Концепции современного естествознания

Îãëàâëåíèå Ââåäåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Ãëà...

Author: Л. А. Михайлов

14 downloads 262 Views 2MB Size Report

This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form

DOWNLOAD PDF

Îãëàâëåíèå Ââåäåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Ãëàâà 1. Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1. Íàóêà. Ôóíêöèè íàóêè . . . . . . . . . . . Íàóêà êàê îòðàñëü êóëüòóðû . . . . Íàóêà êàê ñïîñîá ïîçíàíèÿ ìèðà Íàóêà êàê ñîöèàëüíûé èíñòèòóò .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

12 13 15 17

1.2. Åñòåñòâîçíàíèå — êîìïëåêñ íàóê î ïðèðîäå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Èñòîðè÷åñêèå ýòàïû ïîçíàíèÿ ïðèðîäû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Ñòðóêòóðà ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3. Ìåòîäû åñòåñòâåííîíàó÷íûõ èññëåäîâàíèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Ãëàâà 2. Ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ î ìàòåðèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1. Ìàòåðèÿ è åå ñâîéñòâà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Êëàññèôèêàöèÿ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2. Ôóíäàìåíòàëüíûå âçàèìîäåéñòâèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3. Òåïëîâîå èçëó÷åíèå. Ðîæäåíèå êâàíòîâûõ ïðåäñòàâëåíèé . . . . . . . . . . 43 2.4. Ãèïîòåçà Ë. äå Áðîéëÿ î êîðïóñêóëÿðíî-âîëíîâîì äóàëèçìå ñâîéñòâ ÷àñòèö . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.5. Îïûòû Ðåçåðôîðäà. Ìîäåëü àòîìà Ðåçåðôîðäà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 À. Îïûòû Ðåçåðôîðäà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Á. ßäåðíàÿ ìîäåëü àòîìà Ðåçåðôîðäà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.6. Òåîðèÿ Áîðà äëÿ àòîìà âîäîðîäà. Ïîñòóëàòû Áîðà . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.7. Àòîì âîäîðîäà â êâàíòîâîé ìåõàíèêå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.8. Ìíîãîýëåêòðîííûé àòîì. Ïðèíöèï Ïàóëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.9. Êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêîå îáîñíîâàíèå Ïåðèîäè÷åñêîãî çàêîíà Ä. È. Ìåíäåëååâà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.10. Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ ÿäåðíîé ôèçèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.11. Ðàäèîàêòèâíîñòü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4 Îãëàâëåíèå Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè . . . . . . . . . . 59 3.1. Íüþòîíîâñêàÿ êîíöåïöèÿ àáñîëþòíîãî ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè. Çàêîíû äâèæåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.2. Çàêîíû ñîõðàíåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . Çàêîí ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà . . . . . . . . Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè . . . . . . . . . Çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

62 62 63 64 65

3.3. Ïðèíöèïû ñîâðåìåííîé ôèçèêè . . . . . . . . . . Ïðèíöèï ñèììåòðèè . . . . . . . . . . . . . . . . . Ñèììåòðèÿ è çàêîíû ñîõðàíåíèÿ . . . . . . Ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè . . . . . . . . . . . Ïðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòè Ãåéçåíáåðãà Ïðèíöèï ñîîòâåòñòâèÿ . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

66 66 67 68 69 70

3.4. Ïîíÿòèå î ñîñòîÿíèè ñèñòåìû. Ëàïëàñîâñêèé äåòåðìèíèçì . . . . . . . . . 70 3.5. Ñïåöèàëüíàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè (ÑÒÎ) Ââåäåíèå â ÑÒÎ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Äâà ïîñòóëàòà Ýéíøòåéíà â ÑÒÎ . . . . . . . . Ðåëÿòèâèñòñêèå ýôôåêòû . . . . . . . . . . . . . . . Îáùàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

72 72 74 76 78

3.6. Íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè. Ïðåäñòàâëåíèÿ îá ýíòðîïèè . . . . . . . . . Îáùèå ñâåäåíèÿ î òåðìîäèíàìèêå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Òåðìîäèíàìèêà êàê ôóíêöèÿ ñîñòîÿíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ïåðâîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Êðóãîâûå ïðîöåññû (öèêëû). Îáðàòèìûå è íåîáðàòèìûå ïðîöåññû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Èäåàëüíûé öèêë òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ Êàðíî . . . . . . . . . . . . . Âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè. Ýíòðîïèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . Òðåòüå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè, èëè òåïëîâàÿ òåîðèÿ Íåðíñòà Íåðàâíîâåñíàÿ òåðìîäèíàìèêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ýíòðîïèÿ è âåùåñòâî. Èçìåíåíèå ýíòðîïèè â õèìè÷åñêèõ ðåàêöèÿõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Èíôîðìàöèîííàÿ ýíòðîïèÿ. Ýíòðîïèÿ â áèîëîãèè . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

80 80 81 82

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

83 84 85 88 89

. . . . . 90 . . . . . 91

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Ãëàâà 4. Åñòåñòâåííîíàó÷íûå çíàíèÿ î âåùåñòâå . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.1. Õèìèÿ êàê íàóêà. Êðàòêàÿ èñòîðè÷åñêàÿ ñïðàâêà. Ïðîáëåìû è ïåðñïåêòèâû ñîâðåìåííîé õèìèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Îãëàâëåíèå

5

4.2. Õèìè÷åñêèé ýëåìåíò. Ñòðîåíèå àòîìà. Ïåðèîäè÷åñêèé çàêîí . . . . . . . 96 4.3. Õèìè÷åñêîå ñîåäèíåíèå, õèìè÷åñêàÿ ñâÿçü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.4. Õèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ, åå ñêîðîñòü, êèíåòèêà è êàòàëèç, áèîêàòàëèçàòîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.5. Âçàèìîñâÿçü õèìè÷åñêîãî ñòðîåíèÿ è ñòðóêòóðû íåîðãàíè÷åñêèõ è îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. Èçîìåðèÿ è åå âèäû . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.6. Ýâîëþöèîííàÿ õèìèÿ — îòáîð õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ âî Âñåëåííîé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4.7. Êîíöåïòóàëüíûå ñèñòåìû õèìè÷åñêèõ çíàíèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Ãëàâà 5. Íàíîòåõíîëîãèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Ãëàâà 6. Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.1. Îáùèå ïðåäñòàâëåíèÿ î Âñåëåííîé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 6.2. Ãàëàêòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.3. Çâåçäû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 6.4. Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Òåîðèè ïðîèñõîæäåíèÿ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 7.1. Ôîðìà è ðàçìåðû Çåìëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 7.2. Êîñìè÷åñêèå ðèòìû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 7.3. Çîíàëüíûå êîìïëåêñû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 7.4. Êîìïëåêñíûå ïðèðîäíûå çîíû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 7.5. Ïîíÿòèå î ëèòîñôåðå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 7.6. Ãåîëîãè÷åñêîå ëåòîñ÷èñëåíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 7.7. Ðåëüåôîîáðàçóþùèå ïðîöåññû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 7.8. Îñíîâíûå ôîðìû ðåëüåôà Çåìëè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 7.9. Ìèíåðàëüíûå ðåñóðñû ëèòîñôåðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 7.10. Ãèäðîñôåðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 7.11. Àòìîñôåðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 7.12. Îáùèå ïðåäñòàâëåíèÿ î ãåîãðàôè÷åñêîé îáîëî÷êå . . . . . . . . . . . . . . 183 Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

6 Îãëàâëåíèå Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 8.1. Ýëåêòðîìàãíèòíûå âçàèìîäåéñòâèÿ êàê îïðåäåëÿþùèå õèìè÷åñêèé è áèîëîãè÷åñêèé óðîâåíü îðãàíèçàöèè ìàòåðèè . . . . . . 188 8.2. Ñèììåòðèÿ è àñèììåòðèÿ â ïðèðîäå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 8.3. Ñàìîîðãàíèçàöèÿ ïðèðîäû (ïîíÿòèå ñèíåðãåòèêè) . . . . . . . . . . . . . . . 194 8.4. Îñíîâíûå ñâîéñòâà ñàìîîðãàíèçóþùèõñÿ ñèñòåì . . . . . . . . Îòêðûòûå ñèñòåìû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ïðèíöèï ïðîèçâîäñòâà ìèíèìóìà ýíòðîïèè . . . . . . . . . . Íåëèíåéíûå ñèñòåìû (íåëèíåéíîñòü) . . . . . . . . . . . . . . . Íåðàâíîâåñíàÿ òåðìîäèíàìèêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Äèññèïàòèâíûå ñòðóêòóðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Òåîðèÿ áèôóðêàöèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Áèôóðêàöèîííîå äåðåâî êàê ìîäåëü ýâîëþöèè ïðèðîäû, ÷åëîâåêà, îáùåñòâà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

