Текст книги "Концепции современного естествознания"
Автор книги: авторов Коллектив
сообщить о нарушении
Текущая страница: 15 (всего у книги 26 страниц)
7.12. Общие представления о географической оболочке
В. В. Докучаев, открывший закон географической зональности, отмечал, что в природе гармонично взаимодействуют друг с другом шесть природных компонентов: земная кора литосферы, воздух атмосферы, вода гидросферы, растительный и животный мир биосферы, а также почва постоянно обмениваются между собой веществом и энергией.
Обмен веществом происходит постоянно, и примеров таких можно привести множество:
♦ вода растворяет минералы и горные породы;
♦ вода гидросферы является частью живых организмов биосферы;
♦ вода в виде пара постоянно присутствует в нижнем слое атмосферы Земли;
♦ минералы и горные породы литосферы всегда находятся в живых организмах, в атмосфере (пыль, песок), в воде;
♦ углекислый газ воздуха растворяется в воде;
♦ организмы биосферы – растения – усваивают углекислый газ, выделяя кислород;
♦ накапливаясь на дне океанов, останки организмов биосферы образуют толщи осадочных пород литосферы;
♦ кислород в атмосфере и гидросфере является главным источником жизни организмов биосферы.
Все процессы на Земле происходят благодаря энергии Солнца и внутренней энергии Земли. В каждом из приведенных выше примеров предполагается и обмен энергией. Так, энергия растений биосферы, потребляемая животными, создает энергию животного мира. Вечные льды гидросферы охлаждают атмосферу и гидросферу. Благодаря этим процессам в природном комплексе сохраняется определенное равновесие между всеми природными компонентами. Благодаря этим процессам природа имеет удивительную способность к самовосстановлению, самоочищению, саморегуляции. Если в природном комплексе меняется один какой-нибудь компонент, то все другие меняются тоже, при этом стараясь восстановить свое равновесие. Стремление к самовосстановлению – одно из главных свойств природы.
► Географическая оболочка – это целостная и непрерывная оболочка Земли, среда деятельности человека, в пределах которой соприкасаются, взаимно проникают друг в друга и взаимодействуют нижние слои атмосферы, поверхностные толщи литосферы, вся гидросфера и биосфера. Между этими частями происходит непрерывный обмен веществом и энергией. Таким образом, географическая оболочка – это планетарный, охватывающий всю поверхность Земли, природный комплекс.
Суммарная толщина географической оболочки – несколько десятков километров. Основным источником процессов, происходящих в географической оболочке, служит энергия Солнца. Ее неравномерное поступление и распределение по шарообразной поверхности Земли приводит к огромной пространственной дифференциации природных условий в географической оболочке, в результате чего ее можно разделить на более мелкие природные комплексы, среди которых есть сходные (однородные) и совершенно различные.
Наиболее крупные зональные подразделения географической оболочки – географические (природные) пояса Земли, протягивающиеся в широтном или субширотном направлении. Они совпадают с климатическими поясами и имеют те же названия, так как выделяются по температурным условиям и преобладающим воздушным массам.
Однако природные комплексы географических поясов также неоднородны. Наиболее значительные изменения в природных условиях вызваны делением поверхности Земли на материки и океаны. Различное сочетание тепла и влаги в прибрежных и внутренних частях материков является причиной образования в географических поясах природных зон – природных комплексов менее крупных размеров, которые в свою очередь можно подразделить на подзоны и другие более мелкие природные комплексы, например ландшафты.
Ландшафт (от нем. Land – земля и schaft – взаимосвязанный) – природный географический комплекс, в котором все основные компоненты (рельеф, климат, воды, почвы, растительность и живой мир) находятся в сложном взаимдействии и взаимообусловленности, образуя единую неразрывную систему. Многими учеными ландшафт рассматривается в качестве основной единицы в иерархии природно-территориальных комплексов.
Особенности различных ландшафтов формируются под воздействием как зональных, так и азональных факторов. К зональным относят климат, воду, почвы, растительный и животный мир; к азональным – рельеф, геологическое строение, горные породы.
Еще одно важное положение в современных концепциях географии занимает понятие географическая среда, которая возникла в результате длительной эволюции географической оболочки под влиянием антропогенного воздействия, создания так называемой «вторичной природы», то есть городов, заводов, каналов, транспортных магистралей и др.
