной картины мира. Она выглядит следующим образом. Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых протекает по единому алгоритму. В основе этого алгоритма заложена присущая материи способность к самоорганизации, проявляющаяся в критических точках системы. Самая крупная из известных человеку систем - это развивающаяся Вселенная. Вся ее история - от Большого взрыва до возникновения человека - предстает как единый процесс материальной эволюции, самоорганизации, саморазвития материи. При этом весь мир представляет собой единое целое, иерархически организованную систему. Это и есть идея глобального эволюционизма.


Тема 4: Основы естествознания

1. Структура естествознания

2. История естествознания.


1. Структура естествознания. Науки представляют собой сложную разветвленную систему знаний. Естествознание - не менее сложная система, все части которой находятся в отношениях иерархической соподчиненности. Это означает, что систему естественных наук можно представить в виде своеобразной лестницы, каждая ступенька которой является фундаментом для следующей за ней науки, и в свою очередь, основывается на данных предшествующей науки.

Основой, фундаментом всех естественных наук, бесспорно, является физика, предметом которой являются тела, их движения, превращения и формы проявления на различных уровнях. Сегодня невозможно заниматься ни одной естественной наукой, не зная физики. Внутри физики выделяется большое число подразделов, различающихся специфическим предметом и методами исследования. Важнейшим среди них является механика - учение о равнове­сии и движении тел (или их частей) в пространстве и времени. Механическое движение представляет собой простейшую и вместе с тем наиболее распространенную форму движения материи. Меха­ника явилась исторически первой физической наукой и долгое время служила образцом для всех естественных наук. Разделами механики являются:

1) статика, изучающая условия равновесия тел;

2) кинематика, занимающаяся движением тел с геометрической точки зрения;

3) динамика, рассматривающая движение тел под действием приложенных сил.

Также в механику входят гидростатика, пневмо- и гидродинамика.

Механика - физика макромира. В Новое время зародилась физика микромира. В ее основе лежит статистическая механика, или молекулярно-кинетическая теория, изучающая движение молекул жидкости и газа. Позже появились атомная физика и физика элементарных частиц. Разделами физики являются термодинамика, изучающая тепловые процессы; физика колебаний (волн), тесно связанная с оптикой, электричеством, акустикой. Названными разделами физика не исчерпывается, в ней постоянно появляются новые физические дисциплины.

Следующей ступенькой является химия, изучающая химические элементы, их свойства, превращения и соединения. То, что в ее основе лежит физика, доказывается очень легко. Для этого достаточно вспомнить школьные уроки по химии, на которых говорилось о строении химических элементов и их электронных оболочках. Это пример использования физического знания в химии. В химии выделяют неорганическую и органическую химию, химию материалов и другие разделы.

В свою очередь, химия лежит в основе биологии - науки о живом, изучающей клетку и все от нее производное. В основе биологических знаний - знания о веществе, химических элементах. Среди биологических наук следует выделить ботанику (предмет - растительное царство), зоологию (предмет - мир животных). Анатомия, физиология и эмбриология изучают строение, функции и развитие организма. Цитология исследует живую клетку, гистология - свойства тканей, палеонтология - ископаемые останки жизни, генетика - проблемы наследственности и изменчивости.

Науки о Земле являются следующим элементом структуры естествознания. В эту группу входят геология, география, экология и др. Все они рассматривают строение и развитие нашей планеты, представляющей собой сложнейшее сочетание физических, химических и биологических явлений и процессов.

Завершает эту грандиозную пирамиду знаний о Природе космология, изучающая Вселенную как целое. Частью этих знаний являются астрономия и космогония, которые исследуют строение и происхождение планет, звезд, галактик и т.д. На этом уровне происходит новое возвращение к физике. Это позволяет говорить о циклическом, замкнутом характере естествознания, что, очевидно, отражает одно из важнейших свойств самой Природы.

Структура естествознания не ограничивается названными выше науками. Дело в том, что в науке идут сложнейшие процессы дифференциации и интеграции научного знания. Дифференциация науки - это выделение внутри какой-либо науки более узких, частных областей исследования, превращение их в самостоятельные науки. Так, внутри физики выделились физика твердого тела, физика плазмы.

Интеграция науки - это появление новых наук на стыках старых, процесс объединения научного знания. Примерами такого рода наук являются: физическая химия, химическая физика, биофизика, биохимия, геохимия, биогеохимия, астробиология и др.

Таким образом, построенная нами пирамида естественных наук значительно усложняется, включая в себя большое количество дополнительных и промежуточных элементов.

Необходимо также отметить, что система естествознания отнюдь не является незыблемой, в ней не только постоянно появляются новые науки, но и меняется их роль, периодически происходит смена лидера в естествознании. Так, с XVII в. до середины XX в. таким лидером, бесспорно, была физика. Но сейчас эта наука почти полностью освоила свою область действительности, и большая часть физиков занимается исследованиями, носящими прикладной характер (то же касается химии). Сегодня бум переживают биологические исследования (особенно в пограничных областях - биофизике, биохимии, молекулярной биологии). По некоторым данным, в середине 1980-х г. в биологических науках было занято до 50% ученых США, 34% - в нашей стране. США, Великобритания без возражений финансируют самые разные биологические исследования. Так что XXI в., очевидно, станет веком биологии.

2. История естествознания. Будучи составной частью науки и культуры, естествознание имеет такую же длительную и сложную историю. Естествознание нельзя понять, не проследив историю его развития в целом. Согласно мнению историков науки, развитие естествознания прошло три стадии и в конце XX в. вступило в четвертую. Этими стадиями являются древнегреческая натурфилософия, средневековое естествознание, классическое естествознание Нового и Новейшего времени и современное естествознание XX в.

Развитие естествознания подчиняется данной периодизации. На первой стадии происходило накопление прикладной информации о природе и способах использования ее сил и тел. Это так называе­мый натурфилософский этап развития науки, характеризующийся непосредственным созерцанием природы как нерасчлененного целого. При этом идет верный охват общей картины природы при пренебрежении частностями, что характерно для греческой натурфилософии.

Позднее к процессу накопления знаний добавляется теоретическое осмысление причин, способов и особенностей изменений в природе, появляются первые концепции рационального объяснения изменений природы. Наступает так называемый аналитический этап в развитии науки, когда идут анализ природы, выделение и изучение отдельных вещей и явлений, поиски отдельных причин и следствий. Такой подход характерен для начального этапа развития любой науки, а в плане исторического развития науки - для позднего Средневековья и Нового времени. В это время методики и теории объединяются в естествознание как целостную науку о природе, происходит череда научных революций, каждый раз кардиналы меняющих практику общественного развития.

Итогом развития науки становится синтетическая стадия, когда ученые воссоздают целостную картину мира на основе уже познанных частностей.3.


Тема 5: Развитие науки естествознание

1. Начало развития науки естествознание.

2. Глобальная научная революция конца XIX - начала XX в.

3. Основные черты современного естествознания как науки.


1. Начало развития науки естествознание. Древнегреческая натурфилософия. Самые первые знания человека о природе сложились в глубокой древности. Уже первобытные люди в борьбе с природой, добывая себе пищу и защищаясь от диких зверей, постепенно накапливали знания о природе, ее явлениях и свойствах окружавших их материальных вещей. Однако знания первобытных людей не являлись научными, поскольку не были ни систематизированы, ни объединены какой-либо теорией. Порожденные материальной деятельностью человека и добыванием средств к существованию, эти знания имели форму практического опыта.

Наука - это сложное многогранное общественное явление, которое вне общества не могло возникнуть и развиваться. Поэтому наука появляется только тогда, когда для этого создаются особые объективные условия, отвечающие введенным нами критериям науки. Этим условиям соответствует древнегреческое знание VI-IV вв. до н.э. В то время древнегреческая культура обрела принципиально новые черты, которыми не обладала культура Древнего Востока, общепризнанного центра рождения человеческой цивилизации.

Появлению таких критериев науки, как системность и рациональность, в конечном счете способствовала единственная в своем роде революция, которая произошла в эпоху архаики, - появление частной собственности. Весь остальной мир, в частности цивилизации Востока, демонстрировали так называемый «азиатский способ производства» и соответствующий ему тип государства - восточную деспотию. В таком обществе властные отношения являются первичными, а отношения собственности - вторичными. Собственностью в таком обществе распоряжается тот, в чьих руках находится власть, - чиновники разных рангов и, конечно, верховный правитель государства. Они создают хорошо отлаженную систему учета и контроля, в которой любой человек занимает отведенное ему место и находится в полной воле правителя и чиновников, общение с которыми невозможно строить на чисто логических и рациональных принципах. Случай или каприз чиновника могут навсегда изменить жизнь человека. Это приводит к фатализму, характерному для восточных цивилизаций, а также к отсутствию приоритета личности, отказу от рационального способа познания мира и другим специфическим чертам этих цивилизаций.

Появление частной собственности и товарного производства в Древней Греции вызвало к жизни свойственные им политические, правовые и иные институты, в частности демократическое самоуправление и право, защищающее интересы граждан. Теперь каждый гражданин лично обсуждал и принимал законы. Таким образом, общественная жизнь освобождалась от власти религиозных и мистических представлений, закон переставал быть слепой силой, продиктованной свыше, а становился демократической нормой, принятой большинством голосов в процессе всенародного обсуждения. Обсуждение этих законов основывалось на риторике, искусстве убеждения и логической аргументации. Так постепенно сформировался аппарат логического, рационального обоснования, ставший универсальным алгоритмом производства знаний, появилась наука как доказательное и систематизированное познание.

Появление отработанных способов получения нового знания было связано с отсутствием у греков касты жрецов, которые на Востоке монополизировали интеллектуально-духовную деятельность. Там знания были доступны только посвященным, они бережно хранились и передавались, так как считались данными богами, но никакие изменения в них не допускались. В Древней Греции в силу специфики природных условий традиционные полисы (небольшие самостоятельные города-государства) были настолько бедны, что не могли себе позволить содержать неработающих людей. Поэтому не только жрецы, но и правители на ранних этапах развития полисов должны были трудиться1. А многие должности были выборными. Поэтому ни о каких тайных знаниях не было и речи, они были доступны для любого гражданина и свободного человека.

Формирование теоретичности знания, отрыв его от повседневных практических интересов связаны с такой особенностью греческой цивилизации, как классическое рабство. Оно было экономической основой античной цивилизации. Так, в период расцвета Афин в V-IV вв. до н.э. там было до 400 тыс. рабов, работавших на полях, в мастерских, а также выполнявших почти все домашние работы. Постепенно развитие рабовладения обусловило формирование пренебрежительного отношения свободных греков к физическому труду, а затем и ко всей орудийно-практической деятельности. Занятиями, достойными свободного человека, считались политика, война, искусство, философия. Это и сформировало идеологию созерцательности, абстрактно-умозрительного отношения к действительности. Занятия свободного человека (в их числе была и наука) размежевывались с ремеслом - занятием рабов.

Это был очень важный шаг для становления науки, так как именно отказ от материально-практического отношения в действительности породил идеализацию - непременное условие науки, (обобщение принципов орудийно-трудовой деятельности порождаем лишь абстрагирование, на что способны и высшие животные). Умение мыслить в понятиях, образовывать их, двигаться в плоскости «чистой» мысли - великое завоевание древнегреческой философии, важнейшее основание и предпосылка всякой науки. Без четкого разграничения сферы «теоретического» и сферы «практического приложения» теории это было бы невозможно. Поэтому достижения античной науки и философии - планиметрия Гиппарха, геометрия Евклида, апории элеатов, диогеновский поиск сущности человека - все это не имеет каких-то очевидных связей с материальным производством. Практика, обусловливая абстрагирование, препятствует возникновению идеализации как его логического продолжения. Никакому практику никогда не придет в голову заниматься вопросами сущности мира, познания, истины, человека, прекрасного. Все эти сугубо «непрактические» вопросы весьма далеки как от сферы массового производства, так и от сознания производителей. Но без них подлинной науки возникнуть не может, именно об этом говорит пример Древнего Востока.

Но решительный отказ от практической деятельности имел и обратную сторону: в частности, неприятие эксперимента как метода познания закрывало дорогу становлению экспериментального естествознания, возникшего лишь в Новое время.

Античная наука появилась в форме научных программ (парадигм). В них была определена цель научного познания - изучение процесса превращения первоначального Хаоса в Космос - разумно организованный и устроенный мир через поиски космического (порядкообразующего) начала. Не случайно первые крупные представители натурфилософии - Фалес, Анаксимандр, Гераклит, Диоген в своих утверждениях руководствовались идеей о единстве сущего, происхождении вещей из какого-либо природного первоначала (воды, воздуха, огня), а также о всеобщей одушевленности материи.

Также научные программы использовали идею единства микро- и макрокосмоса, подобия мира и человека для обоснования возможности познания мира. Утверждая, что подобное познается подобным, древние греки считали, что единственным инструментом познания может быть человеческий разум, отвергая эксперимент как метод познания мира. Так была четко сформулирована рационалистическая позиция, позже ставшая господствующей в европейской культуре.

Древнегреческие философы, не прибегая к систематическому исследованию и эксперименту, на основе преимущественно собственных наблюдений пытались единым взглядом охватить и объяснить всю окружающую действительность. Возникавшие в это время естественно-научные идеи носили предельно широкий философский характер и существовали как натурфилософия (философия природы), которая отличалась непосредственным созерцанием окружающего мира как единого целого и умозрительными выводами из этого созерцания.

Первой научной программой античности стала математическая программа, представленная Пифагором и позднее развитая Платоном. В ее основе, как и в основе других античных программ, лежало представление, что мир (Космос) - это упорядоченное выражение целого ряда первоначальных сущностей. Пифагор эти сущности нашел в числах и представил их в качестве первоосновы мира. Таким образом, в математической программе в основе мира лежат количественные отношения действительности. Этот подход позволил увидеть за миром разнообразных качественно различных предметов их количественное единство. Самым ярким воплощением математической программы стала геометрия Евклида, знаменитая книга которого «Начала» появилась около 300 г. до н.э. Кроме того, пифагорейцами впервые была выдвинута идея о шарообразной форме Земли.

Дальнейшее развитие естествознание получило в античной атомистике Демокрита - учении о дискретном строении материи, согласно которому весь мир состоит из пустоты и различающихся между собой атомов, находящихся в вечном движении и взаимодействии. Эти идеи составили вторую научную программу античности - атомистическую программу Левкиппа - Демокрита. В рамках атомистической программы было сделано несколько очень важных предположений. Среди них - идея пустоты, лежащая в основе концепции бесконечного пространства. Именно так рождается представление Демокрита, хотя и не поддержанное другими мыслителями, что мир в целом - это беспредельная пустота со множеством самостоятельных замкнутых миров-сфер. Эти миры образовались в результате вихревого кругообразного столкновения атомов. В этих вихрях крупные и тяжелые атомы скапливались в центре, а маленькие и легкие вытеснялись на окраины. Из первых возникла земля, из вторых - небо. В каждом замкнутом мире в центре находится земля, на окраине - звезды. Число миров бесконечно, многие из них могут быть населены. Эти миры возникают и гибнут. Когда одни находятся в расцвете, другие только рождаются или уже гибнут.

Современник Демокрита Эмпедокл, первым высказавший идею о несотворимости и неуничтожимости материи, объяснил причину затмений Солнца, догадался, что свет распространяется с большой скоростью, которую мы не в состоянии замечать. Он попытался объяснить происхождение животных. По его мнению, сначала появились отдельные органы животных, которые в процессе случайных сочетаний стали порождать разнообразные живые существа. Несоответствующие друг другу объединения органов неизбежно погибали, а выживали только те, в которых объединившиеся органы случайно оказались взаимно подходящими.

Свое высшее развитие древнегреческая натурфилософия получила в учении Аристотеля, объединившего и систематизировавшего все современные ему знания об окружающем мире. Оно стало основой третьей, континуальной программы античной науки. Основными трактатами, составляющими учение Аристотеля о природе, являются «Физика», «О небе», «Метеорологика», «О происхождении животных» и др. В этих трактатах были поставлены и рассмотрены важнейшие научные проблемы, которые позднее стали основой для возникновения отдельных наук. Особое внимание Аристотель уделил вопросу движения физических тел, положив тем самым начало изучению механического движения и формированию понятий механики (скорость, сила и т.д.). Правда, представления Аристотеля о движении кардинально отличаются от современных. Он считал, что существуют совершенные круговые движения небесных тел и несовершенные движения земных предметов. Если небесные движения вечны и неизменны, не имеют начала и конца, то земные движения их имеют и делятся на естественные и насильственные. Аристотель считал, что у каждого тела есть предназначенное ему в соответствии с его природой место, которое это тело и стремится занять. Движение тел к своему месту - это естественное движение, оно происходит само собой, без приложения силы. Примером может служить падение тяжелого тела вниз, стремление огня вверх. Все прочие движения на Земле требуют приложения силы, направлены против природы тел и являются насильственными. Аристотель доказывал вечность движения, но не признавал возможности самодвижения материи. Все движущееся приводится в движение другими телами. Первоисточником движения в мире является перводвигатель - Бог. Как и модель Космоса, эти представления благодаря непререкаемому авторитету Аристотеля настолько укоренились в умах европейских мыслителей, что были опровергнуты только в Новое время после открытия Г. Галилеем идеи инерции.

Представление о физическом взаимодействии Аристотеля тесно связано с его концепцией движения. Поэтому взаимодействие понимается им как действие движущего на движимое, т.е. одностороннее воздействие одного тела на другое. Это прямо противоречит хорошо известному сегодня третьему закону Ньютона, утверждающему, что действие всегда равно противодействию.

Учение Аристотеля о пространстве и времени исходит из понятия непрерывности. Поэтому пространство для него - это протяженность тел, а время - их длительность. Пространство и время Аристотеля существуют только вместе с материей, поэтому его концепция пространства и времени может быть названа относительной. Он отрицает существование пустоты, весь Космос заполнен материей, он не однороден, так как в нем есть центр и периферия, верх и низ. Именно по отношению к ним мы разделяем движения на естественные и насильственные.

Концепция причинно-следственных связей Аристотеля строится на понятиях целесообразности и конечной причины. Для него ход любого процесса определяется его результатом. Мыслитель воспринимает природу как единый живой организм, все части которого взаимосвязаны, и одно происходит ради другого. Так, дождь идет не потому, что сложились соответствующие метеорологические условия, а для того, что мог расти хлеб. Такой подход называется те-леологизмом. Он не отрицает существование случайностей, но они носят второстепенный характер, происходят по недосмотру природы. Космология Аристотеля носила геоцентрический характер, поскольку основывалась на идее, что в центре мира находится наша планета Земля, имеющая сферическую форму и окруженная водой, воздухом и огнем, за которыми находятся сферы больших небесных светил, вращающихся вокруг Земли вместе с другими маленькими светилами.

Бесспорным достижением Аристотеля стало создание формальной логики, изложенной в его трактате «Органон» и поставившей науку на прочный фундамент логически обоснованного мышления с использованием понятийно-категориального аппарата. Ему же принадлежит утверждение порядка научного исследования, которое включает изучение истории вопроса, постановку проблемы, внесение аргументов «за» и «против», а также обоснование решения. После его работ научное знание окончательно отделилось от метафизики (философии), также произошла дифференциация самого научного знания. В нем выделились математика, физика, география, основы биологии и медицинской науки.

Завершая рассказ об античной науке, нельзя не сказать о работах других выдающихся ученых этого времени. Активно развивалась астрономия, которой нужно было привести в соответствие наблюдаемое движение планет (они движутся по очень сложным траекториям, совершая колебательные, петлеобразные движения) с предполагаемым их движением по круговым орбитам, как этого требовала геоцентрическая модель мира. Решением этой проблемы стала система эпициклов и деферентов александрийского астронома Клавдия Птолемея (I-II вв. н.э.). Чтобы спасти геоцентрическую модель мира, он предположил, что вокруг неподвижной Земли находится окружность с центром, смещенным относительно центра Земли. По этой окружности, которая называется деферентом, движется центр меньшей окружности, которая называется эпициклом.

Нельзя не сказать еще об одном античном ученом, заложившем основы математической физики. Это - Архимед, живший в III в. до н.э. Его труды по физике и механике были исключением из общих правил античной науки, так как он использовал свои знания для построения различных машин и механизмов. Тем не менее, главным для него, как и для других античных ученых, была сама наука. И механика для него становится важным средством решения математических задач. Хотя для Архимеда техника была лишь игрой научного ума, результатом выхода науки за свои рамки (то же отношение к технике и машинам как к игрушкам было характерно для всей эллинистической науки), его работы сыграли основополагающую роль в возникновении таких разделов физики, как статика и гидростатика. В статике Архимед ввел в науку понятие центра тяжести тел, сформулировал закон рычага. В гидростатике он открыл закон, носящий его имя: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом.

Как видно из приведенного и далеко не полного перечня идей и направлений натурфилософии, на этой стадии были заложены основы многих современных теорий и отраслей естествознания. В то , же время не менее важным представляется формирование в этот период стиля научного мышления, включающего стремление к нововведениям, критику, стремление к упорядоченности и скептическое отношение к общепринятым истинам, поиск универсалий, дающих рациональное понимание окружающего мира.

Развитие науки в Средние века. Развитие естественно-научного познания в Средние века было непосредственно сопряжено с утверждением двух мировых религий: христианства и ислама, которые претендовали на абсолютное знание природы. Эти религии объясняли происхождение природы в форме креационизма, т.е. учения о сотворении природа Богом. Все другие попытки объяснить мир и природу из самих себя, без допущения сверхъестественных божественных сил, осуждались и беспощадно пресекались. Многие достижения античной науки были забыты.

В отличие от античности, средневековая наука не предложила новых фундаментальных программ, но она в то же время не ограничивалась только пассивным усвоением достижений античной науки. Ее вклад в развитие научного знания состоял в том, что был предложен целый ряд новых интерпретаций и уточнений понятий и методов исследования, которые разрушали античные научные программы, подготавливая почву для механики Нового времени.

С точки зрения христианского мировоззрения человек считался созданным по образу и подобию Божьему, чтобы он был господином земного мира. Так в сознание человека проникает очень важная идея, которая никогда не возникала и не могла возникнуть в античности: раз человек является господином этого мира, значит, он имеет право переделывать этот мир так, как это нужно ему. Новый, деятельный подход к природе был также связан с изменением отношения к труду, который становится обязанностью каждого христианина. Так постепенно физический труд стал пользоваться в средневековом обществе все большим уважением. Тогда же возникло желание облегчить этот труд, что вызвало новое отношение к технике. Теперь изобретение машин и механизмов переставало быть пустой забавой, как в античности, а становилось делом полезным и уважаемым. Все это не могло не подкрепить нового, деятельностно-практического отношения к миру.

Таким образом, именно христианское мировоззрение посеяло зерна нового отношения к природе, которое позволило уйти от созерцательного отношения, присущего античности, и прийти к экспериментальной науке Нового времени, поставившей целью практическое преобразование мира для блага человека.

Христианское вероучение, соединенное с выхолощенной философией Аристотеля, явилось в Средние века господствующим философским направлением и получило название схоластики. Для этого направления мысли было характерно упрощение натурфилософии Аристотеля и приспособление ее к догмам христианства в качестве официальной религиозной доктрины. Схоластика была оторвана от реальной действительности, занятие естествознанием рассматривалось как пустое дело. Тем не менее, схоластика сыграла очень важную роль в развитии способностей к познанию мира европейским человеком. Она должна была служить задачам теологии и изучать вопросы бессмертия души, конечности и бесконечности мира, существования добра, зла и истины в мире. При решении этих проблем, не данных человеку в области чувственной реальности и могущих изучаться только с помощью разума, и были получены важнейшие результаты. Это, прежде всего, развитие логико-дискурсивного мышления и искусства логической аргументации. Результатом стал высочайший уровень умственной дисциплины в эпоху позднего Средневековья. Без этого был бы невозможен дальнейший прогресс интеллектуальных средств научного познания.

В недрах средневековой культуры успешно развивались такие специфические области знания, как астрология, алхимия, натуральная магия. Часто их называли герметическими (тайными) науками. Они представляли собой промежуточное звено между техническим ремеслом и натурфилософией, содержали в себе зародыш будущей экспериментальной науки в силу своей практической направленности. Например, на протяжении тысячелетия алхимики пытались с помощью химических реакций получить философский камень, способствующий превращению любого вещества в золото, приготовить эликсир долголетия. Побочными продуктами этих поисков и исследований стали технологии получения красок, стекла, лекарств, разнообразных химических веществ и т.д. Таким образом, алхимические исследования, несостоятельные теоретически, подготовили возможность появления современной науки.

Очень важными для становления классической науки Нового времени были новые представления о мире, опровергавшие некоторые положения античной научной картины мира. Они легли в основу механистического объяснения мира. Без таких представлений просто не смогло бы появиться классическое естествознание.

Так, появились понятия пустоты, бесконечного пространства и движения по прямой линии. Также появляются понятия «средняя скорость», «равноускоренное движение», вызревает понятие ускорения. Конечно, эти понятия еще нельзя считать четко сформулированными и осознанными. Но без них, однако, не смогла бы появиться физика Нового времени.

Также закладывается новое понимание механики, которая в античности была прикладной наукой. Античность и раннее Средневековье рассматривали все созданные человеком инструменты как искусственные, чуждые природе. В силу этого они не имели никакого отношения к познанию мира, так как действовал принцип: «подобное познается подобным». Именно поэтому только человеческий разум в силу принципа подобия человека космосу (единства микро- и макрокосмоса) мог познавать мир. Теперь же инструменты стали считаться частью природы, лишь обработанной человеком, и в силу своего тождества с ней их можно было использовать для познания мира. Таким образом, открывалась возможность использования экспериментального метода познания.

Еще одной новацией стал отказ от античной идеи о модели совершенства - круге. Эта модель была заменена моделью бесконечной линии, что способствовало формированию представлений о бесконечности Вселенной, а также лежало в основе исчисления бесконечно малых величин, без которого невозможно дифференииальное и интегральное исчисление. На нем строится вся математика Нового времени, а значит, и вся классическая наука.

Развитие науки в эпоху Возрождения. Развитие науки в эпоху Возрождения неразрывно связано с именем Леонардо да Винчи, который развил свой метод познания природы. Он был убежден, что познание идет от частных опытов и конкретных результатов к научному обобщению. По его мнению, опыт является не только источником, но и критерием познания. Будучи приверженцем экспериментального метода исследования, он изучал падение тел, траекторию полета снарядов, коэффициенты трения, сопротивления материалов и т.д. В ходе своих исследований да Винчи заложил фундамент экспериментального естествознания. Например, занимаясь практической анатомией, он оставил зарисовки внутренних органов человека, снабженные описанием их функций. В итоге многолетних наблюдений он раскрыл явление гелиотропизма (изменения направления роста органов растения в зависимости от источника света) и объяснил причины появления жилок на листьях. Леонардо да Винчи считается первым исследователем, который обозначил проблему связи между живыми существами и окружающей их природной средой.

Глобальная научная революция XVI-XVII вв. В XVI-XVII вв. натурфилософское и схоластическое познание природы превратилось в современное естествознание, систематическое научное познание на базе экспериментов и математического изложения. В этот период в Европе сформировалось новое мировоззрение и начался новый этап в развитии науки, связанный с первой глобальной естественно-научной революцией. Ее отправной точкой стал выход в 1543 г. знаменитой книги Николая Коперника «О вращении небесных сфер». С этого момента начался переход от геоцентрической к гелиоцентрической модели Вселенной.

В схеме Коперника Вселенная по-прежнему оставалась сферой, хотя размеры ее резко возрастали (только так можно было объяснить видимую неподвижность звезд). В центре Космоса находилось Солнце, вокруг которого вращались все известные к тому времени планеты, в том числе Земля со своим спутником Луной. Новая модель мира сразу объяснила многие непонятные ранее эффекты, прежде всего, петлеобразные движения планет, которые согласно новым представлениям были обусловлены движением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Впервые нашла свое объяснение смена времен года.

Следующий шаг в становлении гелиоцентрической картины мира был сделан Джордано Бруно, который отверг представление о космосе как о замкнутой сфере, ограниченной сферой неподвижных звезд. Бруно впервые заявил о том, что звезды - это не светильники, созданные Богом для освещения ночного неба, а такие же солнца, как и наше, и вокруг них могут вращаться планеты, на которых, возможно, живут люди. Таким образом, Бруно предложил набросок новой полицентрической картины мироздания, окончательно утвердившейся век спустя: Вселенная вечна во времени, бесконечна в пространстве, вокруг бесконечного числа звезд вращается множество планет, населенных разумными существами.

Однако несмотря на всю грандиозность этой картины, она продолжала оставаться эскизом, наброском, нуждавшимся в фундаментальном обосновании. Нужно было открыть законы, действующие в i мире и доказывающие правильность предположений Коперника и Бруно. Доказательство их идей стало одной из важнейших задач первой глобальной научной революции, которая началась с открытий Галилео Галилея. Его труды в области методологии научного познания предопределили облик классической, а во многом и современной науки. Он придал естествознанию экспериментальный и математический характер, сформулировал гилотетико-дедуктивную модель научного познания. Но особое значение для развития естествознания имеют работы Галилея в области астрономии и физики.

Дело в том, что со времен Аристотеля ученые считали, что между земными и небесными явлениями и телами существует принципиальная разница, так как небеса - место нахождения идеальных тел, состоящих из эфира. В силу этого считалось невозможным изучать небесные тела, находясь на Земле. Это задерживало развитие науки. После того, как в 1608 г. была изобретена зрительная труба, Галилей усовершенствовал ее и превратил в телескоп с 30-кратным увеличением. С его помощью он совершил целый ряд выдающихся астрономических открытий. Среди них - горы на Луне, пятна на Солнце, фазы Венеры, четыре крупнейших спутника Юпитера. Он же первый увидел, что Млечный Путь представляет собой скопление огромного множества звезд. Все эти факты доказывали, что небесные тела - это не эфирные создания, а вполне материальные предметы и явления. Ведь не может быть на идеальном теле гор, как на Луне, или пятен, как на Солнце.

С помощью своих открытий в механике Галилей разрушил догматические построения господствовавшей почти в течение двух тысяч лет аристотелевской физики. Он впервые проверил многие утверждения Аристотеля опытным путем, заложив тем самым основы нового раздела физики - динамики, науки о движении тел под действием приложенных сил. Именно Галилей сформулировал понятия физического закона, скорости, ускорения. Но величайшими открытиями ученого стали идея инерции и классический принцип относительности.

Галилей считал, что движущееся тело стремится пребывать в постоянном равномерном прямолинейном движении или в покое, если только какая-нибудь внешняя сила не остановит его или не отклонит от направления его движения. Таким образом, движение по инерции - это движение при отсутствии на него действия других тел.

Согласно классическому принципу относительности, никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно. Также классический принцип относительности утверждает, что между покоем и равномерным прямолинейным движением нет никакой разницы, они описываются одними и теми же законами. Равноправие движения и покоя, т.е. инерциальных систем (покоящихся или движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно), Галилей доказывал рассуждениями и многочисленными примерами. Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, что корабль плывет, и он имеет все основания утверждать, что книга движется и притом с той же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или покоится? На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто «да» или «нет». Спор между путешественником и человеком на берегу был бы пустой тратой времени, если бы каждый из них отстаивал только свою точку зрения и отрицал точку зрения партнера. Они оба правы, и чтобы согласовать позиции, им нужно только признать, что в одно и то же время книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.

Таким образом, слово «относительность» в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение о том, что движение или покой - всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета.

В ходе дальнейшего развития естествознания Иоганн Кеплер установил истинные орбиты движения планет. В своих трех законах он показал, что планеты движутся по эллиптическим орбитам, причем их движение происходит неравномерно.

Огромную роль в развитии науки сыграли исследования Рене Декарта по физике, космологии, биологии, математике. Учение Декарта представляет собой единую естествен но-научную и философскую систему, основывающуюся на постулатах о существовании непрерывной материи, заполняющей все пространство, и ее механическом движении. Ученый поставил задачу, исходя из установленных им принципов устройства мира и представлений о материи, пользуясь лишь «вечными истинами» математики, объяснить все известные и неизвестные явления природы. Решая эту задачу, он возродил идеи античного атомизма и построил грандиозную картину Вселенной, охватив в ней все элементы природного мира: от небесных светил до физиологии животных и человека. При этом свою модель природы Декарт строил только на основе механики, которая в то время достигла наибольших успехов. Представление о природе как о сложном механизме, которое Декарт развил в своем учении, сформировалось позднее в самостоятельное направление развития физики, получившее название картезианства. Декартовское (картезианское) естествознание закладывало основы механического понимания природы, процессы которой рассматривались как движения тел по геометрически описываемым траекториям. Однако картезианское учение не было исчерпывающим. В частности, движение планет должно было подчиняться закону инерции, т.е. быть прямолинейным и равномерным. Но поскольку орбиты планет остаются сплошными замкнутыми кривыми и подобного движения не происходит, то становится очевидным, что какая-то сила отклоняет движение планет от прямолинейной траектории и заставляет их постоянно «падать» по направлению к Солнцу. Отныне важнейшей проблемой новой космологии становилось выяснение природы и характера этой силы.

Природа этой силы была открыта Исааком Ньютоном, работы которого завершили первую глобальную естественно-научную революцию. Он доказал существование тяготения как универсальной силы и сформулировал закон всемирного тяготения.

Ньютоновская физика стала вершиной развития взглядов в понимании мира природы в классической науке. Ньютон обосновал физико-математическое понимание природы, ставшее основой для всего последующего развития естествознания и формирования классического естествознания. В ходе своих исследований Ньютон создал методы дифференциального и интегрального исчисления для решения проблем механики. Благодаря этому ему удалось сформулировать основные законы динамики и закон всемирного тяготения. Механика Ньютона основана на понятиях количества материи (массы тела), количества движения, силы и трех законов движения: закона инерции, закона пропорциональности силы и ускорения и закона равенства действия и противодействия.

В своей механике Ньютон отказался от построения всеобъемлющей картины Вселенной и создал собственный метод физического исследования, который опирается на опыт, ограничивающийся фактами, и не претендует на познание всех конечных причин. Согласно ньютоновской концепции, физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек). Любое физическое действие представляет собой движение материальных точек в пространстве, управляемое неизменными законами механики.

Хотя Ньютон громко провозгласил: «Гипотез не измышляю!», тем не менее некоторое количество гипотез было им предложено и они сыграли очень важную роль в развитии естествознания. Эти гипотезы были связаны с дальнейшей разработкой идеи всемирного тяготения, которое оставалось достаточно загадочным и непонятным. В частности, необходимо было ответить на вопросы: «Каков механизм действия этой силы?», «С какой скоростью она распространяется?», «Есть ли у нее материальный носитель?».

Пытаясь решить эту проблему, Ньютон предложил подтверждавшийся, как тогда казалось, бесчисленным количеством фактов принцип дальнодействия - мгновенное действие тел друг на друга на любом расстоянии без каких-либо посредствующих звеньев, через пустоту. Принцип дальнодействия невозможен без привлечения понятий абсолютного пространства и абсолютного времени, также предложенных Ньютоном.

Абсолютное пространство понималось как вместилище мировой материи. Его можно сравнить с большим черным ящиком, в который можно поместить материальное тело, но можно и убрать, тогда материи не будет, а пространство останется. Также должно существовать и абсолютное время как универсальная длительность, постоянная космическая шкала для измерения всех бесчисленных конкретных движений, оно может течь самостоятельно без участия материальных тел. Именно в таком абсолютном пространстве и времени мгновенно распространялась сила тяготения. Воспринимать абсолютное пространство и время в чувственном опыте невозможно. Пространство, время и материя в этой концепции - это три независимых друг от друга сущности.

Концепция дальнодействия господствовала в науке до середины XIX в., концепция абсолютного пространства и времени - до начала XX в.

Работы Ньютона завершили первую глобальную научную революцию, сформировав классическую полицентрическую научную картину мира и заложив фундамент классической науки Нового времени.

Классическое естествознание Нового времени. Закономерно, что на основе отмеченных достижений дальнейшее развитие естествознания приобретало все больший масштаб и глубину. Идут процессы дифференциации научного знания, сопряженные с существенным прогрессом уже сформировавшихся и появлением новых самостоятельных наук. Тем не менее, естествознание этого времени развивалось в рамках классической науки, имеющей свои специфические черты, которые наложили неизгладимый отпечаток на работу ученых и ее результаты.

Важнейшей характеристикой классической науки является механистичность - представление мира в качестве машины, гигантского механизма, четко функционирующего на основе вечных и неизменных законов механики. Не случайно наиболее распространенной моделью Вселенной был огромный часовой механизм. Поэтому механика была эталоном любой науки, и любую науку пытались построить по ее образцу. Также она рассматривалась и как универсальный метод изучения окружающих явлений. Это выражалось в стремлении свести любые процессы в мире (не только физические и химические, но и биологические и социальные процессы) к простым механическим перемещениям. Такое сведение высшего к низшему, объяснение сложного через более простое называется редукционизмом.

Следствиями механистичности стало преобладание количественных методов анализа природы, стремление разложить изучаемый процесс или явление до его мельчайших составляющих, доходя до конечного предела делимости материи. Из картины мира полностью исключалась случайность, ученые стремились к полному завершенному знанию о мире - абсолютной истине.

Еще одной чертой классической науки была метафизичность - рассмотрение природы как из века в век неизменного, всегда тождественного самому себе неразвивающегося целого. Каждый предмет или явление рассматривался отдельно от других, игнорировались его связи с другими объектами, а изменения, которые происходили с этими предметами и явлениями, были лишь количественными. Так возникла сильная антиэволюционистская установка классической науки.

Механистичность и метафизичность классической науки отчетливо проявились не только в физике, но и в химии и биологии. Это привело к отказу от признания качественной специфики Жизни и живого. Они стали такими же элементами в мире-механизме, как предметы и явления неживой природы.

Эти черты классической науки наиболее отчетливо проявились в естествознании XVIII в., когда было создано множество теорий, почти забытых современной наукой. Отчетливо проявлялась редукционистская тенденция, стремление свести все разделы физики, химии и биологии к методам и подходам механики. Стремясь дойти до конечного предела делимости материи, ученые XVIII в. создают «учения о невесомых» электрической и магнитной жидкостях, теплороде, флогистоне как особых веществах, обеспечивающих у тел электрические, магнитные и тепловые свойства, а также способность к горению, соответственно. Среди наиболее значимых достижений естествознания XVIII в. следует отметить развитие атомно-молекулярных представлений о строении вещества и формирование основ экспериментальной науки об электричестве.

С середины XVIII в. естествознание стало все более проникаться идеями эволюционного развития природы. Значительную роль в этом сыграли труды М.В. Ломоносова, И. Канта, П.С. Лапласа, в которых развивалась гипотеза естественного происхождения Солнечной системы. Влияние идей всеобщей связи и развития, разрушающих метафизичность классической науки, стало еще заметнее в XIX в. Классическая наука, оставаясь в целом метафизической и механистической, готовила постепенное крушение механической картины мира.

Если в XVII и XVIII вв. развитие естествознания сосуществовало с религией, и Бог присутствовал в картинах мира в качестве начального Творца, то развитие естествознания в XIX и XX вв. сопровождалось окончательным разрывом науки с религией, развитием технических наук, обеспечившим быстрый прогресс западных цивилизаций.

Революционными открытиями естествознания стали принципы неевклидовой геометрии К.Ф. Гаусса, концепция энтропии и второй закон термодинамики Э. Клаузиуса, периодический закон химических элементов Д.И. Менделеева, теория естественного отбора Ч. Дарвина и А.Р. Уоллеса, теория генетической наследственности Г.И. Менделя, электромагнитная теория Дж. Максвелла.

Эти и многие другие не названные нами открытия XIX в. подняли естествознание на качественно новую ступень, превратили его в дисциплинарно организованную науку. Из науки, собиравшей факты и изучавшей законченные, завершенные, отдельные предметы, естествознание в XIX в. превратилось в систематизированную науку о предметах и процессах, их происхождении и развитии. Это произошло в ходе комплексной научной революции середины XIX в. Но все эти открытия оставались в рамках методологических установок классической науки. Не ушла в прошлое, а была лишь скорректирована идея мира-машины, остались неизменными все положения о познаваемости мира и возможности получения абсолютной истины, стремление к редукционизму. Механистические и метафизические черты классической науки были лишь поколеблены, но не отброшены. В силу этого наука XIX в. несла в себе зерна будущего кризиса, разрешить который должна была вторая глобальная научная революция конца XIX - начала XX в.

2. Глобальная научная революция конца XIX - начала XX в. Глобальная научная революция начинается с целого ряда замечательных открытий, разрушивших всю классическую научную картину мира. В 1888 г. Г. Герц открыл электромагнитные волны, блестяще подтвердив предсказание Дж. Максвелла. В 1895 г. В. Рентген обнаружил лучи, получившие позднее название рентгеновских, которые представляли собой коротковолновое электромагнитное излучение. Изучение природы этих загадочных лучей, способных проникать через светонепроницаемые тела, привело Дж.Дж. Томсона к открытию первой элементарной частицы - электрона.