197 197 198 199 199 200 201

. . . . . . . . 205

8.5. Ïðåäñòàâëåíèå î æèçíè â ñîâðåìåííîì åñòåñòâîçíàíèè . . . . . . . . . . . 208 Îòëè÷èòåëüíûå ïðèçíàêè æèâîãî . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Îïðåäåëåíèÿ æèçíè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 8.6. Ñòðóêòóðíûå óðîâíè îðãàíèçàöèè æèâîé ìàòåðèè . . . . . . . . . . . . Îñíîâíûå îñîáåííîñòè æèâûõ ñèñòåì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ìîëåêóëÿðíî-ãåíåòè÷åñêèé óðîâåíü áèîëîãè÷åñêèõ ñòðóêòóð Êëåòî÷íûé óðîâåíü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Îíòîãåíåòè÷åñêèé (îðãàíèçìåííûé) óðîâåíü . . . . . . . . . . . . . . Ïîïóëÿöèîííî-âèäîâîé óðîâåíü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Áèîñôåðíûé (áèîãåîöåíîòè÷åñêèé) óðîâåíü . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

212 212 217 219 220 220 221

8.7. Ãèïîòåçû ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Ãèïîòåçà ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè â èñòîðè÷åñêîì ïðîøëîì â ðåçóëüòàòå áèîõèìè÷åñêîé ýâîëþöèè À. È. Îïàðèíà . . . . . . 225 8.8. Ôèçèêî-õèìè÷åñêèå ïðåäïîñûëêè äëÿ çàðîæäåíèÿ æèçíè íà Çåìëå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Îáðàçîâàíèå ïðîñòûõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé . . . . . . Îáðàçîâàíèå ñëîæíûõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé . . . . . Õèìè÷åñêèé ñîñòàâ æèâîé ïðèðîäû . . . . . . . . . . . . . . . . Ìîíîìåðû è ìàêðîìîëåêóëû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Êîàöåðâàòû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Îáðàçîâàíèå ïðîñòåéøèõ ôîðì æèâûõ îðãàíèçìîâ . . . Êëåòêà êàê ýëåìåíòàðíàÿ åäèíèöà æèâîãî . . . . . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

227 227 228 228 229 231 232 235

Îãëàâëåíèå

7

8.9. Òåîðèè ýâîëþöèè îðãàíè÷åñêîãî ìèðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Íà÷àëüíûå ýòàïû áèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèè . . . . . . . . . . . . Îáðàçîâàíèå ðàñòåíèé è æèâîòíûõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ýâîëþöèîííàÿ òåîðèÿ ×. Äàðâèíà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ñèíòåòè÷åñêàÿ òåîðèÿ ýâîëþöèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ýâîëþöèîííàÿ êàðòèíà ìèðà. Ãëîáàëüíûé ýâîëþöèîíèçì

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

236 236 237 242 244 248

8.10. Îñíîâû ãåíåòèêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Èñòîðèÿ âîçíèêíîâåíèÿ ãåíåòèêè . . . . . Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ ãåíåòèêè . . . . . . . . . Çàêîíîìåðíîñòè íàñëåäñòâåííîñòè . . . . Õðîìîñîìíàÿ òåîðèÿ íàñëåäñòâåííîñòè Ãåíåòè÷åñêàÿ è êëåòî÷íàÿ èíæåíåðèÿ . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

250 250 251 252 253 255

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Ãëàâà 9. Ó÷åíèå î áèîñôåðå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 9.1. Áèîñôåðà, åå ñòðóêòóðà è ôóíêöèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 9.2. Æèâîå âåùåñòâî êàê ñèñòåìîîáðàçóþùèé ôàêòîð áèîñôåðû . . . . . . . 261 9.3. Áèîñôåðà — ýêîñèñòåìà ïëàíåòàðíîãî ìàñøòàáà . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 9.4. Ïðèíöèïû óñòðîéñòâà áèîñôåðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 9.5. Ïðåâðàùåíèå áèîñôåðû â íîîñôåðó . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 Ãëàâà 10. ×åëîâåê êàê ïðåäìåò ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ . . . . . . . 271 10.1. Ïðîèñõîæäåíèå ÷åëîâåêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 10.2. Ñõîäñòâî è îòëè÷èå ÷åëîâåêà è æèâîòíûõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 10.3. Ñòàäèè ýâîëþöèè ÷åëîâåêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 10.4. Ñîîòíîøåíèå áèîëîãè÷åñêîãî è ñîöèàëüíîãî â ÷åëîâåêå . . . . . . . . . 280 10.5. Çäîðîâüå ÷åëîâåêà. Äåìîãðàôè÷åñêèå ïðîáëåìû . . . . . . . . . . . . . . . . 282 10.6. Ðàáîòîñïîñîáíîñòü è òâîð÷åñòâî . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Ãëàâà 11. Îñíîâû ýêîëîãèè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 11.1. Çàäà÷è, ìåòîäû ýêîëîãèè êàê íàóêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 11.2. Ñðåäû æèçíè, ýêîëîãè÷åñêèå ôàêòîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 11.3. Ñîâðåìåííûå ýêîëîãè÷åñêèå ïðîáëåìû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 11.4. Çàãðÿçíåíèå îêðóæàþùåé ñðåäû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

8 Îãëàâëåíèå 11.5. Âëèÿíèå íåáëàãîïðèÿòíûõ ýêîëîãè÷åñêèõ ôàêòîðîâ íà ñîñòîÿíèå çäîðîâüÿ ÷åëîâåêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 11.6. Ìåæäóíàðîäíîå ñîòðóäíè÷åñòâî â îáëàñòè îõðàíû îêðóæàþùåé ñðåäû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 11.7. Ýêîëîãè÷åñêîå îáðàçîâàíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Çàêëþ÷åíèå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Ïðèëîæåíèå. Òåñòîâûå çàäàíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ê ãëàâå 1 «Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ» . . . . . . . . . . . . . . Ê ãëàâå 2 «Ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ î ìàòåðèè» . . . . . . . . . . . . . Ê ãëàâå 3 «Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè» . . . Ê ãëàâå 4 «Åñòåñòâåííîíàó÷íûå çíàíèÿ î âåùåñòâå» . . . . . . . . . . . Ê ãëàâå 5 «Íàíîòåõíîëîãèè» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ê ãëàâå 6 «Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ê ãëàâå 7 «Ïëàíåòà Çåìëÿ» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ê ãëàâå 8 «Æèâàÿ ìàòåðèÿ» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ê ãëàâàì 9 «Ó÷åíèå î áèîñôåðå» è 10 «×åëîâåê êàê ïðåäìåò ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ê ãëàâå 11 «Îñíîâû ýêîëîãèè» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

316 316 317 318 319 320 320 322 323 326 327

Îòâåòû íà òåñòîâûå çàäàíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 Ëèòåðàòóðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332