► Географическая срела – это часть природы Земли, с которой человеческое общество непосредственно взаимодействует в своей жизни и производственной деятельности на данном этапе исторического развития.
В последнее время наряду с понятием о географической среде в научный обиход вошло также понятие об окружающей природной среде (или окружающей среде).
Окружающая среда – необходимое условие жизни и деятельности общества. Она служит средой его обитания, важнейшим источником ресурсов, оказывает большое влияние на духовный мир людей.
Природное окружение всегда было источником существования человека. Однако взаимодействие человека и природы менялось в разные исторические эпохи.
Два миллиона лет назад первобытные люди все необходимое для жизни находили в природном окружении, занимаясь охотой и собирательством: люди охотились на животных и птиц, ловили рыбу, выкапывали корни и луковицы растений, собирали ягоды, грибы, личинки насекомых, опустошали птичьи гнезда, забирали мед у пчел, вылавливали моллюсков и ракообразных на морском побережье, кочуя в поисках пищи с места на место. Некоторые индийские племена Северной и Южной Америки, бушмены Африки, аборигены Австралии до сих пор живут собирательством.
Появление и развитие земледелия 7 тыс. лет назад положило начало массовой вырубке лесов на Земле. По оценкам ученых, к моменту появления человека на Земле леса занимали 60 % ее поверхности, а сейчас – только 30 %. В настоящее время нетронутые человеком леса сохранились в тайге России, Канады, а также в тропических лесах Амазонии. В наибольшей степени леса сведены в Евразии и Северной Америке. По мере расширения пахотных земель и пастбищ быстрыми темпами вырубаются тропические леса Африки, Юго-Восточной Азии, Амазонии. Древесина повсеместно используется в качестве дешевого топлива.
Пастбищные земли наиболее сильно подвержены опустыниванию. Этот процесс характерен для всех материков Земли. По оценкам специалистов, человек радикально изменил и освоил 56 % территории суши, причем это наиболее благоприятные для жизни районы. Природу некоторых географических зон Земли можно наблюдать только в заповедниках. К ним относятся в первую очередь североамериканские прерии и европейские степи. Они полностью освоены человеком.
Ученые-географы предложили классифицировать географические зоны по степени их преобразования человеком; неизмененные (арктические пустыни), слабо измененные (тундра, лесотундра, северная тайга, полупустыни и пустыни), сильно измененные (смешанные и широколиственные леса, южная тайга), преобразованные (лесостепи, степи).
В ландшафтоведении, в зависимости от степени антропогенного воздействия, выделяют первичные природные ландшафты, которые образованы действием лишь природных факторов; природно-антропогенные ландшафты, которые образованы действием как природных, так и антропогенных факторов; и антропогенные ландшафты, существование которых поддерживается лишь за счет деятельности людей.
Вопросы для самопроверки
1. Чему равен радиус Земли? Насколько экваториальный радиус Земли длиннее полярного?
2. Как называется оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней части мантии?
3. Назовите три слоя, составляющие материковую земную кору.
4. Назовите древние платформы, лежащие в основании материков Африка, Северная Америка, Южная Америка.
5. Дайте определение тектонических структур: плита, платформа, щит, фундамент, осадочный чехол.
6. Перечислите важнейшие функции гидросферы Земли. Каким образом вода осуществляет терморегуляцию планеты?
7. Какова роль гидросферы в круговороте веществ в природе?
8. На какие отдельные зоны делится атмосфера? Каковы принципы этого деления?
9. Каков состав атмосферы?
10. В чем разница между климатом и погодой?
11. В чем заключается гипотеза возникновения атмосферы?
Глава 8
ЖИВАЯ МАТЕРИЯ
8.1. Электромагнитные взаимодействия как определяющие химический и биологический уровень организации материи
Живое вещество, как и вся материя Вселенной, состоит из атомов и молекул, для которых уже известны определенные законы поведения, в том числе на квантово-молекулярном уровне. В этом смысле при научном познании живого представляется вполне возможным применение физических представлений и моделей по исследованию развития природы и закономерностей процессов, проходящих в живом организме. По этому поводу советский физико-химик и биофизик М. В. Волькенштейн писал: «В биологии как в науке о живом возможны только два пути: либо признать невозможным объяснение жизни на основе физики и химии, либо такое объяснение возможно и его надо найти, в том числе на основе общих закономерностей, характеризующих строение и природу материи, вещества и поля».