Важнейшим открытием 1896 г. стало обнаружение радиоактивности А. Беккерелем. Изучение этого феномена началось с исследования загадочного почернения фотопластинки, лежавшей рядом с кристаллами соли урана. Э. Резерфорд в своих опытах показал неоднородность радиоактивного излучения, состоявшего из ά, β, и γ лучей. Позже, в 1911 г. он смог построить планетарную модель атома.

К великим открытиям конца XIX в. также следует отнести работы А.Г. Столетова по изучению фотоэффекта, П.Н. Лебедева о давлении света. В 1901 г. М. Планк, пытаясь решить проблемы классической теории излучения нагретых тел, предположил, что энергия излучается малыми порциями - квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения. Связывающий эти величины коэффициент пропорциональности ныне называется постоянной Планка (h). Она является одной из немногих универсальных физических констант нашего мира и входит во все уравнения физики микромира. Также было обнаружено, что масса электрона зависит от его скорости.

Все эти открытия буквально за несколько лет разрушили то стройное здание классической науки, которое еще в начале 80-х гг.

XIX в. казалось практически законченным. Все прежние представления о материи и ее строении, движении и его свойствах и типах, о форме физических законов, пространстве и времени были опровергнуты. Это привело к кризису физики и всего естествознания, а кроме того, стало симптомом более глубокого кризиса и всей классической науки.

Кризис физики стал первым этапом второй глобальной научной революции в науке и переживался большинством ученых очень тяжело. Ученым казалось, что неверным было все то, чему они учились.

В лучшую сторону ситуация начала меняться только в 20-е гг.

XX в., с наступлением второго этапа научной революции. Он связан с созданием квантовой механики и сочетанием ее с теорией относительности, созданной в 1906-1916 гг. Тогда начала складываться новая квантово-релятивистская картина мира, в которой открытия, приведшие к кризису в физике, были объяснены.

Началом третьего этапа научной революции было овладение атомной энергией в 40-е гг. XX в. и последующие исследования, с которыми связано зарождение электронно-вычислительных машин и кибернетики. Также в этот период физика передает эстафету химии, биологии и циклу наук о Земле, начинающих создавать свои собственные научные картины мира. Следует также отметить, что с середины XX в. наука окончательно слилась с техникой, что, в свою очередь, привело к современной научно-технической революции.

Главным концептуальным изменением естествознания XX в. был отказ от ньютоновской модели получения научного знания через эксперимент к объяснению. А. Эйнштейн предложил иную модель, в которой гипотеза и отказ от здравого смысла как способа проверки высказывания, становились первичными в объяснении явлений природы, а эксперимент - вторичным.

Развитие эйнштейновского подхода приводит к отрицанию ньютоновской космологии и формирует новую картину мира, в которой логика и здравый смысл перестают действовать. Оказывается, что твердые атомы Ньютона почти целиком заполнены пустотой. Материя и энергия переходят друг в друга. Трехмерное пространство и одномерное время превратились в четырехмерный пространственно-временной континуум. Согласно этой картине мира планеты движутся по своим орбитам не потому, что их притягивает к Солнцу некая сила, а потому, что само пространство, в котором они движутся, искривлено. Субатомные явления одновременно проявляют себя и как частицы, и как волны. Нельзя одновременно вычислить местоположение частицы и измерить ее ускорение. Принцип неопределенности в корне подорвал ньютоновский детерминизм. Нарушились понятия причинности, субстанции, твердые дискретные тела уступили место формальным отношениям и динамическим процессам.

Таковы основные положения современной квантово-релятивистской научной картины мира, которая становится главным итогом второй глобальной научной революции. С ней связано создание современной (неклассической) науки, которая по всем своим параметрам отличается от науки классической.

3. Основные черты современного естествознания как науки. Механистичность и метафизичность классической науки сменились новыми диалектическими установками всеобщей связи и развития. Механика больше не является ведущей наукой и универсальным методом изучения окружающих явлений. Классическая модель мира - часового механизма сменилась моделью мира-мысли, для изучения которого лучше всего подходят системный подход и метод глобального эволюционизма. Метафизические основания классической науки, рассматривавшие каждый предмет в изоляции, вне его связей с другими предметами, как нечто особенное и завершенное, также ушли в прошлое.

Теперь мир признается совокупностью разноуровневых систем, находящихся в состоянии иерархической соподчиненности. При этом на каждом уровне организации материи действуют свои закономерности. Аналитическая деятельность, являвшаяся основной в классической науке, уступает место синтетическим тенденциям, системно-целостному рассмотрению предметов и явлений объективного мира. Уверенность в существовании конечного предела делимости материи, стремление найти конечную материальную первооснову мира сменились убеждением в принципиальной невозможности этого и представлениями о неисчерпаемости материи вглубь. Считается невозможным получение абсолютной истины. Истина считается относительной, существующей во множестве теорий, каждая из которых изучает свой срез реальности.

Если классическая наука не видела качественной специфики Жизни и Разума во Вселенной, то современная наука доказывает их неслучайность появления в мире. Это на новом уровне возвращает нас к проблеме цели и смысла Вселенной, говорит о запланированном появлении разума, который полностью проявит себя в будущем. Названные нами черты современной науки нашли свое воплощение в новых теориях и концепциях, появившихся во всех областях естествознания. Среди важнейших открытий XX в. - теория относительности, квантовая механика, ядерная физика, теория физического взаимодействия; новая космология, основанная на теории Большого взрыва; эволюционная химия, стремящаяся к овладению опытом живой природы; генетика, расшифровка генетического кода и др. Но подлинным триумфом неклассической науки, бесспорно, стали кибернетика, воплотившая идеи системного подхода, а также синергетика и неравновесная термодинамика, основанные на методе глобального эволюционизма.

Ускорение научно-технического прогресса, связанное с возрастанием темпов общественного развития, привело к тому, что потенциал современной науки, заложенный в ходе второй глобальной научной революции, во многом оказался исчерпанным. Поэтому современная наука снова переживает состояние кризиса, являющегося симптомом новой глобальной научной революции.

Начиная со второй половины XX в. исследователи фиксируют вступление естествознания в новый этап развития - постнеклассический, который характеризуется целым рядом фундаментальных принципов и форм организации. В качестве таких принципов выделяют чаще всего эволюционизм, космизм, экологизм, антропный принцип, холизм и гуманизм. Эти принципы ориентируют современное естествознание не столько на поиски абстрактной истины, сколько на полезность для общества и каждого человека. Главным показателем при этом становится не экономическая целесообразность, а улучшение среды обитания людей, рост их материального и духовного благосостояния. Естествознание таким образом реально поворачивается лицом к человеку, преодолевая извечный нигилизм по отношению к злободневным потребностям людей.

Современное естествознание имеет преимущественно проблемную, междисциплинарную направленность вместо доминировавшей ранее узкодисциплинарной ориентированности естественно-научных исследований. Сегодня принципиально важно при решении сложных комплексных проблем использовать возможности разных естественных наук в их сочетании применительно к каждому конкретному случаю исследования. Отсюда становится понятной и такая особенность постнеклассической науки, как нарастающая интеграция естественных, технических и гуманитарных наук. Исторически они дифференцировались, отпочковывались от некой единой основы, развиваясь длительное время автономно. Характерно, что ведущим элементом нарастающей интеграции становятся науки гуманитарные.

Анализ особенностей современного естествознания позволяет отметить такую его принципиальную особенность, как невозможность свободного экспериментирования с основными объектами. Иными словами, реальный естественно-научный эксперимент оказывается опасным для жизни и здоровья людей. Дело в том, что пробуждаемые современной наукой и техникой мощные природные силы при неумелом обращении с ними способны привести к тяжелейшим локальным, региональным и даже глобальным кризисам и катастрофам.

Исследователи науки отмечают, что современное естествознание органически срастается с производством, техникой и бытом людей, превращаясь в важнейший фактор прогресса всей нашей цивилизации. Оно уже не ограничивается исследованиями отдельных кабинетных ученых, а включает в свою орбиту комплексные коллективы исследователей самых разных научных направлений. В процессе своей исследовательской деятельности представители различных естественных дисциплин все более отчетливо начинают осознавать тот факт, что Вселенная представляет собой системную целостность с недостаточно понятными законами развития и глобальными парадоксами, в которой жизнь каждого человека связана с космическими закономерностями и ритмами. Универсальная связь процессов и явлений во Вселенной требует комплексного, адекватного их природе изучения и, в частности, глобального моделирования на основе метода системного анализа. В соответствии с этими задачами в современном естествознании все более широкое применение получают методы системной динамики, синергетики, теории игр, программ но-целевого управления, на основе которых составляются прогнозы развития сложных природных процессов.

Современные представления о глобальном эволюционизме и синергетике позволяют описать развитие природы как последовательную смену рождающихся из хаоса структур, временно обретающих стабильность, а затем вновь стремящихся к хаотическим состояниям. Кроме того, многие природные комплексы предстают как сложноорганизованные, многофункциональные, открытые, неравновесные системы, развитие которых носит малопредсказуемый характер. В этих условиях дальнейшая эволюция сложных природных объектов оказывается принципиально непредсказуемой и сопряжена со многими случайными факторами, могущими стать основаниями для новых форм эволюции.

Все перечисленные изменения протекают в рамках продолжающейся в настоящее время очередной глобальной научной революции, которая завершится, скорее всего, к середине XXI в. Конечно, сейчас нам сложно себе представить облик будущей науки. Очевидно, что она будет отличаться как от классической, так и от современной (неклассической) науки. Однако некоторые перечисленные выше черты науки будущего просматриваются уже сейчас.


Тема 6: Вселенная

1. Сущность концепции развития

2. Эволюция Вселенной.

3. Структура Вселенной.

4. Средства наблюдения объектов Вселенной.

5. Проблема поиска внеземных цивилизаций.


1. Сущность концепции развития. Самоорганизация систем. В последние десятилетия утверждается мнение: материи изначально присуща тенденция не только к разрушению упорядоченности и возврату к исходному хаосу, но и к образованию сложных и упорядоченных систем разного уровня. Разрушительную тенденцию материи наиболее полно отражают статистическая механика и термодинамика, описывающие свойства изолированных (замкнутых) систем, т. е. систем, не обменивающихся ни энергией, ни веществом с окружающей средой. При этом особая роль принадлежит второму началу термодинамики, определяющему необратимость процессов преобразования энергии в замкнутой системе. Такие процессы рано или поздно приводят систему к ее самому простому состоянию - термодинамическому равновесию, эквивалентному хаосу - состоянию без какой-либо упорядоченности. В прошлом обсуждалась возможность приложения второго начала термодинамики ко Вселенной как замкнутой системе и при этом был сделан вывод о деградации Вселенной - ее тепловой смерти.

Известно, что все реальные системы, от самых малых до самых больших, являются открытыми - они обмениваются энергией и веществом с окружающей средой и не находятся в состоянии термодинамического равновесия. В подобных системах возможно образование нарастающей упорядоченности, т. е. самоорганизация вещественных систем. Самоорганизацией принято называть природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое состояние характеризуется крайней неустойчивостью, завершающей плавное эволюционное развитие открытой неравновесной системы.

Исследования самоорганизации проводятся в трех направлениях: синергетика, термодинамика неравновесных процессов и математическая теория катастроф.

Синергетика изучает связи между элементами (подсистемами) структуры, которые образуются в открытых системах (биологических, физико-химических и др.) благодаря интенсивному обмену веществом и энергией с окружающей средой в неравновесных условиях. В открытых системах возможно согласованное поведение подсистем, в результате чего возрастает степень упорядоченности - уменьшается энтропия. Основа синергетики - термодинамика неравновесных процессов, теория случайных процессов, теория нелинейных колебаний и волн.

Объект изучения синергетики, независимо от его природы, должен удовлетворять трем условиям: открытости, существенной неравновесности и скачкообразному выходу из критического состояния.

Открытость означает незамкнутость системы, для которой возможен обмен энергией и веществом с окружающей средой. Существенная неравновесность приводит к критическому состоянию, сопровождающемуся потерей устойчивости системы. В результате скачкообразного выхода из критического состояния образуется качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.

Характерный пример самоорганизующейся системы - оптический квантовый генератор - лазер. При его работе выполняются три перечисленных условия: открытость системы, снабжаемой извне энергией, ее сугубая неравновесность, достижение критического уровня накачки, при котором возникает упорядоченное, монохроматическое излучение.

«Повсюду, куда ни посмотри, обнаруживается эволюция, разнообразие форм и неустойчивости. Интересно отметить, что такая картина наблюдается на всех уровнях - в области элементарных частиц, биологии, астрофизике», - так считал один из основоположников термодинамики неравновесных процессов, лауреат Нобелевской премии 1977 г., бельгийский физик и физикохимик И.Р. Пригожий.

Сложная неравновесная система может перейти из неустойчивого состояния в одно из нескольких устойчивых. В какое именно из них совершится переход - дело случая. В системе, пребывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации, и одна из них инициирует скачок в конкретное устойчивое состояние. Процесс скачка необратим. Критическая точка, в которой наиболее вероятен переход в новое состояние, называется точкой бифуркации.

Самоорганизация включает закономерное и случайное в развитии любых открытых систем: плавную эволюцию, ход которой закономерен и детерминирован, и случайный скачок в точке бифуркации, определяющий следующий закономерный этап развития. Важнейшим направлением исследования самоорганизации является математическая теория катастроф. Она описывает различные скачкообразные переходы, спонтанные качественные изменения и т.п. В теории катастроф применяется довольно сложный математический аппарат - топологическая теория динамических систем.

Концепция развития. Основу концепции развития процессов в природе составляют три положения: системность, динамизм и самоорганизация.

Системность означает упорядоченную, структурную организацию материи. Например, Вселенная - самая крупная из всех известных материальных систем. На определенных этапах ее развития зарождались разномасштабные подсистемы, характеризуемые открытостью и неравновесностью. Внешняя среда для любой подсистемы - материальная система более крупного масштаба, с которой она обменивается энергией и веществом. Предполагается, что внешняя среда для Вселенной - физический вакуум. Любая подсистема Вселенной (например, галактика, Солнечная система, планета, биосфера, человек и др.) представляет собой целостный материальный объект, прошедший собственный путь развития. Она обладает определенной индивидуальностью, автономией и в то же время является неотъемлемой составной частью целого.

Для материальной системы любого масштаба характерен динамизм, означающий ее развитие, движение. Без развития, без движения невозможно существование реальной системы, независимо от степени ее упорядоченности и сложности.

В процессе развития способность систем к усложнению приводит к образованию упорядоченных структур - происходит самоорганизация систем. При этом действуют два взаимно противоположных механизма: объединение элементов системы и ее разделение (фракционирование), характерные для всех уровней сложности и упорядоченности материи, начиная от микромира и кончая крупномасштабными структурами Вселенной. На разных уровнях развития систем преобладает один из четырех видов фундаментальных взаимодействий. Так, на нуклонном уровне организации материи сильное взаимодействие выступает в роли ядерных сил, объединяющих нуклоны в ядра, а слабое взаимодействие - в роли сил, определяющих их радиоактивный распад. На атомном уровне функции объединения и фракционирования выполняет электромагнитное взаимодействие в форме притяжения разноименных и отталкивания одноименных электрических зарядов. На молекулярном уровне электромагнитное взаимодействие обеспечивает химическую связь. В организации структур Вселенной определяющую роль играет гравитационное взаимодействие.

Для управления процессом развития любая система накапливает, хранит и передает информацию, а это означает, что неотъемлемая часть самоорганизации - ее информативность. В этом вопросе пока много неясного. В последнее время удалось выяснить один из решенных природой принципов хранения и передачи информации посредством генного механизма, управляющего структурой и направлением развития живых систем.

В концепции развития весьма важен вопрос соотношения случайного и закономерного. Эволюционные этапы развития вполне детерминированы. При эволюционном развитии поведение системы предсказуемо и даже управляемо при наличии необходимых средств управления. На завершающей стадии эволюции в точке бифуркации преобладает случайность. Точку бифуркации можно образно сравнить с перекрестком, где, как в сказке, выбор пути означает и выбор судьбы.

Особую роль играет случайность в самоорганизации на завершающей стадии эволюции. Именно случайность определяет возможность перехода системы в более упорядоченное состояние. Можно привести множество примеров, когда случайные переходы хотя в принципе и возможны, но вероятность их настолько мала, что их достижение можно считать практически не реализуемым. Например, вероятность процесса сборки часов из случайно разбросанных деталей отлична от нуля, однако трудно представить, что из деталей без вмешательства человека случайно образуется упорядоченная структура - часы. В этой связи полезно помнить, что концепция самоорганизации и синергетический подход, как и многие другие концепции, идеи и даже фундаментальные законы, имеют вполне определенную область применения. Судя по возрастающему потоку публикаций, можно заключить, что идеи самоорганизации и синергетики пытаются внедрить в различные отрасли науки и распространить их на многие объекты - от Вселенной до общества и человека - без учета их специфики и особенностей. Конечно же, такая тенденция не может не привести к поспешным и неверным результатам, что, естественно, сдерживает процесс поступательного развития естествознания и науки в целом.

2. Эволюция Вселенной. Основные концепции космологии. Вселенная - самая крупная материальная система. Ее происхождение интересует людей еще с древних времен. Вначале Вселенная была «безвидна и пуста» - так сказано в Библии. Вначале был вакуум - уточняют современные физики. Каковы же истоки происхождения Вселенной? Как она развивается? Какова ее структура? На эти и другие вопросы пытались ответить ученые разных времен. Однако даже крупнейшие достижения естествознания XX в. не позволяют дать полностью исчерпывающие ответы. В этой связи нельзя не вспомнить слова известного поэта М. Волошина:

Мы, возводя соборы космогонии. Не внешний в них отображаем мир, А только грани нашего незнанья.

Тем не менее принято считать, что основные положения современной космологии - науки о строении и эволюции Вселенной - начали формироваться после создания в 1917 г, А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

Важный шаг в решении космологических проблем сделал в 1922 г. профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888-1925). В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии - она должна расширяться либо сужаться.

Следующий шаг был сделан в 1924 г., когда в обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) измерил расстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и тем самым открыл мир галактик. В 1929 г. в той же обсерватории Э. Хаббл по красному смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон - закон Хаббла: скорость удаления галактики V прямо пропорциональна расстоянию r до нее, т. е.

V=Hr,

где Я - постоянная Хаббла.

С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшается - разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблюдаемый промежуток времени ничтожно мало. Обратной величиной постоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной. Из результатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75 км/с на каждый миллион парсек (1 парсек равен 3,3 светового года; световой год - это расстояние, проходимое светом в вакууме за один земной год). При данной скорости экстраполяция к прошлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет около 15 млрд. лет, а это означает, что вся Вселенная 15 млрд. лет назад была сосредоточена в очень маленькой области. Предполагается, что в то время плотность вещества Вселенной была сравнимой с плотностью атомного ядра, и вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва.

Произведением времени жизни Вселенной на скорость света определяется радиус космологического горизонта - граница познания Вселенной посредством астрономических наблюдений. Информация об объектах, находящихся за космологическим горизонтом, до нас еще не дошла - мы не можем заглянуть за космологический горизонт. Несложный расчет показывает, что радиус космологического горизонта равен приблизительно 1026 м. Очевидно, что этот радиус ежесекундно увеличивается примерно на 300 тыс. км. Но такое увеличение ничтожно мало по сравнению с величиной радиуса космологического горизонта. Для наблюдения заметного расширения космологического горизонта нужно подождать миллиарды лет.

В концепции большого взрыва предполагается, что расширение Вселенной происходило с одинаковой скоростью, начиная с момента взрыва ядерной капли. В настоящее время обсуждается и другая гипотеза - гипотеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не всегда расширяется, а пульсирует между конечными пределами плотности. Из этой гипотезы следует, что в некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем сейчас, и были периоды, когда Вселенная сжималась, т. е. галактики приближались друг к другу и с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло.

По мере развития естествознания и особенно ядерной физики выдвигаются различные гипотезы о физических процессах на разных этапах космологического расширения. Одна из них была предложена в конце 40-х годов XX в. Г.А. Гамовым (1904-1968), физиком-теоретиком, эмигрировавшим в 1933 г. из Советского Союза в США, и называется моделью горячей Вселенной. В ней рассмотрены ядерные процессы, протекавшие в начальный момент расширения Вселенной в очень плотном веществе с чрезвычайно высокой температурой. По мере расширения Вселенной плотное вещество охлаждалось.

Из этой модели следуют два вывода:

  1. вещество, из которого зарождались первые звезды, состояло в основном из водорода (75 %) и гелия (25 %);

  2. в сегодняшней Вселенной должно наблюдаться слабое электромагнитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Вселенной и поэтому названное реликтовым.

С развитием астрономических средств наблюдения и, в частности, с рождением радиоастрономии, появились новые возможности познания Вселенной. В 1965 г. американские астрофизики А. Пензиас (р. 1933 г.) и Р. Вильсон (р. 1936 г.) экспериментально обнаружили реликтовое излучение, за что были удостоены в 1978 г. Нобелевской премии. Реликтовое излучение - это фоновое изотропное космическое излучение со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Оно наблюдается на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров.

В 2000 г. сообщалось: сделан важный шаг на пути понимания самого раннего этапа эволюции Вселенной. В лаборатории Центра европейских ядерных исследований в Женеве получено новое состояние материи - кварк-глюоиная плазма. Предполагается, что в таком состоянии находилась Вселенная в первые 10 мкс после большого взрыва. До сих пор удавалось охарактеризовать эволюцию материи на стадии не ранее трех минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов.

Образование объектов Вселенной. В 1963 г. на очень больших расстояниях от нашей Галактики, на границе наблюдаемой Вселенной, были обнаружены удивительные объекты, получившие название квазаров. При сравнительно небольших размерах (поперечник их составляет около нескольких световых недель или месяцев) квазары выделяют колоссальную энергию, примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигантских галактик, состоящих из десятков и сотен миллиардов звезд. Какие физические процессы могут приводить к выделению столь фандиозного количества энергии, пока неясно.

Астрономы обратили внимание на определенное сходство между квазарами и активными ядрами некоторых галактик. Квазары - весьма удаленные объекты. А чем дальше от нас находится тот или иной космический объект, тем в более отдаленном прошлом мы его наблюдаем, что обусловлено конечной скоростью распространения электромагнитного излучения, в том числе и света. Хотя скорость света велика - около 300 тыс. км/с, но даже при такой огромной скорости для преодоления космических расстояний необходимы десятки, сотни и даже миллиарды лет. Мы наблюдаем объекты Вселенной - Солнце, планеты, звезды, галактики - в прошлом. Причем различные объекты - в разном прошлом. Например, Полярную звезду - такой, какой она была около шести веков назад. А галактику в созвездии Андромеды мы наблюдаем с опозданием на 2 млн. лет.

Квазары удалены от нас на миллиарды световых лет. Галактики с активными ядрами в среднем расположены ближе. Следовательно, они принадлежат к объектам более позднего поколения, т. е. образовались после рождения квазаров. Возникает вопрос: не являются ли квазары протоядрами будущих галактик, теми «зародышами», вокруг которых впоследствии сформировались десятки и сотни миллиардов звезд - звездные острова Вселенной? При попытке ответить на эти вопросы родилась гипотеза о черных дырах. Сущность ее заключается в следующем. Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для нее, то под действием сил собственного тяготения такое вещество начинает неудержимо сжиматься. Наступает своеобразная гравитационная катастрофа - гравитационный коллапс. В результате сжатия растет концентрация вещества. Наконец наступает момент, когда сила тяготения на ее поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо развить скорость, превосходящую скорость света. Такие скорости практически недостижимы, и из замкнутого пространства черной дыры не могут вырваться ни лучи света, ни частицы материи. Излучение черной дыры оказывается «запертым» гравитацией. Черные дыры способны только поглощать излучение.

Предполагается, что образование черных дыр во Вселенной происходит различными путями. Например, они могут возникать в результате сжатия массивных звезд на заключительных стадиях их жизни или вследствие концентрации вещества в центральных частях достаточно массивных звездных систем. В частности, в ядрах галактик и квазарах могут находиться сверхмассивные черные дыры.

Результаты наблюдения галактики М-87 позволяют предполагать, что в непосредственной близости от ее центра сконцентрирована слабосветящаяся масса, превосходящая 5 млрд.солнечных масс. Похожие результаты получены и для других галактик. Может быть, это и есть гигантские черные дыры или какие-то другие сверхплотные образования пока неизвестной природы. Существование черных дыр следует из общей теории относительности, и об их астрономическом открытии говорить не приходится.

Совершенно другой точки зрения на данную проблему придерживаются известный российский специалист в области квантовой теории поля выдающийся ученый, академик РАН А.А. Логунов (1926) и его последователи. Исходя из понимания гравитации как проявления реального физического поля, а не как следствие искривления пространства-времени в соответствии с общей теорией относительности, ученые находят логическое объяснение наблюдаемым в мегамире явлениям, не прибегая к понятию черной дыры.

Сравнительно недавно основные положения космологии базировались на идеях классической физики. Развитие рассматривалось как медленный и плавный процесс перехода от одного стационарного состояния к другому. Считалось, что звезды постепенно рассеивают свое вещество, и оно накапливается в виде гигантских туманностей. Туманности сгущаются в звезды и т. д. Однако наблюдения последних десятилетий свидетельствуют о том, что в развитии материи во Вселенной играют определенную роль и нестационарные процессы, в частности, взрывные процессы. Можно предполагать, что нестационарные процессы представляют собой своеобразные поворотные пункты в развитии космических объектов, где совершаются переходы из одного качественного состояния в другое, образуются новые небесные тела - происходит самоорганизация Вселенной.

Вопрос об образовании космических объектов в результате нестационарных процессов и о самоорганизации Вселенной окончательно не решен. Кроме того, одна из важных проблем современного естествознания состоит в том, чтобы установить, в каком физическом состоянии находилось вещество до начала расширения Вселенной. Видимо, это было состояние чрезвычайно высокой плотности. Для описания явлений, происходящих при столь высокой плотности, современные фундаментальные физические теории, к сожалению, не применимы. При таких условиях проявляются не только гравитационные, но и квантовые эффекты, характерные для процессов микромира. А теории, которая объединяла бы их, пока нет - ее предстоит создать.

Одно из предположений, следующих из концепции самоорганизации, заключается в том, что первоначальный сгусток материи возник из физического вакуума. Физический вакуум, как уже отмечалось, - своеобразная форма материи, способная при определенных условиях «рождать» вещественные частицы без нарушения законов сохранения материи и движения.

Вселенная в широком смысле - это среда нашего обитания. Поэтому важно помнить: во Вселенной господствуют необратимые физические процессы и она изменяется с течением времени, находится в постоянном развитии. Человек приступил к освоению космоса, вышел в открытое космическое пространство. Наши свершения приобретают все больший размах, глобальные и даже космические масштабы. И для того чтобы учесть их близкие и отдаленные последствия, те изменения, которые они могут внести в нашу среду обитания, мы должны изучать не только земные, но и космические явления и процессы.

3. Структура Вселенной. Глядя на усеянное звездами небо, человек приходит в восторг, не оставаясь равнодушным к созерцаемому. «Открылась бездна, звезд полна. Звездам числа нет, бездне - дна», - эти прекрасные строки М.В. Ломоносова образно и наиболее полно описывают впечатление, которое испытывает человек, любуясь завораживающей картиной звездного неба. Звезды и бескрайнее небесное пространство всегда притягивали и притягивают всех: и самого обыкновенного человека, и поэта, и ученого. Но для ученых звездное небо - не только предмет восторга и наслаждения, но и увлекательный, неисчерпаемый объект исследований.

В ясную погоду в безлунную ночь невооруженным глазом можно наблюдать на небосводе до трех тысяч звезд. Но это лишь небольшая часть космических объектов, из которых состоит Вселенная.

Вселенная - это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, доступная исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки, называется Метагалактикой. Иначе говоря, Метагалактика - охваченная астрономическими наблюдениями часть Вселенной. Она находится в пределах космологического горизонта.

Структура Вселенной - предмет изучения космологии, одной из важных отраслей естествознания, находящейся на стыке многих естественных наук: астрономии, физики, химии и др. Главные составляющие Вселенной - галактики - громадные звездные системы, содержащие десятки, сотни миллиардов звезд. Солнце вместе с планетной системой входят в нашу Галактику, наблюдаемую в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет Галактика содержит разреженный газ и космическую пыль.

Млечный Путь хорошо виден в безлунную ночь. Он кажется скоплением светящихся туманных масс, протянувшимся от одной стороны горизонта до другой, и состоит примерно из 150 млрд. звезд. По форме он напоминает сплюснутый шар. В центре его находится ядро, от которого отходит несколько спиральных звездных ветвей. Наша Галактика чрезвычайно велика: от одного ее края до другого световой луч путешествует около 100 тыс. земных лет. Большая часть ее звезд сосредоточена в гигантском диске толщиной около 1500 световых лет. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра Галактики расположено наше Солнце.

Основное «население» галактик - звезды. Мир звезд необыкновенно разнообразен. И хотя все звезды - раскаленные шары, подобные Солнцу, их физические характеристики различаются весьма существенно. Есть, например, звезды-гиганты и сверхгиганты. По своим размерам они значительно превосходят Солнце. Объем одной из звезд в созвездии Цефея больше объема Солнца в 34 млрд. раз. Если эту громадную звезду можно было поместить в центре нашей планетной системы, то не только Земля, но и орбиты более далеких планет - Марса, Юпитера и даже Сатурна - оказались бы внутри такого сверхгигантского шара.

Кроме звезд-гигантов существуют и звезды-карлики, значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Некоторые карлики меньше Земли и ее спутника Луны. Вещество их отличается чрезвычайно высокой плотностью. Так, если из вещества одного из наиболее плотных белых карликов удалось бы изготовить гирю, равную по размерам обычной килограммовой гире, то на Земле она весила бы 4 тыс. т.

Еще большей плотностью обладают нейтронные звезды. Диаметр такой звезды, состоящей главным образом из ядерных частиц-нейтронов, составляет всего около 20-30 км, а средняя плотность вещества достигает 100 млн. т/см3. По существу, нейтронная звезда - это громадное атомное ядро. Существование нейтронных звезд - белые и голубоватые теоретически предсказано еще в 30-х годах XX в. Однако обнаружить их удалось только в 1967 г. по необычному импульсному радиоизлучению. Нейтронные звезды, быстро вращаясь излучают импульсы радиоизлучения. Поэтому они называются пульсарами. Большинство пульсаров излучает в радиодиапазоне от метровых до сантиметровых волн, и их называют радиопульсарами. Пульсары в Крабовидной туманности и ряд других излучают, кроме того, в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах.

Звезды обладают различными поверхностными температурами - от нескольких тысяч до десятков тысяч градусов. Соответственно различен и цвет звезд. Сравнительно «холодные» звезды - с температурой 3-4 тыс. градусов - красного цвета. Наше Солнце, с поверхностью, «нагретой» до 6 тыс. градусов, имеет желтоватый цвет. Самые горячие звезды - с температурой выше 12 тыс. градусов.

Во Вселенной наблюдаются вспышки новых и сверхновых звезд. Такие звезды в некоторый момент времени в результате бурных физических процессов неожиданно увеличиваются в объеме, «раздуваются», сбрасывают свою газовую оболочку и в течение нескольких суток выделяют чудовищное количество энергии - в миллиарды раз больше, чем излучает Солнце. Затем, исчерпав свои ресурсы, они постепенно тускнеют, превращаясь в газовую туманность. Так, на месте сверхновой звезды образовалась, например, Крабовидная туманность. Она является мощным источником излучения, что свидетельствует о продолжении происходящих внутри нее интенсивных процессов.

Звезды нашей Галактики движутся вокруг ее центра по очень сложным орбитам. С огромной скоростью - около 250 км/с - движется в мировом пространстве и наше Солнце, увлекая за собой свои планеты. Солнечная система совершает один полный оборот вокруг галактического центра за время более 200 млн. лет.

Своеобразные звездные системы в виде небольших туманных пятен наблюдаются на небе Южного полушария. Они удалены от нас на расстояние около 150 тыс. световых лет. Впервые их подробно описал спутник и биограф Магеллана Пигафетт во время знаменитого кругосветного путешествия. Они вошли в историю астрономии под названием Магеллановых облаков - Большого и Малого. Радиоастрономические исследования последних десятилетий показали, что Магеллановы облака - это спутники нашей Галактики: они обращаются вместе с ней вокруг общего центра.

На расстоянии около 2 млн. световых лет от нас находится ближайшая к нам галактика - Туманность Андромеды, которая по своему строению напоминает Млечный Путь, но значительно превосходит его по своим размерам. Туманность Андромеды включает спутники - две эллиптические туманности, состоящие из огромного числа звезд.

По форме и строению различают эллиптические, спиральные, шаровые и неправильной формы галактики. Почти четверть всех известных галактик относится к эллиптическим. Плотность распределения звезд в них равномерно убывает в направлении от центра. Самые яркие в них звезды - красные гиганты. К спиральным галактикам относятся наша Галактика, Туманность Андромеды и многие другие. В созвездии Центавра наблюдается шаровая галактика, являющаяся источником радиоизлучения. Галактики неправильной формы не имеют центральных ядер; закономерность распределения звезд в них пока не установлена.

Наша Галактика, Туманность Андромеды вместе с другими соседними звездными системами образуют Местную систему галактик. Она объединяет более 20 галактик, расстояние до которых не превышает 1 Мпк. Звездные острова, галактики - типичные объекты Вселенной. К настоящему времени известно множество звездных образований, которые таят в себе еще немало загадок.

hello_html_3249a74d.jpg

4. Средства наблюдения объектов Вселенной. Все сведения о космических объектах приносят на Землю различные излучения - электромагнитные волны и потоки частиц. В XX в. родились радиоастрономия и нейтринная астрономия. Первым вестником объектов далеких миров был световой луч электромагнитные волны в видимой части спектра излучения. Это не случайно: световое излучение воспринимается непосредственно - невооруженным глазом.

Для наблюдения небесных тел пользуются специальными приборами - телескопами. Телескоп не увеличивает звезды и не приближает их, как это иногда ошибочно утверждают, а собирает свет с помощью объектива - двояковыпуклой линзы или вогнутого зеркала. Простейшая труба Галилея собирала в 144 раза больше света, чем невооруженный глаз. Сооруженный в 1974 г. в нашей стране на Северном Кавказе, вблизи станицы Зеленчукской, один из крупнейших в мире телескоп с диаметром зеркала 6 м собирает в миллион с лишним раз больше света. Это очень сложное уникальное техническое устройство. Состоит оно из 25 тыс. деталей. Труба телескопа длиной 24 м весит около 280 т. Телескоп оснащен разнообразной высокочувствительной аппаратурой и комплексом электронных вычислительных систем для наблюдений в соответствии с заданной программой и для обработки полученных результатов. В последнее время вступили в строй телескопы с диаметрами зеркал 8, 10и 11 м. Современные телескопы снабжены спектрографами для изучения спектра излучения, по которому определяют химический состав и температуру источника излучения.

Завершается строительство крупнейшей в мире системы оптических телескопов Европейской южной обсерватории на горе Сьерро-Параналь в чилийской пустыне Атакама. По суммарной площади зеркал эта система будет эквивалентна 17-метровому телескопу и по разрешающей способности примерно в десять раз превзойдет все современные телескопы.

Продолжается модернизация прославленной обсерватории Маунт Вилсон (штат Калифорния). На звездную вахту встанут шесть телескопов, каждый с зеркалом диаметром 1 м. Они будут расположены попарно по трем различным направлениям, Предполагается, что компьютерная обработка информации позволит получить разрешение, доступное телескопу с зеркалом диаметром 400 м (это даже трудно себе представить!).

С появлением высокочувствительной радиоаппаратуры расширился диапазон исследования космического излучения. Радионаблюдение Вселенной не зависит от времени суток и погодных условий. Источниками космического радиоизлучения являются многие объекты Вселенной, в которых протекают бурные физические процессы. Принципы действия радиотелескопа и оптического телескопа во многом совпадают. Однако функцию объектива, собирающего космическое излучение в радиотелескопе выполня­ют огромные антенны специальной формы. Один из крупнейших отечественных радиотелескопов (РАТАН) построен в 1977 г. в 40 км от 6-метрового оптического телескопа. Его кольцевая антенна диаметром 600 м состоит из 895 алюминиевых щитов-зеркал, каждый из которых может поворачиваться вокруг горизонтальной и вертикальной осей, что позволяет наводить радиотелескоп на разные участки звездного неба.

Еще один вестник Вселенной - инфракрасные луни. По длине волны они занимают промежуточное место между радиоволнами и видимым светом. Инфракрасные лучи обладают отличительным свойством: они проходят сквозь космическую пыль и межзвездный газ. Человеческий глаз не воспринимает инфракрасное излучение, нечувствительны к нему и обычные фотопластинки. Поэтому при фотографировании космических объектов в инфракрасном диапазоне применяют специальные фотоматериалы и электронно-оптические преобразователи.

Из глубин Вселенной поступают еще два вида сигналов: ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. Для этих видов коротковолнового излучения земная атмосфера является препятствием. Такое излучение стало доступным для изучения лишь при появлении ракетной и космической техники. С помощью приборов, установленных на борту космических аппаратов, удалось получить, например, ультрафиолетовый снимок Солнца, а рентгеновские телескопы позволили зарегистрировать излучение большого числа различных космических объектов и рентгеновское свечение всего неба - своеобразный рентгеновский фон.

К многообещающим источникам космической информации относится гамма-излучение. Энергия гамма-квантов значительно превосходит энергию фотонов видимого света. Для них Вселенная почти прозрачна. Они приходят к нам от весьма удаленных объектов и несут информацию о физических процессах в глубине Вселенной.

С развитием ядерной физики и физики элементарных частиц наметился еще один путь разгадки сокровенных тайн Вселенной. Он связан с регистрацией космических нейтрино и лежит в основе нейтринной астрономии. Отличительная особенность нейтрино - чрезвычайно высокая проникающая способность. Регистрируя нейтринный поток с помощью детекторов, можно получить информацию о термоядерных процессах, протекающих в звездах.

С появлением космической техники открылась новая возможность исследования Вселенной. Созданный уникальный телескоп-спутник «Хаббл» позволил получить не только четкие изображения планет Солнечной системы, но и новые сведения о происходящих там процессах. На снимках, сделанных в 1996 г. с расстояния примерно 100 млн. км, можно различить детали поверхности Марса размером не менее 25 км - такова разрешающая способность телескопа «Хаббл». Для сравнения: один из лучших наземных телескопов в мире, расположенный в обсерватории Маунт-Паломар (США), позволяет рассмотреть детали рельефа Марса размером 300-400 км. С помощью спутникового телескопа «Хаббл» удалось определить структуру колец Сатурна и обнаружить кольцевые системы Юпитера, Урана и Нетуна. С поверхности Земли такие системы не видны - мешает замутненность атмосферы нашей планеты.

В настоящее время создается новый, гораздо более чувствительный внеземной телескоп, который заменит «Хаббл» в 2006 г. Он сможет обнаружить в десятки раз более слабые объекты. Диаметр зеркала нового прибора - 8 м, а масса зеркала - всего 7 кг. Для сравнения: зеркало действующего телескопа «Хаббл» имеет диаметр 2,4 м и весит 826 кг. В новой конструкции зеркальную поверхность образует слой золота, нанесенный на силиконовую пленку.

Ежедневная картина восхода Солнца вряд ли вызывает удивление. А можно ли наблюдать восход Земли? Оказывается, можно. Такую возможность представляют космические аппараты. Долгое время Земля казалась человеку необъятной и безграничной. Понадобились сотни, даже тысячи лет, чтобы разглядеть собственными глазами Землю из космоса.

Таким образом, созданный во второй половине XX в. огромный арсенал средств астрономических наблюдений, наземных и космических, способствует дальнейшей разгадке тайн Вселенной.

5. Проблема поиска внеземных цивилизаций. К настоящему времени известен только один очаг жизни и разума - планета Земля. Однако нельзя однозначно утверждать, что среди многих миллиардов звезд условия зарождения живой материи и ее длительной эволюции могли возникнуть только в одной точке Вселенной - в нашей Галактике, вблизи Солнца. Проблема поиска жизни, особенно разумной, вне Земли в последние десятилетия приобретает естественно-научный характер. Вряд ли есть другая научная проблема, которая вызывала бы такой жгучий интерес и такие жаркие споры, как проблема связи с внеземными цивилизациями. Созываются научные конференции и симпозиумы, налаживается международное сотрудничество ученых, ведутся экспериментальные исследования. По меткому выражению писателя-фантаста Станислава Лема, проблема связи с внеземными цивилизациями подобна игрушечной матрешке - она содержит в себе проблематику многих отраслей естествознания.