ÂÂÅÄÅÍÈÅ

Åñòåñòâîçíàíèå — íàóêà î ÿâëåíèÿõ è çàêîíàõ ïðèðîäû. Íà ñîâðåìåííîì ýòàïå ðàçâèòèÿ åñòåñòâîçíàíèå âêëþ÷àåò ìíîæåñòâî îòðàñëåé: ôèçèêó, õèìèþ, áèîëîãèþ, áèîõèìèþ, ãåîõèìèþ, àñòðîíîìèþ, ãåíåòèêó, ýêîëîãèþ è äð. Åñòåñòâîçíàíèå îõâàòûâàåò øèðîêèé ñïåêòð âîïðîñîâ î ðàçíîîáðàçíûõ ñâîéñòâàõ îáúåêòîâ è ÿâëåíèé ïðèðîäû, êîòîðóþ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê öåëîñòíóþ ñèñòåìó. Óñïåõè åñòåñòâîçíàíèÿ, îñîáåííî ñ XVII–XVIII ââ., íàäîëãî ñäåëàëè ïðèíöèïû åñòåñòâîçíàíèÿ ýòàëîíîì ðàöèîíàëüíîñòè. Èçó÷åíèå ïðèðîäû áûëî åñòåñòâåííûì ñòðåìëåíèåì ÷åëîâåêà ïîçíàòü îêðóæàþùèé ìèð è ñòàëî îñíîâîé ïðàêòè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè. Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ, ñàìî ïðåäñòàâëåíèå î çàêîíîìåðíîñòÿõ èçìåíåíèÿ ÿâëåíèé, ñïîñîáû ïðèìåíåíèÿ çàêîíîâ ïðèðîäû áûëè ïîðîæäåíû åå èññëåäîâàíèåì. Îòíîøåíèå ê ïðèðîäå, ïîíèìàíèå åå ìåñòà â ìèðîçäàíèè, ïðåäñòàâëåíèå î ÿâëåíèÿõ, ïðîèñõîäÿùèõ â íåé, áûëè îñíîâîé íàó÷íûõ è ôèëîñîôñêèõ ñèñòåì â ðàçëè÷íûõ öèâèëèçàöèÿõ. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ åñòåñòâåííîíàó÷íûå çíàíèÿ ÿâëÿþòñÿ ñôåðîé àêòèâíûõ äåéñòâèé è îñíîâàííûå íà íèõ ñîâðåìåííûå òåõíîëîãèè ôîðìèðóþò íîâûé îáðàç æèçíè ÷åëîâåêà. Îñíîâíûå ìèðîâîççðåí÷åñêèå è ìåòîäîëîãè÷åñêèå ïðèíöèïû ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ, âåäóùèå íàïðàâëåíèÿ èõ ðàçâèòèÿ è ïîëîæåíèå â îáùåêóëüòóðíîé êàðòèíå ìèðà ïðåäëàãàþòñÿ äëÿ èçó÷åíèÿ â êóðñå «Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ». Îäíàêî ïîäðîáíîå èçëîæåíèå åñòåñòâåííîíàó÷íûõ çíàíèé, íàêîïëåííûõ âî âñåõ îòðàñëÿõ åñòåñòâîçíàíèÿ, — íåîáõîäèìûé, íî ñëîæíûé ïðîöåññ, äëÿ ðåøåíèÿ êîòîðîãî â äàííîì ó÷åáíèêå èñïîëüçóåòñÿ ïðèíöèï êîíöåïòóàëüíîñòè èçëîæåíèÿ íàó÷íîãî ìàòåðèàëà. Ïîíÿòèå «êîíöåïöèÿ» âêëþ÷àåò â ñåáÿ îñíîâîïîëàãàþùèå èäåè, ïðèíöèïû, ÷òî ïîçâîëÿåò ñòóäåíòàì ïîëó÷èòü ôóíäàìåíòàëüíûå çíàíèÿ î ïðèðîäå è íà èõ îñíîâå áîëåå äåòàëüíî èçó÷èòü ñïåöèàëèçèðîâàííûå äèñöèïëèíû ïðîôèëüíîé ïîäãîòîâêè. Êîíöåïòóàëüíîå ìûøëåíèå è âîñïðèÿòèå åñòåñòâîçíàíèÿ íåîáõîäèìî äëÿ ñòóäåíòîâ åñòåñòâåííûõ, òåõíè÷åñêèõ è ãóìàíèòàðíûõ ôàêóëüòåòîâ, òàê êàê îíî ïîêàçûâàåò ðîëü åñòåñòâîçíàíèÿ â ñîâðåìåííîé æèçíè, ïðèëîæèìîñòü åãî ïðèíöèïîâ

10 Ââåäåíèå è çàêîíîâ ê ðàçíîîáðàçíûì ñôåðàì òåîðåòè÷åñêîé è ïðàêòè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà. Ó÷åáíèê «Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ» ïîäãîòîâëåí â ñîîòâåòñòâèè ñ Ãîñóäàðñòâåííûì îáðàçîâàòåëüíûì ñòàíäàðòîì âûñøåãî ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ. Öåëü ó÷åáíèêà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òîáû ñäåëàòü äîñòóïíûì äëÿ ñòóäåíòîâ ïîíèìàíèå ïðîáëåì è ðåçóëüòàòîâ èññëåäîâàíèé â îáëàñòè åñòåñòâåííûõ íàóê, ïîçíàêîìèòü ñòóäåíòîâ íà óðîâíå îáùèõ ïðåäñòàâëåíèé ñ íàèáîëåå âàæíûìè ïîëîæåíèÿìè, êîíöåïöèÿìè íàóê î ïðèðîäå â èõ âçàèìîñâÿçè, ðàçâèòèè. Ðåàëèçàöèÿ ýòîé öåëè ïðåäïîëàãàåò ðåøåíèå ñëåäóþùèõ çàäà÷: u

u u u u u

äàòü ïðåäñòàâëåíèå îá îñíîâîïîëàãàþùèõ êîíöåïöèÿõ ðàçëè÷íûõ åñòåñòâåííûõ íàóê, íàïðàâëåíèÿõ èõ ðàçâèòèÿ â èñòîðè÷åñêîì àñïåêòå; ñôîðìèðîâàòü ñèñòåìó îáùèõ çíàíèé î æèâîé è íåæèâîé ïðèðîäå è çàêîíàõ åå ñóùåñòâîâàíèÿ; ðàçâèòü ñïîñîáíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ ñèñòåìíîãî ïîäõîäà â îöåíêå ðàçâèòèÿ íàïðàâëåíèé ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ; íàó÷èòü àíàëèçèðîâàòü îñíîâíîå ñîäåðæàíèå êîíêðåòíûõ íàó÷íûõ òåîðèé è îñíîâîïîëàãàþùèõ êîíöåïöèé; ïîçíàêîìèòü ñòóäåíòîâ ñ âàæíåéøèìè äîñòèæåíèÿìè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ; îõàðàêòåðèçîâàòü çàäà÷è ðàöèîíàëüíîãî ïðèðîäîïîëüçîâàíèÿ, à òàêæå ðîëü, ìåñòî è çíà÷åíèå ÷åëîâåêà â ýâîëþöèè íå òîëüêî Çåìëè, íî è Êîñìîñà.

Â ñîîòâåòñòâèè ñ Ãîñóäàðñòâåííûì îáðàçîâàòåëüíûì ñòàíäàðòîì â äàííîì ó÷åáíèêå ðàññìàòðèâàþòñÿ ñëåäóþùèå âîïðîñû: u u u u

u u

ïðåäìåò, ñòðóêòóðà è ìåòîäû åñòåñòâîçíàíèÿ (ãëàâà 1); ôèçè÷åñêàÿ êàðòèíà ìèðà è åå ñòðóêòóðà (ãëàâû 2–3); îñíîâû ñîâðåìåííîé õèìèè (ãëàâà 4); ñîâðåìåííûå ïðåäñòàâëåíèÿ î ìåãàìèðå: Âñåëåííîé, Ñîëíå÷íîé ñèñòåìå, çâåçäàõ (ãëàâà 6), à òàêæå î Çåìëå — ïëàíåòå Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû (ãëàâà 7); ñîâðåìåííûå òåîðèè ïðîèñõîæäåíèÿ, ðàçâèòèÿ æèçíè, áèîñôåðû, ÷åëîâåêà (ãëàâû 8–10); êîíöåïöèè åñòåñòâåííîíàó÷íûõ îñíîâ ñîâðåìåííûõ òåõíîëîãèé è ýêîëîãèè (ãëàâû 5, 11).

Ââåäåíèå

11

Â êîíöå êàæäîé ãëàâû ïðåäñòàâëåíû âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè ñòóäåíòîâ. Â ó÷åáíèêå äàåòñÿ ñïèñîê ëèòåðàòóðû, èñïîëüçîâàâøåéñÿ ïðè íàïèñàíèè ïîñîáèÿ è ðåêîìåíäóåìîé ñòóäåíòàì ïðè ïîäãîòîâêå ê ïðàêòè÷åñêèì çàíÿòèÿì, à òàêæå òåñòîâûå çàäàíèÿ. Ïîìèìî ïîìîùè ñòóäåíòàì â îñâîåíèè äèñöèïëèíû äàííîå ó÷åáíîå ïîñîáèå ðåøàåò çàäà÷ó îçíàêîìëåíèÿ ñ îñíîâàìè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ âñåõ èíòåðåñóþùèõñÿ ïðîáëåìàìè â ýòîé îáëàñòè íàóêè. Àâòîðû ó÷åáíèêà: Áàëåíêî Þ. Ê., êàíäèäàò òåõíè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð (ãë. 2: § 2.3– 2.11; ãë. 3); Áåñïàìÿòíûõ Ò. À., êàíäèäàò ïåäàãîãè÷åñêèõ íàóê, äîöåíò (ãë. 11); Êèñåëåâà Ý. Ì., êàíäèäàò ïåäàãîãè÷åñêèõ íàóê (ãë. 8: § 8.10; ãë. 9, ãë. 10); Êîðîëüêîâà Ñ. Â., êàíäèäàò áèîëîãè÷åñêèõ íàóê (ãë. 4, ãë. 5); Êîñòåöêàÿ Ã. À., êàíäèäàò ïåäàãîãè÷åñêèõ íàóê (ãë. 1: § 1.1, 1.2; ãë. 6: § 6.1–6.3; ãë. 7: § 7.9, 7.10); Ìèõàéëîâ Ë. À., äîêòîð ïåäàãîãè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð, ëàóðåàò ïðåìèè Ïðåçèäåíòà ÐÔ (çàêëþ÷åíèå); Ïîïîâà Ð. È., êàíäèäàò ïåäàãîãè÷åñêèõ íàóê, äîöåíò (ãë. 1: § 1.3; ãë. 2: § 2.1, 2.2); Ñèëàêîâà Î. Â., êàíäèäàò ïåäàãîãè÷åñêèõ íàóê (ãë. 6: § 6.4; ãë. 7: § 7.1–7.8, 7.11); Ñîëîìèí Â. Ï., äîêòîð ïåäàãîãè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð, çàñëóæåííûé ðàáîòíèê âûñøåé øêîëû ÐÔ, äåéñòâèòåëüíûé ÷ëåí ÌÀÍÝÁ (ââåäåíèå); Öàðåíêî Â. Ï., äîêòîð ñåëüñêîõîçÿéñòâåííûõ íàóê, ïðîôåññîð (ãë. 8: § 8.1–8.9).