По мнению многих исследователей, изучение проблем генетического кода, молекулярной природы наследственности и т. д. на заключительном этапе сводится к квантово-механическому объяснению всех этих явлений. В связи с этим следует отметить, что атомно-молекулярное толкование большинства явлений живого на сегодняшний день представляется наиболее верным. Вероятно, что живой и неживой природой управляют одни законы, однако механизм их проявления разный, что подтверждается синергетикой как наукой о неравновесных системах и самоорганизации.
Существование физических полей разной природы в живых организмах представляет значительный интерес. Это связано с одной стороны с раскрытием сущности физики живого, а с другой – с взаимодействием полей живых организмов с полями окружающей природной среды, обусловленными главным образом гелио– и геофизическими факторами. Эти взаимодействия обеспечивают живому организму необходимый ему объем информации в процессе жизнедеятельности. Функционирование всех систем живого организма динамично отражается в мозаике физических полей и излучений, исходящих из него, которые, в свою очередь, зависят от параметрических изменений естественных фоновых полей и излучений, окружающих живой организм.
Идентификация полей и излучений, например, человеческого организма сейчас широко используется в медицине для определения динамики различных физиологических процессов и выявления «неполадок» в функционировании определенных органов. Поэтому физические поля и излучения живого организма как бы есть своеобразное «табло» его физиологических процессов. Например, человеческий организм способен продуцировать инфракрасное излучение (ИК) и излучения сверхвысокой частоты (СВЧ), электромагнитные поля (ЭМП) и излучения (ЭМИ) и т. д. По существу, живой организм окружен биополем, под которым следует понимать присущую ему совокупность физических полей.
Электромагнитное взаимодействие обусловливается электрическими и магнитными зарядами. Электрический заряд всегда связан с элементарными частицами. Магнитные силы порождаются движением электрических зарядов, то есть электрическими токами. Согласно закону Кулона, сила электрического взаимодействия будет силой притяжения или отталкивания в зависимости от знаков взаимодействующих зарядов. Видимый свет, являющийся основой существования зеленых растений, синтезирующих органическое вещество на Земле, да и всего живого, является электромагнитным излучением определенного диапазона частот.
Согласно теории советского биохимика А. И. Опарина электромагнитные излучения Солнца и электрических разрядов явились энергетической основой абиогенного происхождения жизни. Именно с их помощью происходил процесс образования биомолекул: аминокислот, нуклиотидов, полисахаридов, белковых комплексов, а затем клетки как главной структуры живого.
Электромагнитные поля и электромагнитные излучения являются основными видами излучения для живых организмов. Почти все носители информации, воспринимаемые нашими органами чувств, имеют электромагнитную природу. Электромагнитные взаимодействия характеризуют структуру и поведение атомов, отвечают за связи между молекулами различных веществ, таким образом определяя химические и биологические явления.
Электромагнитные поля и излучения в живом организме связаны с возникновением, движением и взаимодействием электрических зарядов в процессе его онтогенеза. На клеточном уровне они возникают при работе митохондрий, на органном и организменном уровнях – при работе сердца и токе крови в сосудах, при нервных и мышечных сокращениях.
Электрические явления в живом организме характеризуются определенными последовательностями электрических импульсов и ритмами определенной характеристики, поскольку в каждом органе вырабатываются свои определенные, специфические электроколебательные процессы. Ритмичность и частота колебаний этих процессов зависят от степени активности организма (сон, бег, сильный стресс и т. д.). В свою очередь, активность физиологического состояния организма (например, человека) и его работоспособность также зависят от биоритмов и периодически меняются сообразно времени суток. Биологические ритмы как следствие эволюционного процесса проявляются на всех уровнях организации живой материи, начиная с клеток и заканчивая биосферой.
Ритмичность на уровне клеток живого организма определяется биохимическими колебательными процессами, связанными с движением ионов, необходимых для жизнедеятельности клетки (К+,Са2+ и др.), как вовнутрь клетки, так и из нее. Доказано, что общим регулятором внутриклеточных процессов являются ионы кальция. Именно они и их концентрация обеспечивают биологические ритмы клеток.