Возможно, среди множества звезд Вселенной найдутся десятки, а может быть и сотни таких, которые окружены обитаемыми планетами. Можно предположить, что и перед другими цивилизациями, достигшими такого уровня развития, как наша, встал тот же вопрос - как установить связь с другими разумными обитателями Вселенной? Кто знает, быть может и сейчас в направлении нашего Солнца кто-то посылает сигналы, на которые пока человечество отвечает молчанием! На какой же длине волны возможна такая передача? Скорее всего, в диапазоне радиоволн.

Вероятно, неведомые нам разумные существа могут жить на другой планете, окруженной атмосферой. Значит, они могут посылать радиосигналы в космос только через узкое «радиоокно» своей атмосферы. Возможный диапазон радиоволн для «межзвездной» радиосвязи, по-видимому, ограничивается длинами от нескольких сантиметров до 30 м. Космические естественные источники излучения ведут постоянную интенсивную «радиопередачу» на волнах метрового диапазона. Чтобы она не создавала досадных помех, радиосвязь между обитаемыми мирами должна вестись на длинах волн не более 50 см. Более короткие радиоволны (в несколько сантиметров) не подходят, поскольку тепловое радио­излучение планет происходит именно на таких волнах, и оно будет «глушить» искусственную радиосвязь. Родилась идея: радиосвязь целесообразно вести на волнах, близких к 21 см, которые излучает межзвездный водород, играющий важную роль в развитии Вселенной. Водород - самый распространенный элемент в наблюдаемой нами части Вселенной, и его излучение на волне 21 см можно рассматривать как некий природный космический эталон.

С конца 1960 г. в Национальной радиоастрономической обсерватории США начались систематические «прослушивания» некоторых звезд с целью обнаружить искусственные радиосигналы. Для начала были выбраны две звезды, весьма похожие на Солнце. Это Тау из созвездия Кита и Эпсилон из созвездия Эридана. До каждой из них около одиннадцати световых лет. Прослушивание велось с помощью радиотелескопа с диаметром зеркала 26 м. Однако космос безмолвствовал. Впрочем, надеяться на быстрый успех было бы слишком наивно. Пройдут годы, а может быть многие десятилетия, прежде чем удастся принять искусственные радиопередачи из глубин Вселенной. Да и расшифровав полученные радиосигналы и послав в ответ свои, мы не можем ожидать быстрого, оперативного разговора. Наши вопросы и их ответы будут распространяться со скоростью света, а это значит, что от посылки до получения ответа пройдут десятилетия и даже столетия. К сожалению, разговор ускорить невозможно - в природе нет ничего быстрее электромагнитных волн.

В США обсуждается проект по созданию комплекса для приема внеземных радиосигналов, состоящего из тысячи синхронных радиотелескопов, установленных на расстоянии 5 км друг от друга. В сущности, такой комплекс подобен одному исполинскому параболическому радиотелескопу с площадью зеркала 20 км2. Проект предполагается реализовать в течение ближайших 10-20 лет. Стоимость намеченного сооружения поистине астрономическая - не менее 10 млрд. долл. Проектируемый комплекс радиотелескопов позволит принимать искусственные радиосигналы в радиусе 1000 световых лет. В таком огромном космическом пространстве содержится свыше миллиона солнцеподобных звезд, часть которых, возможно, окружена обитаемыми планетами. Чувствительность проектируемой системы чрезвычайно высока. Если бы вокруг ближайшей к нам звезды Альфа Центавра обращалась планета, подобная Земле (с таким же уровнем развития радиосвязи), то такая система смогла бы уловить посылаемые от Земли радиосигналы,

Жажда общения с внеземным разумом так сильна, что все технические и временные трудности кажутся преодолимыми. К тому же наши разумные собратья могут оказаться и по соседству с нами. Вселенная беспредельна в своем многообразии, среди бесчисленного множества звездных и планетных систем могут встретиться такие планеты, физические условия на которых создали предпосылки для зарождения и развития жизни. Но какой жизни? Такой, как у нас на Земле, или отличающейся от нее? И в состоянии ли мы сразу распознать живую материю, не родственную земной? Еще более сложен вопрос о внеземных разумных существах. Если они есть, то сможем ли мы их понять? Конечно, не исключена вероятность возникновения на других планетах неизвестных нам циви­лизаций. Мы знаем только живую материю, зародившуюся на нашей планете. Может быть, в безграничном пространстве Вселенной существует множество других совершенных и сложных форм движения и организации материи, о которых мы даже не подозреваем. Проблема внеземных цивилизаций представляет интерес не только с точки зрения их обнаружения, но и для более глубокого исследования закономерностей процессов развития материальных систем на нашей планете.


Тема 7: Солнечная система

1. Строение солнца

2. Происхождение Солнечной системы.

3. Характеристика планет Солнечной системы


1. Строение солнца. Солнце, расположенное близ галактической плоскости на расстоянии приблизительно 25 тыс. световых лет от центра Галактики, обращается вокруг него со скоростью около 250 км/сек, совершая полный оборот примерно за 200 млн. земных лет - «галактический год».

Солнце вращается вокруг своей оси (1 оборот за 25 земных суток) и вместе со всей системой обращается вокруг центра Галактики. Кроме того, Солнечная система движется по отношению к соседним звездам со скоростью 20 км/сек по направлению созвездий Лиры и Геркулеса (это доказывает, что взаимное расположение тел в Галактике не остается неизменным).

Солнце - типичная желтая звезда средней величины и светимости2, еще не старая в масштабах звездного времени. Оно представляет собой раскаленный газовый шар диаметром 1 391 000 км. В Солнце сосредоточено 99,86% массы всей Солнечной системы и только 2% количества момента движения. Средняя плотность Солнца 1,41 г/см3, во внутренних частях плотность достигает 100 г/см5, внешние же слои менее плотные, чем атмосфера у земной поверхности. Сила тяжести на поверхности Солнца в 28 раз больше, чем на Земле. Ею удерживается раскаленное солнечное вещество. Температура на поверхности Солнца 6000° (от абсолютного нуля), в центре его она доходит примерно до 20 млн. градусов.

На Солнце обнаружено 66 химических элементов, в их числе нет элементов, неизвестных па Земле. Господствуют водород (50%) и гелий (40%). Среди остальных элементов (10%) преобладают: кислород, углерод, азот, а также магний, кремний, железо, натрий, калий, кальций, алюминий. Образование химических соединений на Солнце возможно только там, где температура снижается до 4700° («темные пятна»). При 6000° вещество находится в атомарном состоянии и ионизируется. При температуре порядка 12-15 млн. градусов в результате термоядерных реакций происходит превращение водорода в гелий, сопровождающееся выделением огромного количества энергии. Термоядерные реакции непрерывно протекают в ядре Солнца. Возникающая при этом энергия передается посредством конвекции вещества внешнему слою - фотосфере (светящейся оболочке), имеющей мощность 200-300 км. Именно фотосфера испускает видимое излучение, от нее идут на Землю свет и тепло. Фотосфера находится в состоянии лучистого равновесия: она излучает тепла столько же, сколько получает его из внутренних частей Солнца.

Среди ярко светящейся фотосферы выступают менее яркие солнечные пятна. Пятна имеют различные размеры (иногда в несколько раз превосходящие площадь Земли) и располагаются по обе стороны солнечного экватора от 5 до 40°. Пятна кажутся темными, потому что температура фотосферы в области пятна приблизительно на 1000° ниже температуры окружающего его пространства. Причины и механизм образования солнечных пятен пока еще не выяснены. Пятно существует обычно несколько суток, реже - несколько месяцев. Еще до возникновения пятна на месте его появляется магнитное поле, напряженность которого в 3000 раз больше напряженности общего магнитного поля Солнца. Через некоторое время после исчезновения пятна магнитное поле исчезает. Очевидна связь появления пятен с солнечным магнетизмом. Предполагают, что появление сильного магнитного поля замедляет конвекцию, посредством которой энергия передается от ядра к фотосфере, и в результате возникают сравнительно холодные участки фотосферы - пятна. Там, где магнитное поле ослабевает, появляются активные области, имеющие более высокую (на несколько сотен градусов), чем остальная фотосфера, температуру. Эти активные области, представляющие собой светлые площадки с белыми волокнистыми облаками над ними, называются факелами. Факелы располагаются обычно вокруг пятен, а также и независимо от них. В общем они занимают на поверхности Солнца большую площадь по сравнению с пятнами. Пятна и факелы - образования временные. Среднее годовое число их отражает солнечную активность3 и периодически изменяется. Период изменений составляет в среднем 11 лет. Весьма возможно, что существует также 90-летняя периодичность солнечной активности.

Фотосфера переходит в лежащую выше хромосферу - нижний слой солнечной атмосферы, простирающийся вверх приблизительно на 15 тыс. км. Вся хромосфера состоит из вихрей (спикул) и не имеет ровной границы. С высотой температура в хромосфере повышается да 20 тыс. градусов, а плотность убывает. Над активными областями фотосферы хромосфера имеет наибольшую температуру; в этих местах в ней располагаются хромосферные факелы - флоккулы. В хромосфере наблюдаются сильные вспышки, напоминающие взрывы. По месту и времени хромосферные вспышки связаны с флоккулами, особенно с теми из них, внутри которых находятся пятна; поэтому эффект вспышек приписывался раньше солнечным пятнам. Хромосферные вспышки - источник интенсивного ультрафиолетового и рентгеновского излучения, радиоволн и корпускул - разнообразных частиц, выбрасываемых с различной' скоростью Солнцем. Сильная вспышка диаметром около 40 000 км за; время своего существования (около 30 мин.) излучает энергию, равную 10,32 ∙ 1033 эргов. Небольшие хромосферные вспышки появляются приблизительно каждые 30 минут, гигантские - несколько раз в год. Хромосферные вспышки - самые активные образования на Солнце. Их. появление связывают с магнитными силами.

Над хромосферой простирается солнечная корона, отдельные лучи1 которой тянутся на несколько десятков радиусов Солнца. Корона состоит из положительно заряженных ионов и свободных электронов, причем общий электрический заряд короны близок к нулю4. Свободные электроны рассеивают солнечный свет, благодаря чему образуется лучистое, отливающее серебром сияние солнечной короны. Температура короны, около 1 млн. градусов, над активными областями до 3-4 млн. градусов. В короне движутся протуберанцы - сравнительно плотные облака с температурой не выше 12 тыс. градусов. Они возникают по всей' поверхности, и в их появлении и изменениях заметна та же цикличность, что для пятен и факелов, - 11 лет.

Солнечная корона чрезвычайно разрежена. Нижние слои ее имеют плотность в сотни миллиардов раз меньшую, чем плотность земной атмосферы на уровне Океана. Верхние слои короны еще менее плотные (от 100 до 1000 атомов водорода на 1 см3). Часть протонов во внешней короне, имеющих наибольшие скорости, отлетают от нее, образуя так называемый солнечный ветер. В спокойном состоянии солнечный ветер1 представляет собой поток заряженных частиц (от 5 до 50 в I еж3), движущихся со скоростью от 30 до 160 км/сек. Во время солнечных вспышек скорость солнечного ветра увеличивается до 1600 км/сек.

Характеристика планет Солнечной системы

hello_html_m31376b50.jpg

В результате процессов, совершающихся на Солнце, в мировое пространство направляется рентгеновское, световое, ультрафиолетовое, радиоволновое излучение, выбрасываются потоки электрически заряженных частиц положительной и отрицательной полярности и сверхвысоких, энергий (корпускулы). Потоки солнечных частиц сечением в сотни тысяч квадратных километров, приобретающие исключительную мощность. в эпохи максимумов активности Солнца, примерно через сутки достигают верхних слоев земной атмосферы. На Земле возникают магнитные и ионосферные бури, усиливаются полярные сияния, нарушается радиосвязь. Не весь спектр солнечного излучения достигает нижних слоев земной атмосферы. Поступающая в географическую оболочку солнечная радиация принимает участие во всех происходящих в ней процессах, обеспечивает возможность жизни на Земле. Отчетливо проявляется тесная связь географических явлений с цикличностью деятельности Солнца.

Энергия, излучаемая Солнцем в пространство, колоссальна: за одну секунду она составляет 3,8 - 1033 эргов, что равнозначно расходу массы ti 4 млн. т. Расчеты показывают, что при таком расходе энергии Солнце в течение 30 млрд. лет может излучать такие же количества тепла и света, как и в настоящее время. Уменьшение интенсивности солнечного излучения неизбежно должно сопровождаться понижением температуры на Земле. При падении температуры значительно ниже нуля и связанном с этим переходе всей воды в твердое состояние жизнь на Земле стала бы невозможна. Увеличение интенсивности солнечного излучения в 4 раза заставило бы Мировой океан закипеть.

Земля получает всего 1/2200000 долю солнечного излучения. Энергия Солнца - основной (почти единственный) источник энергии, поступающей на земную поверхность. Умеренное количество солнечной энергии создает наиболее благоприятные условия для жизни на Земле.

2. Происхождение Солнечной системы. Изучение химического состава тел Солнечной системы, выяснение ряда ее закономерностей, а также результатов наблюдений за другими космическими телами позволили ученым создать ряд гипотез происхождения Солнечной системы. Однако гипотезы, не имеющей серьезных недостатков, пока еще нет. Можно считать установленным, что Солнце и планеты образовались одновременно (или почти одновременно) из единой материальной среды, из единого газово-пылевого облака.

По мнению академика В. Г. Фесенкова, процесс образования Солнечной системы (как и других подобных систем) связан со вспышкой Сверхновой звезды5 в соответствующем районе Галактики. Вспышка Сверхновой - это катастрофический взрыв, сопровождающийся температурой в миллиарды градусов и колоссальным давлением. В нашей Галактике возникновение Сверхновой происходит приблизительно раз в 300 лет. Ударные волны, возникающие при вспышке, вызывают сжатие газово-пылевои среды, окружающей Сверхновую. Эта среда уплотняется до возникновения звезд, образующих неустойчивые цепочки. Со временем звезды, составляющие цепочку, теряют связь друг с другом, «разбегаются» и проходят сходные, но независимые пути развития. Около звезд из окружающей их газово-пылевои среды формируются планеты и их спутники. Процесс образования планет Солнечной системы из холодного газово-пылевого облака, окружающего Солнце, объясняет гипотеза академика О. Ю. Шмидта, принимаемая в этой ее части большинством ученых6.

На первом этапе во вращающемся газово-пылевом облаке шел процесс образования относительно крупных тел, промежуточных между пылевыми частицами и планетами. Обладая значительно меньшими скоростями, чем легкие газовые молекулы, пылинки собирались в центральной плоскости вращающегося облака. Постепенно расстояние между пылинками уменьшалось, взаимное притяжение увеличивалось, образовывались сгущения пылевых частиц, двигающиеся вокруг Солнца в направлении движения облака. Со временем пылевые сгущения превратились в сравнительно крупные тела - малые планеты - астероиды. Более крупные тела притягивали мелкие, их размеры увеличивались, и они становились большими планетами. При этом под действием силы тяжести в них происходило перераспределение вещества, его дифференциация.

Протопланетное облако, состоявшее из большого количества пыли, было малопрозрачно. Поэтому часть облака, находившаяся ближе к Солнцу, сильно нагревалась, в то время как удаленные от Солнца части его имели очень низкую температуру. Вследствие испарения газов близ Солнца могли существовать только частицы из тугоплавких кремнистых и металлических соединений, и здесь образовались планеты внутренней (земной) группы. Вдали от Солнца, в условиях низкой температуры газы намораживались на холодные пылевые частицы, что увеличивало их объем. В этой части облака формировались планеты-гиганты. Первоначально холодные, планеты разогревались под воздействием энергии радиоактивного распада некоторых веществ. Увеличение их размеров, шло сначала сравнительно быстро за счет присоединения захваченного в облаке вещества. Позднее планеты продолжали «расти», но медленно, за счет прямого выпадения вещества на их поверхность. Выпадение вещества из Космоса на Землю происходит и в настоящее время. Земля при своем движении вокруг Солнца захватывает встречающиеся на пути частицы, и они, оседая на Землю, увеличивают ее массу. Фактические данные об интенсивности этого процесса были получены при непосредственном исследовании межпланетного пространства с помощью искусственных спутников Земли и космических ракет. Кроме того, производился сбор метеорной и космической пыли в атмосфере Земли, на снежном, покрове высоких гор и ледников Антарктиды и Гренландии. Оказалось, что «прирост» Земли за счет выпадения вещества из Космоса может оцениваться в среднем в 10 млн. т, или 1013 г, в год. По сравнению с массой Земли (5,8- 1027 г) эта величина очень мала, но по сравнению с массой земной коры (2-1025 г) ее значение возрастает. За время существования Земли (не менее 4 млрд. лет) даже при современных темпах выпадения вещества суммарный прирост его должен составлять 7боо долю массы земной коры. В действительности эта доля, несомненно, больше, так как темпы выпадения вещества на Землю из Космоса в прошлом были выше.

3. Характеристика планет Солнечной системы. Пространство в Солнечной системе, благоприятное по количеству солнечного тепла для развития на планетах живых форм, основанных на углеродных соединениях, называется экосферой Солнца. В экосфере температура на планетах может быть не выше - 80° и не ниже -70°. Экосфера простирается примерно в пределах от 92 млн. до 275 млн. км от Солнца. За этими пределами планеты получают или слишком много или слишком мало солнечного тепла для того, чтобы на них могли возникнуть и развиваться известные нам формы жизни7. Пределы экосферы непостоянны: она расширяется или сокращается в зависимости от активности Солнца.

В экосферу Солнца в современных ее пределах входят только три из девяти больших планет Солнечной системы: Венера, Земля и Марс. Венера расположена близ внутренней границы экосферы. Марс - недалеко от внешней ее границы. В наиболее благоприятных условиях находится Земля, и именно на Земле существуют высокоразвитые формы жизни1. Несомненно, кроме положения планеты в экосфере, для развития жизни имеют значение ее размеры, состав атмосферы, внутреннее тепло.

Условия, аналогичные земным, существуют, по-видимому, на планетах других звездных систем, а следовательно, там возможна высокоразвитая жизнь. Совсем не исключено существование незнакомых нам форм жизни и в условиях, совершенно отличных от земных. На больших планетах, находящихся вне экосферы, недостаток солнечного тепла может компенсироваться внутренним теплом. А если предположить, что жизнь возможна без воды, при других, заменяющих ее соединениях, с более низкой температурой замерзания, низкие температуры могут не быть препятствием для развития жизни.

Органические соединения, обнаруживаемые в метеоритах (высокомолекулярные углеводороды, подобные земным углеводородам озокерита, органические соединения, содержащие кислород), позволяют предполагать существование жизни на других планетах Солнечной системы,, хотя разумная жизнь в пределах Солнечной системы существует только на Земле.

В Солнечную систему входят девять больших планет со спутниками, десятки тысяч малых планет (астероидов), кометы, метеорное вещество и единственная звезда - Солнце, около которой обращаются вес тела системы.

Планеты, обращающиеся вокруг Солнца, - непрозрачные, шарообразные тела, светящиеся отраженным светом. Большие планеты Солнечной системы подразделяются на две группы - внутреннюю, или земную (Меркурий, Венера, Земля, Марс), и внешнюю, или юпитерову (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Планета Плутон еще почти не исследована (рис. Солнечная система).

Планеты внутренней группы обладают меньшей массой, меньшими размерами, большей плотностью и вращаются вокруг Солнца медленнее, чем планеты внешней группы. Внутреннее строение и химический состав планет двух групп различен. Ближайшая к Солнцу планета внутренней группы - Меркурий. Расстояние Меркурия от Солнца изменяется при движении планеты по эллиптической орбите от 46 млн. до 77 млн. км. Так как периоды вращения Меркурия вокруг оси и обращения его вокруг Солнца совпадают, Солнце освещает всегда одну сторону планеты8. На освещенной стороне температура поверхности достигает + 400°С, в то время как теневая сторона очень холодна. Признаков атмосферы на Меркурии не обнаружено. Отсутствие ее можно объяснить незначительным притяжением (в 4 раза меньшим, чем на Земле) и тем,, что газы, выделяющиеся из недр планеты, «сдуваются» потоками частиц, выбрасываемых Солнцем (солнечным ветром).

Венера расположена в среднем на расстоянии 108 млн. км от Солнца. К Земле она подходит ближе чем на 40 млн. км. Эта планета постоянно окутана непроницаемым слоем облаков, хорошо отражающих солнечные лучи, и поэтому светится очень ярко на ночном небе. Плотные облака затрудняют исследование поверхности Венеры. Атмосфера планеты выше облачного слоя содержит приблизительно в 4 раза больше водяных паров, чем атмосфера Земли на высоте 14,5 км. Возможно, облака состоят из капелек воды. Кислорода, по крайней мере, в тысячу раз меньше, чем в земной атмосфере, много углекислого газа, можно предполагать присутствие азота. Полярные сияния, наблюдавшиеся в атмосфере Венеры, свидетельствуют о наличии магнитного поля, примерно в 5 раз более сильного, чем земное. Температура на поверхности Венеры на теневой стороне экватора равна +360°С9.

hello_html_3b88b97b.jpg

Солнечная система

Вопрос о положении оси вращения планеты в пространстве и о скорости ее вращения нельзя считать решенным. Предполагают, что Венера вращается очень медленно.

Расстояние от Марса до Солнца изменяется в пределах от 200 до 250 млн. км. Период обращения планеты вокруг Солнца почти вдвое больше, чем период обращения Земли, - 1 год 11 мес. Период вращения около оси - 24 часа 37 мин.

Между Марсом и Землей много общего. На Марсе существуют тепловые пояса, изменяются времена года, но марсианский' климат значительно суровее земного. Средняя температура Марса всего - 30° (Земля +10°). В экваториальном поясе температура поверхности достигает днем +20°, ночью падает до - 40° и ниже. У полюсов летом* при незаходящем Солнце температура +10°, зимой - 60°.

Атмосфера Марса простирается вверх над его поверхностью не более чем на 12 км. Она очень разреженна, плотность ее составляет всего 1-2% от плотности земной атмосферы. Марсианская атмосфера содержит 72% азота, 16% углекислого газа, 8% аргона10, кислорода в ней не обнаружено11.

Водяного пара в атмосфере Марса так мало, что если превратить, его в воду, то она покроет планету слоем всего 0,001 мм. Изредка наблюдаются небольшие белые облачка. Белые пятна у полюсов планеты, сокращающиеся летом, считают тонким (в несколько сантиметров) слоем изморози, над которым расположены облачные образования. В атмосфере Марса много оранжевой пыли, поднимаемой ветрами с поверхности.

Поверхность Марса ровная. На ней выделяются «материки» и «моря». Марсианские «материки» - обширные пустыни, покрытые рыхлыми отложениями. Относительно марсианских «морей» существуют разные мнения. Астроботаники допускают, что это низменные пространства, покрытые особой марсианской растительностью, но возможно, что это места выхода па поверхность коренных пород. Основная загадка «морей» - изменение цвета в зависимости от времени года. Так называемые «каналы» на Марсе - прямые узкие линии, вероятнее всего, представляют собой цепочки темных пятен, сливающихся при их рассмотрении с Земли в полосы.

У Марса два небольших спутника (диаметры их всего несколько-километров): Фобос и Деймос, движущихся почти точно в плоскости марсианского экватора в том же направлении, в каком вращается сам Марс. Период обращения Фобоса - 7 час. 39 мин., Деймоса - 30 час. 18 мин. - это пока единственный известный случай, когда спутник обращается быстрее, чем вращается сама планета12.

Между Землей и Космосом происходит беспрерывный обмен веществом в масштабах, которые при учете состояния и развития нашей планеты заставляют принимать его во внимание. Из земной атмосферы все время уходят в космическое пространство атомы и молекулы газов, скорость движения которых позволяет им вырваться из сферы земного притяжения. Еще большее количество вещества выбрасывается в межпланетное пространство при извержениях вулканов, при взрывах, сопровождающих столкновение Земли с гигантскими метеоритами. На вопрос с том, что преобладает в обмене веществом между Землей и Космосом - его приход или расход, ответить пока нельзя. Однако учитывать, что этот обмен постоянно происходит, необходимо.

Луна. Подобно тому, как Земля обращается вокруг Солнца, вокруг Земли движется Луна - естественный спутник нашей планеты. Луна меньше Земли, ее диаметр составляет около одной четверти земного диаметра, а масса в 81 раз меньше массы Земли. Поэтому сила тяготения на Луне примерно в 6 раз меньше, чем на нашей планете. Слабая сила притяжения не позволила Луне удержать атмосферу и сохранить на ее поверхности воду.

Луна покрыта рыхлым слоем реголита, состоящего из фракций магматических пород. Минералогический состав лунных пород близок к земным породам - базальтам. Лунные породы отлича­ются от земных по содержанию оксидов железа и титана. Рельеф Луны образуют горные хребты, кольцевые горы-кратеры и равнинные области, называемые морями, на которых наблюдаются отдельные мелкие кратеры. По-видимому, кратеры образовались в местах падения гигантских метеоритов.

В 1959 г. поверхности Луны впервые достигла советская автоматическая станция «Луна-2». С того времени начался новый этап исследования Луны, Получена интересная информация о составе и структуре лунных пород. По предварительным оценкам, возраст лунных пород – 2,6-4 млрд. лет. Температура лунной поверхности – 100-400 К. Луна находится на среднем расстоянии от Земли 384 400 км. Преодолев такое огромное расстояние, 21 июля 1969 г. американский астронавт Н. Армстронг впервые ступил на поверхность Луны - сбылась давняя сказочная мечта человечества.

Планеты внешней группы весьма различны. Две из них - Юпитер и Сатурн - планеты-гиганты. Юпитер - самая большая планета Солнечной системы, превосходящая Землю по объему в 1300 раз. Масса же Юпитера только в 317 раз больше массы Земли. Средняя плотность составляет всего 1,9 плотности воды. Юпитер вращается очень быстро, причем скорость вращения несколько уменьшается от экватора к полюсам (на экваторе период вращения 9 час. 50 мин., на 45° широты - 9 час. 55 мин.). Быстрое вращение объясняет значительное сжатие планеты (1/16). При малом наклоне оси вращения к плоскости орбиты заметной смены времен года на Юпитере быть не может. Планета удерживает мощную атмосферу, в которой преобладает водород, содержатся гелий, метан, аммиак и нет кислорода, углерода, водяных паров. Температура атмосферы в среднем - 140° С. Поверхность планеты скрыта различно окрашенными (от красного до голубовато-белого цвета) облаками, образующими длинные ряды, поэтому при наблюдении с Земли Юпитер кажется полосатым. Из 12 спутников, обращающихся вокруг Юпитера, 4 больших (1-й и 3-й больше Меркурия) и 8 маленьких.

Сатурн со многом сходен с Юпитером. Объем планеты в 800 раз больше объема Земли. Она состоит из веществ, имеющих среднюю плотность 0,7 по отношению к воде. Сжатие планеты составляет около 1/10. В атмосфере Сатурна, как и в атмосфере Юпитера, преобладает водород. Вследствие еще большей удаленности от Солнца температура на Сатурне ниже, чем на Юпитере (-150°).

Особенность этой планеты - тонкое (10-15 км) кольцо, лежащее в плоскости экватора и представляющее собой, вероятно, скопление мелких обломков (от нескольких сантиметров до нескольких метров в поперечнике), обращающихся самостоятельно вокруг Сатурна. Кольцо могло образоваться при разрушении спутника. У Сатурна 9 спутников. Самый большой - Титан по величине равен Меркурию.

Планеты Уран и Нептун очень сходны между собой: обе имеют значительное сжатие, обе окружены атмосферой, содержащей водород, метан, аммиак, на обеих температура около - 200° С. У Урана известно 5 спутников, у Нептуна - 2. Спутники этих планет движутся в обратном направлении по сравнению с большинством спутников других планет. Некоторые ученые считают, что по размерам, массе, химическому составу эти планеты следует выделить в особую, третью группу планет Солнечной системы.

Плутон - планета, открытая только в 1930 г. и еще очень мало изученная. Она значительно меньше планет внешней группы, но отличается от них не только размерами. Предполагают, что Плутон захвачен Солнцем в его систему, что он мог быть в прошлом спутником Нептуна и, наконец, что он представляет собой малую планету - большой астероид из предполагаемого астероидного кольца, расположенного за Нептуном.

Астероиды (малые планеты) отличаются от больших планет размерами и неправильной, угловатой формой. Самый крупный из астероидов - Цевера имеет поперечник 768 км. Большинство астероидов - карлики, их поперечники измеряются всего только сотнями, десятками метров и даже метрами. Астероиды обращаются вокруг Солнца подобно большим планетам, но, как правило, по очень сильно вытянутым орбитам, расположенным в основном в пространстве между орбитами Марса и Юпитера. По форме, по наклону к плоскости солнечной орбиты орбиты астероидов очень различаются. Астероиды могут пересекать пути движения больших планет, что делает возможным их столкновение с планетами. Можно предполагать, что астероиды - осколки большой планеты. Это предположение хорошо согласуется с неправильной многогранной формой астероидов, с расположением их основной массы, образующей так называемое астероидное кольцо, в промежутке между Марсом и Юпитером. Именно здесь, по теоретическим расчетам, должна была находиться большая планета (ее называют Фаэтоном), взорвавшаяся, возможно, сотни миллионов лет назад. Образование астероидов объясняют также процессом сгущения пылевой среды в результате взаимного притяжения составивших ее частиц. Обе причины образования астероидов вполне вероятны.

Кометы - тела Солнечной системы с еще меньшей массой, чем астероиды. Масса наибольшей из них, по крайней мере, в миллиард раз меньше массы Земли. Орбиты движения комет вокруг Солнца имеют форму весьма вытянутых эллипсов и даже парабол. В комете выделяется твердое ядро, разреженное его газовое окружение - голова - и состоящий из газов и пыли хвост (комета может иметь не один хвост).

Ядро комет представляет собой глыбу очень рыхлых льдов (углеродистых и обычных) с включениями металлических частиц. Такие ледяные глыбы, попавшие в сферу притяжения Солнца, движутся в мировом пространстве по различным эллиптическим орбитам, представляя собой «потенциальные» кометы, не имеющие ни головы, ни хвоста. Настоящими кометами они становятся только тогда, когда в результате притяжения больших планет меняют орбиту и приближаются к Солнцу, Под действием солнечного тепла и бомбардировки потоками корпускул происходит быстрое разложение и испарение «кометных льдов» и распыление твердых частиц ядра. Ядро окутывается оболочкой, превращающейся в голову кометы. Выделяющиеся из ядра газы и пыль образуют хвост, протягивающийся в сторону, противоположную Солнцу, на миллиарды километров. Каждый раз, когда комета проходит близ Солнца, ее ядро теряет газы и пыль. Процесс разрушения кометы может ускорить встреча с крупным метеоритом. Распавшиеся кометы образуют метеорные потоки, продолжающие движение по орбите кометы.

В межпланетном пространстве в изобилии присутствует метеорное вещество - материальные образования различных размеров: осколки, глыбы, масса которых обычно измеряется граммами. Попадая в атмосферу Земли, метеорные тела нагреваются, плавятся и быстро испаряются. Более крупные из них проносятся по небу в виде огненных шаров (болидов). Иногда крупное метеорное тело достигает земной поверхности, тогда его называют метеоритом. Химический состав и плотность метеоритов различны. Существуют метеориты железные (сидериты) и каменные (с преобладанием в них кремния и кислорода). Химических элементов, неизвестных на Земле, в метеоритах не обнаружено. Обычно вес метеорита не превосходит нескольких килограммов, но бывают случаи падения и более крупных метеоритов. Самый крупный метеорит из обнаруженных (метеорит Гоба в Африке) весит 60 т. Массу Тунгусского метеорита оценивают в 2000 т. Ежегодно на Землю выпадает около двух тысяч метеоритов.

Солнечная система окутана пылевым облаком, состоящим из мельчайших твердых частиц. Плотность пыли изменяется обратно пропорционально расстоянию, на котором она находится от Солнца. Пыль концентрируется в плоскости, близкой к плоскости движения планет. Наибольшее сгущение ее наблюдается между орбитами Марса и Юпитера, т. е. там, где сосредоточены астероиды. Это привело к мысли о том, что пыль образуется за счет распада астероидов. Ее источником может быть также непрерывно происходящий в Солнечной системе процесс распада комет. Возможны и другие причины образования пыли. Пыль в межпланетном пространстве испытывает действие силы притяжения Солнца и отталкивающей силы его лучей.

Межпланетное пространство насыщено заряженными частицами, движущимися с тепловыми скоростями, - межпланетным газом.


Тема 8: Земля - планета

1. Общая характеристика земной поверхности.

2. Форма и размеры Земли.

3. Движения Земли.

4. Обращение Земли вокруг Солнца.

5. Пояса освещенности астрономические тепловые пояса.

6. Строение Земли.

7. Тепло Земли.

8. Земной магнетизм.


1. Общая характеристика земной поверхности. На земной поверхности преобладает вода. Из 510 млн. км2 площади поверхности Земли Мировой океан занимает 361 млн.км2, т.е. 70,8%. На долю суши приходится только 149 млн. км2, т.е. 29,2%. Таким образом, площадь водной поверхности относится к площади суши, как 2,43:1. Это соотношение соответствует соотношению удельных весов водных и материковых масс: вес материков приблизительно равен весу океанских вод.

В распределении воды и суши на Земле можно отметить ряд особенностей. В северном полушарии суша занимает значительно большую площадь (39%), чем в южном (19%). Больше всего суши (почти сплошное ее кольцо) в умеренных широтах северного полушария; меньше всего - в умеренных широтах южного полушария (сплошное водное кольцо). К северу и к югу от 60° С.Ш. площадь, занимаемая сушей, уменьшается, к северу и к югу от 60° Ю.Ш. - увеличивается. Северная полярная область занята водой, южная полярная область - сушей. Если провести границу, внутри которой на севере полностью разместится Северный Ледовитый океан, а на юге - Антарктида, окажется, что она пройдет приблизительно по параллели 71° северной и южной широты.

Пользуясь глобусом, легко убедиться в том, что материкам, как правило, противолежит Океан. Только южная часть Южной Америки имеет антиподом сушу. Все материки, кроме Антарктиды, сужаются к югу, почти у всех на западе - большие заливы, вдающиеся в сушу, на востоке - выступы в сторону Океана. С севера (от широт с наибольшим распространением суши – 60-70°) на юг материки простираются в трех направлениях (тремя лучами). Южные материки являются как бы продолжением северных материков, всегда отделенных от них глубокими средиземными морями. Легко заметить некоторое смещение южных материков по сравнению с северными к востоку.

Существующие особенности распределения воды и суши на земной поверхности нельзя считать случайными. Они объясняются совместным воздействием на формирование материков и океанов ряда внутренних и внешних причин, сложно переплетающихся на протяжении 4-5-миллиардного периода существования Земли. Несомненно, имеют значение тяготение и переменное осевое вращение Земли. Вопрос о причинах существующего распределения воды и суши на земной поверхности, о форме материков и об их взаимном расположении относится к интереснейшим вопросам, на которые наука о Земле пока еще не дала бесспорного ответа.

Океан един, из любой его точки можно попасть в любую другую точку, не пересекая сушу. Единый Океан, называемый Мировым океаном, условно делят на части - океаны. В настоящее время выделяются четыре океана:






Океаны

Площадь с морями (млн. кв. км)

Максимальная глубина (м)

Средняя глубина (м)

Тихий

Атлантический

Индийский

Северный Ледовитый

179,67

93,36

74,91

13,10

11022

9128

7450

5449

4028

3332

3897

Первое научное деление Мирового океана предложил голландский географ Б. Варениус в 1650 г. Он выделил 5 океанов: Тихий, Атлантический, Индийский, Северный Ледовитый и Южный Ледовитый. Границы Ледовитых океанов проводились по полярным кругам. Такое деление Океана сохранялось до XX в. Когда стало известно, что внутри южного полярного круга расположена Антарктида, Южный Ледовитый океан перестали выделять. Целесообразность выделения Северного Ледовитого океана при очень малых размерах его (сравнительно с другими океанами) также вызывала сомнения. В 1912 г. вопрос этот обсуждался на Международном географическом конгрессе, но единого мнения не было. В некоторых странах, в том числе и в РФ, по инициативе известного океанографа Ю.М. Шокальского Северный Ледовитый океан стали называть Полярным морем, относя его к Атлантическому океану. Однако в 1935 г. решением Совнаркома, принятым по докладу О. Ю. Шмидта, Северный Ледовитый океан, как совершенно особая часть Мирового океана, был «восстановлен» и снова появился на изданных в Советском Союзе картах.

Современные исследования антарктических вод привели многих ученых к выводу о большом своеобразии южной части Мирового океана. Появилось мнение о необходимости выделения Южного Ледовитого океана, .но совершенно в других границах, чем его выделяли раньше. Одни ученые предлагают принять за северную границу Южного Ледовитого океана хорошо выраженную зону, в которой встречаются воды полярных и умеренных широт, - зону так называемой антарктической конвергенции, проходящую примерно между 50 и 60° Ю.Ш. Другие считают, что граница проходит севернее - в зоне субтропической конвергенции, т.е. там, где встречаются воды умеренных и тропических, широт. Площадь нового Южного Ледовитого океана в зависимости от принятых границ может составить от 35,7 млн. до 75 млн. км2. Вопрос о выделении Южного Ледовитого океана ,не решен, поэтому общепринятым остается пока приведенное выше деление Мирового океана на четыре части.

Границы океанов «е вызывают сомнений только там, где они совпадают с берегами материков. Там же, где границы проходят по водной поверхности, они всегда условны. Особенно трудно установить границы между Атлантическим, Индийским и Тихим океанами в южной их части (в пределах предполагаемого Южного Ледовитого океана). Условно их проводят по меридианам мысов Игольного (Африка), Южного (о. Тасмания) и Горн (Южная Америка, о. Горн) к Антарктиде. Можно провести границы с учетом рельефа дна, но и о;ни не могут считаться бесспорными. Граница Индийского и Тихого океанов на отрезке между Азией и Австралией проходит от п-ова Малакка по внешней стороне дуги Больших и Малых Зондских о-вов к Новой Гвинее и через Торресов пролив к Австралии.

Северный Ледовитый океан граничит с Тихим по линии мыс Дежнева (Азия) - мыс Принца Уэльского (Северная Америка). Граница Северного Ледовитого океана с Атлантическим более сложная, она проходит от п-ова Лабрадор к Баффиновой Земле (Гудзонов пролив и Гудзонов залив относятся к Северному Ледовитому океану), а затем идет на восток через пролив Девиса к Гренландии, от Гренландии к Исландии, далее к Фарерским о-вам и к мысу Стад на Скандинавском п-ове. Суша разделена Океаном на шесть отдельных крупных частей - материков (континентов): Евразия, Африка, Северная Америка, Южная Америка, Австралия, Антарктида и множество мелких частей - островов. Кроме понятия «материк», существует понятие «часть света».

Часть света - это материк или часть материка (например, Европа) с прилегающими к нему островами. Понятие «часть света» - культурно-историческое, оно возникло в связи с открытиями европейцами неизвестных им раньше земель. Новооткрытые земли называли «Новым Светом» в отличие от ранее известного «Старого Света». Оба материка Америки составляют одну часть света, Евразия же делится на две части: Европу и Азию. Всего частей света шесть: Европа, Азия, Африка, Америка, Австралия, Антарктида.

Если исторически деление Евразии на две части света может быть обосновано, то в природе провести границу между ними можно только условно. Поэтому не удивительно, что различные ученые проводят ее по-разному. Наиболее приемлемой можно считать границу, проводимую по подошве восточного склона Уральского хребта, по реке Уралу, по северному берегу Каспия и по Кумо-Манычской впадине к Черному морю. При таком делении весь Кавказ относится к Азии.

По размерам и по характеру поверхности материки весьма различны. Материк Евразия не только значительно превосходит по площади каждый из пяти остальных материков, но и отличается наиболее сложным характером поверхности. Здесь расположены высочайшие горы Земли и глубочайшие на поверхности суши депрессии. Каждый материк имеет свои особенности, отличающие его от других материков: двух одинаковых материков нет. Но вместе с тем существуют черты сходства в характере поверхности материков. Для каждого из материков и для суши в целом характерно преобладание высот менее 1000 м и сравнительно незначительное распространение высоких гор. Горы образуют пояса, простирающиеся в направлениях, близких к на­правлению меридианов и параллелей. Наибольшей высоты достигают вершины хребтов, расположенных около 30-40° северной и южной широты (табл. Высочайшие вершины в разных широтных поясах).