Ãëàâà 1 ÏÐÅÄÌÅÒ È ÑÒÐÓÊÒÓÐÀ ÅÑÒÅÑÒÂÎÇÍÀÍÈß

Òåðìèí «åñòåñòâîçíàíèå» ïðîèñõîäèò îò ñîåäèíåíèÿ ñëîâ «åñòåñòâî», òî åñòü ïðèðîäà, è «çíàíèå». Òàêèì îáðàçîì, äîñëîâíîå òîëêîâàíèå òåðìèíà — çíàíèå î ïðèðîäå.

} Åñòåñòâîçíàíèå â ñîâðåìåííîì ïîíèìàíèè — íàóêà, ïðåäñòàâëÿþùàÿ ñîáîé êîìïëåêñ íàóê î ïðèðîäå, âçÿòûõ â èõ âçàèìîñâÿçè. Ïðè ýòîì ïîä ïðèðîäîé ïîíèìàåòñÿ âñå ñóùåå, âåñü ìèð â ìíîãîîáðàçèè åãî ôîðì.

1.1. Íàóêà. Ôóíêöèè íàóêè } Íàóêà — ýòî îñîáûé ðàöèîíàëüíûé ñïîñîá ïîçíàíèÿ ìèðà, îñíîâàííûé íà ýìïèðè÷åñêîé ïðîâåðêå èëè ìàòåìàòè÷åñêîì äîêàçàòåëüñòâå.

Íàóêó ðàññìàòðèâàþò êàê ñôåðó èññëåäîâàòåëüñêîé äåÿòåëüíîñòè, íàïðàâëåííóþ íà ïðîèçâîäñòâî íîâûõ çíàíèé î ïðèðîäå, îáùåñòâå è ÷åëîâåêå, âêëþ÷àþùóþ â ñåáÿ âñå óñëîâèÿ ýòîãî ïðîèçâîäñòâà: ó÷åíûõ ñ èõ çíàíèÿìè è ñïîñîáíîñòÿìè, íàó÷íûå ó÷ðåæäåíèÿ è ñïåöèàëüíîå îáîðóäîâàíèå, ìåòîäû íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêîé ðàáîòû, ñèñòåìó íàó÷íîé èíôîðìàöèè. Âîçíèêíóâ â Åâðîïå ïîñëå ôèëîñîôèè è ðåëèãèè, â ñîâðåìåííîì âèäå íàóêà ñôîðìèðîâàëàñü â XVI–XVIII ââ. Ïðè÷èíà âîçíèêíîâåíèÿ íàóêè — ñîåäèíåíèå â ñâîåîáðàçíîì òèïå åâðîïåéñêîé êóëüòóðû âîñòî÷íîé ÷óâñòâåííîñòè ñ ãðå÷åñêîé ðàöèîíàëüíîñòüþ. Àêòèâíî ðàçâèâàÿñü, ê íà÷àëó XVIII â. íàóêà çàíÿëà äîìèíèðóþùåå ìåñòî â êóëüòóðå ÷åëîâå÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè. Ñ òåõ ïîð çíà÷åíèå íàóêè íåóêëîííî âîçðàñòàåò. Åñëè â íà÷àëå XIX â. ðàçâèòèå íàóêè çàâèñåëî îò ðàçâèòèÿ

1.1. Íàóêà. Ôóíêöèè íàóêè

13

ïðîèçâîäñòâà, òî ê êîíöó ñòîëåòèÿ ñèòóàöèÿ èçìåíèëàñü: ðàçâèòèå íàóêè ñòàëî ïðåäøåñòâîâàòü ðàçâèòèþ ïðîèçâîäñòâà. Â ÕÕ â. îáúåì íàó÷íîé èíôîðìàöèè óäâàèâàëñÿ êàæäûå 10–15 ëåò. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ íàóêà îõâàòûâàåò îêîëî 15 òûñ. äèñöèïëèí, êîòîðûå ðàçäåëÿþòñÿ íà ôóíäàìåíòàëüíûå è ïðèêëàäíûå, åñòåñòâåííûå è îáùåñòâåííûå. Èçìåíèëñÿ è ñòàòóñ ó÷åíîãî. Äî êîíöà XIX â. íàó÷íûå èññëåäîâàíèÿ âåëèñü â óíèâåðñèòåòàõ, ãäå ó÷åíûé äîáûâàë ñðåäñòâà ê æèçíè ïðåïîäàâàòåëüñêîé ðàáîòîé. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ó÷åíûé — ýòî îñîáàÿ ïðîôåññèÿ. Ñ ðàçäåëåíèåì íàóêè íà ôóíäàìåíòàëüíóþ è ïðèêëàäíóþ, ïðîèçîøåäøèì â ÕÕ ñòîëåòèè, òåîðåòè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ ñòàëè íåïîñðåäñòâåííî âëèÿòü íà ïðîèçâîäñòâî. Íàóêà ïðåâðàòèëàñü â âàæíóþ ïðîèçâîäèòåëüíóþ ñèëó îáùåñòâà. Âûäåëÿþò òðè îñíîâíûå èïîñòàñè íàóêè: îòðàñëü êóëüòóðû, ñïîñîá ïîçíàíèÿ ìèðà, ñîöèàëüíûé èíñòèòóò.

Íàóêà êàê îòðàñëü êóëüòóðû Òåðìèí «êóëüòóðà» (îò ëàò. cultura — âîçäåëûâàíèå, âîñïèòàíèå, ðàçâèòèå, ïî÷èòàíèå) âîøåë â îáèõîä åâðîïåéñêîé ñîöèàëüíîé ìûñëè âî âòîðîé ïîëîâèíå XVIII â. Ïåðâîíà÷àëüíî ïîíÿòèå «êóëüòóðà» ïîäðàçóìåâàëî öåëåíàïðàâëåííîå âîçäåéñòâèå ÷åëîâåêà íà ïðèðîäó, à òàêæå âîñïèòàíèå è îáó÷åíèå ñàìîãî ÷åëîâåêà. Ñîâðåìåííàÿ òðàêòîâêà ïîíÿòèÿ «êóëüòóðà» îòðàæàåò êàê îáùåå îòëè÷èå ÷åëîâå÷åñêîé æèçíåäåÿòåëüíîñòè îò áèîëîãè÷åñêèõ ôîðì æèçíè, òàê è êà÷åñòâåííîå ñâîåîáðàçèå êîíêðåòíûõ èñòîðè÷åñêèõ ôîðì ýòîé æèçíåäåÿòåëüíîñòè.

} Êóëüòóðà — ñïåöèôè÷åñêèé ñïîñîá îðãàíèçàöèè è ðàçâèòèÿ ÷åëîâå÷åñêîé æèçíåäåÿòåëüíîñòè, ïðåäñòàâëåííûé â ïðîäóêòàõ ìàòåðèàëüíîãî è äóõîâíîãî òðóäà, â ñèñòåìå ñîöèàëüíûõ íîðì è ó÷ðåæäåíèé, â äóõîâíûõ öåííîñòÿõ, â ñîâîêóïíîñòè îòíîøåíèé ëþäåé ê ïðèðîäå, ìåæäó ñîáîé è ê ñàìèì ñåáå.

Ñîäåðæàíèå ïîíÿòèÿ «êóëüòóðà» è åãî ñòðóêòóðà íàõîäÿòñÿ â ïîñòîÿííîì ðàçâèòèè è çàâèñÿò îò êîíêðåòíîé èñòîðè÷åñêîé ýïîõè, îáùåñòâåííî-ýêîíîìè÷åñêîé ôîðìàöèè, íàöèîíàëüíûõ îñîáåííîñòåé. Êóëüòóðó ïîäðàçäåëÿþò íà ìàòåðèàëüíóþ è äóõîâíóþ. Ìàòåðèàëüíàÿ êóëüòóðà îõâàòûâàåò âñþ ñôåðó ìàòåðèàëüíîé äåÿòåëüíîñòè è åå ðåçóëüòàòû — îðóäèÿ òðóäà, æèëèùå, îäåæäó è ò. ä. Äóõîâíàÿ êóëüòóðà âêëþ÷àåò â ñåáÿ ñôåðó ñîçíàíèÿ, äóõîâíîãî ïðîèçâîäñòâà — íðàâñòâåííîñòü, âîñïèòàíèå, ýòèêó, ýñòåòèêó, ðåëèãèþ, èñêóññòâî, íàóêó.