Ритмичность на уровне растительных организмов проявляется в годовом изменении темпов роста, суточном движении листьев; на уровне животных организмов в темпах двигательной активности, в колебаниях температуры, функционировании органов внутренней секреции, синтеза гормонов, белков, половой активности и т. д. Американский математик и кибернетик Н. Винер писал, что «именно ритмы головного мозга объясняют способность чувствовать время». Чем сложнее система, тем она обладает большим количеством биоритмов. Биоритмы определяют биологическое время и свойственны неравновесным самоорганизующимся живым системам.
Интенсивность физико-химических процессов в мембране и, следовательно, в самой клетке определяется величиной мембранного потенциала. Это значит, что энергия электрического поля в мембранах, подобно конденсаторам, играет важную роль в поддержании устойчивого/неустойчивого равновесия и рассматривается как резерв свободной энергии. Эта энергия, наряду с энергией АТФ (аденозинтрифосфат) и перекисного окисления липидов необходима живому организму для функционирования и развития.
Биохимические реакции в живом организме обусловлены биологическим током, возникающим при движении электронов и, в основном, ионов. При этом возрастает роль поляризации клеток и биополимерных молекул, роль структуры воды в процессах метаболизма. Изменения электрических свойств организмов связано с перераспределением в них электрических зарядов при их движении. Это же происходит и в потоке крови. Крови свойственны электропроводность и магнетизм. При ее движении по сосудам возникают электродинамические, электромагнитные и гидродинамические взаимодействия со стенками сосудов.
Следовательно, электромагнитные взаимодействия являются атрибутом существования живой материи на любом уровне ее организации. Живые организмы буквально плавают в море всевозможных физических полей – как внутренних, вырабатываемых самими организмами, так и внешних.
8.2. Симметрия и асимметрия в природе
Симметрия и асимметрия являются объективными свойствами природы, одними из фундаментальных в современном естествознании. Симметрия и асимметрия имеют универсальный, общий характер как свойство материального мира.
Симметрия (от греч. symmetria – соразмерность, порядок, гармония) является всеобщим свойством природы. Представление о симметрии у человека складывалось тысячелетиями. Термин «симметрия» фигурирует в представлениях человека как элемент чего-то «правильного», прекрасного и совершенного. В своих раздумьях над картиной мироздания человек определял симметрию как магическое качество природы, ее целесообразность, совершенство и старался отразить эти свойства в музыке, поэзии, архитектуре. В определенной мере симметрия выражает степень упорядоченности системы. В связи с этим имеется тесная корреляционная связь энтропии как меры неупорядоченности с симметрией: чем выше степень организованности вещества, тем выше симметрия и ниже энтропия.
Степень симметрии природных систем отражается в симметрии математических уравнений, законов, отображающих их состояние, в неизменности каких-либо их свойств по отношению к преобразованиям симметрии.
Симметрия – это понятие, отражающее существующий в природе порядок, пропорциональность и соразмерность между элементами какой-либо системы или объекта природы, упорядоченность, равновесие системы, устойчивость, то есть некий элемент гармонии.
Асимметрия – понятие, противоположное симметрии, отражающее разупорядочение системы, нарушение равновесия, что связано с изменением и развитием системы.
Из определений симметрии и асимметрии следует, что развивающаяся динамическая система должна быть обязательно несимметричной и неравновесной.
Современное естествознание представлено целой иерархией симметрий, которая отражает свойства иерархии уровней организации материи. Выделяют различные формы симметрий: калибровочные, пространственно-временные, изотопические, перестановочные, зеркальные и т. д. Все эти виды симметрий подразделяются на внешние и внутренние.
Внутреннюю симметрию невозможно наблюдать, она скрыта в математических уравнениях и законах, выражающих состояние исследуемой системы. Пример тому – уравнение Максвелла, описывающее взаимосвязь электрических и магнитных явлений, или теория гравитации Эйнштейна, связывающая свойства пространства, времени и тяготения.
Внешняя симметрия (пространственная или геометрическая) представлена в природе большим многообразием. Это симметрия кристаллов, молекул, живых организмов.