Таблица

Высочайшие вершины в разных широтных поясах

Северное полушарие

Южное полушарие

Назнание вершин

Высота (м)

Название вершин

Высота (м)

70-60° с. ш. - Логан

60-50° » - Броун

50-40° » - Хан-Тенгри

40-30° » - Чогори

30-20° » - Джомолунгма

20-10° » - Орисаба

10-0° > - Каябе

6050

4880

6995

8611

8882

5700

5840

80-70°ю.ш. в горах Королевы Мод

70-60° » - Стивенсона

60-50° » - Дарвина

50-40° » - Кука

40-30° » - Аконкагуа

30-20° » - Охос-дель-Саладо

20-10° » - Сахама

10-0° » - Чимборасо

4300

2981

2489

3764

6960

6900

6780

6272


Наглядное представление о соотношении площадей, занимаемых на Земле различными высотами и глубинами, дает гипсографическая кривая13. Гипсографическая кривая строится «а основании данных, полученных в результате измерений площадей наиболее характерных высот и глубин на картах изогипс (линий одинаковых высот) и изобат (ли­ний одинаковых глубин).

При построении гипсографической кривой высоты и глубины (в м) откладываются по оси ординат, а занимаемые ими площади (в млн. кв. км или в % от всей площади земной поверхности) - по оси абсцисс. На гипсографической кривой видно преобладание на суше высот менее 1000 м, а в Океане - глубин от 3000 до 6000 м. Высокие горы и глубоководные желоба занимают очень мало места на Земле. Пользуясь гипсографической кривой, можно определить среднюю высоту суши, среднюю глубину Океана, положение среднего уровня твердой земной поверхности и среднего уровня физической поверхности Земли.

Средняя высота суши составляет 875 м. Средняя глубина Мирового океана - 3790 м.

Средний уровень твердой земной поверхности - уровень выровненной поверхности земной коры без океанов - располагается на 2430 м ниже современного уровня Океана. Если выше уровня твердой земной поверхности сплошным ровным слоем разместить массу вод Мирового океана, уровень Океана окажется на 250 м выше современного его уровня. Это средний уровень физической поверхности Земли, которая во всех точках будет перпендикулярна направлению силы тяжести.

Гипсографическую кривую можно рассматривать как обобщенный идеальный профиль твердой земной поверхности, в котором отчетливо выделяются две ступени: материковая и океанская. Первая образована более легкими (гранитными) массами, вторая - более тяжелыми (базальтовыми). Две ступени гипсографической кривой отражают характерные черты строения земной поверхности.

Заметные изменения наклона кривой позволяют разделить ее на несколько отрезков, соответствующих характерным ступеням высот и глубин: горам, возвышенностям, низменностям, материковой отмели (шельфу), материковому склону, ложу (дну) Океана и глубоководным желобам. Материковый склон ограничивает со стороны Океана подводное основание материка (материковый цоколь), простирающееся до глубины 2430 м (до уровня выровненной твердой земной поверхности).

Гипсографические кривые отдельных материков и отдельных океанов имеют те же характерные особенности, что и гипсографическая кривая для всей поверхности Земли.

Размещение воды и суши на земной поверхности, а также характер поверхности материков относятся к важнейшим факторам, определяющим структуру географической оболочки. Если шарообразная форма и вращение Земли при ее определенном положении по отношению к Солнцу определяют зональное (изменяющееся по широтным поясам от экватора к полюсам) распределение солнечного тепла по земной поверхности и объясняют вызванную этим зональность процессов в географической оболочке, то неравномерное размещение воды и суши - причина наиболее крупных различий в распределении тепла и влаги в пределах зоны, причина возникновения наиболее крупных районов (регионов) в географической оболочке.

2. Форма и размеры земли. Еще древним культурным народам за семь веков до нашей эры было известно, что Земля шарообразна. Во II в. до н. э., после измерений Земли Эратосфеном, люди получили почти правильное представление о размерах Земли. С течением времени появлялись новые доказательства ее шарообразности (например, возможность кругосветных плаваний), совершенствовались методы определения углов и применялись новые методы измерения расстояний на местности. Применение триангуляции14 и более совершенные приборы позволили французскому ученому Жану Пикару произвести в 1669-1670 гг. наиболее точное из всех до этого времени измерение величины градуса меридиана. По измерениям Пикара радиус Земли оказался равным 6371,7 км.

Результаты этих измерений были использованы Ньютоном для обоснования открытого им закона всемирного тяготения, из которого следовал вывод, что Земля, как вращающееся тело, должна иметь форму сжатого эллипсоида.

Земля могла бы быть правильным шаром только в том случае, если бы она не вращалась. В результате взаимного притяжения, составляющие ее частицы расположились бы равномерно вокруг общего центра притяжения - центра фигуры. При вращении тела возникает центробежная сила, прямо пропорциональная квадрату скорости вращения частицы и обратно пропорциональная расстоянию от оси вращения V2/R. Центробежная сила равна нулю на полосе и имеет максимальное значение на экваторе, где скорость, вращения достигает 464 м/сек. Центробежная сила уменьшает силу притяжения. Равнодействующая силы притяжения и центробежной силы называется силой тяжести (гравитационной силой, от греч. gravitos - тяжесть)15. Сила тяжести в направлении от полюсов к экватору уменьшается. Все тела на полюсе на 1/298 тяжелее, чем на экваторе. Под влиянием центробежной силы частицы земного вещества должны переместиться по направлению к экватору. Земля приобретает сжатие вдоль оси вра­щения, в результате которого расстояние от центра Земли до поверх­ности окажется на разных широтах различным.

До нашего времени сохранил значение воображаемый опыт Ньютона, использованный им для определения сжатия. Ученый представил себе, что Землю прорезает заполненный водой канал, проходящий под прямым углом от полюса через центр Земли к экватору. В экваториальном отрезке канала вода на всех уровнях будет легче, чем в полярном. его отрезке. Если на поверхности в экваториальном отрезке это облегчение веса равно 1/298, то с глубиной оно несколько уменьшается. Различие в весе воды компенсируется объемом, и соответственно уровень воды в полярном отрезке канала опускается, а в экваториальном поднимается.

На основании этого опыта легко представить себе, что если: бы Земля была жидкой, она непременно сплюснулась бы по оси вращения и вытянулась бы по экватору.

Ньютон считал, что так и произошло, когда Земля была расплавленной. Известно, что твердое вещество Земли на длительное воздействие силы реагирует как пластичная масса, и поэтому для того, чтобы возникло сжатие, Земля не обязательно должна была быть расплавленной.

Уточнить фигуру Земли и выявить ряд ее неизвестных ранее особенностей помогли искусственные спутники. Прежде всего точно было, определено сжатие Земли. При движении спутников по орбите наиболее удаленная от Земли (апогей) и наиболее близкая к Земле (перигей) точки их орбиты не сохраняют неизменного положения по отношению к. звездам (как это было бы, если бы Земля была шаром). И апогей и перигей не видны с Земли в одно и то же время, в одном и том же направлении. Эти точки обходят вокруг Земли, причем их движение тем быстрее, чем больше сжатие Земли и чем меньше наклонена плоскость орбиты спутника к плоскости земного экватора. Зная величины смещения апогея (или перигея) после каждого оборота Земли, среднее расстояние спутника от центра Земли, период его обращения вокруг Земли и наклон его орбиты к плоскости земного экватора, по соответствующей формуле вычисляют сжатие Земли.

Сжатый эллипсоид - правильное тело вращения. Правильную фигуру может иметь только однородное или обладающее равномерным распределением плотности вращающееся тело. Поверхность такого тела во. всех точках перпендикулярна направлению силы тяжести (направлению отвеса). В действительности массы в земной коре распределяются, неравномерно. Поэтому поверхность, перпендикулярная во всех точках отвесу, - уровенная поверхность не может совпадать с поверхностью эллипсоида. Угол, образованный этими поверхностями, в разных точках различен.

Уровенных поверхностей можно провести бесчисленное множество, причем они нигде не совпадут и не пересекутся. Ту из уровенных поверхностей, которая 'ближе всего подходит к поверхности земного эллипсоида, называют геоидом16. Геоид не представляет собой правильного геометрического тела. Его фигуру можно установить только на основании конкретных измерений, тогда как в отношении эллипсоида для этого достаточно измерить кривизну по одному меридиану (и даже только з двух пунктах).

С поверхностью геоида совпадает спокойная поверхность Мирового океана, на материках поверхность геоида можно наблюдать в глубоких, соединенных с Океаном каналах. Действующие 'на земную поверхность силы нарушают ее устойчивое (перпендикулярное направлению силы тяжести) положение, вызывая отклонение от уровенной поверхности. С прекращением действия силы, вызывавшей отклонение, водная поверхность быстро принимает положение уровенной, поверхность же суши выравнивается сравнительно медленно. Та поверхность Земли, которую мы видим, осложненная действием внешних и внутренних процессов, представляет собой так называемую физическую поверхность Земли. Фигура геоида подвержена изменениям, вызываемым изменениями скорости вращения Земли и перераспределением масс земного вещества. При обработке результатов движения спутников по полярным орбитам ученые обратили внимание на асимметричность северного и южного полушарий. Оказалось, что южное полушарие более сжато, около южного полюса имеется впадина (осевая). В северном полушарии, наоборот, существует осевой выступ и Северный полюс приподнят по сравнению с Южным примерно на 30 м.

Фигура Земли обусловливает закономерное уменьшение угла падения солнечных лучей на ее поверхность в направлении от экватора к полюсам. Следствием являются убывание в том же направлении количества солнечной энергии, получаемой поверхностью, и связанная с этим зональность природы (широтная поясность) на земной поверхности.

Размеры земного эллипсоида были вычислены по данным геодезических съемок, проведенных на территории бывшего СССР с учетом результатов градусных измерений, производившихся в других странах. Экваториальный радиус (большая полуось) а - 6 378 245 м, полярный радиус (малая полуось) b - 6356863 м, средний радиус - 6371110 м. Сжатие a-b/b=1/298,3.

Длина окружности меридиана - 40 008 550 м. Длина экватора - 40075696 м. Площадь поверхности Земли - 510∙106 км2.Объем Земли - 1, 083∙1012 км3. Приведенные размеры Земли приняты в РФ. Обладающий им эллипсоид назван эллипсоидом Ф.Н. Красовского.

Если учитывать асимметрию северного и южного полушарий (сердце-видность Земли), принятые размеры потребуют незначительных поправок, которые практически можно не принимать во внимание. Так, полярное сжатие составит 1/298,21 вместо 1/298,3.

Размерами Земли определяются размеры географической оболочки, пространственные масштабы происходящих в вей процессов. Or размеров зависит масса Земли, обусловливающая силу земного притяжения. Земное притяжение оказывает непрерывное влияние на все процессы, происходящие в географической оболочке, а часто и обусловливает их.

3. Движения земли. Земля находится в среднем на расстоянии 149,5 млн. км (107 солнечных диаметров) от Солнца и, обращаясь по эллиптической орбите, приближается к нему в перигелии на 147 млн. км и удаляется в афелии на 152 млн. км17.

Земная ось наклонена к плоскости земной орбиты под углом 66°33', соответственно угол, образованный плоскостью земного экватора с плоскостью орбиты, составляет 23°27'. Наклон земной оси к плоскости орбиты почти не изменяется.

Как и другие планеты, Земля принимает одновременно участие в нескольких движениях, главные из которых - вращение около собственной оси и обращение вокруг Солнца.

Вращение земли вокруг оси. Земля, вращаясь с запада на восток (если смотреть на нее со стороны Северного полюса), совершает полный оборот вокруг оси за 24 часа. Угловая скорость вращения всех точек Земли при этом одинакова (15° за час). Линейная скорость вращения точек зависит от того расстояния, которое они должны пройти за период суточного вращения Земли. Неподвижными на поверхности Земли остаются только точки выхода воображаемой оси - точки географических полюсов-(Северного и Южного). С наибольшей скоростью (464 м/сек) вращаются точки на линии экватора, на линии большого круга, образованного пересечением Земли плоскостью, перпендикулярной оси вращения. Если мысленно пересечь Землю рядом параллельных экватору плоскостей, на земной поверхности появятся линии, имеющие направление запад - восток, называемые параллелями. Длина параллелей уменьшается от экватора к полюсам, соответственно уменьшается и линейная скорость вращения параллелей. Линейная скорость вращения всех точек на одной параллели одинакова.

При пересечении Земли плоскостями, проходящими через ось вращения Земли, на ее поверхности возникают линии, имеющие направление север - юг, меридианы (meridianus, лат. - полуденный). Линейная скорость вращения всех точек на одном меридиане неодинакова: от экватора к полюсам она уменьшается.

Убедительным доказательством вращения Земли вокруг оси служит опыт с качающимся маятником (опыт Фуко).

По законам механики всякое качающееся тело стремится сохранить плоскость качания. Свободно подвешенный качающийся маятник не изменяет плоскости качания, а вместе с тем, если на поверхности Земли, под маятником поместить круг с делениями, окажется, что по отношению к этому кругу (т. е. по отношению к поверхности Земли) положение плоскости качания маятника изменяется. Это может произойти только вследствие того, что поверхность Земли под маятником поворачивается. На полюсе кажущийся поворот плоскости качания маятника составит 15° за час, на экваторе положение плоскости качания маятника не изменяется, так как она все время совпадает с меридианом; на промежуточных широтах кажущийся поворот плоскости качания равен 15° sin φ в час (ср - географическая широта места наблюдения).

Отклоняющее действие вращения Земли (сила Кориолиса)18 - одно из важнейших следствий вращения Земли. Мы обычно ориентируем направление движения тел по отношению к сторонам горизонта (север» юг, восток, запад), т.е. по отношению к линиям меридианов и параллелей, забывая о том, что эти линии вследствие вращения Земли непре­рывно изменяют свою ориентацию в мировом пространстве. Тело же, находящееся в движении, по закону инерции стремится сохранить направление и скорость своего движения относительно мирового пространства. Пусть, например, из точки А (в северном полушарии) в сторону Северного полюса запущена ракета. В момент запуска направление ее движения (АВ) совпадает с направлением меридиана. Но уже в следующий момент точка А в результате вращения Земли переместится вправо, в точку В. Направление меридиана в пространстве изменится, меридиан отклонится влево. Ракета, наоборот, сохранит направление движения, наблюдателю же, следящему за ее движением, кажется, что под влиянием какой-то силы она отклонилась вправо. Нетрудно понять, что эта сила фиктивная, ибо ракета только кажется отклонившейся вследствие изменения направления меридиана, по которому наблюдатель ориентирует направление ее движения. Если тело двигается' в северном полушарии с севера на юг, меридиан изменяет свое направление, перемещаясь влево, и наблюдатель видит движущееся тело отклоняющимся, так же как и при движении с юга на север, вправо. Отклонение будет наибольшим на полюсах, так как там меридиан за сутки изменяет свое направление в мировом пространстве на 360°. От полюсов :к экватору отклонение убывает, и на экваторе, где меридианы параллельны друг другу и их направление в пространстве не изменяется, отклонение равно 0.

В южном полушарии отклоняющее действие вращения Земли проявляется в отклонении движущихся тел влево.

От направления движения вправо в северном полушарии и влево в южном отклоняются тела, передвигающиеся в любом направлении.

Отклоняющее действие вращения Земли Отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса), действующая на единицу массы (1 г), движущейся со скоростью v м/ceк, выражается формулой F = 2ω∙vsinφ, где ω - угловая скорость вращения Земли, φ - широта. Сила Кориолиса от направления движения тела не зависит и на скорость его не влияет.

Отклоняющее действие вращения Земли оказывает постоянное воздействие на направление движения всех тел на Земле, в частности оно существенно влияет на направление воздушных и морских течений.

Смена дня и ночи на Земле. Солнечные лучи освещают всегда только половину Земли, обращенную к Солнцу. Вращение Земли вокруг оси обусловливает быстрое перемещение солнечного освещения по земной поверхности с востока на запад, т.е. смену дня и ночи.

Если бы земная ось была перпендикулярна плоскости орбиты, свето-раздельная плоскость (плоскость, делящая Землю на освещенную и неосвещенную половины) делила бы все широты на две равные части и на всех широтах день и ночь были бы всегда равны. При наклонном положении оси к плоскости земной орбиты день и ночь могут быть равны на всех широтах только в тот момент, когда земная ось лежит в еве-тораздельной плоскости и когда светораздельная линия (линия, образованная пересечением земной поверхности светораздельной плоскостью) проходит через географические полюса. Когда земная ось наклонена северным концом к Солнцу, светораздельная плоскость, пересекая земную ось в центре Земли, делит Землю на две половины так, что большая часть северного полушария оказывается освещенной, а меньшая попадает в тень, и, наоборот, большая часть южного полушария находится в тени. Если ось Земли наклонена к Солнцу южным концом, южное полушарие освещено больше, чем северное. Так как светораздельная линия и в том и в другом случае не проходит через географические полюса и делит все широты, кроме 0°, на две неравные части - освещенную и неосвещенную, день и ночь на всех широтах, кроме экватора, не равны. В том полушарии, которое наклонено к Солнцу, день длиннее ночи, в противоположном полушарии, наоборот, ночь длиннее дня. На тех широтах, которые не пересекаются светораздельной линией и на какое-то время оказываются полностью на освещенной или неосвещенной стороне Земли, в соответствующий период (до полугода на полюсах) смены дня и ночи не происходит. Если смена дня и ночи определяется вращением Земли около оси, а неравенство их - наклоном оси к земной орбите, то постоянное изменение продолжительности дня и ночи на всех широтах, кроме экватора, является результатом неизменного положения земной оси в пространстве при обращении Земли вокруг Солнца.

4. Обращение земли вокруг солнца. Земля обращается вокруг Солнца со средней скоростью 29,76 км/сек. Весь путь по орбите она проходит за 365 суток 6 часов 9 минут 9,6 секунды19.

Важнейшее следствие обращения Земли вокруг Солнца при почти неизменном положении ее оси в пространстве - смена времен года.

Начало астрономического лета в северном полушарии - 22 июня - день летнего солнцестояния. В южном полушарии в это время начинается астрономическая зима. В день летнего солнцестояния Земля располагается в афелии. Ось Земли наклонена северным концом к Солнцу, и солнечные лучи в полдень падают отвесно на широте 23°27' С.Ш. - на северном тропике, 22 июня Солнце занимает на небе всех широт северного полушария 'наивысшее в году положение. Широты к северу от 66°33' С.Ш. (от северного полярного круга) оказываются полностью на освещенной половине Земли, и Солнце за горизонт здесь не заходит.

На всех широтах между северным полярным кругом и экватором день длиннее ночи. Освещенность северного полушария в день летнего солнцестояния наибольшая за год. В южном полушарии в день летнего солнцестояния Солнце находится особенно низко над горизонтом. К югу от 66°33' Ю.Ш. (от южного полярного круга) царит полярная ночь, соответствующая по продолжительности полярному дню тех же широт северного полушария. На всех широтах между южным полярным кругом и экватором день короче ночи. Освещенность южного полушария в день летнего солнцестояния наименьшая за год.

Непрерывно перемещаясь по орбите, 23 сентября Земля занимает положение, при котором светораздельная линия проходит через географические полюса, и день равен ночи на всей Земле. Это день осеннего равноденствия. Оба полушария (северное и южное) в этот день освещены одинаково. 23 сентября - начало астрономической осени в северном полушарии и начало астрономической весны - в южном.

22 декабря, в день зимнего солнцестояния, Земля находится в перигелии. К Солнцу обращено южное полушарие, и там начинается астрономическое лето, тогда как в северном полушарии наступает астрономическая зима. Солнечные лучи в полдень падают отвесно на южный тропик (23°27' Ю.Ш.). Область около южного полюса, ограниченная южным полярным кругом (66°33' Ю.Ш.), освещена незаходящим Солнцем; над соответствующей областью в северном полушарии Солнце не восходит. Освещенность южного полушария наибольшая в году, северного - наименьшая. Как и 22 июня, день равен ночи только на экваторе.

21 марта, в день весеннего равноденствия, Солнце освещает Землю так же, как и 23 сентября: оно стоит в зените над экватором, и на всех широтах день равен ночи. В северном полушарии наступает астрономическая весна, в южном - осень.

Земля движется по орбите с различной скоростью. В тот период, когда она бывает ближе всего к Солнцу (в перигелии), скорость ее движения наибольшая. Наименьшая скорость - во время прохождения Земли через афелий. Отсюда следует, что из всех времен года в северном полушарии самое продолжительное - лето, а самое короткое - зима, в южном полушарии - наоборот. Различия в продолжительности времени года невелики. В настоящее время весна в северном полушарии продолжается 92,8 суток, лето - 93,6, осень - 89,8, зима - 89,0.

5. Пояса освещенности астрономические тепловые пояса. Закономерное изменение положения Земли по отношению к Солнцу при ее движении по орбите с сохранением определенного наклона оси вращения обусловливает положение на Земле линий тропиков и полярных кругов, ограничивающих пояса освещенности (астрономические тепловые пояса). Они выделяются в зависимости от полуденной высоты Солнца продолжительности освещения (от продолжительности дня).

Между тропиками (северным - тропиком Рака и южным - тропиком Козерога) лежит жаркий астрономический пояс, в пределах которого Солнце два раза в году стоит в полдень в зените. На экваторе эти моменты разделены равными промежутками времени по 6 месяцев (21 марта и 23 сентября). На тропиках Солнце стоит в зените только один раз в году - в дни солнцестояний (на северном тропике - 22 июня, на южном - 23 декабря). В поясах, расположенных между тропиками и полярными кругами, в умеренных астрономических поясах, Солнце не бывает в зените, но в течение 24 часов обязательно происходит смена дня и ночи, причем продолжительность их зависит от времени года и от широты. На полярных кругах Солнце не поднимается над горизонтом выше чем на 47°, но может летом целые сутки не скрываться за горизонтом. Зимой целые сутки Солнце вообще не показывается. К северу от северного полярного круга и к югу от южного полярного круга находятся холодные астрономические пояса. Они отличаются тем, что при низком положении над горизонтом (меньше 47°) Солнце до полугода (на полюсах) не скрывается и такой же период времени не появляется (табл. Сам. дл и самыйкорю, длина поляр. дня).

Таблица

hello_html_1bae7912.jpg

Чем выше стоит Солнце над горизонтом, тем больше солнечного тепла получает поверхность, на которую падают его лучи. Поэтому пояса между тропиками жаркие, пояса между полярными кругами и полюсами холодные. Промежуточные (расположенные между тропиками и полярными кругами) пояса по количеству получаемого от Солнца тепла -умеренные. Принимать за границы тепловых поясов линии тропиков и полярных кругов можно только условно, так как в действительности температура определяется рядом условий, зависящих в первую очередь от характера поверхности. Но эти линии, безусловно, являются границами поясов с различной продолжительностью освещенности их солнечными лучами.

Расположение линии тропиков и полярных кругов зависит от угла наклона оси вращения планеты к ее орбите. Если бы ось Земли не имела наклона к орбите, этих линий вообще не было бы, не выделялись бы и пояса освещенности (астрономические тепловые пояса). Такое положение существует, например, на Меркурии. На планете, ось вращения которой наклонена к орбите на 45°, на широтах 45° С. и Ю. в день летнего солнцестояния в соответствующем полушарии солнечные лучи падают отвесно (так, как на земных тропиках), а в день зимнего солнцестояния Солнце не появляется из-за горизонта (так, как на земных полярных кругах). Умеренного астрономического пояса на такой планете вообще не будет.


Таблица

hello_html_m57faec88.jpg

Изменение наклона оси вращения планеты к орбите вызывает расширение или сужение астрономических тепловых поясов (поясов освещенности).

Результатом вращения Земли вокруг оси и вызванной этим смены дня и ночи является суточный ритм процессов в географической оболочке Земли. В течение суток закономерно изменяется количество солнечной энергии, получаемой поверхностью, изменяются температура, влажность, атмосферное давление, движение воздуха. На эти изменения чутко реагируют организмы, влияющие в свою очередь на окружающую их среду. Суточный ритм процессов проявляется на фоне годового их ритма, обусловливаемого движением Земли вокруг оси, сменой времен года и выражающегося в закономерной смене явлений в природе.

Изменение времени. Время местное и поясное. Период вращения Земли вокруг оси (сутки) и период обращения ее вокруг Солнца (год) представляют собой естественные единицы для измерения времени. Удобно принять за единицу времени истинные солнечные сутки - промежуток между двумя верхними кульминациями солнечного диска (истинным полднем). Однако различная продолжительность солнечных суток, вызванная неравномерным движением Земли по орбите и наклоном ее оси вращения к плоскости орбиты, делает истинные солнечные сутки непригодными для измерения точного времени. В практических целях пользуются средним солнечным временем. Его измеряют по так называемому среднему Солнцу - воображаемой точке, равномерно перемещающейся по небесному экватору и совершающей полный оборот за тот же период, что и истинное Солнце, т.е. за год. За единицу времени принимают средние солнечные сутки - 24 часа среднего солнечного времени. Если считать началом солнечных суток момент верхней кульминации среднего Солнца (средний полдень), то время в любой момент будет равно часовому углу среднего Солнца20. Для удобства на практике условились принимать за начало средних солнечных суток момент нижней кульминации среднего Солнца (полночь), поэтому среднее солнечное время в любой момент равно часовому углу среднего Солнца +12 часов.

Сутки начинаются одновременно на всем меридиане. Каждый меридиан имеет свое, местное время, и, чем восточнее он расположен, тем раньше начинаются на нем сутки. Вращаясь, Земля за час поворачивается на 15°, это значит, что на меридианах, отстоящих друг от друга на 15°, местное время отличается на 1 час. Если расстояние между меридианами 1°, разница во времени составит 4 минуты.

В качестве всемирного (мирового) времени принято время начального меридиана (гринвичского). Чтобы перевести местное время во всемирное и обратно, нужно знать угловое расстояние места от начального меридиана, т.е. его долготу. Всемирным временем пользуются в астрономии, в практической жизни оно не применяется.

Местное время неудобно из-за различий во времени соседних пунктов. Поэтому еще в XIX в. ввели поясное время, разделив всю поверхность Земли на 24 пояса, по 15° каждый. Поясное время считают по среднему в данном поясе меридиану.

Начальный (нулевой) пояс имеет время гринвичского меридиана, делящего этот пояс пополам. Время первого пояса отличается от времени начального пояса на 1 час, время второго пояса - на 2 часа и т.д.

Границы поясов проведены не точно по меридианам, а с учетом политических, хозяйственных и прочих границ.

Для перевода местного времени в поясное и обратно служит формула: поясное время (Тn) равно местному среднему времени (m) плюс номер пояса (n) минус географическая долгота (φ).

В Советском Союзе в целях более равномерного расходования электроэнергии в течение суток и ликвидации перегрузки электростанций в вечерние часы в 1930 г. декретом правительства стрелки часов были передвинуты на час вперед. Поэтому во всех часовых поясах на территории РФ часы идут на час вперед, как бы по времени следующего к востоку пояса. Это время называется декретным.

Изменения в движении земли и следствия этого. Солнце, Луна, другие космические тела оказывают влияние на движение Земли - вызывают его возмущения. В результате притяжения Земли Солнцем возникает прецессия21 Земли. Земля вследствие полярного сжатия имеет некоторый избыток масс в экваториальном поясе. Плоскость экватора, как известно, не совпадает с плоскостью земной орбиты, т.е. с плоскостью, в которой находится Солнце. Солнце притягивает близлежащую к нему часть экваториального утолщения Земли сильнее, чем противолежащую, и поэтому стремится повернуть плоскость земного экватора в плоскость эклиптики. Но Земля, как тело вращающееся, противостоит этому воздействию, и в результате ось ее вращения очень медленно описывает в пространстве около перпендикуляра к плоскости орбиты конус с вершиной в центре Земли. Наклон земной оси к эклиптике при этом не изменяется. Полный оборот ось вращения делает за 26 000 лет. Это возмущение в движении Земли называется прецессией.

Вследствие прецессии полюс мира перемещается среди звезд. Через 11500 лет он окажется уже не около Полярной звезды, а у звезды Беги (в созвездии Лиры). Поскольку перемещается полюс мира, поворачивается в пространстве и плоскость мирового экватора. Точки пересечения этой плоскости с плоскостью земной орбиты (точки весеннего и осеннего равноденствия) смещаются. Точка весеннего равноденствия22 перемещается навстречу видимому годичному движению Солнца на 50" в год, и равноденствие наступает раньше, чем Солнце пройдет все 360° по эклиптике. Промежуток времени между двумя прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия называется тропическим годом б отличие от звездного (седерического) года, равного времени полного оборота Земли вокруг Солнца. Тропический год на 20 мин. 24 сек. короче звездного, он лежит в основе календаря. С каждым оборотом Солнца весеннее равноденствие наступает все раньше и раньше (это так называемое предварение равноденствия), и в результате промежуток времени между наступлением времени года и прохождением Земли через перигелий и афелий увеличивается. В настоящее время Земля проходит перигелий зимой, через 6 500 лет она будет проходить его весной. Через 13000 лет (половина периода прецессии) зима в южном полушарии станет короче, чем в северном, так как она совпадет с прохождением Земли по ближайшему к Солнцу отрезку орбиты.

Так как силы притяжения не остаются постоянными вследствие изменений в расположении притягивающих масс и расстояния между ними, явления прецессии осложняются колебаниями с более короткими (максимум 18 лет) периодами - нутациями.

В результате совокупных действий на Землю других планет непре­рывно изменяются элементы земной орбиты. Так, эксцентриситет23 ее совершает ритмические колебания с периодом в 92 000 лет. Колеблется в пространстве и плоскость земной орбиты, вследствие чего наклон оси вращения Земли к ее орбите испытывает изменение периодом 40 000 лет. Все эти возмущения прежде всего отражаются на колебательных изменениях климата земли, а следовательно, и на развитии географической оболочки в целом.

Приливы. Притяжение Земли другими телами Солнечной системы вызывает во всем теле планеты упругие деформации. Наибольшее приливообразующее значение имеет притяжение Луны. Силы притяжения Луны, действующие на каждую земную частицу, направлены к центру Луны. Величина их зависит от положения частиц: с наибольшей силой притягиваются частицы, ближайшие к Луне, с наименьшей - _ самые удаленные от нее.

Кроме сил притяжения, в системе Земля - Луна действуют центробежные силы, стремящиеся отдалить эти тела друг от друга24. Они возникают при вращении системы около общего центра тяжести масс, расположенного в соответствии с соотношением масс 81,5:1, внутри. Земли на расстоянии 0,73 земного радиуса от ее центра25.

Во всех точках Земли центробежные силы равны, параллельны друг другу и направлены от Луны26. Совокупность центробежных сил, действующих на частицы Земли, образует суммарную центробежную силу. Эта сила в центре Земли уравновешивает силу притяжения Луны, и поэтому Земля не падает на Луну. Во всех остальных точках Земли равновесия двух указанных сил не возникает. Равнодействующая их и представляет собой приливообразующую силу.

В результате суточного вращения Земли приливные выступы перемещаются вслед за видимым движением Луны (т.е. в сторону, противоположную вращению Земли). Приливная волна обходит Землю, и в каждом месте прилив и отлив периодически сменяют друг друга. За шесть часов Земля совершает четверть оборота, и в том месте, где сейчас прилив, через шесть часов должен быть отлив, еще через шесть - новый прилив и т.д. Но так как Луна обращается вокруг общего с Землей центра тяжести масс, перемещаясь в ту же сторону, в которую вращается Земля, лунные сутки оказываются длиннее солнечных на 50 мин. и промежуток времени между приливом и сменяющим его отливом соответственно увеличивается до 6 час. 12 мин. 30 сек.

Одновременно с лунными приливами существуют солнечные приливы с полным периодом 24 часа. Солнце имеет массу, в 30 млн. раз большую массы Луны, но оно в 390 раз дальше от Земли, чем Луна. Поэтому приливообразующая сила Солнца в 2,17 раза меньше приливообразующей силы Луны.

Лунные и солнечные приливообразующие силы могут складываться и могут вычитаться в зависимости от взаимоположения Солнца, Земли и Луны. Наибольшие приливы возникают в полнолуние и новолуние, наименьшие - в первую и последнюю четверти. Два раза в течение лунного месяца приливы достигают наибольшей и наименьшей высоты.

Периодические изменения во взаимном расположении тел вызывают ряд неравенств приливообразующих сил. Например, суточные неравенства, связанные с тем, что Луна не находится все время в плоскости земного экватора, параллактические - с тем, что расстояния Солнца и Луны от Земли при их вращении по эллиптическим орбитам не остаются постоянным.

Приливы возникают во всей толще Земли от ее поверхности до центра. Поверхностные слои Земли опускаются, поднимаются, наклоняются. На экваторе размах колебаний поверхности достигает 55 см, на полюсах - близок к нулю. В Москве поверхность поднимается и опускается на 40 см. Твердый прилив запаздывает по отношению к моменту кульминации Луны на 6-8 мин.

Изучение твердых приливов очень важно для суждения о внутреннем строении Земли. Наблюдения над ними показывают, что Земля в целом имеет модуль твердости, соответствующий твердости стали, а по отношению к тяготению и центробежным силам ведет себя как жидкое тело. Это объясняется аморфным состоянием вещества в глубине Земли.

Приливы в атмосфере обнаруживаются в периодических изменениях, атмосферного давления. Их влияние на изменение циркуляции атмосферы еще не выяснено. Сильнее всего приливы проявляются в гидросфере.

Приливные выступы лунных приливов теоретически должны образовы­ваться на линии, проходящей через центры Земли и Луны. Но вследствие того, что Земля вращается вокруг оси быстрее, чем Луна обращается в туже сторону вокруг Земли, а трение мешает приливным выступам быстро следовать за Луной последние смещаются, вперед по отношению к линии, направленной на Луну. Луна «отстает» от приливных выступов.

Наряду с вековым замедлением вращательного движения Земли, вызываемым приливным трением, существуют и другие изменения угловой скорости вращения. Так, сокращение радиуса Земли в результате процесса ее сжимания должно привести к вековому ускорению. К числу периодических изменений скорости осевого вращения Земли относится замедление ее движения к августу и ускорение к марту, что связано с сезонными перемещениями атмосферы.

Незначительные, казалось бы, изменения скорости вращения Земли, вызывающие уменьшение и увеличение ее сжатия, накапливаясь за длительное время, оказывают воздействие на всю планету, стремящуюся сохранить при данной скорости фигуру равновесия. По мнению некоторых ученых (Б.Л. Личкова, М.В. Стоваса, Г.И. Каттерфельда), это выражается в периодически повторяющихся переформированиях («перестройках») планеты, в перемещениях, охватывающих массы всех оболочек Земли. Частью этого переформирования являются горообразовательные процессы, отчетливо проявляющиеся в земной коре. Находят объяснение приуроченность горных хребтов к определенным параллелям и меридианам (называемым «критическими» или активными), закономерности в распределении материков и в их конфигурации. В результате замедления скорости осевого вращения полярное сжатие уменьшается, земной эллипсоид становится менее сплюснутым. Очевидно, при этом происходит опускание и сокращение площадей в экваториальной области и, наоборот, поднятие и расширение площадей в полярных областях. При увеличении полярного сжатия, наоборот, полярные области сжимаются, экваториальные растягиваются.

М.В. Стовас доказывает, что наиболее деформируемыми областями при такой «перестройке» Земли должны быть экватор, критические параллели (+35° и +62°) и полюсы. При этом максимальное напряжение характерно для параллелей +62° и экватора. Минимальными изменениями площадей отличаются параллели +35° и полюсы. Здесь происходит смена знака движения (поднятие - растяжение и опускание - сжимание) и земная кора разрывается, дробится, возникают подвижные пояса сверхглубинных и глубинных разломов.

Б.Л. Личков считает, что критические параллели сохраняют свое значение для гидросферы и для атмосферы. По его мнению, «единая широтная зональность охватывает три наружные оболочки Земли; атмосферу, литосферу и гидросферу». Главная предпосылка этой зональности - осевое вращение Земли, имеющее переменный характер27.

6. Строение Земли. В строении Земли принимают участие твердые, жидкие и газообразные вещества, распределяющиеся в некоторой последовательности. Ядро и оболочки планеты - это более или менее правильные концентрические слои, обладающие каждый характерными для него свойствами и составом. Наименьшую плотность имеет внешняя (газовая) оболочка Земли - атмосфера. При определении размеров и средней плотности Земли эта оболочка во внимание не принимается.

Средняя плотность планеты - 5,52 г/см3 (по И.Д. Жонголовичу). От средней плотности и размеров зависит масса Земли, составляющая 5,98∙1027 г. Масса Земли обусловливает силу тяжести. Если бы Земля была менее массивна, она не могла бы удержать воздушную и водную оболочки. Если бы масса Земли была значительно больше, на ней удержались бы в большем количестве такие газы, как водород, метан; состав атмосферы был бы иным, иной была бы и ее мощность. Под действием силы тяжести на земную поверхность падают атмосферные осадки, в соответствии с уклоном поверхности стекают по ней, оказывая при этом механическое воздействие, скатываются со склонов гор частицы разрушенных пород, образуются осадочные породы. Изменение величины силы тяжести приведет к изменению интенсивности всех этих (и многих других) процессов в географической оболочке.

Плотность пород, слагающих верхние (наружные) слои земной коры, значительно меньше (2,7 г/см3) средней плотности Земли. Соответственно плотность внутренних частей Земли должна быть выше средней. О распределении плотности внутри Земли судят по распространению сейсмических волн, возникающих при землетрясениях и вызываемых искусственно. Из фокуса землетрясения, представляющего собой обычно более или менее длинную полосу, исходят волны сжатия растяжения (продольные) и волны сдвига (поперечные28). В первом случае частицы вещества смещаются поперек направления, в котором распространяется волна; во втором - вдоль этого направления. Встречая на своем пути среду с различными физическими свойствами, сейсмические волны преломляются, изгибаются, изменяют скорость распространения. По поверхности Земли распространяются поверхностные волны, имеющие наименьшую скорость.

На основании скачкообразного изменения скорости распространения сейсмических волн выделяются три основные част Земли: земная кора (литосфера), мантия (оболочка ядра) и ядро. Границы между ними неровные, но по сравнению с размерами Земли эти неровности весьма незначительны.

Земная кора (литосфера) отделена от нижележащей мантии поверхностью раздела, установленной югославским ученым Мохоровичичем и названной его именем29. Б земной коре три слоя: осадочный (очень маломощный), гранитный и базальтовый. Породы земной коры богаты кремнием (Si) и соединениями алюминия (А1), поэтому применительно к ним французский ученый Э. Зюсс в 1899 г. употребил термин «сиаль» (Sial). В составе земной коры преобладают 8 элементов: О, Si, Al, Fe, Ca, Na, К, Mg.

Мощность земной коры и ее строение не везде одинаковые. Существуют два типа земной коры: материковый и океанский. Под дном Океана земная кора большей частью двухслойная. Гранитный слой отсутствует (или'Он очень маломощный), и осадочные породы мощностью менее 1 км залегают непосредственно на базальтовом слое. Мощность базальтового слоя - в среднем 4 км, причем под глубокими частями Океана она меньше, чем под мелкими.

Материковая кора трехслойная и более мощная. Поверхность раздела Мохоровичича лежит под Океаном на глубине всего 4-5 км от дна, под материками она опускается на глубину в среднем 35 км. На границе материков и океанов земная кора постепенно выклинивается в сторону Океана. Наблюдениями установлено, что кора имеет материковый тип, если она не покрыта водой или если слой воды над ней не более 1820 м. При мощности слоя воды более 3640 м кора имеет океанский тип. В промежуточной полосе она носит характер, переходный от материкового типа к океанскому.

Земная кора постепенно выплавлялась из вещества мантии в процессе длительной физико-химической и гравитационной его дифференциации. При этом выделились гранитный и базальтовый слои земной; коры, осадочный же слой возник позднее в результате их разрушения. Возраст земной коры в различных ее участках неодинаков.

По объему (приблизительно 3 млн. км3) земная кора составляет не более 1,2% объема Земли и 1,5% объема мантии; по массе - 0,7% всей массы Земли и 1% массы мантии.

Мантия состоит из соединений окиси кремния с окислами магния и железа, по Э. Зюссу - это «сима» (Sima). Вследствие большого давления атомы вещества мантии очень плотно прижаты друг к другу. Давление в мантии с глубиной возрастает, достигая на границе ядра 1 300 000 атмосфер. Плотность в верхних слоях мантии 3,5 г/см3, на границе ядра - 5,5 г/см3.

Предполагают, что температура вещества мантии на глубине 100 км -4-500°, на глубине 500 км более 2000°, на границе ядра около 3800°. Несмотря на очень высокую температуру, вещество мантии находится в твердом состоянии.

Мантия подразделяется на нижнюю и верхнюю. Граница между верхней и нижней мантиями находится на глубине 900-1000 км от земной поверхности. Нижняя мантия, по всей вероятности, наиболее «спокойная» часть Земли. В верхней мантии возникают разрывы, сопровождающиеся сдвигами: именно в верхней мантии происходят еще «е изученные процессы, определяющие поведение и развитие земной коры; стабильность одних участков и подвижность других, вулканические процессы и процессы, вызывающие землетрясения.