14 Ãëàâà 1. Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ Íàóêó êàê ñîñòàâëÿþùóþ îáùå÷åëîâå÷åñêîé êóëüòóðû îò äðóãèõ îòðàñëåé êóëüòóðû îòëè÷àåò öåëûé ðÿä ïðèçíàêîâ. Â îòëè÷èå îò òåõíèêè öåëüþ íàóêè ÿâëÿåòñÿ ïîçíàíèå ìèðà, à íå èñïîëüçîâàíèå ïîëó÷åííûõ çíàíèé î ìèðå äëÿ åãî ïðåîáðàçîâàíèÿ. Îò èñêóññòâà íàóêà îòëè÷àåòñÿ ðàöèîíàëüíîñòüþ. Îò ôèëîñîôèè íàóêó îòëè÷àåò òî, ÷òî åå âûâîäû òðåáóþò ýìïèðè÷åñêîé ïðîâåðêè. Â îòëè÷èå îò èäåîëîãèè íàó÷íûå èñòèíû îáùåçíà÷èìû è íå çàâèñÿò îò èíòåðåñîâ îïðåäåëåííûõ ñëîåâ îáùåñòâà. Îò ðåëèãèè íàóêà îòëè÷àåòñÿ òåì, ÷òî îïèðàåòñÿ íå íà âåðó, à íà ÷óâñòâåííóþ ðåàëüíîñòü. Íàóêà ðåøàåò ÷àñòíûå ïðîáëåìû è äàåò îòíîñèòåëüíûå îòâåòû íà ÷àñòíûå âîïðîñû, êîòîðûå ïîäòâåðæäàþòñÿ îïûòîì. Ïðè ýòîì â íàóêå íèêîãäà íå èìååòñÿ äîñòàòî÷íûõ îñíîâàíèé äëÿ óâåðåííîñòè â òîì, ÷òî äîñòèãíóòà èñòèíà. Êàê ñôåðà ÷åëîâå÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè íàóêà èìååò ñïåöèôè÷åñêèå ÷åðòû. Óíèâåðñàëüíîñòü — ñîîáùàåò çíàíèÿ, èñòèííûå äëÿ òåõ óñëîâèé, ïðè êîòîðûõ îíè ïîëó÷åíû. Îáåçëè÷åííîñòü — êîíå÷íûå ðåçóëüòàòû íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ íå çàâèñÿò îò íàöèîíàëüíîñòè ó÷åíîãî, îò ìåñòà åãî ïðîæèâàíèÿ èëè èíäèâèäóàëüíûõ îñîáåííîñòåé. Ñèñòåìàòè÷íîñòü — íàóêà èìååò îïðåäåëåííóþ âçàèìîñâÿçàííóþ ñòðóêòóðó, à íå ÿâëÿåòñÿ áåññâÿçíûì íàáîðîì ÷àñòåé. Ôðàãìåíòàðíîñòü — íàóêà äåëèòñÿ íà îòäåëüíûå äèñöèïëèíû, ïîñêîëüêó èçó÷àåò íå áûòèå â öåëîì, à ðàçëè÷íûå ôðàãìåíòû ðåàëüíîñòè è åå ïàðàìåòðû. Îáùåçíà÷èìîñòü — íàó÷íûå çíàíèÿ ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû âñåìè ëþäüìè. Íàóêà îïåðèðóåò åäèíûì ÿçûêîì òåðìèíîâ è ïîíÿòèé. Íåçàâåðøåííîñòü — ïðîöåññ íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ áåñêîíå÷åí, òàê êàê íàó÷íîå çíàíèå íå ìîæåò äîñòè÷ü àáñîëþòíîé èñòèíû. Ïðååìñòâåííîñòü — íîâûå çíàíèÿ îïðåäåëåííûì îáðàçîì ñîîòíîñÿòñÿ ñî ñòàðûìè çíàíèÿìè. Êðèòè÷íîñòü — âñÿêîå çíàíèå îòíîñèòåëüíî, ëþáûå ðåçóëüòàòû ìîãóò áûòü ïîñòàâëåíû ïîä ñîìíåíèå è ïåðåñìîòðåíû. Äîñòîâåðíîñòü — ëþáûå íàó÷íûå âûâîäû îñíîâàíû íà ðåçóëüòàòàõ, ïðîøåäøèõ ðàçíîñòîðîííþþ ïðîâåðêó. Âíåìîðàëüíîñòü — íàó÷íûå èñòèíû íåéòðàëüíû â ìîðàëüíî-ýòè÷åñêîì ïëàíå. Íðàâñòâåííûå îöåíêè ìîãóò îòíîñèòüñÿ ëèáî ê äåÿòåëüíîñòè ïî ïîëó÷åíèþ çíàíèÿ, ëèáî ê äåÿòåëüíîñòè ïî åãî èñïîëüçîâàíèþ. Ðàöèîíàëüíîñòü — ðàçðàáîòêà òåîðèé, âûõîäÿùèõ çà ðàìêè ýìïèðè÷åñêîãî óðîâíÿ, íà îñíîâå çàêîíîâ ëîãèêè.


15

×óâñòâåííîñòü — íàó÷íûå ðåçóëüòàòû ïðèçíàþòñÿ äîñòîâåðíûìè òîëüêî ïîñëå òîãî, êàê îíè ýìïèðè÷åñêè ïðîâåðåíû ñ èñïîëüçîâàíèåì ÷óâñòâåííîãî âîñïðèÿòèÿ. Êðîìå òîãî, äëÿ íàóêè õàðàêòåðíû ñâîè ìåòîäû èññëåäîâàíèé, èñïîëüçîâàíèå ïðèáîðîâ è îáîðóäîâàíèÿ, îñîáûé ÿçûê. Òàêèì îáðàçîì, ñïåöèôèêà íàóêè êàê îòðàñëè êóëüòóðû çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì: u u

íàóêà ïîçíàåò ðåàëüíîñòü ïîñðåäñòâîì èçó÷åíèÿ îòäåëüíûõ åå ÷àñòåé; ðåçóëüòàòû íàóêè òðåáóþò ýìïèðè÷åñêîé ïðîâåðêè.

Íàóêà êàê ñïîñîá ïîçíàíèÿ ìèðà Íàèáîëåå ðàçâèòîé ôîðìîé ïîçíàíèÿ â íàñòîÿùåå âðåìÿ ÿâëÿåòñÿ íàóêà. Îíà ïîçíàåò îáúåêòèâíûå çàêîíû èçó÷àåìûõ ÿâëåíèé. Áëàãîäàðÿ ýòîìó íàóêà îáëàäàåò ïðåäñêàçàòåëüíîé ôóíêöèåé, ïîçâîëÿåò ïðåäâèäåòü õîä ñîáûòèé. Ôîðìóëà íàóêè: çíàòü, ÷òîáû ïðåäâèäåòü; ïðåäâèäåòü, ÷òîáû äåéñòâîâàòü ñî çíàíèåì äåëà. Íàðÿäó ñ íàóêîé ñóùåñòâóåò âíåíàó÷íîå ïîçíàíèå, çàíèìàþùåå âàæíîå ìåñòî â æèçíè ÷åëîâåêà. Íà ïðàêòèêå âíåíàó÷íûå ôîðìû ïîçíàíèÿ ÷àñòî áûâàþò íåçàìåíèìû. Ñðåäè íèõ íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåíî îáûäåííîå ïîçíàíèå. Ïîä îáûäåííûì ïîçíàíèåì ïîíèìàþò íåñïåöèàëèçèðîâàííóþ ïîçíàâàòåëüíóþ äåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà â ïðîöåññå åãî æèçíåäåÿòåëüíîñòè. Ðåçóëüòàòîì îáûäåííîãî ïîçíàíèÿ ÿâëÿåòñÿ æèçíåííî-ïðàêòè÷åñêîå çíàíèå. Òàêîå çíàíèå íå òðåáóåò äëÿ ñâîåãî óñâîåíèÿ è ïåðåäà÷è ñïåöèàëüíîé ïîäãîòîâêè. Ïðè ýòîì æèçíåííî-ïðàêòè÷åñêîå çíàíèå ÿâëÿåòñÿ êëþ÷åâûì âî âçàèìîïîíèìàíèè ëþäåé è îáðàçóåò îñíîâó ëþáîãî äðóãîãî çíàíèÿ, â òîì ÷èñëå è íàó÷íîãî. Ïîìèìî îáûäåííîãî, ê âíåíàó÷íîìó îòíîñÿò ìíîãî÷èñëåííûå ñïåöèàëèçèðîâàííûå âèäû ïðàêòè÷åñêîãî ïîçíàíèÿ è çíàíèÿ — íàïðèìåð, ïðàêòè÷åñêîå æèâîòíîâîäñòâî, ðàñòåíèåâîäñòâî, øâåéíîå äåëî è ò. ä. Ðåçóëüòàòîì îáûäåííîãî ïîçíàíèÿ, òàê æå êàê è íàó÷íîãî, ìîæåò áûòü îáúåêòèâíîå çíàíèå î ìèðå. Ïðè ýòîì íàó÷íîå è îáûäåííîå ïîçíàíèå èìåþò ðÿä âàæíûõ îòëè÷èé: 1. Õàðàêòåð îáúåêòà ïîçíàíèÿ. Îáûäåííûé îïûò èìååò äåëî ñ öåëûì îáúåêòîì è âñåì êîìïëåêñîì åãî âíåøíèõ ñâÿçåé. Â íàóêå îáúåêò ïîçíàþò ïîñðåäñòâîì èçó÷åíèÿ åãî ÷àñòåé è íàõîæäåíèÿ ñâÿçåé ìåæäó íèìè, ïðè ýòîì íà òåîðåòè÷åñêîì óðîâíå èìåþò äåëî íå ñ ñàìèìè îáúåêòàìè, à ñ èõ èäåàëèçèðîâàííûìè ìîäåëÿìè.