Для чего нужна симметрия живому и как она возникла?
Живые организмы формировали свою симметрию в процессе эволюции. Зародившиеся в водах океана, первые живые организмы имели правильную сферическую форму. Внедрение организмов в другие среды заставляло их адаптироваться к новым специфическим условиям. Один из способов такой адаптации – симметрия на уровне физической формы. Симметричное расположение частей органов тела обеспечивает живым организмам равновесие при движении и функционировании, жизнестойкость и адаптацию. Довольно симметричны внешние формы крупных животных, человека. Растительный мир организмов также наделен симметрией, что связано с борьбой за свет, физической устойчивостью к полеганию (закон всемирного тяготения). Например, конусообразная крона ели имеет строго вертикальную ось симметрии – вертикальный ствол, утолщенный книзу для устойчивости. Отдельные ветви симметрично расположены по отношению к стволу, а форма конуса способствует рациональному использованию кроной светового потока солнечной энергии, увеличивает устойчивость. Таким образом, благодаря притяжению и законам естественного отбора ель выглядит эстетически красиво и «построена» рационально. Внешняя симметрия насекомых и животных помогает им держать равновесие при движении, извлекать максимум энергии из окружающей среды и рационально ее использовать.
В физических и химических системах симметрия приобретает еще более глубокий смысл. Так, наиболее устойчивы молекулы, обладающие высокой симметрией (инертные газы). Симметрия молекул определяет характер молекулярных спектров. Высокая симметрия характерна для кристаллов. Кристаллы – это симметричные тела, их структура определяется периодическим повторением в трех измерениях элементарного атомного мотива.
Асимметрия также широко распространена в мире.
Внутреннее расположение отдельных органов в живых организмах часто асимметрично. Например, сердце расположено слева у человека, печень – справа и т. д. Л. Пастер, французский микробиолог и иммунолог, выделил левые и правые кристаллы винной кислоты. Молекула ДНК асимметрична – ее спираль всегда закручена вправо. Все аминокислоты и белки, входящие в состав живых организмов, способны отклонять поляризованный луч света влево.
В отличие от молекул неживой природы, где левые и правые молекулы встречаются часто, то есть носят в основном симметричный характер, молекулы органических веществ характеризуются ярко выраженной асимметрией. Придавая большое значение асимметрии живого, В. И. Вернадский предполагал, что именно здесь проходит тонкая граница между химией живого и неживого. Л. Пастер также, основываясь на этих признаках, провел границу между живым и неживым. Следует также отметить, что живые организмы (растения) в процессе жизнедеятельности поглощают из окружающей среды (почвы) в значительной степени химические соединения минеральной пищи, молекулы которой симметричны и в своем организме превращают их в асимметричные органические вещества: крахмал, белки глюкозу и т. д. Симметрия молекул пищевых веществ живого организма согласуется с симметрией молекул самого организма. В противном случае пища будет несовместимой (ядовитой).
Структура компонентов клетки также асимметрична, что имеет большое значение для ее обмена веществ, энергетической обеспеченности, а также способствует более высокой скорости протекания биохимических реакций.
Симметрия и асимметрия – это две полярные характеристики объективного мира. Фактически в природе нет чистой (абсолютной) симметрии или асимметрии. Эти категории – противоположности, которые всегда находятся в единстве и борьбе. Там, где ослабевает симметрия, возрастает асимметрия, и наоборот. На разных уровнях развития материи ей свойственна то симметрия, то асимметрия. Однако эти две тенденции едины, а их борьба носит абсолютный характер. Эти категории тесно связаны с понятиями устойчивости и неустойчивости систем, порядка и беспорядка, организации и дезорганизации, отражающими свойства систем и динамику развития, а также взаимосвязь между динамическими и статическими законами.
Полагая, что равновесие есть состояние покоя и симметрии, а асимметрия приводит к движению и неравновесному состоянию, можно считать, что понятие равновесия играет в биологии не менее важную роль, чем в физике. Принцип устойчивости термодинамического равновесия живых систем характеризует специфику биологической формы движения материи. Именно устойчивое динамическое равновесие (асимметрия) является ключевым принципом постановки и решения проблемы происхождения жизни.