Вещество самого верхнего слоя мантии, так называемой астеносферы, лежащего на глубине 80-200 км от поверхности, находится в размягченном, близком к расплавленному, состоянии. Достаточно небольшого снижения давления, чтобы вещество астеносферы расплавилось, образуя магму, и устремилось вверх. Близ поверхности возникают вторичные очаги магмы, уже изменившейся по своему составу. Постепенно в результате неоднократного продвижения магмы вверх она может излиться на поверхность.

Земное ядро занимает 16% объема всей Земли. Масса ядра составляет 34% массы Земли. Температура в ядре достигает 4000°. Вещество ядра находится под колоссальным давлением - более 3,5 млн. атмосфер. Независимо от состава химических элементов вещество при давлении 1,4 млн. атмосфер (давление на границе ядра) переходит в металлическую фазу, электронные оболочки атомов «сминаются» и совсем разрушаются, образуется электронная плазма («электронный газ») отдельных химических элементов. Вещество становится более плотным и насыщенным свободными электронами. Огромные кольцевые вихри свободных электронов, возникающие в ядре, порождают, вероятно, постоянное магнитное поле Земли. Уплотнение земного ядра могло произойти скачкообразно при достижении Землей определенной (критической) массы и плотности, необходимой для металлизации вещества в ее недрах30. Скачкообразное уплотнение ядра не могло не отразиться на земной поверхности.

Радиус земного ядра - около 3500 км. В нем выделяют внутреннее ядро («ядрышко») радиусом 1280 км. Вопрос о состоянии земного ядра окончательно не решен, по-видимому, оно находится в жидком, состоянии.

Разделение вещества Земли на три части (кору, мантию, ядро) - сложный процесс, продолжающийся и в настоящее время. Предполагается, что первичным является вещество мантии, из которого вследствие совершенно различных процессов формировались кора и ядро.

Изостазия. Неодинаковая мощность земной коры на континентах и под Океаном неоспорима. Этот факт хорошо согласуется с принципом равновесия земной коры - с принципом изостазии31. На поверхности однородной вращающейся фигуры сила тяжести должна равномерно убывать от полюса к экватору. Неоднородность масс, различия в их плотности вызывают отклонение величины силы тяжести от теоретически вычисленной для данной широты. Логично предположить, что сила тяжести на суше всегда больше, чем на Океане, так как плотность земной коры больше плотности воды. Предположение это не оправдывается: аномалии силы тяжести обычно не зависят от характера поверхности. В распределении масс в земной коре существует равновесие, при котором избытку их у поверхности соответствует недостаток на глубине и, наоборот, недостаток масс вверху компенсируется избытком их внизу.

В результате давление на поверхность, расположенную на постоянной глубине (по отношению к поверхности геоида), оказывается одинаковым.

Перемещения масс с суши в Океан, с гор на низменности (в результате процессов разрушения пород, таяния ледников и пр.) должны вызывать поднятие облегченных участков и прогиб участков, получивших добавочную нагрузку. Это возможно только в том случае, если одновременно происходит перемещение вещества мантии, т.е. возникнет подкорковое течение. Существование подкорковых течений - необходимое условие изостатического выравнивания. Так как изостазия вызывается перемещением вещества на большой глубине, она проявляется только в крупных масштабах - при диаметре участков в согни километров - и не может объяснить перемещений, происходящих на небольших участках. Положение, соответствующее принципу изостазии, могут принимать спокойные участки земной коры; в областях быстрых поднятий и опусканий, вызванных другими причинами, принцип изостазии нарушается.

7. Тепло Земли. До тех пор, пока господствовала гипотеза остывания первоначально расплавленной Земли, внутренняя теплота считалась остаточной, полученной Землей в момент ее зарождения. Причиной, вызвавшей разогрев первоначально холодной Земли, может быть прежде всего радиоактивный распад тяжелых элементов. Содержание этих элементов в разных породах и в разных частях Земли различно. В процессе дифференциации земного вещества радиоактивные элементы концентрировались в легкоплавком веществе и поднимались (в гранитном слое их в 3 раза больше, чем в базальтовом). Это значит, что радиоактивное тепло выделяется главным образом в слоях, близких к поверхности.

Все большее значение придается гравитационной энергии, выделяющейся при уплотнении вещества Земли, сопровождающем ее сжимание (при этом часть потенциальной гравитационной энергии переходит в кинетическую). Если принять, что в современную эпоху сокращение радиуса Земли вследствие предполагаемого глубинного сжимания составляет в среднем 5 еж в 100 лет (по Н.Н. Парийскому), то оказывается, что при этом может освободиться приблизительно 17∙1030 эргов, или 4∙1023 кал за столетие. За это же время Земля теряет в мировое пространство значительно меньше энергии (2,4∙1022 кал). В результате планета нагревается и испытывает временное расширение, снова сменяющееся сжиманием. Возникает пульсация объема Земли, отражающаяся на скорости ее вращения, и связанные с этим деформации планеты.

Земное ядро должно содержать огромные количества ядерной энергии и энергии деформированных атомов.

Тепло поверхности Земли - это тепло Солнца; внутренняя теплота, поступающая на поверхность, составляет всего 1/5000 солнечной. Колебания температуры земной поверхности могут быть суточные, годовые, вековые. Чем больше период колебания температуры на поверхности Земли, тем глубже эти колебания распространяются, но, в общем, глубина их распространения очень мала. Суточные колебания сказываются до глубины 1 м, годовые - до 20 м. На этой глубине находится уровень постоянной годовой температуры, соответствующей среднегодовой температуре местности. Глубже слоя постоянной температуры температура повсеместно повышается.

Непосредственные наблюдения над изменениями температуры с глубиной, ограниченные верхним, очень тонким слоем земной коры (самая глубокая буровая скважина достигает 7800 м, шахта - 3000 м), позволяют сделать вывод о ее повышении. За среднюю величину геотермического градиента32 принимают 3° на 100 м; соответственно геотермическая ступень33 составляет в среднем 33 м. Однако наблюдения показали, что величина геотермической ступени далеко не везде одинакова и зависит от ряда условий: теплопроводности пород, близости вулканических центров и пр. Так, например, в области современного проявления вулканизма геотермическая ступень понижается до 5 ж и меньше, вблизи от них она равна 20-30 м, на платформах – 30-80 м, а на кристаллических щитах - 100 м и более. Наибольшая геотермическая ступень - 137,8 м - обнаружена в штате Алабама (США). Все эти данные относятся только к самому верхнему слою земной коры. С глубиной повышение температуры замедляется.

О температуре глубоких слоев Земли судят по температуре изливающейся на поверхность магмы, всегда превышающей 10000. Так, при извержении вулкана Килауэа отмечена температура магмы 1185-12000, при извержении Везувия – 1100-3200°, при извержении Этны – 1060-13000. Вероятно, температура вулканических очагов превышает 15000. Большинство ученых склоняются к мнению, что центральные части Земли имеют температуру34 до 40000. Строение внутренних частей Земли и состояние вещества в недрах планеты еще очень мало известны, потому что судить о них пока приходится только по косвенным данным. Конкретные данные наука о Земле может получить в результате осуществления проектов создания сверхглубоких (10-15 км) скважин.

8. Земной магнетизм. Земля обладает магнитным полем, наглядно проявляющимся в воздействии на магнитную стрелку. Свободно подвешенная в пространстве, магнитная стрелка устанавливается в любом месте в направлении магнитных силовых линий, сходящихся в магнитных полюсах.

Магнитные полюсы Земли не совпадают с географическими и медленно изменяют свое местоположение. В настоящий период географические координаты магнитных полюсов таковы: в северном полушарии - 72° С.Ш. и 96° З.Д., в южном полушарии - 70° ю. ш. и 150° в. д. Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, - магнитные меридианы не совпадают по направлению с географическими меридианами, и магнитная стрелка компаса не указывает строго направление север - юг. Угол между магнитным и географическим меридианами .называется углом магнитного склонения или магнитным склонением. Склонение бывает восточным (положительным) и западным (отрицательным). В первом случае стрелка отклоняется к востоку от географического меридиана, во втором - к западу от него. Линии, соединяющие точки с одинаковым склонением, - изогоны. Изогоны, соединяющие точки с нулевым склонением и называемые агоническими линиями, делят Землю на область восточного и западного склонений. Агонические линии имеют сложную форму.

Свободно подвешенная магнитная стрелка сохраняет горизонтальное положение только на линии магнитного экватора35. К северу от этой линии северный конец магнитной стрелки опускается, причем тем больше, чем меньше расстояние до магнитного полюса. На магнитном полюсе северного полушария стрелка становится вертикально, северным концом вниз. К югу от магнитного экватора вниз наклоняется, наоборот, южный конец магнитной стрелки. Угол, образованный магнитной стрелкой с горизонтальной плоскостью, называется углом магнитного наклонения или магнитным наклонением. Магнитное наклонение может быть северным и южным, оно изменяется от 0° на магнитном экваторе до 90° на магнитных полюсах. Линии, соединяющие точки с одинаковым .наклонением, - изоклины.

Склонение и наклонение характеризуют направление магнитных силовых линий в любом пункте в данный момент.

Сила магнитного поля характеризуется его напряженностью. За единицу напряженности принимают напряженность такого магнитного поля, в котором сила, действующая на единицу магнитной массы, равна одной дине. Единица измерения напряженности магнитного поля называется эрстед36 (0,00001 эрстеда - гамма). Напряженность магнитного поля Земли невелика: на магнитном экваторе - 0,3-0,5 эрстеда, на магнитном полюсе – 0,6-0,7. Линии равного напряжения магнитного поля - изодинамы.

Различают постоянное и переменное магнитные поля Земли. Постоянное магнитное поле обусловлено магнетизмом самой планеты. Представление о состоянии постоянного магнитного поля Земли дают магнитные карты. Но так как все элементы земного магнетизма (склонение, наклонение, напряженность) непрерывно, хотя и очень медленно, изменяются, карты сохраняют необходимую точность только в течение нескольких лет. Обычно магнитная карта приурочивается к середине года, оканчивающегося на 0 или на 5, например на 1 июля 3950, 1955, 1960, 1965 г. и т. д. Пятилетний период, для которого магнитная карта действительна, называется магнитной эпохой. Сейчас эпоха 1965 г. На основании анализа магнитных карт, построенных для определенной эпохи, составляют поправочные таблицы для постоянного магнитного поля на будущее.

Существующее распределение элементов земного магнетизма позво­ляет сделать вывод о сходстве постоянного магнитного поля Земли с магнитным полем однородно намагниченного шара. Магнитные полюса такого поля называются геомагнитными полюсами. Их географические координаты - 78°32' С.Ш. и 69°9' З.Д., 78°32' Ю.Ш. и 110°52' В.Д.

Магнитные аномалии проявляются в отклонениях значений элементов земного магнетизма от их среднего значения для данного места. Магнитные аномалии, охватывающие огромные площади, называются региональными в отличие от локальных (местных), занимающих площадь от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч квадратных километров. Примером региональной магнитной аномалии является Восточно-Сибирская. На огромной территории Восточной Сибири обнаружено западное склонение вместо восточного. Магнитное поле этой аномалии очень медленно затухает с высотой37. Это значит, что региональные аномалии вызваны процессами, происходящими глубоко в Земле, возможно в земном ядре.

Примером локальной (местной) аномалии может быть Курская магнитная аномалия, создающая напряжение магнитного поля в 5 раз больше среднего напряжения магнитного поля Земли. Аномалия проявляется в изменениях склонения от 0 до 180° и наклонения от 40 до 80°. Местные аномалии вызываются присутствием в верхних слоях земной коры залежей магнитных пород и руд. С высотой магнитное поле таких аномалий сравнительно быстро затухает.

Существование постоянного магнитного поля Земли объясняют вихревыми электрическими токами, возникающими в земном ядре (во внешней его части) благодаря непрерывному движению заряженных электронов, описывающих круги и петли. Изменения в характере этих движений вызывают медленные изменения постоянного магнитного поля Земли - его вековые колебания.

Переменное магнитное поле составляет всего 6% общей напряженности магнитного поля Земли. Оно вызывается движением электрически заряженных частиц в земной атмосфере и как бы накладывается, на постоянное магнитное поле. На фоне спокойного магнитного поля возникают отдельные его колебания - вариации. Существуют вариации с годичным периодом, вызываемые сезонными движениями земной атмосферы, суточные вариации, связанные со сменой дня и ночи, лунные вариации, являющиеся результатом приливов в атмосфере. Вариации, обладающие периодом от 5 до 100 сек. и называемые пульсациями, пока не имеют объяснения.

Магнитные бури - особенно сильные возмущения магнитного поля, проявляющиеся в быстром отклонении магнитной стрелки от нормального положения. Магнитные бури вызываются вспышками на Солнце и сопровождающим их проникновением к Земле и в ее атмосферу корпускулярных потоков. 23 февраля 1956 г. на Солнце произошел взрыв, продолжавшийся несколько минут, а на Земле разразилась магнитная буря, в результате которой была на 2 часа нарушена работа радиостанций, вышел на некоторое время из строя трансатлантический телефонный кабель и т.д. Особенно сильные магнитные бури возникают в том случае, если корпускулярный поток охватывает всю Землю, менее сильные магнитные бури вызываются потоками, проходящими мимо Земли.

Магнитное поле Земли простирается вверх до высоты 90 000 км. До высоты 44 000 км величина магнитного поля Земли убывает обратно пропорционально кубу расстояния от поверхности Земли. В слое от 44000 до 80000 км магнитное поле неустойчиво, в нем постоянно происходят резкие колебания. Выше 80000 км интенсивность магнитного поля быстро падает, принимая значение, сохраняющееся в межпланетном пространстве. На расстоянии 90 000 км от поверхности Земли магнитное поле теряет способность притягивать (захватывать) заряженные частицы. Эту границу предлагают считать верхней границей газовой оболочки Земли.

Величина магнитного поля Земли в сотни раз меньше, например, величины магнитного поля, возникающего около обыкновенного подковообразного магнита. Но магнитное поле Земли имеет огромный объем, а так как энергия магнитного поля пропорциональна объему поля» влияние его на процессы, происходящие на Земле, очень велико. Магнитное поле Земли либо отклоняет, либо захватывает заряженные частицы, летящие от Солнца или образующиеся при воздействии космических лучей на атомы и молекулы воздуха. Заряженные частицы, попавшие в магнитное поле Земли, образуют радиационные пояса: нижний, или внутренний, и верхний, или внешний.

Внутренний радиационный пояс простирается от высоты 2400 до-высоты 5600 км. Он состоит из протонов сравнительно высоких энергий и представляет непосредственную опасность для космических полетов-. Этот пояс сравнительно устойчив во времени.

Внешний радиационный пояс имеет максимальную интенсивность излучения на высоте 20 тыс. км. В нем зарегистрированы и протоны и электроны. Этот пояс не стабилен во времени, его изменения согласуются с изменениями солнечной активности. Непосредственной опасности для космических полетов внешний пояс не представляет. Результаты полетов космических ракет дают основания предполагать существование третьего, очень нестабильного пояса заряженных частиц, называемого «круговым током» и находящегося на высоте 45-60 тыс. км38.

Всю область околоземного пространства, в которой находятся заряженные частицы, захваченные магнитным полем Земли, называют магнитосферой. Магнитосфера довольно четко ограничена магнитопаузой. Под действием солнечного ветра она имеет овальную форму.

Частица, попавшая в магнитное поле 3емли, вращаясь по спирали вокруг магнитной силовой линии, двигается из одного полушария в другое и обратно, смещаясь к востоку (протоны) или к западу (электроны). Движение заряженной частицы продолжается до тех пор, пока она не потеряет заряд от столкновения с молекулами воздуха. На близкое расстояние к Земле проникают только частицы больших энергий, они и создают полярные сияния, очерчивающие область, где заканчиваются пути заряженных частиц, попавших в атмосферу. Полярные сияния чаще возникают в зоне, опоясывающей Землю примерно на расстоянии 23° от геомагнитных полюсов. Полярные сияния обычно сопровождаются магнитными бурями.

Влияние магнитного поля отражается на всех процессах, происходящих на Земле, но механизм и степень этого влияния пока еще недостаточно изучены.

По мнению специалистов, изучающих намагниченность древних, горных пород, направление магнитных силовых линий в течение геологической истории Земли изменялось. Это значит, что изменялось направление круговых токов в земном ядре. Изменение, а может быть, и временное прекращение этих токов должно вызывать изменение и временное исчезновение магнитных силовых линий, а следовательно, и «ловушек» заряженных частиц, идущих к Земле и образующих радиационные пояса. В такие периоды космическое излучение достигнет земной поверхности, а это существенно отразится на процессах, происходящих в географической оболочке, и прежде всего па процессах, происходящих в живом веществе.


Тема 9: Структурные уровни, происхождение и сущность жизни

1. Структура биологического знания.

2. Структурные уровни организации жизни.

3. Сущность жизни.


1. Структура биологического знания. Биология как наука. В настоящее время наиболее динамично развивающейся наукой является биология - наука о жизни и живой природе. Основные задачи биологии - дать научное определение жизни, указать на принципиальное отличие живого от неживого, выяснить специфику биологической формы существования материи. Развитие биологических знаний приводит к постепенной трансформации представлений о сущности жизни, единстве космической и биологической эволюции, взаимодействии биологического и социального в человеке и т.п. Новые биологические данные изменяют ту картину мира, которая на протяжении длительного времени формировалась физикой. Можно говорить о том, что сегодня открытия в биологии определяют развитие всего естествознания. Именно поэтому современная научная картина мира невозможна без биологических знаний. Более того, биология становится тем основанием, на котором формируются новые мировоззренческие принципы, определяющие самосознание человека.

В современной науке биология определяется как совокупность наук о живой природе, многообразии существовавших и существующих живых организмов, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и неживой природой.

В соответствии с этим биология изучает как общие, так и частные закономерности живого во всех его проявлениях (обмен веществ, воспроизводство, наследственность, изменчивость, приспособляемость и др.).

Современная биология - динамичное, меняющееся на глазах знание. Лавинообразное накопление новых экспериментальных данных подчас опережает возможности их теоретической интерпретации и объяснения. Стремительно растет в биологии число междисциплинарных исследований на стыке с другими естественными науками. Поэтому в структуре биологического знания сегодня на­считывается более 50 частных наук: ботаника, зоология, генетика, молекулярная биология, анатомия, морфология, цитология, биофизика, биохимия, палеонтология, эмбриология, экология и т.п. Данное многообразие научных дисциплин объясняется, главным образом, сложностью основного объекта биологических исследований - живой материи.

Структуру биологии как науки можно рассматривать с точки зрения объектов, свойств, уровней организации живого, основных этапов и биологических парадигм.

По объектам исследования биологию подразделяют на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.

По свойствам и проявлениям живого существует следующая классификация биологических дисциплин: эмбриология - наука, изучающая зародышевое (эмбриональное) развитие организмов; физиология - наука о функционировании организмов; морфология - наука о строении живых организмов; молекулярная биология - наука об образе жизни сообществ растительного и животного мира, их взаимосвязях с окружающей средой; генетика - наука о наследственности и изменчивости.

По уровню организации живых организмов выделяют: анатомию - науку о макроскопическом строении животных и человека; гистологию - науку о строении тканей; цитологию - науку о строении живых клеток.

В своем развитии биология прошла длительный и трудный путь, включающий в себя три наиболее крупных этапа, принципиально различающихся между собой своей главной идеей: 1) период систематики, 2) эволюционный период и 3) период биологии микромира. Отмеченные периоды не имеют между собой четких временных границ, так же как и не имеют резких переходов. Более того, поскольку биология еще не вышла на уровень теоретических обобщений и не имеет собственной научной картины мира, она существует в трех «ипостасях» - натуралистической, физико-химической и эволюционной биологии. Каждая из них появилась в соответствующий период развития биологической науки.

Период систематики. Натуралистическая биология. Как и всякая естественная наука, биология начала развиваться как описательная (феноменологическая) наука о многообразных формах, видах и взаимосвязях живого мира. Главной ее задачей было изучение природы в ее естественном состоянии. Для этого наблюдались, описывались и систематизировались явления живой природы. Именно в этот период сложился натуралистический подход к изучению жизни. Началом научного подхода послужила постоянно растущая совокупность практических знаний, получаемых человеком в процессе его взаимодействия с окружающей природной средой. Помимо накапливающихся знаний необходимо было систематизировать и объекты, составлявшие предмет практических интересов человека. Идея систематики зародилась в античности. Первым систематизатором науки стал Аристотель, который собрал накопленный к его времени фактический материал и сделал первую попытку классификации животных и растений, основанную на понятии целесообразности.

Систематизации биологических знаний он посвятил ряд работ: «История животных», «О частях животных», «О возникновении животных». В них Аристотель разделил царство животных на две группы: имеющих кровь и лишенных крови. Среди имеющих кровь он выделял: четвероногих живородящих, птиц, четвероногих и безногих яйцеродящих, безногих живородящих и рыб. Соответственно лишенные крови делились на: мягких (головоногих) мягкокожих многоногих (раки), многоногих членистых и раковинных безногих (моллюски и морские ежи). Кроме того, Аристотель выделил ряд групп, переходных между этими двумя. Человеку Аристотель отвел место на вершине кровяных животных (антропоцентризм).

Благодаря работам Аристотеля хаотичные знания о живой природе приобрели относительно упорядоченный характер, и это обстоятельство дает основания считать, что становление биологии как науки началось в те далекие времена. Идеи Аристотеля пользовались непререкаемым авторитетом вплоть до Нового времени, лишь тогда они были подвергнуты проверке.

Подъем биологических наук произошел лишь в XVI в. и связан с эпохой Великих географических открытий, которые обогатили науку множеством новых фактов, собранных на вновь открытых землях. Данные факты требовали своей систематизации и классификации, которая и была предложена в трудах шведского ученого К. Линнея. Он в своей работе «Система природы» смог разработать стройную иерархию всех животных и растений.

В основе систематики Линнея лежит вид, близкие виды объединяются в роды, сходные роды - в отряды, а отряды - в классы. Кроме того, Линней ввел точную терминологию Для описания растений и животных. Ему также принадлежит введение бинарной (двойной) номенклатуры: обозначение каждого вида двумя терминами - названием рода и вида по латыни. Линней точно определил соотношение между различными систематическими группами - классами, отрядами, родами, видами и подвидами, четко выделив названные таксоны и показав их иерархическую соподчиненность.

Помимо систематизации и классификации органического мира в XVIII-XIX вв. в области традиционной биологии появился еще целый ряд фундаментальных работ, считающихся классикой биологической мысли. Это 44-томный труд французского ученого Ж. Бюффона и его соавторов «Естественная история», знаменитая «Жизнь животных» А. Брема и работы Э. Геккеля по морфологии организмов.

Натуралистическая биология не утратила своего значения и в наши дни. По-прежнему продолжается изучение флоры и фауны нашей планеты, открываются и описываются новые виды. Несмотря на то, что современная биология смогла осуществить анализ и классификацию огромного числа животных и растительных организмов, она, тем не менее, не смогла сделать полное описание всего природного мира. Считается, что до сих пор описано только две трети существующих видов, т.е. 1,2 млн. животных, 5000 тыс. растений, сотни тысяч грибов, около 3 тыс. бактерий и т.п. Все более важной становится экология - наука, исследующая взаимоотношения организмов как между собой, так и со средой обитания. Эта наука появилась в рамках традиционной биологии, рассматривает природу как единое целое и требует к ней бережного, гуманного отношения.

Период микромира. Физико-химическая биология. При всех достоинствах натуралистической биологии с ее целостным подходом к изучению природы биология все же нуждалась в понимании механизмов, явлений и процессов, происходящих на разных уровнях жизни и живых организмов. Поэтому от традиционной описательной биологии ученые были вынуждены перейти к изучению анатомии и физиологии растений и животных, процессов жизнедеятельности организмов в целом и их отдельных органов, а затем – все дальше вглубь живой природы, к изучению жизни на клеточном и молекулярно-генетическом уровнях.

Основы анатомических и физиологических знаний были заложены в античности и связаны с работами Гиппократа, Герофила, Клавдия Галена и их учеников. Однако подлинное развитие данного направления биологии началось лишь в Новое время. В XVI-XVII вв. благодаря исследованиям Р. Гука, Н. Грю, Я. Гельмонта, М. Мальпиги, проводившимся с использованием микроскопа, получила развитие анатомия растений, были открыты клеточный и тканевый уровни организации растений. В биологию проникает эксперимент - искусственная гибридизация, что закладывает отдаленные предпосылки возникновения генетики.

Важно отметить, что биология в Новое время все шире использовала методы других естественных наук - более развитых физики и химии. Так в науку проникла мысль, что все явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с их помощью. Таким образом, биология все шире использует идеи редукционизма. Первое время это был лишь методологический подход, но с XIX в. можно было говорить о рождении физико-химической биологии, изучавшей жизнь на молекулярном и надмолекулярном уровнях. Большую роль в утверждении нового образа биологии сыграли ученые XIX в., использовавшие методы физики и химии в своих исследованиях: Л. Пастер, И.М. Сеченов, И.П. Павлов, И.И. Мечников и др. Необходимо также назвать основоположников клеточной теории М. Шлейдена и Т. Шванна, положивших в 1838 г. начало изучению живой клетки. Их теория привела к появлению цитологии - науки о живой клетке.

Дальнейшее изучение клеточного строения вызвало рождение генетики - науки о наследственности и изменчивости. В XX в. появилась молекулярная генетика, что вывело биологию на новый уровень анализа жизни и еще теснее сблизило ее с физикой и химией. Удалось понять генетическую роль нуклеиновых кислот, были открыты молекулярные механизмы генетической репродукции и биосинтеза белка, а также молекулярно-генетические механизмы изменчивости, изучен обмен веществ на молекулярном уровне. При этом открытия в физике и химии, непрерывное совершенствование физических и химических методов исследования и их применение в биологии создали возможность по-новому подойти к изучению множества биологических проблем.

С точки зрения химии живые организмы представляют собой открытые системы, постоянно обменивающиеся веществом и энергией с окружающей средой. При этом вместе с пищей они получают огромное количество органических и минеральных соединений, которые участвуют в биохимических реакциях организма, а затем в виде продуктов распада выводятся в окружающую среду. Строительным материалом для живой клетки являются макромолекулы - белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Гормональная регуляция, происходящая в организме, также представляет собой систему химических реакций.

Объединение биологии с химией дало начало новой науке - биохимии, которая изучает структуру и свойства биомолекул одновременно с их метаболизмом в живых тканях и органах. Иными словами, биохимия анализирует изменения биомолекул внутри живого Организма. Биохимикам удалось выяснить, как переносится энергия в клетке, расшифровать механизмы метаболизма (обмена 1 веществ), установить роль мембран, рибосом и других внутриклеточных структур. Именно биохимики расшифровали структуру и определили функции белков и нуклеиновых кислот, заложив тем самым основы молекулярной генетики. Рекомендациями биохимиков сегодня пользуется медицина, фармация, сельское хозяйство.

Поскольку современная химия основывается на физике, ученые стремятся объяснить биологические явления и процессы на основе физических закономерностей. В результате в 1950 г. на стыке биохимии, биологии и физики родилась новая наука - биофизика. Биофизики, рассматривая какое-либо биологическое явление, расчленяют его на несколько более элементарных, доступных для понимания актов и исследуют их физические свойства. Таким образом, были объяснены механизмы мышечного сокращения, проведения нервного импульса, тайны фотосинтеза и ферментативного катализа.

С помощью биохимии и биофизики ученые смогли объединить знания о структуре и функциях организма. Но ни этим наукам, ни физико-химической биологии в целом не удается дать ответ на основной вопрос биологии - вопрос о происхождении и сущности жизни.

Эволюционный период. Эволюционная биология. Идея развития живой природы проникла в биологию лишь в XIX в., хотя предпосылки эволюционной биологии сформировались еще в античности. Так, в основе систематики живого у Аристотеля лежит идея лестницы существ: он расположил организмы от простого к сложному, человека при этом он поместил на вершине пирамиды животного мира. От этой идеи нужно было сделать лишь шаг к идее эволюции как развитию животного мира путем постоянного усложнения.

Начало эволюционному периоду развития биологии было положено в трудах французского биолога Ж.Б. Ламарка, предложившего первую эволюционную теорию. Она была изложена в его книге «Философия зоологии», вышедшей в 1809 г. Ламарк первым заговорил об изменении организмов под влиянием окружающей среды и передаче приобретенных признаков потомкам. Однако Ламарк в своей теории опирался на ряд неверных исходных положений, из-за которых ему не удалось решить вопрос о соотношении внутренних и внешних факторов эволюции.

Значительный вклад в развитие биологии на данном этапе внесла теория катастроф, автором которой стал французский ученый Ж. Кювье. Он исходил из представлений о том, что природные силы, действующие сейчас и господствовавшие в прошлом, качественно отличаются друг от друга. Поэтому в прошлом периодически могли происходить глобальные природные катаклизмы, прерывающие спокойное течение геологических и биологических процессов на Земле. В результате этих глобальных катастроф почти полностью изменялся не только облик Земли, но и ее органический мир. Причины этих катастроф наука установить не в состоянии, но можно сделать вывод, что именно катастрофы привели к появлению все более сложных органических форм.

Подлинная революция в биологии связана с появлением в 1859 г. теории эволюции Ч. Дарвина, изложенной им в книге «Происхождение видов путем естественного отбора». Эволюционная теория Дарвина построена на трех постулатах: изменчивости, наследственности и естественном отборе. Изменчивость, по Дарвину, - это способность организмов приобретать новые свойства и признаки и изменять их по разным причинам. Именно изменчивость является первым и главным звеном эволюции. Наследственность - это способность живых организмов передавать свои свойства и признаки последующим поколениям. Естественный отбор является результатом борьбы за существование и означает выживание и успешное размножение наиболее приспособленных организмов. Под действием естественного отбора группы особей одного вида из поколения в поколение накапливают различные приспособительные признаки и в результате приобретают настолько существенные отличия, что превращаются в новые виды. К сожалению, положения о наследственности и изменчивости, также входившие в эту теорию, были разработаны намного хуже. Это дало основания для серьезной критики дарвиновской теории эволюции, которая развернулась в конце XIX - начале XX в.

Современная (синтетическая) теория эволюции появилась лишь к концу 20-х гг. XX в. Она представляла собой синтез генетики и дарвинизма. С этого времени стало возможным говорить об эволюционной биологии как о платформе, на которой происходит синтез разнородного биологического знания. Сегодняшняя эволюционная биология - это результат объединения двух потоков знания: самого эволюционного учения и знаний, полученных другими биологиче­скими науками о процессах и механизмах эволюции. На протяжении XX в. содержание эволюционной биологии постоянно расширялось. Оно дополнено данными генетики, молекулярной биологии, цитологии, палеонтологии. Многие ученые считают, что именно эволюционная биология сможет стать фундаментом теоретической биологии, являющейся основной целью биологов XXI в.

2. Структурные уровни организации жизни. Жизнь характеризуется диалектическим единством противоположностей: она одновременно целостна и дискретна. Органический мир представляет собой единое целое, так как составляет систему взаимосвязанных частей (существование одних организмов зависит от других), и в то же время дискретен, поскольку состоит из отдельных единиц - организмов, или особей. Каждый живой организм, в свою очередь, также дискретен, так как состоит из отдельных органов, тканей, клеток, но вместе с тем каждый из органов, обладая определенной автономностью, действует как часть целого. Каждая клетка состоит из органоидов, но функционирует как единое целое. Наследственная информация осуществляется генами, но ни один из генов вне всей совокупности не определяет развитие Признака и т.д.

С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира, которые можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризуемых соподчиненностью, взаимосвязанностью и специфическими закономерностями. При этом каждый новый уровень обладает особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня, поскольку любой организм, с одной стороны, состоит из подчиненных ему элементов, а с другой - сам является элементом, входящим в со­став какой-то микробиологической системы.

На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как дискретность и целостность, структурная организация, обмен веществом, энергией и информацией. Существование жизни на более высоких уровнях организации подготавливается и определяется структурой низшего уровня; в частности, характер клеточного уровня определяется молекулярным и субклеточным, организменный - клеточным, тканевым уровнями и т.д.

Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но при этом основными являются молекулярный, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, биоценотический, биогеоценотический и биосферный.

Молекулярно-генетический уровень. Молекулярно-генетический уровень жизни - это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности организмов. На этом уровне элементарной структурной единицей является ген, а носителем наследственной информации у всех живых организмов - молекула ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связаны процессы хранения, изменения и реализации наследственной информации, данный уровень называют молекуляр­но-генетическим.

Важнейшими задачами биологии на этом уровне являются изучение механизмов передачи генной информации, наследственности и изменчивости, исследование эволюционных процессов, происхождения и сущности жизни.

Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, воду, двуокись углерода. Из них в ходе химической эволюции появились простые органические соединения, ставшие, в свою очередь, строительным материалом для более крупных молекул. Так появились макромолекулы - гигантские молекулы-полимеры, построенные из множества мономеров. Существуют три типа полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них соответственно служат моносахариды аминокислоты и нуклеотиды.

Белки и нуклеиновые кислоты являются «информационными» молекулами, так как в их строении важную роль играет последовательность мономеров, которая может быть весьма разнообразной. Полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза) играют роль источника энергии и строительного материала для синтеза более крупных молекул.

Белки - это макромолекулы, представляющие собой очень длинные цепи из аминокислот - органических (карбоновых) кислот, содержащих, как правило, одну или две аминогруппы ( - NH2).

В растворах аминокислоты способны проявлять свойства как кислот, так и оснований. Это делает их своеобразным буфером на пути опасных физико-химических изменений. В живых клетках и тканях встречается свыше 170 аминокислот, однако в состав белков их входит только 20. Именно последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями39, образует первичную структуру белков. На долю белков приходится свыше 50% общей сухой массы клеток.

Большинство белков выполняет функцию катализаторов (ферментов). В их пространственной структуре есть активные центры в виде углублений определенной формы. В такие центры попадают молекулы, превращение которых катализируется данным белком. Кроме того, белки играют роль переносчиков; например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям. Мышечные сокращения и внутриклеточные движения - результат взаимодействия молекул белков, функция которых заключается в координации движения. Функцией белков-антител является защита организма от вирусов, бактерий и т.д. Активность нервной системы зависит от белков, с помощью которых собирается и хранится информация из окружающей среды. Белки, называемые гормонами, управляют ростом клеток и их активностью.

Нуклеиновые кислоты. Процессы жизнедеятельности живых организмов определяет взаимодействие двух видов макромолекул - белков и ДНК. Генетическая информация организма хранится в молекулах ДНК, которая служит носителем наследственной информации для следующего поколения и определяет биосинтез белков, контролирующих почти все биологические процессы. Поэтому нуклеиновым кислотам принадлежит такое же важное место в организме, как и белкам.

Как белки, так и нуклеиновые кислоты обладают одним очень важным свойством - молекулярной дисимметрией (асимметрией), или молекулярной хиральностью. Это свойство жизни было открыто в 40-50-е гг. XIX в. Л. Пастером в ходе исследования строения кристаллов веществ биологического происхождения - солей виноградной кислоты. В своих опытах Пастер обнаружил, что не только кристаллы, но и их водные растворы способны отклонять поляризованный луч света, т.е. являются оптически активными. Позже они получили название оптических изомеров. У растворов веществ небиологического происхождения данное свойство отсутствует, строение их молекул симметрично.

Сегодня идеи Пастера подтверждены, и считается доказанным, что молекулярная хиральность (от греч. cheir - рука) присуща только живой материи и является ее неотъемлемым свойством. Вещество неживого происхождения симметрично в том смысле, что молекул, поляризующих свет влево и вправо, в нем всегда поровну. А в веществе биологического происхождения всегда присутствует отклонение от этого баланса. Белки построены из аминокислот, поляризующих свет только влево (L-конфигурация). Нуклеиновые кислоты состоят из Сахаров, поляризующих свет только вправо (D-конфигурация). Таким образом, хиральность заключается в асимметрии молекул, их несовместимости со своим зеркальным отражением, как у правой и левой руки, что и дало современное название этому свойству. Интересно отметить, что если бы человек вдруг превратился в свое зеркальное отражение, то с его организмом все было бы нормально до тех пор, пока он не стал бы есть пищу растительного или животного происхождения, которую он просто не смог бы переварить.

Нуклеиновые кислоты - это сложные органические соединения, представляющие собой фосфорсодержащие биополимеры (полинуклеотиды).

Существует два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Свое название нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus - ядро) получили из-за того, что впервые были выделены из ядер лейкоцитов еще во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером. Позже было обнаружено, что нуклеиновые кислоты могут находиться не только в ядре, но и в цитоплазме и ее органоидах. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом.

В середине XX в. американский биохимик Дж. Уотсон и английский биофизик Ф. Крик раскрыли структуру молекулы ДНК. Рентгеноструктурные исследования показали, что ДНК состоит из двух цепей, закрученных в двойную спираль. Роль остовов цепей играют сахарофосфатные группировки, а перемычками служат основания пуринов и пиримидинов. Каждая перемычка образована двумя основаниями, присоединенными к двум противоположным цепям, причем, если у одного основания одно кольцо, то у другого - два. Таким образом, образуются комплементарные пары: А-Т и Г-Ц. Это значит, что последовательность оснований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой, комплементарной ей цепи молекулы.

Ген – это участок молекулы ДНК или РНК (у некоторых вирусов). РНК содержит 4-6 тысяч отдельных нуклеотидов, ДНК – 10-25 тысяч. Если бы можно было вытянуть ДНК одной человеческой клетки в непрерывную нить, то ее длина составила бы 91 см.

И все же рождение молекулярной генетики произошло несколько раньше, когда американцы Дж. Бидл и Э. Тэйтум установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Именно тогда появилось знаменитое высказывание: «один ген - один белок». Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка. После этого ученые сконцентрировали свое внимание на вопросе, как записана генетическая программа и как она реализуется в клетке. Для этого нужно было выяснить, как всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцати аминокислот. Основной вклад в решение этой проблемы внес знаменитый физик-теоретик Г. Гамов в середине 1950-х гг.

По его предположению, для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственности, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодона. В 1961 г. гипотеза Гамова была подтверждена исследованиями Ф. Крика. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при синтезе белков.

В живой клетке имеются органеллы - рибосомы, которые «читают» первичную структуру ДНК и синтезируют белок в соответствии с записанной в ДНК информацией. Каждой тройке нуклеотидов ставится в соответствие одна из 20 возможных аминокислот. Именно так первичная структура ДНК определяет последовательность аминокислот синтезируемого белка, фиксирует генетический код организма (клетки).

Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует биохимическом единстве жизни, происхождении всех живых существ на Земле от единого предка.

Также был расшифрован механизм воспроизводства ДНК. Он состоит из трех частей: репликации, транскрипции и трансляции.

Репликация - это удвоение молекул ДНК. Основой репликации является уникальное свойство ДНК к самокопированию, что дает возможность деления клетки на две идентичные. При репликации ДНК, состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек, раскручивается. Образуются две молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплементарной к исходной. После этого клетка делится, и в каждой клетке одна нить ДНК будет старой, а вторая - новой. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме - мутациям.

Транскрипция - это перенос кода ДНК путем образования одноцепочной молекулы информационной РНК (и-РНК) на одной из нитей ДНК. и-РНК - это копия части молекулы ДНК, состоящей из одного или группы расположенных рядом генов, несущих информацию о структуре белков.

Трансляция - это синтез белка на основе генетического кода и-РНК в особых органоидах клетки - рибосомах, куда транспортная РНК (т-РНК) доставляет аминокислоты.

В конце 1950-х гг. русскими и французскими учеными одновременно была выдвинута гипотеза о том, что различия в частоте встречаемости и порядке расположения нуклеотидов в ДНК у разных организмов имеют специфический для видов характер. Данная гипотеза позволила изучать на молекулярном уровне эволюцию живого и характер видообразования.

Существует несколько механизмов изменчивости на молекулярном уровне. Важнейшим из них является уже упоминавшийся механизм мутации генов - непосредственное преобразование самих генов, находящихся в хромосоме, под воздействием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию (мутагенами), являются радиация, токсичные химические соединения, а также вирусы. При этом механизме изменчивости порядок расположения генов в хромосоме не меняется.

Еще один механизм изменчивости - рекомбинация генов. Это создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. При этом сама молекулярная основа гена не меняется, а происходит его перемещение с одного участка хромосомы на другой или идет обмен генами между двумя хромосомами. Рекомбинация генов имеет место при половом размножении у высших организмов. При этом не происходит изменения общего объема генетической информации, он остается неизменным. Этот механизм объясняет, почему дети лишь частично похожи на своих родителей - они наследуют признаки от обоих родительских организмов, которые сочетаются случайным образом.