16 Ãëàâà 1. Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ 2. Ñèñòåìíîñòü è îáîñíîâàííîñòü — ïðèçíàê, îòëè÷àþùèé íàó÷íîå çíàíèå îò îáûäåííîãî. Íàó÷íûå çíàíèÿ âûñòðàèâàþòñÿ â ñèñòåìó ïîñðåäñòâîì ëîãè÷åñêîãî âûâåäåíèÿ îäíèõ óòâåðæäåíèé èç äðóãèõ. 3. Ïðîâåðêà äîñòîâåðíîñòè ïîëó÷åííûõ çíàíèé. Äîñòîâåðíîñòü îáûäåííîãî çíàíèÿ ìîæåò áûòü óñòàíîâëåíà òîëüêî îïûòîì èëè â ïðîöåññå ïðîèçâîäñòâà. Íàóêà èñïîëüçóåò ñïåöèôè÷åñêîå ñðåäñòâî ïðîâåðêè çíàíèé — ýêñïåðèìåíò. 4. Èñïîëüçîâàíèå ñïåöèàëüíîé àïïàðàòóðû. Â îòëè÷èå îò îáûäåííîãî ïîçíàíèÿ íàóêà íóæäàåòñÿ â ñïåöèàëüíûõ îðóäèÿõ è ñðåäñòâàõ èññëåäîâàíèÿ — íàó÷íîé àïïàðàòóðå (èíñòðóìåíòàõ, ïðèáîðàõ, îáîðóäîâàíèè). 5. Èñïîëüçóåìûé ÿçûê. Â ïðîöåññå îáûäåííîãî ïîçíàíèÿ ïîëüçóþòñÿ îáû÷íûì, ðàçãîâîðíûì ÿçûêîì. Â íàóêå ïîìèìî ðàçãîâîðíîãî èñïîëüçóåòñÿ îñîáî ðàçðàáîòàííûé ÿçûê ñïåöèôè÷åñêèõ òåðìèíîâ, ñèìâîëîâ, ñõåì, ôîðìóë. 6. Íåîáõîäèìîñòü îñîáîé ïîäãîòîâêè. Â îòëè÷èå îò îáûäåííîãî ïîçíàíèÿ çàíÿòèÿ íàóêîé òðåáóþò îñîáîé ïîäãîòîâêè — òåîðåòè÷åñêîé, ïðàêòè÷åñêîé, ìåòîäè÷åñêîé. Ïåðåõîä ê íàó÷íîìó ïîçíàíèþ áûë äëèòåëüíûì. Ê ýòàïó çàðîæäåíèÿ è íà÷àëüíîãî ðàçâèòèÿ íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ ìîæíî îòíåñòè ïåðèîä ïðèìåðíî ñ VII–VI ââ. äî í. ý., êîãäà â Äðåâíåé Ãðåöèè âîçíèê èíòåðåñ ê ïîíèìàíèþ ìèðà â öåëîì, äî XVI–XVIII ââ. — âðåìåíè âîçíèêíîâåíèÿ íàóêè. Ïîçíàâàòåëüíîé ïðåäïîñûëêîé íàóêè ÿâèëîñü ðàçâèòèå êðèòè÷åñêèõ ôóíêöèé ðàçóìà è àáñòðàêòíîãî ìûøëåíèÿ. Åùå â äðåâíåì ìèðå ÷åëîâåê ñòàë âûäåëÿòü ñåáÿ èç ìèðà ïðèðîäû, ïî÷óâñòâîâàë ñåáÿ àêòèâíîé ñèëîé. Âîçíèêøåå â äàëüíåéøåì îáùåñòâåííîå ðàçäåëåíèå òðóäà ñïîñîáñòâîâàëî íàêîïëåíèþ ðàöèîíàëüíûõ çíàíèé, à çíà÷èò, è ðàçâèòèþ íàó÷íîãî ñïîñîáà ïîçíàíèÿ. Íàó÷íîå ïîçíàíèå èíà÷å íàçûâàþò íàó÷íûì èññëåäîâàíèåì. Íàóêà — íå òîëüêî ðåçóëüòàò íàó÷íîãî èññëåäîâàíèÿ, íî è ñàìî èññëåäîâàíèå. Îíà èìååò îïðåäåëåííóþ ñòðóêòóðó. Âûäåëÿþò äâà óðîâíÿ íàó÷íîãî èññëåäîâàíèÿ — ýìïèðè÷åñêèé è òåîðåòè÷åñêèé.

} Ýìïèðè÷åñêîå èññëåäîâàíèå (îò ãðå÷. empeiria — îïûò) — ýòî îïûòíîå ïîçíàíèå.

} Òåîðåòè÷åñêîå èññëåäîâàíèå (îò ãðå÷. theoria — ðàññìàòðèâàþ, èññëåäóþ) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñèñòåìó ëîãè÷åñêèõ âûñêàçûâàíèé, âêëþ÷àþùèõ â ñåáÿ ìàòåìàòè÷åñêèå ôîðìóëû, ñõåìû, ãðàôèêè


17

è äð., îáðàçîâàííûå äëÿ óñòàíîâëåíèÿ çàêîíîâ ïðèðîäíûõ, òåõíè÷åñêèõ è ñîöèàëüíûõ ÿâëåíèé.

Íà îñíîâå ýìïèðè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé ìîãóò áûòü ñäåëàíû ýìïèðè÷åñêèå îáîáùåíèÿ. Íà îñíîâå ýìïèðè÷åñêèõ îáîáùåíèé ôîðìóëèðóåòñÿ ãèïîòåçà (îò ãð. hypothesis — îñíîâàíèå, ïðåäïîëîæåíèå) — íàó÷íîå ïðåäïîëîæåíèå. Äëÿ ôîðìóëèðîâêè ãèïîòåçû, îáúÿñíÿþùåé ýìïèðè÷åñêèå ôàêòû, íåîáõîäèìî âñå ïðåäøåñòâóþùåå çíàíèå, êàñàþùååñÿ äàííîé ïðîáëåìû. Íàó÷íîå ïðåäïîëîæåíèå îñòàåòñÿ ãèïîòåçîé äî ýìïèðè÷åñêîãî ïîäòâåðæäåíèÿ. Ïîñëå âûäâèæåíèÿ îïðåäåëåííîé ãèïîòåçû ñ öåëüþ åå ïðîâåðêè èññëåäîâàíèå îïÿòü âîçâðàùàåòñÿ íà ýìïèðè÷åñêèé óðîâåíü. Äëÿ ïðîâåðêè íàó÷íîé ãèïîòåçû ïðîâîäÿòñÿ íîâûå ýêñïåðèìåíòû. Åñëè ãèïîòåçà âûäåðæèâàåò ýìïèðè÷åñêóþ ïðîâåðêó, òî îíà ïðèîáðåòàåò ñòàòóñ çàêîíà èëè çàêîíîìåðíîñòè, åñëè íåò — ñ÷èòàåòñÿ îïðîâåðãíóòîé, è ïîèñêè èíîé, áîëåå ïðèåìëåìîé, ãèïîòåçû ïðîäîëæàþòñÿ. Ñîâîêóïíîñòü íåñêîëüêèõ çàêîíîâ, îòíîñÿùèõñÿ ê îäíîé îáëàñòè çíàíèÿ, íàçûâàåòñÿ òåîðèåé. Â ñëó÷àå, åñëè òåîðèÿ â öåëîì íå ïîëó÷àåò óáåäèòåëüíîãî ýìïèðè÷åñêîãî ïîäòâåðæäåíèÿ, îíà ìîæåò áûòü äîïîëíåíà íîâûìè ãèïîòåçàìè. Ïîäòâåðæäåííàÿ íà ïðàêòèêå òåîðèÿ ñ÷èòàåòñÿ èñòèííîé äî òåõ ïîð, ïîêà íå áóäåò ïðåäëîæåíà íîâàÿ òåîðèÿ, ëó÷øå îáúÿñíÿþùàÿ èçâåñòíûå ýìïèðè÷åñêèå ôàêòû, à òàêæå íîâûå ýìïèðè÷åñêèå ôàêòû, êîòîðûå ñòàëè èçâåñòíû óæå ïîñëå ïðèíÿòèÿ ïåðâîíà÷àëüíîé òåîðèè è îêàçàëèñü ïðîòèâîðå÷àùèìè åé. Îñíîâíîé ñìûñë, ñóòü òîé èëè èíîé òåîðèè, âûðàæàåòñÿ â êîíöåïöèè. Êîãäà òåîðèÿ åùå íå âûðàáîòàíà, à èìååòñÿ òîëüêî ãëàâíàÿ èäåÿ äëÿ îáúÿñíåíèÿ îïðåäåëåííûõ ñîáûòèé, òî òàêóþ èäåþ òîæå íàçûâàþò êîíöåïöèåé.