Другой механизм изменчивости - неклассическая рекомбинация генов - был открыт лишь в 1950-е гг. При неклассической рекомбинации генов происходит общее увеличение объема генетической информации за счет включения в геном клетки новых генетических элементов. Чаще всего новые элементы привносятся в клетку вирусами. Сегодня обнаружено несколько типов трансмиссивных генов. Среди них - плазмиды, представляющие собой двухцепочную кольцевую ДНК. Из-за них после длительного использования каких-либо лекарств наступает привыкание, после чего они перестают оказывать медикаментозное воздействие. Патогенные бактерии против которых действует наше лекарство, связываются с плазмидами, что и придает бактериям устойчивость к лекарству, и они перестают его замечать.

Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возможность использования таких элементов человеком привела к появлению новой науки - генной инженерии, целью которой является создание новых форм организмов с заданными свойствами. Таким образом, с помощью генетических и биохимических методов конструируются новые, не существующие в природе сочетания генов. Для этого видоизменяется ДНК, кодирующая производстве белка с нужными свойствами. Данный механизм лежит в основ( всех современных биотехнологий.

С помощью рекомбинантной ДНК можно синтезировать разнообразные гены и вводить их в клоны (колонии идентичных организмов) для направленного синтеза белка. Так, в 1978 г. был синтезирован инсулин - белок для лечения сахарного диабета. Нужный ген был введен в плазмиду и внедрен в обычную бактерию.

Генетики работают над созданием безопасных вакцин от вирусных инфекций, так как традиционные вакцины представляют coбoй ослабленный вирус, который должен вызывать выработку антител, поэтому их введение связано с определенным риском. Генная инженерия позволяет получить ДНК, кодирующую поверхностны слой вируса. В этом случае иммунитет вырабатывается, но заражение организма исключено.

Сегодня в генной инженерии рассматривается вопрос об увеличении продолжительности жизни и возможности бессмертия путем изменения генетической программы человека. Достичь этого можно, увеличив защитные ферментные функции клетки, оберегая молекулы ДНК от различных повреждений, связанных как с нарушением обмена веществ, так и с влиянием окружающей среды. Кроме того, ученым удалось открыть пигмент старения и создать специальный препарат, освобождающий клетки от него. В опытах с мыщами было получено увеличение продолжительности их жизни. Также ученым удалось установить, что в момент деления клетки уменьшаются теломеры - особые хромосомные структуры, расположенные на концах клеточных хромосом. Дело в том, что при репликации ДНК специальное вещество - полимераза - идет по спирали ДНК, снимая с нее копию. Но копировать ДНК полимераза начинает не с самого начала, а оставляет каждый раз недокопированный кончик. Поэтому с каждым последующим копированием спираль ДНК укорачивается за счет концевых участков, не несущих никакой информации, или теломер. Как только теломеры исчерпываются, при последующих копированиях начинает сокращаться часть ДНК, несущая генетическую информацию. Это и есть процесс старения клеток. В 1997 г. в США и Канаде был проведен эксперимент по искусственному удлинению теломер. Для этого использовался вновь открытый клеточный фермент - теломераза, способствующий наращиванию теломер. Полученные таким образом клетки обрели способность многократно делиться, полностью сохранив свои нормальные функциональные свойства и не превращаясь в раковые клетки.

В последнее время стали широко известны успехи генных инженеров в области клонирования - точного воспроизведения того или иного живого объекта в определенном количестве копий из соматических клеток. При этом выращенная особь генетически неотличима от родительского организма.

Получение клонов у организмов, размножающихся посредством партеногенеза, без предшествующего оплодотворения, не является чем-то особенным и давно используется генетиками. У высших организмов также известны случаи естественного клонирования - рождение однояйцовых близнецов. Но искусственное получение клонов высших организмов связано с серьезными трудностями. Тем не менее, в феврале 1997 г. в лаборатории Яна Вильмута в Эдинбурге был разработан метод клонирования млекопитающих, и с его помощью была выращена овечка Долли. Для этого у овцы породы Шотландской черномордой извлекли яйцеклетки, поместили их в искусственную питательную среду и удалили из них ядра. Затем взяли клетки молочной железы взрослой беременной овцы породы Финский дорсет, несущие полный генетический набор. Эти клетки через некоторое время слили с безъядерными яйцеклетками и активировали их развитие посредством электрического разряда. Затем развивающийся зародыш в течение шести дней рос в искусственной среде, после чего эмбрионы были трансплантированы в матку приемной матери, где и развивались до рождения. Но из 236 опытов Успешным оказался лишь один - выросла овечка Долли.

После этого Вильмут заявил о принципиальной возможности Клонирования человека, вызвавшей самые оживленные дискуссии не только в научной литературе, но и в парламентах многих стран, поскольку такая возможность связана с очень серьезными моральными, этическими и юридическими проблемами. Не случайно в некоторых странах уже приняты законы, запрещающие клонирование человека. Ведь большинство клонированных эмбрионов гибнет. Кроме того, велика вероятность рождения уродов. Так что опыты по клонированию не только аморальны, но и просто опасны с точки зрения сохранения чистоты вида Homo sapiens. To, что риск слишком велик, подтверждается информацией, пришедшей в начале 2002 г. и сообщающей о заболевании овечки Долли артритом - болезнью, не характерной для овец, после чего ее вскоре пришлось усыпить.

Поэтому намного более перспективным направлением исследований является изучение генома (совокупности генов) человека. В 1988 г. по инициативе Дж. Уотсона была создана международная организация «Геном человека», которая объединила множество ученых из разных стран мира и поставила задачу расшифровки всего генома человека. Это грандиозная задача, так как число генов в организме человека составляет от 50 до 100 тысяч, а весь геном - это более 3 млрд. нуклеотидных пар.

Считается, что первый этап данной программы, связанный с расшифровкой последовательности расположения нуклеотидных пар, будет завершен к концу 2005 г. Уже проведена работа по созданию «атласа» генов, набора их карт. Первая такая карта составлена в 1992 г. Д. Коэном и Ж. Доссе. В окончательном варианте она была представлена в 1996 г. Ж. Вайсенбахом, который, изучая под микроскопом хромосому, с помощью специальных маркеров отмечал ДНК различных ее участков. Затем он клонировал эти участки, выращивая их на микроорганизмах, и получал фрагменты ДНК - последовательность нуклеотидов одной цепочки ДНК, из которой состояли хромосомы. Таким образом, Вайсенбах определил локализацию 223 генов и выявил около 30 мутаций, приводящих к 200 заболеваниям, среди которых гипертония, диабет, глухота, слепота, злокачественные опухоли.

Одним из результатов этой программы, пусть и не законченной, является возможность выявления генетических патологий на ранних стадиях беременности и создание генотерапии - метода лечения наследственных заболеваний с помощью генов. Перед проведением процедуры генотерапии выясняют, какой ген оказался дефектным, получают нормальный ген и вводят его во все больные клетки. При этом очень важно отследить, чтобы введенный ген работал под контролем механизмов клетки, иначе будет получена раковая клетка. Уже есть первые больные, вылеченные таким образом. Правда, пока не ясно, насколько радикально они излечены и не вернется ли болезнь в будущем. Также пока не ясны и отдаление последствия такого лечения.

Конечно, использование биотехнологии и генной инженерии имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Об этом говорит опубликованный в 1996 г. Федерацией европейских микробиологических обществ меморандум. Связано это с тем, что широкая общественность с подозрением и враждебностью относится к генным технологиям. Страх вызывают возможность создания генетической бомбы, способной исказить геном человека и привести к рождению уродов; появление неизвестных заболеваний и производство биологического оружия.

И, наконец, в последнее время широко обсуждается проблема повсеместного распространения трасгенных продуктов питания, созданных путем внедрения генов, блокирующих развитие вирусных или грибковых заболеваний. Уже созданы и продаются трансгенные помидоры и кукуруза. На рынок поставляются хлеб, сыр и пиво, изготовленные с помощью трансгенных микробов. Такие продукты устойчивы по отношению к вредным бактериям, обладают улучшенными качествами - вкусом, питательной ценностью, крепостью и т.д. Так, в Китае выращивают устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам. Но до сих пор неизвестны отдаленные последствия использования таких продуктов, прежде всего, механизм их воздействия на организм и геном человека.

Конечно, за двадцать лет использования биотехнологий не случилось ничего из того, чего опасаются люди. Все новые микроорганизмы, созданные учеными, менее болезнетворны, чем их исходные формы. Ни разу не произошло вредного или опасного распространения рекомбинантных организмов. Тем не менее, ученые тщательно следят за тем, чтобы трансгенные штаммы не содержали генов, которые после их переноса в другие бактерии могут дать опасный эффект. Существует теоретическая опасность создания новых видов бактериологического оружия на основе генных технологий. Поэтому ученые должны учитывать этот риск и содействовать развитию системы надежного международного контроля, способного зафиксировать и приостановить подобные работы.

С учетом возможной опасности использования генных технологий разработаны документы, регламентирующие их применение, правила безопасности проведения лабораторных исследований и промышленного освоения, а также правила внесения генетически модифицированных организмов в окружающую среду.

Таким образом, сегодня считается, что при соблюдении соответствующих предосторожностей польза, приносимая генными технологиями, перевешивает риск возможных отрицательных последствий.

Клеточный уровень. На клеточном уровне организации основной структурной и функциональной единицей всех живых организмов является клетка. На клеточном уровне так же, как и на молекулярно-генетическом, отмечается однотипность всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. История жизни на нашей планете начиналась с этого уровня организации.

Сегодня наукой точно установлено, что наименьшей самостоятельной единицей строения, функционирования и развития живого организма является клетка.

Клетка представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т.е. наделена всеми признаками живого организма.

Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным ни представлялось его строение. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. Она изучает строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем, исследует функции отдельных клеточных компонентов, процесс воспроизводства клеток, приспособление их к условиям среды и др. Также цитология изучает особенности специализированных клеток, становление их особых функций и развитие специфических клеточных структур. Таким образом, современная цитология может быть названа физиологией клетки. Успехи современной цитологии неразрывно связаны с достижениями биохимии, биофизики, молекулярной биологии и генетики.

В основе цитологии лежит утверждение, что все живые организмы (животные, растения, бактерии) состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности. Новые клетки образуются путем деления существовавших ранее клеток. Все клетки сходны по химическому составу и обмену веществ. Активность организма как целого слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток.

Открытие существования клеток произошло в конце XVII в., когда был изобретен микроскоп. Впервые клетка была описана английским ученым Р. Гуком в 1665 г., когда он рассматривал кусочек пробки. Поскольку его микроскоп был не очень совершенным, то, что он увидел, было на самом деле стенками отмерших клеток. Потребовалось почти двести лет, чтобы биологи поняли, что главную роль играют не стенки клетки, а ее внутреннее содержимое. Среди создателей клеточной теории следует также назвать А. Левенгука, показавшего, что ткани многих растительных организмов построены из клеток. Он же описал эритроциты, одноклеточные организмы и бактерии. Правда, Левенгук, как и другие исследователи XVII в., видел в клетке лишь оболочку, заключавшую в себе полость.

Значительное продвижение в изучении клеток произошло в начале XIX в., когда на них стали смотреть как на индивидуумы, обладающие жизненными свойствами. В 1830-е гг. было открыто и описано клеточное ядро, что привлекло внимание ученых к содержимому клетки. Тогда же удалось увидеть деление растительных клеток. На основе этих исследований и была создана клеточная теория, ставшая величайшим событием в биологии XIX в. Именно клеточная теория дала решающие доказательства единства всей живой природы, послужила фундаментом для развития эмбриологии, гистологии, физиологии, теории эволюции, а также понимания индивидуального развития организмов.

Мощный толчок цитология получила с созданием генетики и молекулярной биологии. После этого были открыты новые компоненты, или органеллы, клетки - мембрана, рибосомы, лизосомы и др.

По современным представлениям, клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие), так и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям - существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Живой организм образован миллиардами разнообразных клеток (до 10'5), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).

Установлено, что несмотря на большое разнообразие клеток и выполняемых ими функций, клетки всех живых организмов сходны по химическому составу: особенно велико в них содержание водорода, кислорода, углерода и азота (эти химические элементы составляют более 98% всего содержимого клетки); 2% приходится на примерно 50 других химических элементов.

Клетки живых организмов содержат неорганические вещества - воду (в среднем до 80%) и минеральные соли, а также органические соединения: 90% сухой массы клетки приходится на биополимеры - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. И, наконец, научно доказано, что все клетки состоят из трех основных частей:

  1. плазматической мембраны, контролирующей переход веществ из окружающей среды в клетку и обратно;

  2. цитоплазмы с разнообразной структурой;

  3. клеточного ядра, в котором содержится генетическая информация.

Кроме того, все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли - цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. У растительных клеток также есть клеточная стенка (оболочка) и пластиды - специализированные структуры клеток, часто содержащие пигмент, от которого зависит окраска клетки.

Клеточная мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Мембрана поддерживает нормальную концентрацию солей внутри клетки. При повреждении мембраны клетка погибает.

Цитоплазма представляет собой водно-солевой раствор с растворенными и взвешенными в нем ферментами и другими веществами. В цитоплазме располагаются органеллы - маленькие органы, отграниченные от содержимого цитоплазмы собственными мембранами. Среди них - митохондрии - мешковидные образования с дыхательными ферментами, в которых высвобождается энергия. Также в цитоплазме располагаются рибосомы, состоящие из белка и РНК, с помощью которых осуществляется биосинтез белка в клетке. Эндоплазматическая сеть - это общая внутриклеточная циркуляционная система, по каналам которой осуществляется транспорт веществ, а на мембранах каналов находятся ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Важную роль в клетке играет клеточный центр, состоящий из двух центриолей. С него начинается процесс деления клетки.

Важнейшей частью всех клеток (кроме бактерий) является ядро, в котором находятся хромосомы - длинные нитевидные тельца, состоящие из ДНК и присоединенного к ней белка. Ядро хранит и воспроизводит генетическую информацию, а также регулирует процессы обмена веществ в клетке.

Клетки размножаются путем деления исходной клетки на две дочерние. При этом дочерним клеткам передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию, поэтому перед де­лением число хромосом удваивается. Такое деление клеток, обеспечивающее одинаковое распределение генетического материала между дочерними клетками, называется митозом.

Многоклеточные организмы также развиваются из одной клетки - яйца. Однако в процессе эмбриогенеза клетки видоизменяются. Это приводит к появлению множества разных клеток - мышечных, нервных, кровяных и т.д. Разные клетки синтезируют разные белки. Тем не менее, каждая клетка многоклеточного организма несет в себе полный набор генетической информации для построения всех белков, необходимых для организма.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы:

1) прокариоты - клетки, лишенные ядра. В них молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. К прокариотам относятся бактерии;

2) эукариоты - клетки, содержащие ядра. Кроме того, в них есть митохондрии - органеллы, в которых идет процесс окисления. К эукариотам относятся простейшие, грибы, растения и животные, поэтому они могут быть одноклеточными и многоклеточными.

Таким образом, между прокариотами и эукариотами есть существенные отличия в структуре и функционировании генетического аппарата, клеточных стенок и мембранных систем, синтезе белка и т.д. Предполагается, что первыми организмами, появившимися на Земле, были прокариоты. Так считалось до 1960-х гг., когда углубленное изучение клетки привело к открытию архебактерий, строение которых сходно как с прокариотами, так и с эукариотами. Вопрос о том, какие одноклеточные организмы являются более древними, о возможности существования некой первоклетки, из которой потом появились все три эволюционные линии, до сих пор остается открытым.

Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы по способу питания разделить на два вида:

1) автотрофные организмы - организмы, не нуждающиеся в органической пище и могущие осуществлять жизнедеятельность за счет ассимиляции углекислоты (бактерии) или фотосинтеза (растения), т.е. автотрофы сами производят необходимые им питательные вещества;

2) гетеротрофные организмы - это все организмы, которые не могут обходиться без органической пищи.

Позднее были уточнены такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества (витамины, гормоны и т.д.) и обеспечивать себя энергией, зависимость от экологической среды и др. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических связей свидетельствует о необходимости системного подхода к изучению жизни и на онтогенетическом уровне. Так была сформулирована концепция функциональной системности П.К. Анохина, в соответствии с которой в одноклеточных и многоклеточных организмах согласованно функционируют различные компоненты систем. При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность в осуществлении процессов жизнедеятельности всего организма. Функциональная системность также проявляется в том, что процессы на низших уровнях организуются функциональными связями на высших уровнях организации. Особенно заметно функциональная системность проявляется у многоклеточных организмов.

Онтогенетический уровень. Многоклеточные организмы. Основной единицей жизни на онтогенетическом уровне выступает отдельная особь, а элементарным явлением является онтогенез. Биологическая особь может быть как одноклеточным, так и многоклеточным организмом, однако в любом случае она представляет собой целостную, самовоспроизводящуюся систему.

Онтогенезом называется процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации.

Минимальной живой системой, кирпичиком жизни является клетка, изучением которой занимается цитология. Функционирование и развитие многоклеточных живых организмов составляет предмет физиологии. В настоящее время не создана единая теория онтогенеза, поскольку не установлены причины и факторы, определяющие индивидуальное развитие организма.

Все многоклеточные организмы делятся на три царства: грибы, растения и животные. Жизнедеятельность многоклеточных организмов, а также функционирование их отдельных частей изучается физиологией. Эта наука рассматривает механизмы осуществления различных функций живым организмом, их связь между собой, регуляцию и приспособление организма к внешней среде, происхождение и становление в процессе эволюции и индивидуального развития особи. По сути дела, это и есть процесс онтогенеза - развитие организма от рождения до смерти. При этом происходит рост, перемещение отдельных структур, дифференциация и общее усложнение организма.

Процесс онтогенезиса описывается на основе знаменитого биогенетического закона, сформулированного Э. Геккелем, автором термина «онтогенез». Биогенетический закон утверждает, что онтогенез в краткой форме повторяет филогенез, т.е. отдельный организм в своем индивидуальном развитии в сокращенной форме проходит все стадии развития своего вида. Таким образом, онтогенез представляет собой реализацию наследственной информации, закодированной в зародышевой клетке, а также проверку согласованности всех систем организма во время его работы и приспособления к окружающей среде.

Все многоклеточные организмы состоят из органов и тканей. Ткани - это группа физически объединенных клеток и межклеточных веществ для выполнения определенных функций. Их изучение является предметом гистологии. Ткани могут образовываться как из одинаковых, так и из разных клеток. Например, у животных из одинаковых клеток построен плоский эпителий, а из разных клеток - мышечная, нервная и соединительная ткани.

Органы - это относительно крупные функциональные единицы, которые объединяют различные ткани в те или иные физиологические комплексы. Внутренние органы есть только у животных, у растений они отсутствуют. В свою очередь, органы входят в состав более крупных единиц - систем организма. Среди них выделяют нервную, пищеварительную, сердечно-сосудистую, дыхательную и другие системы.

Собственно живой организм представляет собой особую внутреннюю среду, существующую во внешней среде. Он образуется в результате взаимодействия генотипа (совокупности генов одного организма) с фенотипом (комплексом внешних признаков организма, сформировавшихся в ходе его индивидуального развития). Таким образом, организм - это стабильная система внутренних органов и тканей, существующих во внешней среде. Однако, поскольку общая теория онтогенеза пока еще не создана, многие процессы, происходящие во время развития организма, не получили своего полного объяснения.

Популяционно-видовой уровень. Популяционно-видовой уровень - это надорганизменный уровень жизни, основной единицей которого является популяция.

Популяция - совокупность особей одного вида, относительно изолированных от других групп этого же вида, занимающих определенную территорию, воспроизводящую себя на протяжении длительного времени и обладающую общим генетическим фондом.

В отличие от популяции видом называется совокупность особей, сходных по строению и физиологическим свойствам, имеющих общее происхождение, могущих свободно скрещиваться и давать плодовитое потомство. Вид существует только через популяции, представляющие собой генетически открытые системы. Изучением популяций занимается популяционная биология.

В условиях реальной природы особи не изолированы друг от друга, а объединены в живые системы более высокого ранга. Первой такой системой и является популяция.

Термин «популяция» был введен одним из основоположников генетики В. Иогансеном, который назвал так генетически неоднородную совокупность организмов, отличную от однородной совокупности - чистой линии. Позднее этот термин приобрел более глубокий смысл. Популяция стала считаться целостной системой, непрерывно взаимодействующей с окружающей средой, способной к трансформации и развитию.

Целостность популяций, проявляющаяся в возникновении новых свойств по сравнению с онтогенетическим уровнем жизни, обеспечивается взаимодействием особей в популяциях и воссоздается через обмен генетической информацией в процессе полового размножения. У каждой популяции есть количественные границы. С одной стороны, это минимальная численность, обеспечивающая самовоспроизводство популяции, а другой - максимум особей, которые могут прокормиться в ареале (месте обитания) данной популяции. Популяция как целое характеризуется такими параметрами, как волны жизни - периодические колебания численности, плотность населения, соотношение возрастных групп и полов, смертность и т.д.

Популяции - генетически открытые системы, так как изоляция популяций не абсолютна и периодически бывает возможным обмен генетической информацией. Именно популяции выступают в качестве элементарных единиц эволюции, изменения их генофонда ведут к появлению новых видов.

Для популяционного уровня организации жизни характерна активная или пассивная подвижность всех компонентов популяции. Это влечет постоянное перемещение особей - членов популяции. Необходимо отметить, что никакая популяция не бывает абсолютно однородной, она всегда состоит из внутрипопуляционных группировок. Также следует помнить о существовании популяций разных рангов - есть постоянные, относительно независимые географические популяции, и временные (сезонные) местные популяции. При этом высокая численность и устойчивость достигаются только в тех популяциях, которые имеют сложную иерархическую и пространственную структуру, т.е. являются неоднородными, гетерогенными, имеют сложные и длинные пищевые цепи. Поэтому выпадение хотя бы одного звена из этой структуры ведет j к разрушению популяции или потере ею устойчивости.

Биоценотический уровень. Популяции, представляющие первый надорганизменный уровень живого, являющиеся элементарными единицами эволюции, способными к самостоятельному существованию и трансформации, объединяются в совокупности следующего надорганизмеиного уровня - биоценозы.

Биоценоз - совокупность всех организмов, населяющих участок среды с однородными условиями жизни, например лес, луг, болото и т.д. Иными словами, биоценоз - это совокупность популяций, проживающих на определенной территории.

Биоценоз представляет собой закрытую систему для чужих популяций, для составляющих его популяций - это открытая система. Составляющие биоценоз популяции находятся в очень сложных отношениях. Мы можем встретить примеры антагонизма, конкуренции, кооперации, паразитизма. Так, пищевые цепи, формирующиеся внутри биоценозов, являют собой пример антагонизма, так как выживание одних организмов обеспечивается за счет гибели других. Например, хищники живут охотой на травоядных, которые, в свою очередь, питаются растениями. Примерами конкуренции могут служить отношения, складывающиеся между хищниками одного биоценоза, которые борются между собой за лучшие места обитания, за самку и т.д. Часто мы сталкиваемся с паразитизмом, при этом паразиты (глисты, насекомые, микроорганизмы) живут за счет своего хозяина (растения или животного). И, наконец, имеет место кооперация, или симбиоз, при которой организмы разных видов помогают друг другу в выживании. Таковы взаимовыгодные отношения между цветами и насекомыми-опылителями, при которых пчелы получают нектар, необходимый для производства меда, а растения размножаются.

Обычно биоценозы состоят из нескольких популяций и являются составным компонентом более сложной системы - биогеоценоза.

Биогеоценотический уровень. Биогеоценоз - сложная динамическая система, представляющая собой совокупность биотических и абиотических элементов, связанных между собой обменом вещества, энергии и информации, в рамках которой может осуществляться круговорот веществ в природе.

Это означает, что биогеоценоз - устойчивая система, которая может существовать на протяжении длительного времени. Равновесие в живой системе динамично, т.е. представляет собой постоянное движение вокруг определенной точки устойчивости. Для стабильного функционирования живой системы необходимо наличие обратных связей между ее управляющей и управляемой подсистемами. Такой способ поддержания динамического равновесия называется гомеостазом. Нарушение динамического равновесия между различными элементами биогеоценоза, вызванное массовым размножением одних видов и сокращением или исчезновением других, Приводящее к изменению качества окружающей среды, называют экологической катастрофой.

Термин «биогеоценоз» был предложен в 1940 г. русским ботаником В.Н. Сукачевым, который обозначил этим термином совокупность однородных природных явлений (атмосферы, горных по« род, водных ресурсов, растительности, животного мира, почвы), распространенных на некотором протяжении земной поверхности, имеющих определенный тип обмена веществом и энергией между ними и окружающими элементами, представляющих противоречивое единство. Представляя собой единство живого и неживого, биогеоценоз находится в постоянном движении и развитии, поэтому меняется с течением времени.

Биогеоценоз - это целостная саморегулирующаяся система, в которой выделяют несколько типов подсистем:

1) первичные системы - продуценты (производящие), непосредственно перерабатывающие неживую материю (водоросли, растения, микроорганизмы);

2) консументы первого порядка - вторичный уровень, на котором вещество и энергия получаются за счет использования продуцентов (травоядные животные);

3) консументы второго порядка (хищники и т.д.);

4) падальщики (сапрофиты и сапрофаги), питающиеся мертвыми животными;

5) редуценты - это группа бактерий и грибов, разлагающие остатки органической материи.

В результате жизнедеятельности сапрофитов, сапрофагов и редуцентов в почву возвращаются минеральные вещества, что увеличивает ее плодородие и обеспечивает питание растений. Поэтому падальщики и редуценты - очень важная часть пищевых цепей.

Через эти уровни в биогеоценозе проходит круговорот веществ - жизнь участвует в использовании, переработке и восстановлении различных структур. Но круговорота энергии при этом не происходит: с одного уровня на другой, более высокий, переходит около 10% энергии, поступившей на предыдущий уровень. Обратный поток не превышает 0,5%. Иными словами, в биогеоценозе существует однонаправленный энергетический поток. Это делает его незамкнутой системой, неразрывно связанной с соседними биогеоценозами. Данная связь проявляется в разных формах: газообразной, жидкой, твердой, а также в форме миграции животных.

Саморегуляция биогеоценозов протекает тем успешнее, чем разнообразнее количество составляющих его элементов. От многообразия компонентов зависит устойчивость биогеоценозов. Выпадение одного или нескольких компонентов может привести к необратимому нарушению равновесия биогеоценоза и гибели его как целостной системы. Так, тропические биогеоценозы в силу огромного количества растений и животных, входящих в них, намного устойчивее умеренных или арктических биогеоценозов, более бедных в плане видового разнообразия. По той же причине озеро, являющееся природным биогеоценозом с достаточным разнообразием живых организмов, намного устойчивее пруда, созданного человеком и не могущего существовать без постоянного ухода за ним. Это вызвано тем, что высокоорганизованные организмы для своего существования нуждаются в более простых организмах, с которыми они связаны трофическими цепями. Поэтому фундаментом любого биогеоценоза являются простейшие и низшие организмы, большей частью автотрофные микроорганизмы и растения. Они напрямую связаны с абиотическими компонентами биогеоценоза - атмосферой, водой, почвой, солнечной энергией, с использованием которой создают органическое вещество. Они же составляют жизненную среду для гетеротрофных организмов - животных, грибов, вирусов, человека. Эти организмы, в свою очередь, участвуют в жизненных циклах растений - опыляют, распространяют плоды и семена. Так происходит круговорот веществ в биогеоценозе, фундаментальную роль в котором играют растения. Поэтому границы биогеоценозов чаще всего совпадают с границами растительных сообществ.

Биогеоценозы - структурные элементы следующего надорганизменного уровня жизни. Они составляют биосферу и обусловливают все процессы, протекающие в ней.

Биосферный уровень. Биосферный уровень - наивысший уровень организации жизни, охватывающий все явления жизни на нашей планете.

Биосфера - это живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов планеты, включая человека) и преобразованная им окружающая среда.

Биотический обмен веществ - это фактор, который объединяет все другие уровни организации жизни в одну биосферу.

На биосферном уровне происходит круговорот веществ и превращение энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитающих на Земле. Таким образом, биосфера является единой экологической системой. Изучение функционирования этой системы, ее строения и функций - важнейшая задача биологии. Занимаются изучением этих проблем экология, биоценология и биогеохимия.

В системе современного научного мировоззрения понятие биосферы занимает ключевое место. Сам термин «биосфера» появился в 1875 г. Он был введен австрийским геологом и палеонтологом Э. Зюссом для обозначения самостоятельной сферы нашей планеты, в которой существует жизнь. Зюсс дал определение биосферы как совокупности организмов, ограниченной в пространстве и времени и обитающей на поверхности Земли. Но он не придавал значения среде обитания этих организмов.

Тем не менее, Зюсс не был первооткрывателем, так как разработка учения о биосфере имеет довольно длинную предысторию. Одним из первых вопрос о влиянии живых организмов на геологические процессы рассмотрел Ж.Б. Ламарк в книге «Гидрогеология» (1802). В частности, Ламарк говорил о том, что все вещества, находящиеся на поверхности Земли и образующие ее кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов. Затем был грандиозный многотомный труд А. Гумбольдта «Космос» (первая книга вышла в 1845 г.), в котором множество фактов доказывало взаимодействие живых организмов с теми земными оболочками, в которые они проникают. Поэтому Гумбольдт рассматривал в качестве единой оболочки Земли, целостной системы атмосферу, гидросферу и сушу с обитающими в них живыми организмами.

Но о геологической роли биосферы, ее зависимости от планетарных факторов Земли, ее строении и функциях еще не было сказано ничего. Разработка учения о биосфере неразрывно связана с именем выдающегося российского ученого В.И. Вернадского. Его концепция складывалась постепенно, от первой студенческой работы «Об изменении почвы степей грызунами» к «Живому веществу», «Биосфере» и «Биогеохимическим очеркам». Итоги его размышле­ний были подведены в работах «Химическое строение биосферы Земли» и «Философские мысли натуралиста», над которыми он работал в последние десятилетия своей жизни. Именно Вернадскому удалось доказать связь органического мира нашей планеты, выступающего в виде единого нераздельного целого, с геологическими процессами на Земле, именно он открыл и изучил биогеохимические функции живого вещества.

Ключевым понятием в концепции Вернадского стало понятие живого вещества, под которым ученый понимал совокупность всех живых организмов нашей планеты, включая человека. В состав живого вещества он включал также часть окружающей его внешней среды, необходимой для поддержания нормальной жизнедеятельности организмов; выделения и части, теряемые организмами; умершие организмы, а также органические смеси, находящиеся вне организмов. Важнейшим отличием живого вещества от косной материи Вернадский считал молекулярную дисимметрию живого, открытую в свое время Пастером (молекулярную хиральность согласно современной терминологии). Используя это понятие, Вернадскому удалось доказать, что не только окружающая среда влияет на живые организмы, но и жизнь способна действенно формировать среду своего обитания. Действительно, на уровне отдельного организма или биоценоза влияние жизни на окружающую среду проследить очень сложно. Но, введя новое понятие, Вернадский вышел на качественно новый уровень анализа жизни и живого - биосферный уровень.

Биосфера, согласно Вернадскому, - это живое вещество планеты (совокупность всех живых организмов Земли) и преобразованная им среда обитания (косное вещество, абиотические элементы), в которую входят гидросфера, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры. Таким образом, это не биологическое, геологическое или географическое понятие, а фундаментальное понятие биогеохимии - новой науки, созданной Вернадским для изучения геохимических процессов, проходящих в биосфере при участии живых организмов. В новой науке биосферой стали называть один из основных структурных компонентов организованности нашей планеты и околоземного космического пространства. Это сфера, в которой осуществляются биоэнергетические процессы и обмен веществ вследствие деятельности жизни.

Благодаря новому подходу Вернадский исследовал жизнь как могучую геологическую силу, действенно формирующую облик Земли. Живое вещество стало тем звеном, которое соединило историю химических элементов с эволюцией биосферы. Введение нового понятия также позволяло поставить и решить вопрос о механизмах геологической активности живого вещества, источниках энергии для этого.

Живое вещество и косное вещество постоянно взаимодействуют в биосфере Земли - в непрерывном круговороте химических элементов и энергии. Вернадский писал о биогенном токе атомов, который вызывается живым веществом и выражается в постоянных процессах дыхания, питания и размножения. Например, круговорот азота связан с превращением в нитраты молекулярного азота атмосферы. Нитраты усваиваются растениями и в составе их белков попадают к животным. После смерти растений и животных их тела оказываются в почве, где гнилостные бактерии разлагают органические останки до аммиака, который затем окисляется в азотную кислоту.

На Земле идет непрерывное обновление биомассы (за 7-8 лет), при этом в круговорот вовлекаются абиотические элементы биосферы. Например, воды Мирового океана прошли через биогенный Цикл, связанный с фотосинтезом, не менее 300 раз, свободный кислород атмосферы обновлялся не менее 1 млн. раз.

Также Вернадский отмечал, что биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к своему максимальному проявлению, а эволюция видов ведет к появлению новых видов, Увеличивающих биогенную миграцию атомов.

Вернадский также впервые отметил, что живое вещество стремится к максимальному заселению среды обитания, причем количество живого вещества в биосфере остается стабильным на протяжении целых геологических эпох. Эта величина не менялась, по крайней мере, последние 60 млн. лет. Количество видов при этом также оставалось неизменным. Если в каком-то месте Земли количество видов убавляется, то в другом месте - прибавляется. В наши дни исчезновение огромного числа видов растений и животных связано поэтому с распространением человека и его неразумной деятельностью по преобразованию природы. Население Земли растет за счет гибели других видов.

Благодаря биогенной миграции атомов живое вещество выполняет свои геохимические функции. Современная наука классифи­цирует их по пяти категориям:

  • концентрационная функция - выражается в накоплении определенных химических элементов как внутри, так и вне живых организмов благодаря их деятельности. Результатом стало появление запасов полезных ископаемых (известняки, нефть, газ, уголь и т.д.);

  • транспортная функция - тесно связана с концентрационной функцией, так как живые организмы переносят нужные им химические элементы, которые затем накапливаются в местах их обитания;

  • энергетическая функция — обеспечивает потоки энергии, пронизывающие биосферу, что дает возможность осуществлять все : биогеохимические функции живого вещества. Важнейшую роль в этом процессе играют фотосинтезирующие растения, преобразующие солнечную энергию в биогеохимическую энергию живого вещества биосферы. Эта энергия тратится на все грандиозные преобразования облика нашей планеты;

  • деструктивная функция — связана с разрушением и переработкой органических останков, в ходе которых накопленные организмами вещества возвращаются в природные циклы, идет круговорот веществ в природе;

  • средообразующая функция — проявляется в преобразовании окружающей среды под действием живого вещества. Мы можем смело утверждать, что весь современный облик Земли - состав атмосферы, гидросферы, верхнего слоя литосферы, большая часть полезных ископаемых, климат - являются результатом действия Жизни. Так, зеленые растения обеспечивают Землю кислородом и накапливают энергию, микроорганизмы участвуют в минерализации органических веществ, образовании ряда горных пород и почвообразовании.

При всей грандиозности задач, которые решают живое вещество и биосфера Земли, сама биосфера (по сравнению с другими геосферами) представляет собой очень тонкую пленку. Сегодня принято считать, что в атмосфере микробная жизнь имеет место примерно до высоты 20-22 км над земной поверхностью, а наличие жизни в глубоких океанических впадинах опускает эту границу до 8-11 км ниже уровня моря. Углубление жизни в земную кору много меньше, и микроорганизмы обнаружены при глубинном бурении и в пластовых водах не глубже 2-3 км. В состав биосферы Вернадский включал:

  • живое вещество;

  • биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами (каменный уголь, нефть, газ и т.д.);

  • косное вещество, образованное в процессах без участия живого вещества;

  • вещества, создаваемые живыми организмами и косными процессами, и их динамическое равновесие;

  • вещества, находящиеся в процессе радиоактивного распада;

  • рассеянные атомы, выделяющиеся из земного вещества под влиянием космических излучений;

  • вещество космического происхождения, включающее отдельные атомы и молекулы, проникающие на Землю из космоса.

Разумеется, жизнь в биосфере распространена неравномерно, существуют так называемые сгущения и разрежения жизни. Наиболее густо населены нижние слои атмосферы (50 м от земной поверхности), освещенные слои гидросферы и верхние слои литосферы (почва). Также следует отметить, что тропические области заселены намного плотнее, чем пустыни или ледяные поля Арктики и Антарктики. Глубже в земную кору, в океан, а также выше в атмосферу количество живого вещества уменьшается. Таким образом, эта тончайшая пленка жизни покрывает абсолютно всю Землю, не оставляя ни одного места на нашей планете, где бы не было жизни. При этом нет резкой границы между биосферой и окружающими ее земными оболочками.

Долгое время идеи Вернадского замалчивались, и вновь к ним вернулись лишь в середине 1970-х гг. Во многом это произошло благодаря трудам российского биолога Г.А. Заварзина, который доказал, что основным фактором становления и функционирования биосферы были и остаются многосторонние трофические связи. Они установились не менее чем 3,4-3,5 млрд. лет назад и с тех пор определяют характер и масштабы круговорота элементов в оболочках Земли.

В начале 1980-х гг. английским химиком Дж. Лавлоком и американским микробиологом Л. Маргулис была предложена очень интересная концепция Геи-Земли. Согласно ей биосфера представляет собой единый суперорганизм с развитым гомеостазом, делающим его относительно независимым от флуктуации внешних факторов. Но если саморегулирующаяся система Геи-Земли попадает в состояние стресса, близкое к границам саморегуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое состояние или даже к полному уничтожению системы. В истории нашей планеты уже не раз случались такие глобальные катастрофы. Самой известной из них является исчезновение динозавров около 60 млн. лет назад. Сейчас Земля вновь переживает глубокий кризис, поэтому так важно продумать стратегию дальнейшего развития человеческой цивилизации.

3. Сущность жизни. Вопросы о происхождении и сущности жизни стали предметом интереса человека очень давно. Они наряду с вопросами о происхождении Вселенной и человека составляют фундамент нашего мировоззрения. Необходимо отметить, что на самом деле это не два вопроса, а один, сформулированный в двух своих аспектах. И действительно, невозможно узнать, как появилась жизнь на Земле, если не знать, что это такое. В то же время нельзя ответить на вопрос, что такое жизнь, не рассматривая вопрос о ее происхождении. При попытке определить сущность жизни на научном уровне возникают значительные трудности, поскольку есть признаки, общие как для живой, так и для неживой природы, при этом выделить какой-либо существенный и единственный критерий жизни современной науке пока не удалось.

Определение жизни. В современной науке жизнь и живое являются объектом исследования многих естественно-научных дисциплин, начиная с биологии и смежных с нею отраслей научного знания и завершая философией, математикой, рассматривающих абстрактные модели феномена живого, а также физикой, определяющей жизнь с позиций физических закономерностей. Ключевым вопросом многих из этих исследований является вопрос о сущности жизни, рассматриваемый различными естественно-научным и направлениями и философскими школами по-разному.

Долгое время в науке существовало два основных подхода к решению этого вопроса - механицизм и витализм. Механистический материализм, характерный для классической науки Нового времени, не признавал качественной специфики живых организмов и представлял жизненные процессы как результат действия химических и физических процессов. Поэтому механицизм отождествлял живые организмы со сложными машинами. Однако такой подход неверен в самой своей основе, ведь аналогия между живым существом и машиной не объясняет причину целесообразности живого организма. Целесообразность машин связана с тем, что они целенаправленно создаются человеком для выполнения определенных работ, и потому имеют соответствующее устройство. Но оценивать жизнь с таких позиций, оставаясь в рамках материалистического мировоззрения, нельзя, иначе нам придется признать существование творца всего живого - Бога. Таким образом, механицизм и его более поздняя разновидность - редукционизм всякий раз беспомощно останавливались перед проблемой сущности жизни.

Противоположной точкой зрения выступал витализм (от лат. vitaiis - жизненный), который объяснял качественное отличие живого от неживого наличием в живых организмах особой «жизненной силы», отсутствующей в неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам. Такое решение проблемы сущности жизни тесно связано с признанием факта творения ее Богом, иным разумным началом и т.д.

На обыденном уровне мы все интуитивно понимаем, что представляет собой живое, а что - неживое. Однако при попытке четко сформулировать определение жизни возникают большие трудности, так как сущность жизни понимается и определяется неоднозначно.

Большинство ученых убеждено, что жизнь представляет собой особую форму существования материального мира. До конца 1950-х гт. в научной и философской литературе общепринятым было знаменитое определение Ф. Энгельса, согласно которому жизнь есть способ существования белковых тел, состоящий в постоянном самообновлении их химических составных частей. Но постепенно стало очевидным, что субстратная основа жизни не сводится только к белкам, а функциональная - к присущему белковым телам обмену веществ. Также ученым удалось точно установить, что качественное отличие живого от неживого заключено в структуре их соединений, в строении и связях, особенностях функций, характеристике и организации протекающих в организме процессов. Кроме того, жизнь отличается динамичностью и лабильностью. Но при этом можно говорить о полном тождестве химических элементов, входящих в состав живого и неживого.

На основании новых данных во второй половине XX в. появились новые определения жизни. Например, определение канадского биолога Г. Селье, в соответствии с которым жизнь понимается как процесс непрерывной адаптации организмов к постоянно изменяющимся условиям внешней и внутренней среды. При этом организм оказывается способным поддерживать стабильность всех своих структур и функций, несмотря на воздействие различных внешних факторов.

Современная биология в вопросе о сущности жизни все чаще по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом акцент делается на то, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни. Таково определение жизни Б.М. Медникова. Он называет жизнью активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфических структур, обладающих следующими свойствами: наличие генотипа и фенотипа; репликация генетических программ матричным способом; неизбежность ошибок на микроуровне при репликации, приводящих к мутациям; многократное усиление этих изменений в ходе формирования фенотипа и их селекция со стороны факторов внешней среды.

В этом определении акцент сделан на то, что жизнь связана с воспроизведением характерной для каждого вида упорядоченности. При этом организм воспроизводит себя и поддерживает свою целостность за счет использования элементов окружающей среды с более низкой упорядоченностью. Чужая упорядоченность организму не нужна, так как это будет означать воспроизведение чуждых для него структур, что приведет к гибели данного организма. Именно это происходит, когда в клетку проникает вирус, заставляющий ее развиваться по его генетической программе. Так возникают болезни, могущие привести к гибели всего организма. Поэтому любой организм имеет иммунную систему, защищающую его от проникновения «чужаков». Сбой в работе иммунной системы очень опасен для любого организма, хотя в некоторых случаях (например, при пересадке органов) иммунитет приходится подавлять искусственно, чтобы избежать отторжения пересаженного органа.

Даже в процессе питания, когда мы поглощаем части растений и животных, в первую очередь идет разрушение чужой упорядоченности. При этом белки расщепляются до аминокислот, сложные углеводы - до моносахаридов, нуклеиновые кислоты - до нуклеотидов. И лишь после этого организм из этих элементарных «кирпичиков» живого строит те белки и нуклеиновые кислоты, которые необходимы ему. Так что организмы берут извне не готовую упорядоченность, а энергию (растения - свет, животные - малоокисленные соединения для их сжигания в процессе дыхания), с помощью которой они воссоздают свою специфическую структуру.

Очевидным фактом в вопросе сущности жизни является то, что живые организмы существенно отличаются от неживых систем. Эти отличия придают жизни качественно новые свойства. Живым организмам присущи определенные специфические свойства. Часто эти свойства в той или иной степени характерны и для неживой природы, что подчеркивает единство эволюционных процессов. Однако проявление этих свойств и их совокупность не схожи у живых и неживых объектов. Именно совокупность и характер проявления свойств как раз и определяют сущность жизни. Поэтому для того чтобы понять сущность жизни, необходимо, прежде всего, установить путем сравнительного анализа, что такое живое и чем оно отличается от неживого.

Критерии живых систем. Единство химического состава. В состав живых организмов и неживых предметов входят одни и те же химические элементы, однако соотношение элементов в живом и неживом существенно различается. Элементный состав неживой природы наряду с кислородом представлен в основном кремнием, железом, магнием, алюминием и т.д. В живых организмах, как уже отмечалось ранее, 98% химического состава приходится на четыре элемента: углерод, кислород, азот и водород. Кроме того, живые организмы построены в основном из четырех сложных органических молекул - биологических полимеров: нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и жиров, которые очень редко встречаются в неживой природе.

Обмен веществ. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой: они поглощают из нее необходимые вещества и выделяют продукты своей жизнедеятельности. Обмен веществ - двусторонний процесс: во-первых, в результате ряда сложных химических превращений вещества окружающей среды уподобляются органическим веществам живого организма, и из них строится его тело; во-вторых, сложные органические соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава и строения всех частей организма и, как следствие, постоянство их функционирования в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, т.е. гомеостаз. В неживой природе также существует обмен веществ, но в отличие от обмена веществ, присущего живым организмам, круговорот веществ сводится к их простому переносу с одного места на другое или изменению их агрегатного состояния.

Самовоспроизведение (репродукция) и наследственность. При размножении живых организмов потомство обычно похоже на родителей, что дает основания утверждать, что размножение - это свойство организмов воспроизводить себе подобных. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в ДНК. Благодаря репродукции не только целые организмы, но и клетки, а также органоиды клеток после деления сходны со своими прототипами. Следовательно, самовоспроизведение тесно связано с наследственностью - способностью организмов к передаче свойств, признаков, особенностей развития из поколения в поколение, что обусловливает преемственность поколений.

Изменчивость и развитие. Изменчивость создает разнообразный материал для естественного отбора и соответственно предпосылки для развития и роста живых организмов.

Под изменчивостью в естествознании понимают способность организмов приобретать новые признаки и свойства на основе изменения молекул ДНК.

Развитие - это необратимое, направленное, закономерное изменение объектов живой природы.

В результате развития возникает новое качественное состояние живой системы. Развитие жизни как формы существования материи представлено индивидуальным развитием организмов (онтогенез) и историческим развитием видов (филогенез). В процессе развития постепенно и последовательно формируется специфическая структурная организация живого организма, а также происходит увеличение его массы, обусловленное репродукцией макромолекул, элементарных структур клеток и самих клеток.

Раздражимость. Любой живой организм неразрывно связан с окружающей средой: он извлекает из нее необходимые вещества, подвергается воздействию неблагоприятных факторов среды, вступает во взаимодействие с другими организмами и т.д.

В процессе эволюции у живых организмов выработалось и закрепилось свойство раздражимости - избирательной реакции на внешние воздействия.

Всякое изменение условий среды, окружающих организм, представляет собой по отношению к нему раздражение, а реакция организма на внешние раздражители служит показателем его чувствительности и проявлением раздражимости.

Ритмичность. Неотъемлемым свойством природы является последовательная закономерная смена циклов. Периодические изменения в окружающей среде оказывают существенное влияние на живую природу и на собственные жизненные ритмы живых организмов.

В живых системах ритмичность проявляется в периодических изменениях интенсивности физиологических функций с различными периодами их активизации (от нескольких секунд до столетия).

Примерами ритмичности являются суточные ритмы сна и бодрствования у человека, сезонные ритмы активности и спячки у некоторых млекопитающих и др. Ритмичность обеспечивает согласование функций организма с окружающей средой, т.е. приспособление периодически изменяющимся условиям существования.

Саморегуляция. Несмотря на постоянные изменения условий внешней среды, живые организмы сохраняют постоянство своего состава и строения.

Саморегуляция - способность живых организмов поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов в постоянно меняющихся условиях окружающей среды.

При этом недостаток поступления каких-либо питательных веществ мобилизует внутренние ресурсы организма, а их избыток приводит к прекращению синтеза. Например, уменьшение количества клеток в ткани (в результате травмы) вызывает усиленное размножение оставшихся клеток, а после восстановления количества клеток до нормального возникает сигнал о прекращении интенсивности клеточного деления.

Дискретность. Как уже было отмечено, жизнь на Земле существует в виде дискретных форм, т.е. как биосфера в целом, так и каждый отдельный организм состоят из обособленных или отграниченных в пространстве, но тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство. Дискретность строения организма - основа его структурной упорядоченности. Она создает возможность постоянного самообновления его путем замены отживших структурных элементов без прекращения выполняемой им функции. Дискретность вида предопределяет возможность его эволюции через гибель или устранение от размножения неприспособленных особей и сохранения особей с полезными для выживания признаками.

Таким образом, в обобщенном и упрошенном виде все отмеченное выше можно выразить в следующих выводах.

Все живые организмы питаются, дышат, растут, размножаются и распространяются в природе. Естественно, что данные признаки должны быть отражены в определении жизни. Исходя из этого можно предложить следующее определение жизни.

В современном естествознании понятием «жизнь» или «живое» обозначается высшая из природных форм движения материи, которая характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения.

Важнейшими признаками жизни являются противостояние энтропийным процессам, обмен веществ с окружающей средой, воспроизводство на основе генетического кода и молекулярная хиральность.



Тема 10: Основные концепции происхождения жизни

1. Разнообразие концепций происхождения жизни.

2. Современное состояние проблемы происхождения жизни.

3. Появление жизни на Земле.

4. Формирование и развитие биосферы Земли.

5. Появление царств растений и животных.


1. Разнообразие концепций происхождения жизни. Загадка появления жизни на Земле с незапамятных времен волнует людей. На протяжении веков менялись взгляды на эту проблему и было высказано большое количество самых разнообразных гипотез и концепций. Некоторые из них получили широкое распространение и доминировали в те или иные периоды развития естествознания. К такого рода концепциям происхождения жизни относят:

1) креационизм, утверждающий, что жизнь создана сверхъестественным существом в результате акта творения;

2) концепцию стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда;

3) концепцию самопроизвольного зарождения жизни, основывающуюся на идее многократного возникновения жизни из неживого вещества;

4) концепцию панспермии, утверждающую, что жизнь занесена на Землю из космоса;

5) концепцию случайного однократного происхождения жизни;

6) концепцию закономерного происхождения жизни путем биохимической эволюции.

Такое разнообразие взглядов вызвано тем обстоятельством, что точно воспроизвести или экспериментально подтвердить процесс зарождения жизни сегодня невозможно. Отмеченные теории преимущественно опираются на умозрительные представления как исследователей естественно-научного направления, так и исследователей, придерживающихся теологических взглядов.

Концепция креационизма. Концепция креационизма имеет самую длинную историю, так как практически во всех религиях возникновение жизни рассматривается как акт Божественного творения, свидетельством чего являйся наличие в живых организмах особой силы, которая управляет всеми биологическими процессами. Процесс божественного сотворения мира и живого недоступен для наблюдения, и божественный замысел недоступен человеческому пониманию.

Интересно в креационизме был решен вопрос о продолжительности акта творения мира. В Библии сказано, что Бог сотворил мир в шесть дней. Некоторые христианские теологи верят, что это были обычные дни по 24 часа. Другие богословы относились к библейским текстам как к аллегориям и считали, что каждый день творения занимал тысячу лет. Но во всех случаях рассуждения о происхождении жизни базируются лишь на вере в библейские откровения, сомневаться в которых нельзя. Научные же истины в соответствии с принципом фальсификации всегда подвергаются сомнению.

Таким образом, концепция креационизма, по существу, научной не является, ведь она возникла в рамках религиозного мировоззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения жизни, так как все религии требует принимать это положение на веру, без доказательств. Тем не менее, концепция креационизма продолжала и продолжает пользоваться довольно большой популярностью.

Концепция стационарного состояния. Сторонники теории вечного существования жизни считают, что Земля никогда не возникала, а существовала вечно, и вместе с ней всегда существовали различные виды живого. При этом какие-то из видов при изменении условий окружающей среды вымерли, какие-то переместились в новые биологические ниши, а какие-то резко поменяли численность. Большая часть аргументов в пользу этой теории основана на исследованиях палеонтологов, выявивших исчезновение некоторых видов животных в процессе эволюции, отсутствие следов переходных звеньев между разными видами живого и все более высокими оценками возраста Земли. Именно поэтому сторонники теории стационарного состояния заявляют, что жизнь на Земле никогда не возникала, а существовала всегда. В разные геологические эпохи менялись лишь формы жизни. Также они считают, что и виды животных никогда не возникали, а также существовали всегда, что у каждого вида есть лишь две возможности существования: изменение численности или вымирание.

Строго говоря, данную теорию нельзя относить к концепциям происхождения жизни, поскольку вопрос о происхождении жизни в ней принципиально не стоит: жизнь рассматривается как вечно существующая.

Концепция самопроизвольного зарождения жизни. Данная концепция также зародилась давно и долгое время была единственной альтернативной креационизму. Идея о самопроизвольном зарождении жизни появилась в результате повседневных наблюдений за тем, как в мусорных кучах, гниющих отбросах постоянно появляются личинки, черви, мухи. Поскольку о существовании микроорганизмов в те далекие времена не было ничего известно, то считалось, что все низшие организмы появляются путем самозарождения. Ученые Средневековья, например, допускали, что рыбы могли зародиться из ила, мыши - из грязи, мухи - из мяса и т.д. Подобных взглядов придерживались многие известные ученые (Аристотель, Парацельс, Коперник, Галилей, Декарт и др.), благодаря авторитету которых концепция самопроизвольного зарождения жизни смогла существовать так долго.

Однако начиная с XVII в. стали накапливаться данные, проти­воречащие такому пониманию происхождения жизни. В 1668 г. итальянский естествоиспытатель и врач Ф. Реди провел серию опытов, которыми доказал, что белые черви в гниющем мясе есть не что иное, как личинки мух. Его опыты были простыми и убедительными. В несколько сосудов он положил кусочки мяса. Часть этих сосудов он оставил открытыми, а часть прикрыл материей, пропускающей воздух. Вскоре в первых сосудах появились личинки мух, а в прикрытых сосудах их не было. Тем самым он доказал невозможность самозарождения червей из гниющего мяса в отсутствие мух. В результате проведенных опытов Реди сформулировал свой знаменитый принцип: «Все живое - от живого». Поэтому Реди стал основоположником концепции биогенеза, утверждавшей, что жизнь возникает только из предшествующей жизни.

Несмотря на убедительность опытов Реди, споры вокруг этой теории продолжались вплоть до середины XIX в., когда знаменитый французский ученый Луи Пастер своими простыми и оригинальными опытами окончательно доказал невозможность самозарождения простых организмов. Опыты Пастера продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда были ранее занесены их зародыши. Если же сосуд с питательной средой оградить от занесения в него микробов, проведя стерилизацию (пастеризацию), то никакого самозарождения не произойдет. Опыты Пастера подтвердили принцип Реди и показали научную несостоятельность концепции спонтанного самозарождения организмов. Но, опровергнув эту концепцию, Пастер, к сожалению, не предложил никакой другой идеи. Поэтому в середине XIX в. наука не могла ничего сказать о том, как возникла жизнь на Земле.

Концепция самозарождения жизни, несмотря на свою ошибочность, сыграла позитивную роль в развитии естествознания, поскольку опыты, призванные подтвердить ее, помогли получить богатый эмпирический материал для развивающейся биологической науки.

Концепция панспермии. Практически одновременно с опытами Пастера немецким ученым Г. Рихтером была высказана гипотеза о занесении живых существ на Землю из космоса, получившая позднее название концеп­ции панспермии (от греч. pan - весь, sperma - семя). Согласно этой гипотезе жизнь в виде «семян» широко распространена в космосе, откуда зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и дать начало эволюции всего живого, породив таким образом все много­образие земной жизни. То есть данная теория допускала возможность возникновения жизни в разное время в разных частях Галактики и перенесения ее на Землю тем или иным способом. Основную идею концепции панспермии разделяли крупнейшие ученые конца XIX в. У. Томсон (барон Кельвин), Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский и др.

В 1908 г. шведский химик С. Аррениус выдвинул схожую гипотезу происхождения жизни из космоса. Он высказал мысль, что зародыши жизни вечно существуют во Вселенной, движутся в космическом пространстве под влиянием световых лучей и, оседая на поверхности планет, дают начало жизни на них. Жизнь на нашей Земле начала свое развитие тогда, когда на нее из Космоса попали зародыши жизни.

Концепция панспермии была поддержана многими известными учеными, что способствовало ее широкому распространению. Довольно большое число сторонников имеет эта концепция и в наши дни. Так, американские астрономы, изучая газовую туманность, отстоящую от Земли на 25 тысяч световых лет, нашли в ее спектре следы аминокислот и других органических веществ. В начале 1980-х гг. американские исследователи обнаружили в Антарктиде осколок породы, выбитой когда-то с поверхности Марса крупным метеоритом. При помощи электронного микроскопа в этом камне были обнаружены окаменевшие останки микроорганизмов, похожие на земные бактерии. Это говорит о том, что в прошлом на Марсе существовала примитивная жизнь, может быть, она есть там и сейчас.

Тем не менее, серьезных аргументов в пользу концепции панспермии нет. При этом существуют серьезные доводы против нее. Дело в том, что, хотя спектр возможных условий для существования живых организмов достаточно широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей.

Были попытки опровергнуть это положение. Так, голландский ученый М. Гринберг считал, что на нашу планету жизнь была занесена кометами. По его мнению, живые клетки зародились в газовых хвостах комет. Поэтому он попытался воспроизвести в лабораторных условиях кометную среду. Для этого Гринберг охладил смесь, окиси углерода и воды до температуры -269°С и подверг ультрафиолетовому облучению. В результате он получил сложные органические соединения. Однако опыты Гринберга не изменили мнения большинства ученых.

Космическая гипотеза возникновения жизни получила продолжение в настоящее время в исследованиях Ф. Хойла, предположившего, что микроорганизмы образуются в космическом пространстве, захватываются кометами и рассеиваются в пространстве планет, мимо которых они пролетают. Но предопределенность такого возникновения жизни чрезвычайно мала, а одна только возможность - это не самое главное условие для зарождения живого в Космосе или на Земле.

Некоторая часть ученых склоняется к версии о «направленной» панспермии. Она довольно неплохо изложена в произведениях некоторых писателей-фантастов. Суть ее - в признании существования некой галактической сверхцивилизации сеятелей, которые создают и распространяют семена жизни по разным планетам. Среди ее сторонников - английский профессор Ф. Крик, один из первооткрывателей структуры гена, предложивший свою гипотезу еще в 1971 г. К сожалению, при всей своей привлекательности эта версия не выдерживает строгой научной критики, у нас нет ни одного довода в ее пользу.

Кроме того, все существующие варианты концепции панспермии в конечном счете не решают проблемы происхождения жизни. Они лишь выносят ее за пределы Земли, однако оставляют открытым вопрос: если жизнь была занесена на Землю из космоса, то где и как она возникла там?

Концепция случайного однократного происхождения жизни. Неспособность рассмотренных теорий и концепций дать убедительное и аргументированное объяснение происхождения жизни привели в начале XX в. к дальнейшим поискам решения данной проблемы. В контексте этих поисков американский генетик Г. Меллер выдвинул гипотезу о случайном возникновении первичной молекулы живого вещества. Суть гипотезы заключается в предположении, что живая молекула, способная размножаться, могла возникнуть случайно в результате взаимодействия простейших веществ. Он считает, что элементарная единица наследственности - ген - является основой жизни. И жизнь в форме гена, по его мнению, возникла путем случайного сочетания атомных группировок и молекул, существовавших в водах первичного океана. Гипотеза случайного однократного появления жизни получила особенно широкое распространение среди генетиков после открытия роли ДНК в явлениях наследственности.

Тем не менее, идея случайного возникновения ДНК до сих пор широко распространена в научной литературе, хотя вероятность такого события очень мала. При всей своей внешней наукообразно­сти эта концепция по степени доказательности не отличается от концепции креационизма, поэтому в наши дни у нее практически не осталось сторонников.

Концепция биохимической эволюции. Теория А.И. Опарина. Одним из главным препятствий, стоявших в начале XX в. на пути решения проблемы возникновения жизни, было господство­вавшее в науке и основанное на повседневном опыте убеждение, что между органическими и неорганическими соединениями не существует никакой взаимосвязи. До середины XX в. многие уче­ные полагали, что органические соединения могут возникать только в живом организме, биогенно. Именно поэтому их назвали органическими соединениями в противоположность веществам неживой природы - минералам, которые получили название неорганических соединений. Считалось, что природа неорганических веществ совершенно иная, а поэтому возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ принципиально невозможно. Однако после того, как из обычных химических элементов было синтезировано первое органическое соединение, представление о двух разных сущностях органических и неорганических веществ оказалось несостоятельным. В результате этого открытия возникли органическая химия и биохимия, изучающие химические процессы в живых организмах.

Кроме того, данное научное открытие позволило создать концепцию биохимической эволюции, согласно которой жизнь на Земле возникла в результате физических и химических процессов. Исходную основу этой гипотезы составили данные о сходстве веществ, входящих в состав растений и животных, а также о возможности в лабораторных условиях синтезировать органические вещества, составляющие белок.

Эти открытия легли в основу концепции А.И. Опарина, опубликованной в 1924 г. в книге «Происхождение жизни», где была изложена принципиально новая гипотеза происхождения жизни. Он выступил с утверждением, что принцип Реди, вводящий монополию биотического синтеза органических веществ, справедлив лишь для современной эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотические синтезы углеродистых соединений и иx последующая предбиологическая эволюция.

Появление жизни он рассматривал как единый естественный процесс, который состоял из протекавшей в условиях ранней Земли первоначальной химической эволюции, перешедшей постепенно на качественно новый уровень - биохимическую эволюцию. Суть гипотезы сводилась к следующему: зарождение жизни на Земле - длительный эволюционный процесс становления живой материи в недрах неживой. И произошло это путем химической эволюции, в результате которой простейшие органические вещества образовались из неорганических под влиянием сильнодействующих физико-химических факторов.

Рассматривая проблему возникновения жизни путем биохимической эволюции, Опарин выделяет три этапа перехода от неживой материи к живой:

1) этап синтеза исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы ранней Земли;

2) этап формирования в первичных водоемах Земли из накопившихся органических соединений биополимеров, липидов, углеводородов;

3) этап самоорганизации сложных органических соединений, возникновение на их основе и эволюционное совершенствование процессов обмена веществом и воспроизводства органических структур, завершающееся образованием простейшей клетки.

На первом этапе, около 4 млрд. лет назад, когда Земля была безжизненной, на ней происходили абиотический синтез углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Для этого периода эволюции Земли были характерны многочисленные вулканические извержения с выбросом огромного количества раскаленной лавы. По мере остывания планеты водяные пары, находившиеся в атмосфере, конденсировались и обрушивались на Землю ливнями, образуя огромные водные пространства. Поскольку поверхность Земли оставалась все-таки горячей, вода испарялась, а затем, охлаждаясь в верхних слоях атмосферы, вновь выпадала на поверхность планеты. Эти процессы продолжались многие миллионы лет. Таким образом в водах первичного океана были растворены различные соли. Кроме того, в него попадали и органиче­ские соединения: сахара, аминокислоты, азотистые основания, органические кислоты и т.п., непрерывно образующиеся в атмосфере под действием ультрафиолетового излучения, высокой температуры и активной вулканической деятельности.

Первичный океан, вероятно, содержал в растворенном виде различные органические и неорганические молекулы, попавшие в него из атмосферы и поверхностных слоев Земли. Концентрация органических соединений постоянно увеличивалась, и в конце концов воды океана стали «бульоном» из белковоподобных веществ - пептидов.

На втором этапе, по мере смягчения условий на Земле, под воздействием на химические смеси первичного океана электрических разрядов, тепловой энергии и ультрафиолетовых лучей стало возможным образование сложных органических соединений - биополимеров и нуклеотидов, которые, постепенно объединяясь и усложняясь, превращались в протобионтов (доклеточные предки живых организмов). Итогом эволюции сложных органических веществ стало появление коацерватов, или коацерватных капель.

Коацерваты - это комплексы коллоидных частиц, раствор которых разделяется на два слоя: слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, растворенные в водах первичного океана. В результате внутреннее строение коацерватов менялось, что вело или к их распаду, или к накоплению веществ, т.е. к росту и изменению химического состава, повышающего их устойчивость в постоянно меняющихся условиях. Теория биохимической эволюции рассматривает коацерваты как предбиологические системы, представляющие собой группы молекул, окруженные водной оболочкой. Коацерваты оказались способными поглощать из внешней среды различные органические вещества, что обеспечило возможность первичного обмена веществ со средой.

На третьем этапе, как предполагал Опарин, начал действовать естественный отбор. В массе коацерватных капель происходил отбор коацерватов, наиболее устойчивых к данным условиям среды. Процесс отбора шел в течение многих миллионов лет, в результате чего сохранилась только малая часть коацерватов. Однако сохранившиеся коацерватные капли обладали способностью к первичному метаболизму. А обмен веществ - первейшее свойство жизни. Вместе с тем, достигнув определенных размеров, материнская капля могла распадаться на дочерние, которые сохраняли особенности материнской структуры Таким образом, можно говорить о приобретении коацерватами свойства самовоспроизведения - одного из важнейших признаков жизни. По сути дела, на этой стадии коацерваты превратились в простейшие живые организмы.

Дальнейшая эволюция этих предбиологических структур была возможна только при усложнении обменных и энергетических про­цессов внутри коацервата. Более прочную изоляцию внутренней среды от внешних воздействий могла обеспечить только мембрана. Вокруг коацерватов, богатых органическими соединениями, возникли слои липидов, отделившие коацерват от окружающей его водной среды. В процессе эволюции липиды трансформировались в наружную мембрану, что значительно повысило жизнеспособность и устойчивость организмов. Появление мембраны предопределило направление дальнейшей химической эволюции по пути все более совершенной саморегуляции вплоть до возникновения первых клеток.

Популярность концепции Опарина в научном мире очень велика. Однако большая часть экспериментов, развивших идеи ученого, 6Ь1ла проведена только в 1950-1960-е гг. Так, в 1953 г. С. Миллер в ряде экспериментов смоделировал условия, существовавшие на раннем этапе эволюции Земли. В сделанной им установке были синтезированы многие аминокислоты, аденин, простые сахара и другие вещества, имеющие важное биологическое значение. После этого Л. Орджел в сходном эксперименте синтезировал простые нуклеиновые кислоты. Но несмотря на экспериментальную обоснованность и теоретическую убедительность, концепция Опарина имеет как сильные, так и слабые стороны.

Сильной стороной концепции является достаточно точное экспериментальное обоснование химической эволюции, согласно которой зарождение жизни является закономерным результатом добиологической эволюции материи. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается не только лабораторного воспроизведения предполагаемых физико-химических условий первичной Земли, но и коацерватов, имитирующих доклеточных предков и их функциональные особенности.

Слабой стороной концепции является невозможность объяснения самого момента скачка от сложных органических соединений к живым организмам, ведь ни в одном из поставленных экспериментов получить жизнь так и не удалось. Кроме того, Опарин допускал возможность самовоспроизведения коацерватов в отсутствие молекулярных систем с функциями генетического кода. Иными словами, без реконструкции эволюции механизма наследственности объяснить процесс скачка от неживого к живому не удается. Поэтому сегодня считается, что решить эту сложнейшую проблему биологии без привлечения концепции открытых каталитических систем, молекулярной биологии, а также кибернетики не получится.

2. Современное состояние проблемы происхождения жизни. В настоящее время центральной проблемой в вопросе о происхождении жизни на Земле является описание эволюции механизма наследственности. Ученые убеждены, что жизнь возникла только тогда, когда начал действовать механизм репликации. Любая, даже очень сложная комбинация аминокислот и других органических соединений - это еще не жизнь. Вместе с тем появление праДНК. вместо коацерватной капли тоже не может считаться началом жизни на Земле, ибо современная ДНК может функционировать только при наличии белковых ферментов.

Таким образом, ученые-биологи, занимающиеся сегодня решением вопроса о происхождении жизни, сводят его к характеристике доклеточного предка - протобионта, его структурных и функциональных особенностей.

Концепции голобиоза и генобиоза. Трудность решения этого вопроса объясняется хорошо известным фактом: для саморепродукции нуклеиновых кислот - основы генетического кода - необходимы ферментные белки, а для синтеза белков - нуклеиновые кислоты. Данная ситуация аналогична той, что происходит при постройке дома, для которого одновременно нужны как материалы, так и чертежи и планы.

Конечно, проще всего было бы предположить, что нуклеиновые кислоты и белки-ферменты появились одновременно, объединились в единую систему в пределах протобионта, после чего началась их коэволюция - одновременная и взаимосвязанная эволюция. К сожалению, этот компромиссный вариант не получил признания ученых. Дело в том, что белковые и нуклеиновые макромолекулы структурно и функционально глубоко различны. В силу этого они не могли появиться одновременно, в результате одного скачка в ходе химической эволюции. Таким образом, невозможно и их сосуществование в протобиологической системе (протобионте).

В результате на протяжении большей части XX в. ученые вели дискуссию о том, что было первичным - белки или нуклеиновые кислоты, а также о том, как и на каком этапе произошло их объединение в единую систему, способную к передаче генетической информации и регуляции биосинтеза белков, т.е. являющуюся живым организмом. В зависимости от ответа на вопрос, что является первичным - белки или нуклеиновые кислоты, все существующие гипотезы и концепции можно разделить на две большие группы - голобиоза и генобиоза.

Рассмотренная ранее концепция Опарина относится к группе концепций голобиоза - методологического подхода, утверждающего первичность структур, способных к элементарному обмену веществ при участии ферментных белков. Появление нуклеиновых кислот в этой концепции считается завершением эволюции, итогом конкуренции протобионтов. Данную точку зрения можно назвать субстратной.

Сторонники генобиоза исходят из убеждения в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Эту группу гипотез и концепций можно назвать информационной. Примером этой точки зрения может служить концепция американского генетика Дж. Холдейна, выдвинутая им в 1929 г. Согласно концепции Холдейна первичной была не структура, способная к обмену веществ с окружающей средой, а макромолекулярная система, подобная гену и способная к саморепродукции (и поэтому названная им «голым геном»).

Вплоть до 1980-х гг. имело место четко выраженное противостояние гипотез голобиоза и генобиоза, после чего чаша весов стала склоняться в пользу концепции генобиоза. Во многом это произошло благодаря новому истолкованию открытого еще Л. Пастером свойства молекулярной хиральности живых организмов, которое считается изначальным и фундаментальным признаком живой материи. Считается, что свойство молекулярной хиральности зародилось столь же рано, как и способность к генетической саморепродукции. Причем это кодирование производится с помощью молекул ДНК или РНК.

Но оставался нерешенным вопрос о том, какая из этих информационных молекул появилась первой и сыграла роль матрицы для первичной комплиментарной полимеризации. Кроме того, по-прежнему стоял вопрос, как могла функционировать протобиотическая система в отсутствие ферментных белков, если мы допускаем, что они появились позже?

Ответ на эти вопросы был получен к концу 1980-х гг. Он гласил, что первичной была молекула РНК, а не ДНК. Признание этого факта было связано с открытием у РНК уникальных свойств. Оказалось, что она наделена такой же генетической памятью, как и молекула ДНК. Далее была установлена настоящая вездесущность РНК - стало ясно, что нет организмов, в которых отсутствовала бы РНК, хотя есть множество вирусов, геном которых не содержит ДНК. Также, вопреки устоявшейся догме, утверждавшей, что перенос генетической информации идет в направлении от ДНК к РНК и белку, оказался возможным перенос информации от РНК к ДНК при участии фермента, открытого в начале 1970-х гг.

В начале 1980-х гг. была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов, т.е. открыта ее автокаталитическая функция. Это объясняло все нерешаемые ранее вопросы.

Таким образом, сегодня считается, что протобионт представлял собой молекулу РНК. Древняя РНК была транспортной и совмещала в себе черты как фенотипа, так и генотипа. Иными словами, она Могла подвергаться как генетическим преобразованиям, так и естественному отбору. Уже очевидно, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК, у которой С-Н связи более прочны, чем С-ОН связи РНК.

Очевидно, что возникновение хиральности, а также первичных молекул РНК не могло произойти в ходе плавного эволюционного развития. Судя по всему, имел место скачок со всеми характерными чертами самоорганизации вещества, об особенностях которой говорилось выше.

В 1990-е гг. появился еще ряд версий, в соответствии с которыми жизнь могла появиться в геотермальных источниках, на морском дне, в тонких пленках органического вещества, адсорбированного на поверхности кристаллов пирита или апатитов. Их появление вызвано некоторыми недостатками концепции генобиоза, но они еще не получили достаточного обоснования и развития.

Образование древнейшей клетки. Следующим этапом в процессе появления жизни стало рождение настоящей живой клетки. Сегодня о первичной клетке (археклетке) известно намного больше, чем раньше.

Археклетка явилась первым живым организмом. Очевидно, археклетка была отграничена от внешней среды двухслойной оболочкой (мембраной), обладала способностью всасывать через нее протоны, ионы и маленькие молекулы, а ее метаболизм основывался на низкомолекулярных углеродных соединениях. Для строения археклетки характерно наличие клеточного скелета, отвечавшего за целостность клетки, а также обеспечивавшего возможность ее деления. Жизнедеятельность клетки осуществлялась за счет АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).

Возможно, археклетки были схожи с недавно открытыми архебактериями и представляли собой протоэукариотную систему, дальнейшая эволюция которых шла как по линии приобретения новых свойств эукариотами, так и по пути их утраты прокариотами. Данный процесс занял несколько миллиардов лет. Считается, что первые прокариоты появились более 4 млрд. лет назад. Это были бактерии и сине-зеленые водоросли - практически бессмертные организмы, жившие в очень сложных условиях. Эукариоты появились около 2,6 млрд. лет назад, они уже не были бессмертными, и с их появлением процесс эволюции жизни начал ускоряться.

3. Появление жизни на Земле. Как было отмечено выше, в вопросе появления жизни на нашей планете еще много остается неясного и неопределенного. Эта проблема далека от своего окончательного решения. Тем не менее, современная наука дает возможность выдвинуть некоторые гипотезы, отвечающие на вопросы о том, как, когда и в какой форме появилась жизнь на Земле.

Условия, необходимые для появления жизни. История жизни и история Земли неотделимы друг от друга, так как именно в процессах развития нашей планеты как космического тела закладывались определенные физические и химические условия, необходимые для появления и развития жизни.

Прежде всего, следует отметить, что жизнь (во всяком случае в той форме, в которой она функционирует на Земле) может существовать в достаточно узком диапазоне температур, давлений и радиации. Также для появления жизни на Земле нужны вполне определенные материальные основы - химические элементы-органоге­ны и в первую очередь углерод, так как именно он лежит в основе жизни. Этот элемент обладает рядом свойств, делающих его незаменимым для образования живых систем. Углерод способен образовывать разнообразные органические соединения, число которых достигает нескольких десятков миллионов. Среди них - насыщенные водой, подвижные, низкоэлектропроводные, скрученные в цепи структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой и железом обладают хорошими каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами.

Наряду с углеродом к «кирпичикам» живого относятся кислород, водород и азот. Ведь живая клетка состоит на 70% из кислорода, углерода в ней - 17%, водорода - 10%, азота - 3%. Элементы-органогены принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным ве­сом. Их соединения легко растворяются в воде. Эти элементы, очевидно, поступили на Землю вместе с космической пылью, которая стала материалом для «строительства» планет Солнечной системы. Еще на стадии формирования планет возникли углеводороды, соединения азота, в первичных атмосферах планет было много метана, аммиака, водяного пара и водорода. Они, в свою очередь, стали сырьем для получения сложных органических веществ, входящих в состав белков и нуклеиновых кислот (аминокислот и нуклеотидов).

Огромную роль в появлении и функционировании живых организмов играет вода, ведь они на 90% состоят из воды. Поэтому вода является не только средой, но и обязательным участником всех биохимических процессов. Вода обеспечивает метаболизм клетки и терморегуляцию организмов. Кроме того, водная среда как уникальная по своим упругим свойствам структура позволяет всем определяющим жизнь молекулам реализовать свою пространственную организацию. Поэтому жизнь зародилась в воде, но даже выйди из моря на сушу, она сохранила внутри живой клетки океаническую среду.

Наша планета богата водой и расположена на таком расстоянии от Солнца, что необходимая для жизни основная масса воды находится в жидком, а не в твердом или газообразном состоянии, как на других планетах. На Земле поддерживается оптимальная температура для существования жизни, основанной на углероде.

Какой была древнейшая жизнь? Наши знания о ранее живших организмах невелики. Ведь миллиарды особей, представлявших самые разные виды, исчезли, не оставив после себя никаких следов. По оценкам некоторых палеонтологов, в ископаемом состоянии до нас дошли останки только 0,01% всех видов живых организмов, населявших Землю. Среди них - только те организмы, которые могли сохранить структуру своих форм путем замещения или в результате сохранности отпечатков. Все прочие виды до нас просто не дошли, и о них мы не сможем узнать ничего и никогда.

Долгое время считалось, что возраст древнейших отпечатков живых организмов, к которым относятся трилобиты и другие высокоорганизованные водные организмы, составляет 570 млн. лет. Позже были найдены следы намного более древних организмов - минерализовавшихся нитчатых и округлых микроорганизмов примерно десятка различных видов, напоминающих простейших бактерий и микроводорослей. Возраст этих останков, найденных в кремнистых пластах Западной Австралии, был оценен в 3,2-3,5 млрд. лет. Эти организмы, видимо, имели сложную внутреннюю структуру, в них присутствовали химические элементы, соединения которых были способны участвовать в процессе фотосинтеза. Данные организмы бесконечно сложны по сравнению с самым сложным из известных органических соединений абиогенного происхождения. Нет сомнений, что это не самые ранние формы жизни и что существовали их более древние предшественники.

Таким образом, истоки жизни на Земле уходят в тот «темный» первый миллиард лет существования нашей планеты, который не оставил следа в ее геологической летописи. Данную точку зрения подтверждает и тот факт, что известный биогеохимический цикл углерода, связанный с фотосинтезом, в биосфере стабилизировался более 3,8 млрд. лет назад. Это позволяет считать, что фотоавтотрофная биосфера существовала на нашей планете не менее 4 млрд. лет назад. Однако по данным цитологии и молекулярной биологии, фотоавтотрофные организмы были вторичными в процессе эволюции живого вещества. Автотрофному способу питания живых организмов должен был предшествовать гетеротрофный способ как более простой. Автотрофные организмы, строящие свое тело за счет неорганических минеральных веществ, имеют более позднее происхождение. Об этом свидетельствуют следующие факты:

  • все современные организмы обладают системами, приспособленными к использованию готовых органических веществ как исходного строительного материала для процессов биосинтеза;

  • преобладающее число видов организмов в современной биосфере Земли может существовать только при постоянном снабжении готовыми органическими веществами;

  • у гетеротрофных организмов не встречается никаких признаков или рудиментарных остатков тех специфических ферментных комплексов и биохимических реакций, которые характерны для автотрофного способа питания.

Таким образом, можно сделать вывод о первичности гетеротрофного способа питания. Древнейшая жизнь, вероятно, существовала в качестве гетеротрофных бактерий, получавших пищу и энергию за счет органического материала абиогенного происхождения, образовавшегося еще раньше, на космической стадии эволюции Земли. Следовательно, начало жизни как таковой отодвигается еще дальше, за пределы каменной летописи земной коры, более чем на 4 млрд. лет назад.

Говоря о древнейших организмах на Земле, также следует отметить, что по типу своего строения они были прокариотами, возникшими вскоре после появления археклетки. В отличие от эукариотов они не имели оформленного ядра, и ДНК располагалась в клетке свободно, не отделяясь от цитоплазмы ядерной мембраной. Различия между прокариотами и эукариотами гораздо глубже, чем между высшими растениями и высшими животными: и те и другие относятся к эукариотам. Представители прокариотов живут и сегодня. Это бактерии и сине-зеленые водоросли. Очевидно, первые организмы, жившие в очень жестких условиях первоначальной Земли, были похожи на них.

Ученые также не сомневаются в том, что древнейшие организмы, населявшие Землю, были анаэробами, получавшими необходимую им энергию за счет дрожжевого брожения. Большая часть современных организмов являются аэробными и используют кислородное дыхание (окислительные процессы) как способ получения энергии.

Таким образом, прав был В.И. Вернадский, предположивший, что жизнь сразу возникла в виде примитивной биосферы. Только разнообразие видов живых организмов могло обеспечить выполнение всех функций живого вещества в биосфере. Ведь жизнь является мощнейшей геологической силой, вполне сравнимой как по энергетическим затратам, так и по внешним эффектам с такими геологическими процессами, как горообразование, извержение вулканов, землетрясения и т.д. Жизнь не просто существует в окружающей ее среде, но активно эту среду формирует, преобразуя ее «под себя». Не следует забывать, что весь лик современной Земли, все ее ландшафты, осадочные и метаморфические породы (граниты, гнейсы, образовавшиеся из осадочных пород), запасы полезных ископаемых, современная атмосфера являются результатом действия живого вещества.

Эти данные позволили Вернадскому утверждать, что с самого начала существования биосферы входящая в нее жизнь должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, так как биогеохимические функции жизни в силу своего разнообразия и сложности не могут быть связаны только с какой-то одной формой жизни. Таким образом, первичная биосфера изначально была представлена богатым функциональным разнообразием. Поскольку организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте, то первое появление жизни должно было произойти не в виде какого-то одного вида организмов, а в их совокупности. Иными словами, сразу должны были появиться первичные биоценозы. Состояли они из простейших одноклеточных организмов, так как все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть выполнены ими.