} Êîíöåïöèÿ (îò ëàò. conceptio — ïîíèìàíèå, ñèñòåìà) — ýòî îïðå-

äåëåííûé ñïîñîá ïîíèìàíèÿ, òðàêòîâêè êàêîãî-ëèáî ïðåäìåòà, ïðîöåññà, ÿâëåíèÿ ëèáî âåäóùèé çàìûñåë, êîíñòðóêòèâíûé ïðèíöèï íàó÷íîé äåÿòåëüíîñòè.

Òàêèì îáðàçîì, êàæäàÿ òåîðèÿ èëè ãèïîòåçà èìååò ñâîþ êîíöåïöèþ, ñâîé ñìûñë è ñâîé ïðèíöèï íàó÷íîé äåÿòåëüíîñòè.

Íàóêà êàê ñîöèàëüíûé èíñòèòóò Â XVII–XVIII ââ. â Åâðîïå áûëè ñîçäàíû ïåðâûå íàó÷íûå îáùåñòâà, àêàäåìèè, íà÷àëè èçäàâàòüñÿ íàó÷íûå æóðíàëû. Íàóêà ñëîæèëàñü êàê

18 Ãëàâà 1. Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ ñîöèàëüíûé èíñòèòóò. Ñòðåìèòåëüíûì ðàçâèòèåì âñåõ îòðàñëåé íàóêè õàðàêòåðèçóåòñÿ XX â. Â ýòîò ïåðèîä âðåìåíè îñóùåñòâëÿëîñü ñòðîèòåëüñòâî êðóïíûõ èññëåäîâàòåëüñêèõ èíñòèòóòîâ è ëàáîðàòîðèé, îñíàùåííûõ ðàçíîîáðàçíûìè ïðèáîðàìè, âû÷èñëèòåëüíîé è èíîé òåõíèêîé. Åùå áîëåå èíòåíñèâíûìè òåìïàìè ðàçâèòèå íàóêè ïðîèñõîäèò â íàñòîÿùåå âðåìÿ. Âíèìàíèå ãîñóäàðñòâà ê íàóêå â èñòîðèè îáùåñòâà ðîñëî ïî ìåðå òîãî, êàê âîçðàñòàëè åå ñîöèàëüíûå ôóíêöèè. Íà ïðîòÿæåíèè ÷åòûðåõ ñòîëåòèé íàóêà çàâîåâûâàëà îäíó îáùåñòâåííóþ ïîçèöèþ çà äðóãîé. Ñðàñòàÿñü ñî âñåìè ôîðìàìè ìàòåðèàëüíîãî è äóõîâíîãî ïðîèçâîäñòâà, ïîëèòè÷åñêîé è èäåîëîãè÷åñêîé æèçíüþ îáùåñòâà, íàóêà ïðåâðàòèëàñü â íåïîñðåäñòâåííóþ ïðîèçâîäèòåëüíóþ ñèëó, â âàæíåéøèé êîìïîíåíò íàó÷íî-òåõíè÷åñêîãî ïðîãðåññà. Ïîýòîìó îáùåñòâî, çàáîòÿùååñÿ î ñâîåì áóäóùåì, çàèíòåðåñîâàíî â óâåëè÷åíèè ôèíàíñîâûõ çàòðàò íà ðàçâèòèå íàóêè. Î ìàñøòàáàõ íàó÷íîé ñôåðû æèçíè ñîâðåìåííîãî îáùåñòâà ñâèäåòåëüñòâóåò ÷èñëåííîñòü ó÷åíûõ â ìèðå. Åñëè â íà÷àëå XIX â. êîëè÷åñòâî ó÷åíûõ ñîñòàâëÿëî îêîëî 1 òûñ. ÷åëîâåê, ê íà÷àëó XX â. — óæå ïîðÿäêà 100 òûñ. ÷åëîâåê, òî ê íà÷àëó XXI â. ÷èñëåííîñòü íàó÷íûõ ðàáîòíèêîâ â ìèðå ñîñòàâèëà ñâûøå 5 ìëí ÷åëîâåê. Äåâÿíîñòî ïðîöåíòîâ âñåõ ó÷åíûõ, êîãäà-ëèáî æèâøèõ íà ïëàíåòå, — íàøè ñîâðåìåííèêè. Ñîãëàñíî ñòàòèñòè÷åñêèì äàííûì, óäâîåíèå îáúåìà íàó÷íîé èíôîðìàöèè â ñîâðåìåííîì îáùåñòâå ïðîèñõîäèò êàæäûå 10–15 ëåò. Áîëåå 90% âñåõ âàæíåéøèõ íàó÷íî-òåõíè÷åñêèõ äîñòèæåíèé ÷åëîâå÷åñòâà ïðèõîäèòñÿ íà XX — íà÷àëî XXI â. Ñèñòåìà ñîâðåìåííîãî íàó÷íîãî çíàíèÿ âêëþ÷àåò îêîëî 15 òûñ. äèñöèïëèí, íàó÷íûõ æóðíàëîâ íàñ÷èòûâàåòñÿ íåñêîëüêî ñîòåí òûñÿ÷. Â àâàíãàðäå íàóêè èäóò ôóíäàìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ. Âûñîêèìè òåìïàìè ðàçâèâàåòñÿ ïðèêëàäíàÿ íàóêà, îñíîâàííàÿ íà ýêñïåðèìåíòàëüíîé, îïûòíî-ïðîìûøëåííîé áàçå. Ñîâðåìåííûå íàó÷íûå èññëåäîâàíèÿ òðåáóþò ñóùåñòâåííûõ ìàòåðèàëüíûõ âëîæåíèé. Íàïðèìåð, ñòðîèòåëüñòâî ñèíõðîôàçîòðîíà, íåîáõîäèìîãî äëÿ ïðîâåäåíèÿ èññëåäîâàíèé â îáëàñòè ôèçèêè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, òðåáóåò ìèëëèàðäîâ äîëëàðîâ. Îñîáåííî äîðîãîñòîÿùèìè ÿâëÿþòñÿ êîñìè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ. Â ðàçâèòûõ ñòðàíàõ íà íàóêó ñåãîäíÿ çàòðà÷èâàåòñÿ 2–3% âàëîâîãî íàöèîíàëüíîãî ïðîäóêòà. Íî áåç ýòîãî íåâîçìîæíû íè äîñòàòî÷íàÿ îáîðîíîñïîñîáíîñòü ñòðàíû, íè åå ïðîèçâîäñòâåííîå ìîãóùåñòâî. Â èñòîðèè ìèðîâîé íàóêè ðîññèéñêàÿ íàóêà âñåãäà çàíèìàëà îäíî èç âåäóùèõ ìåñò. Â êîíöå 80-õ ãã. XX â. â ÑÑÑÐ áûëî îêîëî 1,5 ìëí íàó÷íûõ ðàáîòíèêîâ, ÷òî ñîñòàâëÿëî ïðèìåðíî îäíó ÷åòâåðòü ó÷åíûõ