И, наконец, следует сказать, что первичные организмы и биосфера могли существовать только в воде. Выше мы уже говорили, что все организмы нашей планеты теснейшим образом связаны с водой. Именно связанная вода, не теряющая своих основных свойств, является их важнейшим составным компонентом и составляет 60-99,7% веса.

Именно в водах первичного океана образовался «первичный бульон». Ведь морская вода сама по себе представляет естественный раствор, содержащий все известные химические элементы. В ней образовались вначале простые, а затем и сложные органические соединения, среди которых были аминокислоты и нуклеотиды. В этом «первичном бульоне» и произошел скачок, давший начало жизни на Земле. Немаловажное значение для появления и дальнейшего развития жизни имела радиоактивность воды, которая тогда была в 20-30 раз большей, чем сейчас. Хотя первичные организмы были намного устойчивее к радиации, чем современные, мутации в те времена происходили намного чаще, поэтому естественный отбор шел интенсивнее, чем в наши дни.

Кроме того, не следует забывать о том, что первичная атмосфера Земли не содержала свободного кислорода, поэтому в ней отсутствовал озоновый экран, защищающий нашу планету от ультрафиолетовой радиации Солнца и жесткого космического излучения. В силу этих причин на суше жизнь просто не могла возникнуть, жизнь возникла в первичном океане, воды которого служили доста­точным препятствием для этих лучей.

Итак, подводя итоги, следует отметить, что первичные организмы, возникшие на Земле более 4 млрд. лет назад, обладали следующими свойствами:

  • они были гетеротрофными организмами, т.е. питались готовыми органическими соединениями, накопленными на этапе космической эволюции Земли;

  • они были прокариотами - организмами, лишенными оформленного ядра;

  • они были анаэробными организмами, использующими в качестве источника энергии дрожжевое брожение;

  • они появились в виде первичной биосферы, состоящей из биоценозов, включающих различные виды одноклеточных организмов;

  • они появились и долгое время существовали только в водах первичного океана.

Начало жизни на Земле. Поскольку жизнь неразрывно связана со средой своего обитания, то начало жизни следует изучать в тесной связи с теми космическими и геологическими процессами, в ходе которых образовалась и развивалась наша планета.

Завершение этапа космической эволюции Земли, в ходе которой она сложилась из планетезималий, произошло около 4,5 млрд. лет назад. После этого наша планета стала постепенно остывать и начала формироваться земная кора, а также атмосфера и гидросфера за счет дегазации лав, выплавлявшихся из верхней мантии при интенсивном вулканизме. Мы имеем все основания полагать, что при этом на поверхность Земли поступали, прежде всего, пары воды и газообразные соединения углерода, серы и азота.

Первичная атмосфера Земли была очень тонкой, разреженной, атмосферное давление у поверхности не превышало 10 мм ртутного столба. Состав первичной атмосферы формировался из тех газов, которые выбрасывались при извержении вулканов. Это подтверждает анализ пузырьков газа, обнаруженных в протоархейских породах (60% - углекислота, 40% - соединения серы, аммиака, метана, другие окислы углерода, а также пары воды). Первичная атмосфера не содержала свободного кислорода, поскольку его не содержали вулканические газы.

Воды первичного океана имели примерно такой же состав, как и сегодня, но в них, как и в атмосфере, отсутствовал свободный кислород. Таким образом, свободный кислород, а значит, и химический состав современный атмосферы, как и свободный кислород океанов Земли, не были первоначально заданы при рождении нашей планеты как небесного тела, а являются результатом жизнедеятельности первых живых организмов, составивших первичную биосферу Земли.

Под действием солнечных и космических лучей, проникавших через разреженную атмосферу, происходила ее ионизация, превращавшая атмосферу в холодную плазму. Поэтому атмосфера ранней Земли была насыщена электричеством, в ней вспыхивали частые разряды. В таких условиях шел быстрый одновременный синтез разнообразных органических соединений, в том числе и весьма сложных. Эти соединения, как и те, что попали на Землю в уже готовом виде из космоса, представляли собой подходящее сырье, из которого на следующей стадии эволюции могли образоваться аминокислоты и нуклеотиды.

Радиоактивный разогрев недр Земли пробудил тектоническую активность, заработали вулканы, выделявшие огромное количество вулканических газов. Это уплотнило атмосферу, отодвинув границу ионизации в ее верхние слои. При этом процесс образования органических соединений продолжался.

Частые грозы с длительными ливнями приносили образовавшиеся органические вещества в водоемы, покрывавшие нашу планету, добавляя их к тем, что уже были растворены в водах первичного океана. Таким образом, оказались накоплены большие запасы органического сырья. По некоторым подсчетам, его масса оценивается в 1016 кг, что всего на 2-3 порядка меньше массы современной биосферы. Согласно расчетам, растворение органических веществ в водах океана дало раствор, концентрация которого составляла 1%. После того, как углеродистые соединения образовали «первичный бульон», уже могли организовываться биополимеры - аминокислоты и нуклеотиды, «кирпичики» белков и нуклеиновых кислот. Необходимая концентрация веществ для образования биополимеров могла возникнуть в результате осаждения органических соединений на минеральных частицах, например на глине или гидроокиси железа, образующих ил водоемов. Кроме того, органические вещества могли образовывать на поверхности океана тонкую пленку, которую ветер и волны гнали к берегу, где она собиралась в толстые слои. В химии известен также процесс объединения родственных молекул в разбавленных растворах.

Дальнейший этап биогенеза связан с концентрацией органических веществ и появлением протобионта - молекулы РНК в результате скачка, приведшего к образованию живого из неживого. Протобионты представляли собой системы органических веществ, покрытые оболочкой и способные взаимодействовать с окружающей средой, т.е. расти и развиваться за счет поглощения из окружающей среды богатых энергией веществ. Кроме того, протобионты обладали способностью к размножению, передавая полезные признаки своим потомкам.

К сожалению, механизм перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам наукой пока не установлен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней между первичными сгустками органических веществ (коацерватов) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей данным сгусткам стабильность. Именно с появлением мембраны можно говорить о рождении клетки - основной структурной единицы жизни, способной к росту и размножению.

4. Формирование и развитие биосферы Земли. Как было отмечено выше, жизнь на Земле первоначально появилась в форме примитивной биосферы. Соответственно присутствие жизни на планете стало коренным образом преображать окружающую среду. Ведь два важнейших компонента биосферы - живое вещество и среда их обитания - непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в тесном органическом единстве, образуя целостную динамическую систему. Развитие биосферы Земли можно рассматривать как последовательную смену трех этапов: восстановительного, слабоокислительного и окислительного.

Восстановительный этап в развитии биосферы. Как считают многие ученые, восстановительный этап развития биосферы начался еще в космических условиях и завершился появлением на Земле гетеротрофной биосферы. На этом этапе развития биосферы появились малые сферические анаэробы и прокариоты. Физиологические процессы этих организмов основывались не на кислородном окислении, а на дрожжевом брожении. Изначально в атмосфере Земли присутствовали лишь следы свободного кислорода. Производство свободного кислорода начали первые организмы. Но количество кислорода было незначительным и пока он приводил лишь к окислительным процессам на земной поверхности и в океане.

Поскольку первые организмы были гетеротрофами, они нуждались в питании. Пищей для них стали ранее накопленные органические соединения, растворенные в водах первичного океана, так как первичная биосфера ограничивалась водной средой. Но жизнь нуждалась в дополнительных источниках энергии. Поэтому на ранних стадиях эволюции живые организмы активно использовали различного рода радиацию. По мнению А.И. Перельмана, особенно важную роль играл радиоактивный калий, который поглощался первыми организмами. Потребность в калии впоследствии закрепилась генетически, хотя для более высокоорганизованных форм радиоактивность перестала служить источником энергии.

Продолжительность существования первичной восстановительной биосферы в геологических масштабах была невелика. Причина этого заключалась в том, что первичные гетеротрофные организмы быстро размножались и, естественно, довольно быстро исчерпали свою питательную базу. Поэтому, достигнув максимальной биомассы, они должны были либо вымереть от голода, либо перейти к автотрофному (фотосинтетическому) способу питания.

Слабоокислительный этап в развитии биосферы. Слабоокислительный этап в развитии биосферы связан с появлением около 4 млрд. лет назад процесса фотосинтеза. Новый способ питания был основан на том, что некоторые простые соединения обладают способностью поглощать свет, если в их составе есть атом магния (как в хлорофилле). Уловленная таким способом световая энергия может быть использована для усиления реакций обмена, в том числе и для образования органических соединений, которые при необходимости могут расщепляться с высвобождением энергии. Именно таким путем происходило образование хлорофилла, приведшее в конечном итоге к появлению фотосинтеза, позволявшего получать энергию непосредственно от Солнца.

Но первичная поверхность Земли, лишенная свободного кислорода, облучалась ультрафиолетовой радиацией Солнца. Поэтому, возможно, первые фотохимические организмы использовали радиацию ультрафиолетовой части спектра. Только после возникновения озонового экрана (в связи с появлением свободного кислорода как побочного продукта того же фотосинтеза) автотрофные фотосинтезирующие организмы начали использовать излучение в видимой части солнечного спектра.

Новый способ питания способствовал быстрому расселению организмов нового типа у поверхности первичных водоемов. Оказавшись более приспособленными, они вытеснили первичные гетеротрофные организмы. Можно предполагать, что в раннем океане шла борьба между первичными и вторичными организмами, завершившаяся победой автотрофов. Немаловажным фактором в этой борьбе стало то, что автотрофы в качестве отходов своей жизнедеятельности выделяли свободный кислород, который стал смертельным ядом для первичных гетеротрофов.

Первыми автотрофными организмами, очевидно, были цианеи, а затем зеленые водоросли. Останки их находят в породах архейского возраста (около 3 млрд. лет назад). В то время, очевидно, существовало множество видов водорослей, как свободно плавающих в воде, так и прикрепленных ко дну. Хотя свободный кислород и был ядом для первичных аэробов, не все они погибли. Некоторые остались жить в болотах, где не было свободного кислорода. Там, питаясь, они выделяли метан. Некоторые же первичные организмы смогли приспособиться к кислородной атмосфере.

Параллельно с этим шел процесс формирования эукариотов. Прокариоты - простые, выносливые и практически бессмертные организмы - уступали место смертным эукариотам. Прокариоты, обладавшие высокой вариабельностью, способностью к быстрому размножению, легко приспосабливались к меняющимся условиям среды, существовавшим в первые периоды истории Земли. Но с формированием кислородной атмосферы условия стабилизировались, и в этих новых условиях нужны были организмы нового типа, приспособленные к ним. Нужна была не генетическая гибкость, а генетическая стабильность. Эукариоты появились к концу второго этапа развития биосферы Земли.

Рассмотренные процессы составили содержание второго этапа в истории развития биосферы Земли, продолжавшегося до завершения осадконакопления полосчатых железистых формаций докембрия примерно 1,8 млрд. лет назад. Таким образом, этот период в истории биосферы занял почти половину всей геологической истории планеты. Дело в том, что хотя свободный кислород и появлялся в значительных количествах, но он расходовался не на образование атмосферы, а на окисление железа, сернистых соединений и других поливалентных металлов. При этом окислы железа осаждались, образуя полосчатые формации. Только после освобождения океана от железа и других металлов концентрация кислорода в атмосфере стала резко возрастать.

В естествознании существует понятие «точки Пастера» - такой концентрации свободного кислорода, при которой кислородное дыхание становится более эффективным (примерно в 50 раз) способом использования внешней энергии Солнца, чем анаэробное брожение. Этот критический уровень примерно равен 0,01 от современного показателя содержания кислорода в атмосфере. После перехода через точку Пастера преимущество в естественном отборе получают организмы, способные к кислородному дыханию. С этого момента начинается третий этап в эволюции биосферы Земли.

Окислительный этап в эволюции биосферы. Третий этап эволюции биосферы связан с развитием фотоавтотрофной биосферы Земли. С этого момента количество кислорода в атмосфере начало резко повышаться. Еще в протерозое (2,6 млрд. - 570 млн. лет назад) эукариоты разделились на растительные и животные клетки. Большей частей растительных клеток использовался фотосинтез. Благодаря этому концентрация кислорода в атмосфере возрастала, и его уже стало хватать для процессов дыхания. Тогда же в океане появились первые многоклеточные организмы.

Около 400 млн. лет назад (конец ордовика - начало силура), когда концентрация свободного кислорода в атмосфере достигла 10%, возник озоновый экран, предохраняющий живое вещество от жесткого излучения, и жизнь вышла из моря на сушу. Как только это случилось, резко возросла интенсивность реакций фотосинтеза, а следовательно, и поступление кислорода в атмосферу. Всего за 100 млн. лет концентрация кислорода достигла современного значения в 21%. После этого состав атмосферы практически не менялся до наших дней.

Выход жизни на сушу обусловил резкое увеличение массы живого вещества. (Масса живого вещества суши в 800 раз больше биомассы океана.) Одновременно жизнь проникала все глубже в океан, осваивая все большие глубины. Наземные растения, отмирая, положили начало образованию угля, нефти, газа, горючих сланцев. Стал меняться биогеохимический круговорот элементов. При этом снижалась роль основных пород, и в земной коре вместо магния, кальция, железа большую роль стали играть кремний, натрий, алюминий, калий. Также благодаря деятельности живых организмов резко возрос круговорот кислорода и углекислого газа. Эти процессы, а также постепенное снижение уровня радиации стимулировали и ускоряли усложнение живого вещества, вели к появлению новых, более высокоорганизованных видов.

Так, на суше появились папоротники, хвощи, семенные папоротники. Развитие наземной растительности и образование почв создали предпосылки для выхода на поверхность континента животных. В результате эволюции растительного мира в мезозойской эре (около 200 млн. лет назад) возникли леса хвойных и цветковых растений.

Формирование и развитие биосферы предстает как чередование этапов эволюции, прерываемых скачкообразными переходами в качественно новые состояния, в результате чего образовывались все более сложные и упорядоченные формы живого вещества. В истории биосферы бывали временные остановки прогрессивного развития, но они никогда не переходили в стадию деградации, поворота развития вспять. Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть на основные вехи в истории развития биосферы:

  • появление простейших клеток-прокариотов;

  • появление значительно более организованных клеток-эукариотов;

  • объединение клеток-эукариотов с образованием многоклеточных организмов, функциональная дифференциация клеток в организме;

  • появление организмов с твердыми скелетами и формирование высших животных;

  • возникновение у высших животных развитой нервной системы и формирование мозга как органа сбора, систематизации, хранения информации и управления на ее основе поведением организмов;

  • формирование разума как высшей формы деятельности мозга;

  • образование социальной общности людей - носителей разума.

Вершиной направленного развития биосферы стало появление в ней человека. В ходе эволюции Земли на смену геолого-биологической эволюции пришел период социальной эволюции, который принес самые крупные изменения в биосфере Земли, во всем облике нашей планеты.

5. Появление царств растений и животных. В процессе формирования биосферы эукариоты еще в протерозое разделились на растительные и животные клетки. Как считает большинство биологов, их следует различать: 1) по структуре клеток и их способности к росту, 2) способу питания, 3) способности к движению. При этом отнесение живого существа к тому или иному царству следует проводить не по каждому отдельному основанию, а по совокупности всех трех признаков, поскольку между растениями и животными существуют переходные типы, обладающие свойствами как растений, так и животных. Так, например, кораллы, моллюски, речные губки всю жизнь остаются неподвижными, как растения, но по двум другим признакам их относят к животным. Существуют насекомоядные растения, которые по способу питания относятся к животным. Есть также живые организмы, которые питаются, как растения, а двигаются - как животные. В настоящее время на Земле существует 500 тыс. видов растений и 1,5 млн. видов животных, в том числе позвоночных - 70 тыс., птиц - 16 тыс., Млекопитающих - 12 540 видов.

Образование и развитие растений. Растительные клетки покрыты жесткой целлюлозной оболочкой, которая, с одной стороны, защищает их от неблагоприятных воздействий окружающей среды, но с другой стороны, не дает им свободно перемещаться в поисках пищи. Эволюция растительных клеток была связана с совершенствованием процесса фотосинтеза,, дававшего им все необходимые питательные вещества. Тем не менее, среди растений существовали не только автотрофы, но и гетеротрофы, взаимно дополнявшие друг друга.

Самыми первыми растениями на планете были одноклеточные водоросли разных типов. Они пришли на смену безраздельно господствовавшим прокариотам: сине-зеленым водорослям и бактериям. На водорослях природа впервые опробовала половое размножение, т.е. слияние ДНК двух индивидов с последующим перераспределением генетического материала, вследствие чего потомство получается похожим на своих родителей, но не идентичным им. Это событие произошло около 900 млн. лет назад.

Затем, 700-800 млн. лет назад, появились первые многоклеточные организмы, также относящиеся к водорослям - обширной группе низших водных растений, содержащих хлорофилл и вырабатывающих органические вещества путем фотосинтеза. Именно на эти водоросли приходится наиболее длительный этап в развитии зеленых растений. Они же сыграли роль гигантского генератора свободного кислорода в атмосферу Земли.

Событием огромной важности стал выход растений на сушу, совершившийся в силуре, около 400 млн. лет назад. Этот факт стал, в свою очередь, предпосылкой для выхода на сушу животных. Считается, что еще до массового выхода растений на сушу в отдельных местах появлялись локальные участки жизни. Такими «островками» жизни могли стать побережья мелководных заливов и лагун, места, где вода периодически отступала, оставляя растения. Именно так появились растения, нижняя часть которых находилась в воде, а верхняя - в воздухе, под прямыми лучами Солнца. Затем растения смогли развить корневую систему, которая позволяла им использовать грунтовые воды.

В новых условиях фотосинтез становился более совершенным, так как солнечная энергия не поглощалась водой. Чтобы защититься от высыхания, растениям пришлось сформировать восковидную водонепроницаемую оболочку. Кроме того, произошла перестройка организмов, в них появились новые органы и ткани, изменились способы размножения, распространения и т.д. Таким образом, в растительных организмах появились корень, стебель, лист, проводящие системы, покровные ткани.

Первыми на сушу вышли псилофиты - споровые растения, похожие на плауны. У них еще не было корней и почти не было листьев.

Псилофиты состояли из длинных ветвящихся зеленых стеблей и покрывали влажную почву суши настоящими зелеными коврами.

С появлением мхов и папоротников количество кислорода в атмосфере значительно увеличилось. Кроме того, в период своего расцвета мхи и папоротники создали большое количество пищевых веществ, необходимых для возникновения и развития сухопутных позвоночных животных. В это же время (девон, карбон и пермский периоды – 400-230 млн. лет назад) накапливается огромное количество каменного угля, появляются голосеменные растения. С этого момента поверхность материков стала приобретать современный облик.

В мезозое (около 200 млн. лет назад) широко распространяются хвойные, цикадовые, а в меловой период (около 100 млн. лет назад) появляются цветковые растения. Появление цветковых растений стимулировало расцвет насекомых, играющих значительную роль в их опылении.

После этого лиственные леса стали сосуществовать с появившимися ранее хвойными лесами, давшими, в свою очередь, приют папоротникам, боящимся открытого солнца. Таким образом, в современном растительном мире наряду с высокоорганизованными растениями сохранились представители более ранних эпох, которых можно назвать «живыми ископаемыми».

Образование и развитие животных. Животная клетка в отличие от растительной имеет эластичную оболочку и поэтому не теряет способности к передвижению. Таким образом, животные клетки имеют возможность активно искать себе пищу. Эволюция животных клеток шла в направлении совершенствования способов их передвижения и способов поглощения и выделения крупных частиц через оболочку. Сначала пищей служили крупные органические фрагменты, затем куски мертвой ткани и, наконец, поглощение и переваривание целых организмов, свойственное хищникам. Их появление резко интенсифицировало естественный отбор.

Первые примитивные представители животного царства ведут свое начало от одноклеточных простейших организмов, отделившихся от общего ствола с растениями. К сожалению, мы почти ничего не можем сказать о них, так как их ископаемые остатки практически не сохранились. Судя по всему, первые представители животного мира имели общие признаки с одноклеточными зелеными водорослями. Подобные организмы (радиолярии) и сегодня составляют значительную часть планктона морей и океанов.

Возникновение животной клетки было связано с переходом к гетеротрофному способу питания. Но он шел постепенно, поэтому существовали и продолжают существовать переходные формы между растениями и животными. Среди них - жгутиконосцы, которые как животные, обладают жгутиками - органами передвижения, а как растения - автотрофным или смешанным способом питания. Так, например, и в наши дни существует эвглена зеленая, которая при хорошем освещении и наличии минеральных веществ в воде ведет себя как типичное растение. Но в темноте или при неблаго­приятных условиях она теряет хлорофилл и подобно животному начинает усваивать из раствора органические вещества.

Как и у растений, важнейшим этапом в эволюции животных стало появление многоклеточных организмов. Скорее всего, переход к многоклеточности был осуществлен через колонии, в которые объединялись некоторые одноклеточные организмы. Вначале все клетки в таких колониях были одинаковыми, но затем началась их дифференциация в соответствии с выполняемыми функциями. Массовое появление многоклеточных животных произошло в позднем кембрии. Судя по всему, это были многочисленные морские беспозвоночные организмы - медузоподобные плавающие формы, кишечнополостные, морские черви.

Дальнейшая эволюция многоклеточных организмов шла в направлении совершенствования способов их передвижения, дыхания, лучшей координации деятельности клеток и т.д.

На следующую ступень в своем развитии животное царство поднялось с появлением твердых частей тела - раковин и внутреннего скелета. В кембрийских морях были ракообразные, губки, кораллы, иглокожие, моллюски, трилобиты. Твердый скелет служил опорой этим организмам, способствовал увеличению их размеров, делал их более прочными, защищал от физических повреждений. Кроме того, твердый скелет мог служить защитой от хищников, которые появились около 450 млн. лет назад.

Около 500 млн. лет появились первые позвоночные животные. Это наиболее высокоорганизованная, обширная и разнообразная группа животных, включающая рыб, земноводных, пресмыкающихся и млекопитающих. Первые позвоночные появились в воде - ими были рыбы. Современные рыбы делятся на два больших класса - хрящевых и костистых. К хрящевым относятся акулы и скаты. Некоторые виды акул появились еще в девоне, около 400 млн. лет назад, и с тех пор не менялись. Костистых рыб сегодня большинство, они преобладают в современных водоемах. Для костистых рыб характерно наличие плавательного пузыря, регулирующего глубину их погружения.

Следующий шаг в эволюции животных связан с появлением двоякодышащих рыб, живших в периодически высыхавших водоемах. Легкие помогали им выжить в периоды засухи. В наши дни сохранилось лишь три вида таких рыб. Некоторые пресноводные двоякодышашие рыбы дали начало земноводным, которые могут далеко уходить от природных водоемов, но для размножения должны возвращаться в воду. Это произошло в девоне.

Тогда же, очевидно, появились первые насекомые. У них роль каркаса играл не внутренний скелет, а наружная хитиновая оболочка. Кроме того, насекомые обладают сложной нервной системой, с большим количеством относительно самостоятельных нервных центров. В их жизни большую роль играют врожденные реакции (у позвоночных - идет развитие головного мозга, что дает возможность преобладания условных рефлексов над безусловными). Предки насекомых, пауков и скорпионов вышли на сушу сразу вслед за растениями.

Выход животных на сушу был связан с серьезнейшими изменениями их форм. Ведь на суше вес тел больше, чем в воде, в воздухе не содержится питательных веществ, которые есть в воде в растворенном виде. Кроме того, воздух обладает иной свето- и звукопроводностью, а концентрация кислорода в нем выше, чем в воде. Таким образом, жизнь должна была адаптироваться к новым условиям, выработав соответствующие приспособления. Первыми, полностью приспособившимися к условиям суши позвоночными, стали рептилии. Их яйца были покрыты твердой скорлупой, предотвращающей высыхание, и снабжены необходимыми запасами пищи и кислорода для развития эмбриона. Первые рептилии были похожи на небольших ящериц. Они начали активное завоевание суши в карбоне (350-285 млн. лет назад). В пермском периоде (285-230 млн. лет назад) они полностью преобладали на суше.

Мезозойская эра (230-67 млн. лет назад) также проходит под властью рептилий, среди которых были как хищники, так и травоядные. В триасовом периоде (230-195 млн. лет назад) появились динозавры, размеры которых сильно варьировались - от мелких животных, величиной с кошку, до 30-метровых гигантов, весящих 40-50 т. Динозавры жили на суше (тиранозавры, игуанодоны, стегозавры, трицератопсы и др.), в воде (бронтозавры, диплодоки, ихтиозавры, плезиозавры), в воздухе (птерозавры, птеродактили).

В юрском периоде (195-137 млн. лет назад) от одной из ветвей рептилий появились птицы, которых Т. Гексли, в силу их родства с рептилиями, назвал «взлетевшими рептилиями». Птицы, как и рептилии, несут яйца, но в меньших количествах, они заботятся о своем потомстве и имеют постоянную высокую температуру тела. Переходной формой между рептилиями и птицами стал археоптерикс.

В конце мелового периода (67 млн. лет назад) произошло массовое вымирание мезозойских рептилий. Причина этого до сих пор не ясна, хотя существуют многочисленные версии, среди которых возможное падение гигантского метеорита, вызвавшее глобальное похолодание и изменение климата. В новых условиях преимущество в естественном отборе получили птицы, а также млекопитающие возникшие в триасовом периоде. Но в те времена они были не-' большими, преимущественно насекомоядными животными. Лишь в кайнозойскую эру начался период их господства на Земле. Это было связано с тем, что в условиях похолодания важнейшим условие выживания стала теплокровность, обеспечившая постоянную высокую температуру тела и постоянство внутренней среды организма Поскольку млекопитающие являются живородящими животными и вскармливают своих детенышей молоком, это обеспечивает лучшую сохранность молодняка и дает возможность размножения в разнообразных условиях. Кроме того, у них развитая нервная система способная обеспечить разнообразные формы активного приспособления к окружающей среде.

Первые насекомоядные млекопитающие дали начало плацентарным и сумчатым млекопитающим, которые развивались одновременно. В первой половине кайнозоя господствовали сумчатые. Но позже, в неогеновом периоде (27-3 млн. лет назад), они были вытеснены более высокоорганизованными плацентарными млекопитающими. Поэтому в наши дни сумчатые сохранились лишь в Австралии, Новой Гвинее и Южной Америке. Среди плацентарных млекопитающих были китообразные и грызуны, летучие мыши, приматы и т.д. Существовавшие в то время хищнокопытные разделились, дав начало хищникам и копытным животным. Во второй половине кайнозоя плацентарные млекопитающие стали господствующей группой животных.

Эволюция млекопитающих проходила в течение всей кайнозойской эры. Большую роль в этом сыграло разделение континентов, что привело к обособлению животных и формированию частично изолированных зоогеографических областей, в которых до сих пор сохранились некоторые реликтовые животные. Так, в эпоху господства сумчатых отделилась Австралия, сохранившая представителей этих животных до наших дней. Отделившаяся позже Южная Аме­рика сохранила реликты начала кайнозойской эры, среди которых опоссумы, броненосцы и ленивцы.

Важнейшим этапом в эволюции жизни на Земле стало появление отряда приматов, предки которых были известны с мелового периода. Они походили на современных лемуров. Около 80 млн. лет назад появились приматы, обитавшие на деревьях. В палеогене (67-27 млн. лет назад) приматы разделились на низших и человекообразных обезьян т.е., в свою очередь, дали начало непосредственным предкам человека.

Таким образом, постепенно в кайнозое сформировались предпосылки, необходимые для появления человека, в частности, такой предпосылкой явился стадный образ жизни, который вели некоторые млекопитающие. Стадный образ жизни сформировал привычку Идущего социального общения, проходившего без потери индивидуальности его членов. Это был значительный шаг вперед по сравнению с насекомыми, которые тоже жили большими коллективами, но при этом полностью теряли свою индивидуальность. Следующий шаг Жизнь на Земле сделала уже с появлением человека разумного - существа, обладающего способностью к целенаправленному изменению окружающего мира, созданию собственного искусственного мира культуры.



Тема 11: Растения и животные

  1. Таксономическая характеристика живых существ.

  2. Систематика растений.

  3. Систематика животных.


1. Таксономическая характеристика живых существ. Наука о классификации животных и растений носит название таксономии, она определяет родственные связи между организмами. Основателем научной систематики был шведский ботаник Карл Линней, который ввел (1753) так называемую биномиальную номенклатуру, позволяющую с максимальной точностью определить положение любого животного или растения в системе. Согласно этой номенклатуре каждый вид получает двойное название: родовое и видовое. Все названия пишутся на латинском языке. Родовое имя пишется с большой буквы, видовое - с малой.

Степень сходства между организмами, входящими в одну таксономическую категорию, возрастает по мере перехода к категориям более низкого ранга. Применяются следующие таксономические категории:

а) Надвидовые категории: царство (regnum), ТИП (phylum), подтип (subphylum), класс (classis), подкласс (subclassis), отряд (в ботанике порядок) rdo), подотряд (subordo), семейство (familia), подсемейство (subfamilia), Род (genus), подрод (subgenus).

Вид - это популяция особей, обладающих сходными морфологическими и функциональными признаками, и имеющих общее происхождение и в естественных условиях скрещивающихся только между собой.

б) Подвидовые категории: вид (species), подвид (subspecies), разновидность (varietas), форма (forma).

Живая природа делится на следующие таксономические группы: Неклеточные (Acellularia) жизненные формы - Вирусы (Vira). Мельчайшие неклеточные частицы, состоящие из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки (капсида). Форма палочковидная, сферическая и др. Размер 15 - 350 нм и более. Открыты (вирус табачной мозаики) Д.И. Ивановским в 1892 году. Вирусы – внутриклеточные паразиты: размножаясь только в живых клетках, они используют их ферментативный аппарат и переключают клетку на синтез зрелых вирусных частиц – вирионов. Распространены повсеместно. Вызывают болезни растений, животных и человека. Резко отличаясь от всех других форм жизни, вирусы, подобно другим организмам, способны к эволюции. Иногда их выделяют в особое царство живой природы. Вирусы широко применяются в работах по, генетической инженерии, канцерогенезу. Вирусы бактерий (бактериофаги) - классический объект молекулярной биологии.

Риккетсии (Rickettsiae). Бактерии, размножающиеся подобно вирусам только в клетках хозяина. Аэробы. Некоторые подвижны. Возбудители рик-кетсиозов (брюшного типа, ку-лихорадки и др.) человека и животных.

Первые жизненные формы на имели ядра (прокариоты). Некоторые даже современные формы не имеют клетки (Cellularia). Безъядерные, доядерные организмы, организмы не обладающие оформленным клеточным ядром. Генетический материал в виде кольцевой цени ДНК лежит свободно в нуклеотиде и не образует настоящих хромосом. Типичный половой процесс отсутствует. К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии (синезеленые водоросли). В системе органического мира прокариоты составляют надцарство. Ядерные (эукариоты) (Eukatyota, Nuclearid). Организмы (все, кроме бактерий, включая цианобактерии), обладающие оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключен и хромосомах. Клетки эукариотов имеют митохондрии, пластиды и другие органоиды. Характерен половой процесс.

2. Систематика растений. Царство: растения (Plantae). Важнейшее отличие растений от других живых организмов - способность к автотрофному питанию, то есть синтезу всех необходимых органических веществ из неорганических. При этом зеленые растения используют анергию солнечных лучей, то есть осуществляют фотосинтез - процесс, в результате которого создается основная масса органического вещества биосферы и поддерживается газовый состав атмосферы. Таким образом, растения - главный первичный источник пищи и энергии для всех других форм жизни на Земле. У некоторых растений питание гетеротрофное (сапрофиты и паразиты). Известно около 350 тысяч видов ныне живущих растений, которые делятся на низшие и высшие. Изучает растения ботаника.

НИЗШИЕ РАСТЕНИЯ (слоевцовые, или талломные) (Thallophyta). Тело низших растений (таллом, или слоевище) не расчленено на корень, стебель и лист. Включают только водоросли. Ранее к низшим растениям относили бактерии, актиноминеты, слизевики, грибы, водоросли, лишайники, то есть все организмы, кроме высших растений и животных.

типы:

Сине-зеленые водоросли (цианеи). Одноклеточные, многоклеточные (нитчатые) и колониальные организмы, преимущественно сине-зеленой окраски, обусловленный пигментами - хлорофиллом фикоцианином. Размножение главным образом бесполое. Около 2000 видов, чаще в пресных водах, но могут жить в морях, океанах, почве, горячих источниках. Некоторые съедобны. О положении сине-зеленых водорослей в системе органического мира у биологов нет единого мнения. Ботаники относят их к водорослям, микробиологи - к бактериям и называют цианобактериями.

Золотистые водоросли (хризофиты) (Chrysophyta). Имеют золотисто-желтую окраску, обусловленную преимущественно пигментами фикохризи-нами и фукоксантипом. Одноклеточные, колониальные, реже многоклеточные организмы. Автотрофы, реже гетеротрофы. Размножение главным образом делением на двое и зооспорами.

Диатомовые водоросли (диатомеи, кремнистые водоросли) (Bacillariophyta). Одноклеточные одиночные или колониальные организмы. Клетки их имеют твердый кремнёвый панцирь, состоящий из двух половинок - нижней (гипотеки) и верхней (эпитеки). Размножение делением, а через несколько поколений - половое. Свыше 12 тысяч видов, в пресных и морских водах, на сырой почве и т.п. Известны с юрского периода. Скопления створок диатомовых водорослей иногда образуют мощные отложения -диатомиты, а на дне современных морей - диатомовые илы.

Желто-зеленые водоросли (Xanthophyta). Желто-зеленая окраска обус-лошюна пигментами каротиноидами и хлорофиллом. Одноклеточные (некоторые подвижны), многоклеточные и колониальные. Размножение бесполое и половое.

Эвглеповые водоросли (Euglcnophyta). Жгутиковые одноклеточные зеленые водоросли. Длина до 0,1 мм. Содержат хлорофилл, но обладают смешанным типом питания (авто- и гетеротрофным). Около 60 видов, преимущественно в мелких пресных водоемах, часто вызывают "цветение" воды. Зоологи относят эвгленовые. водоросли к простейшим – растительным жгутиконосцам

Зеленные водоросли (Chiorophyta), Зеленая окраска обусловлена хлорофиллом. Одноклеточные, многоклеточные, колониальные организмы. Размножение половое и бесполое. Около 400 родов, включая от 13 до 20 тысяч видов, преимущественно в пресных водах (изредка в морях, немногие на стволах деревьев и в почве). В составе планктона вызывают "цветение" воды. Некоторые (например, ульва) съедобны. Хлореллу, сценедесмус и др. испытывают в качестве источника пиши и для очищения воздуха в замкнутых экологических системах.

Подтипы: собственно зеленые (Euchlorophytina). Конъюгагы (сцеп-лянм:) (Cmjugatophytina). Зеленые водоросли, для которых характерен половой процесс - конъюгация (слияние содержимого двух внешне сходных вегетативных клеток).

Особый тип: (Claucophyta). Объединяет сложные организмы, состоящие сине-зеленых, а именно сине-зеленых и зеленых водорослей. типы:

Харовые водоросли (хоры, лучицы) (Charophyta). Внешне похожи на хвощи. Высота до 1 м. 300 видов (6 родов).

Пирофитовые водоросли (Pyrrophyla). Одноклеточные колониальные организмы. Размножаются главным образом делением и спорами. Свыше 1000 видов (около 130 родов), пресных водах и морях. Вызывают "цветение" воды. Часто пирофитовые водоросли называют динофитовыми водорослями.

Подтипы: криптофиты (Criptophyta). Растения, у которых почки возобновления находятся в почве (геофиты) или под водой (гидрофиты), динофиты (Dinophytina)

типы:

Бурые водоросли (Phaeophyta). Многоклеточные водоросли бурой окраски. Нередко образуют подводные «леса». Размножение бесполое (спорами) и половое. Около 1500 видов (250 родов), главным образом в прибрежной полосе холодных морей. Используются для получения кормовой муки, иода, некоторые - в пищу (морская капуста).

Красные водоросли (багрянки) (Rhodophyta). Одноклеточные и многоклеточные организмы преимущественно красной окраски. Размножение бесполое (неподвиными спорами), и половое (оогамия). Около 3800 видов (600 родов), преимущественно в морях, в прибрежной полосе и на больших глубинах (до 200 м). Используются для получения агора и других студнеобразных веществ (анфельция); некоторые съедобны (например порфира).

Особый тип: лишайники (Lichenomycota, Lichenes). Образованы симбиозом гриба (аскомицета или базидиомицета) и водоросли (зеленой, редко желто-зеленой и бурой). Их взаимоотношения основаны на паразитизме и отчасти сапротрофности, главным образом со стороны гриба. Различают накипные, листоватые и кустистые лишайники. Размножение бесполое. Около 26 тысяч видов (свыше 400 родов). Наиболее разнообразны в тропиках и субтропиках, обильны в тундре на высокогорьях. Растут на почве, деревьях, гнилой древесине, горных породах. Они играют существенную роль для получения антибиотиков, ароматических веществ, лакмуса; многие виды -индикаторы загрязнения окружающей среды; некоторые - пища оленей.

ВЫСШИЕ РАСТЕНИЯ (теломные) (Cmophyia). В отличие от низших растений, тело высших растении разделено на специализированные органы -листья, стебель и корень. С выше 300 тысяч видов.

тип: моховидные (мхи, криофиты). Преимущественно многолетние растения, характеризующиеся групповыми формами роста (терновники, картинки, подушки). Органы полового размножения - архегонии и антеридии бесполого - снорогон (диплоидный), которым у моховидных представлен спорофит. Около 20 тысяч видов (около 1000 родов), по всему земному шару, растут повсеместно. Нередко способствуют заболачиванию почв, ухудшают качество лугов. На торфяных болотах составляют основную массу торфа. Используются в медицине (обладают антибиотическими свойствами), также в качестве подстилки для скота, изготовления плит в строительстве классы: антоцеротовые (anthocerotae, Anthoceropsida), печеночные (Marchantiopsida, Heraticopsida), листостебельные (Musci).

типы:

папоротниковидные (Pteridophyta). Травянистые или древовидные наземные и водные растения. На листьях (большей частью на нижней стороне) расположены группы спорангиев - сорусы. Около 12 тысяч видов (300 родов), по всему земному шару. Многие декоративны, некоторые съедобны (например, молодые побеги кочедыжника, одного из видов орляка), другие лекарственные (например, папоротник мужской), некоторые ядовиты. Современные папоротниковидные известны с карбона голосеменные (Gymnospеrmae). Семенные растения, у которых имеются семяпочки (в отличие от папоротников), но отсутствуют плодолистики (в отличие от цветковых). Произошли в девоне от примитивных папоротниковидных. Около 600 видов, деревья и кустарники, распространены широко. Хозяйственное значение имеют хвойные, особенно сосновые (сосна, лиственница, ель, пихта, кедр), а также представители семейств таксодиевых и кипарисовых.классы: саговниковые, гистовые, хвойные, гнетомые. Семейство папоротники, тип: покрытосемянные (цветковые). Возникли в меловом периоде. Семязачатки погружены в ткани завязи, из которой после оплодотворения развивается плод с заключенными в нем семенами. Характерно также наличие настоящею цветка и двойное оплодотворение. Около 250 тысяч видов, по всему земному шару. Играют большую роль в жизни человека, снабжая продуктами питания, строительными материалами, сырьем для промышленности (текстильной, мебельной, фармацевтической и других).

классы: однодольные, двудольные (Dicotylcdonae), Система грибов. Царство: грибы (Mycophyta, Mycetalia). Сочетают признаки как растений (неподвижность, верхушечный рост, наличие клеточных стенок и другие), так и животных (гетеротрофный тип обмена, наличие хитина, образование мочевины и другие). Свыше 100 тысяч видов, наибольшее число в Европе и Северной Америке. Вегетативное тело в виде грибницы, или мицелия (за исключением внутриклеточных паразитов). Размножаются вегетативным, бесполым (спорами) и половым путем. Грибы минерализуют растительные остатки в почве, патогенные грибы вызывают болезни растений, животных и человека. Многие виды плесневых грибов используют микробиологической промышленности для получения витаминов, антибиотиков, ферментов, стероидных гормонов. Многие грибы съедобны, дрожи применяют в хлебопечении и пивоварении. Ряд видов культивируются (шампиньоны, трюфели). Наука о грибах - микология.

настоящие грибы (Eumycota). хитридиомицеты (архимицеты) (Chytridiomycetes). Главным образом одноклеточные формы микроскопических размеров. Около 500 видов. Паразитируют на пресноводных и морских водорослях, водных грибах, простейших, редко на высших наземных растениях и в почве.

зигомицегы (