1.2. Åñòåñòâîçíàíèå — êîìïëåêñ íàóê î ïðèðîäå

19

âñåãî ìèðà. Èç íèõ îêîëî 40% çàíèìàëèñü ïðîáëåìàìè òåõíè÷åñêèõ íàóê, ïîðÿäêà 30% ñîñòàâëÿëè ñïåöèàëèñòû â îáëàñòè åñòåñòâåííûõ íàóê è ìåäèöèíû, à 30% îò îáùåé ÷èñëåííîñòè ñîâåòñêèõ ó÷åíûõ ðàáîòàëè â ãóìàíèòàðíûõ íàó÷íûõ îáëàñòÿõ. Ê ñîæàëåíèþ, â ïîñëåäíåå âðåìÿ ââèäó íèçêèõ ìàòåðèàëüíûõ âëîæåíèé ðîññèéñêàÿ íàóêà íàõîäèòñÿ â òÿæåëîì ñîñòîÿíèè, âñëåäñòâèå ÷åãî èìåëà ìåñòî ìàññîâàÿ ýìèãðàöèÿ ó÷åíûõ. Ñ íà÷àëà 90-õ ãã. ïðîøëîãî ñòîëåòèÿ, òî åñòü çà íåïîëíûå 20 ëåò, ñòðàíó ïîêèíóëè îêîëî 1,5 ìëí ñïåöèàëèñòîâ. Ñîãëàñíî ñòàòèñòè÷åñêèì äàííûì, çàðàáîòíàÿ ïëàòà èññëåäîâàòåëåé â ôóíäàìåíòàëüíîé íàóêå â ïðîìûøëåííî ðàçâèòûõ ñòðàíàõ Çàïàäà â 40–50 ðàç âûøå, ÷åì â Ðîññèè, à ãîäîâûå ðàñõîäû íà ôóíäàìåíòàëüíóþ íàóêó â ÑØÀ, íàïðèìåð, â 8 ðàç áîëüøå, ÷åì â íàøåé ñòðàíå. Òåì íå ìåíåå â íàñòîÿùåå âðåìÿ ñèòóàöèÿ íà÷àëà ñòàáèëèçèðîâàòüñÿ, ìíîãèå ó÷åíûå ïðåäïî÷èòàþò îñòàâàòüñÿ â Ðîññèè, à íå óåçæàòü çà ðóáåæ. Ýòî ñâÿçàíî ñ ïîçèòèâíûì ýêîíîìè÷åñêèì ðàçâèòèåì ñòðàíû, ñ óâåëè÷åíèåì ãîñóäàðñòâåííûõ è ÷àñòíûõ èíâåñòèöèé â íàó÷íóþ ñôåðó. Ýêîíîìè÷åñêèé ïîäúåì Ðîññèè íåâîçìîæåí áåç îïåðåæàþùåãî ðàçâèòèÿ íàóêè. Ïîýòîìó â íàñòîÿùåå âðåìÿ íàóêà ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç ïðèîðèòåòíûõ íàïðàâëåíèé â äåÿòåëüíîñòè ãîñóäàðñòâà.


Åñòåñòâîçíàíèå, êàê óêàçûâàëîñü ðàíåå, — ýòî ñîâîêóïíîñòü íàóê î ïðèðîäå, âçÿòûõ â èõ âçàèìîñâÿçè. Îäíàêî äàííîå îïðåäåëåíèå íå îòðàæàåò â ïîëíîé ìåðå ñóùíîñòè åñòåñòâîçíàíèÿ, ïîñêîëüêó ïðèðîäà âûñòóïàåò êàê åäèíîå öåëîå. Ýòî åäèíñòâî íå ðàñêðûâàåòñÿ íè îäíîé ÷àñòíîé íàóêîé, íè âñåé èõ ñîâîêóïíîñòüþ. Ìíîæåñòâî ñïåöèàëüíûõ åñòåñòâåííîíàó÷íûõ äèñöèïëèí ñâîèì ñîäåðæàíèåì íå èñ÷åðïûâàåò âñåãî, ÷òî ìû ïîäðàçóìåâàåì ïîä ïðèðîäîé: ïðèðîäà ãëóáæå è áîãà÷å âñåõ èìåþùèõñÿ òåîðèé. Ïîíÿòèå ïðèðîäû òðàêòóåòñÿ ïî-ðàçíîìó. Â ñàìîì øèðîêîì ñìûñëå ïîä ïðèðîäîé ïîíèìàåòñÿ âñå ñóùåå, âåñü ìèð â ìíîãîîáðàçèè åãî ôîðì. Ïðèðîäà â ýòîì çíà÷åíèè ñòîèò â îäíîì ðÿäó ñ ïîíÿòèÿìè ìàòåðèè, Âñåëåííîé. Íàèáîëåå óïîòðåáèòåëüíî òîëêîâàíèå ïîíÿòèÿ «ïðèðîäà» êàê ñîâîêóïíîñòè åñòåñòâåííûõ óñëîâèé ñóùåñòâîâàíèÿ ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà. Â äàííîé òðàêòîâêå õàðàêòåðèçóþòñÿ ìåñòî è ðîëü ïðèðîäû â ñèñòåìå èñòîðè÷åñêè ìåíÿþùåãîñÿ îòíîøåíèÿ ê íåé ÷åëî-

20 Ãëàâà 1. Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ âåêà è îáùåñòâà. Â áîëåå óçêîì ñìûñëå ïîä ïðèðîäîé ïîíèìàþò îáúåêò íàóêè, à òî÷íåå — ñîâîêóïíûé îáúåêò åñòåñòâîçíàíèÿ. Ñîâðåìåííîå åñòåñòâîçíàíèå ðàçâèâàåò íîâûå ïîäõîäû ê ïîíèìàíèþ ïðèðîäû êàê åäèíîãî öåëîãî. Ýòî âûðàæàåòñÿ â ïðåäñòàâëåíèÿõ î ðàçâèòèè ïðèðîäû, î ðàçëè÷íûõ ôîðìàõ äâèæåíèÿ ìàòåðèè è ðàçíûõ ñòðóêòóðíûõ óðîâíÿõ îðãàíèçàöèè ïðèðîäû, â ðàñøèðÿþùåìñÿ ïðåäñòàâëåíèè î òèïàõ ïðè÷èííûõ ñâÿçåé. Íàïðèìåð, ñ ñîçäàíèåì òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ñóùåñòâåííî âèäîèçìåíèëèñü âçãëÿäû íà ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííóþ îðãàíèçàöèþ îáúåêòîâ ïðèðîäû; ðàçâèòèå ñîâðåìåííîé êîñìîëîãèè îáîãàùàåò ïðåäñòàâëåíèÿ î íàïðàâëåíèè åñòåñòâåííûõ ïðîöåññîâ; ðàçâèòèå ýêîëîãèè ïðèâåëî ê ïîíèìàíèþ ãëóáîêèõ ïðèíöèïîâ öåëîñòíîñòè ïðèðîäû êàê åäèíîé ñèñòåìû.

} Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïîä åñòåñòâîçíàíèåì ïîíèìàåòñÿ òî÷íîå åñòåñòâîçíàíèå, òî åñòü òàêîå çíàíèå î ïðèðîäå, êîòîðîå áàçèðóåòñÿ íà íàó÷íîì ýêñïåðèìåíòå, õàðàêòåðèçóåòñÿ ðàçâèòîé òåîðåòè÷åñêîé ôîðìîé è ìàòåìàòè÷åñêèì îôîðìëåíèåì.

Äëÿ ðàçâèòèÿ ñïåöèàëüíûõ íàóê íåîáõîäèìî îáùåå çíàíèå ïðèðîäû, êîìïëåêñíîå îñìûñëåíèå åå îáúåêòîâ è ÿâëåíèé. Äëÿ ïîëó÷åíèÿ òàêèõ îáùèõ ïðåäñòàâëåíèé êàæäàÿ èñòîðè÷åñêàÿ ýïîõà âûðàáàòûâàåò ñîîòâåòñòâóþùóþ åñòåñòâåííîíàó÷íóþ êàðòèíó ìèðà.

Èñòîðè÷åñêèå ýòàïû ïîçíàíèÿ ïðèðîäû Ïðîöåññ ïîçíàíèÿ ÷åëîâåêîì ïðèðîäû íà÷àëñÿ åùå â ãëóáîêîé äðåâíîñòè, íî èíòåíñèâíî ñòàë ðàçâèâàòüñÿ â àíòè÷íûé ïåðèîä. Âàæíóþ ðîëü â äàëüíåéøåì ñòàíîâëåíèè åñòåñòâîçíàíèÿ êàê íàóêè ñûãðàëè îñíîâàííûå íà íàáëþäåíèÿõ âåëèêèå äîãàäêè äðåâíèõ ôèëîñîôîâ. Òàê, ðîäîíà÷àëüíèê àíòè÷íîé íàòóðôèëîñîôèè Ôàëåñ ñóìåë ïðåäñêàçàòü ñîëíå÷íîå çàòìåíèå, íàáëþäàâøååñÿ â Ãðåöèè â 585 ã. äî í. ý. Ýìïåäîêë, æèâøèé â VI â. äî í. ý., îáúÿñíèë ïðè÷èíó ñîëíå÷íîãî çàòìåíèÿ ïðîõîæäåíèåì Ëóíû ìåæäó Ñîëíöåì è Çåìëåé. Ýìïåäîêë òàêæå âûñêàçàë óäèâèòåëüíóþ äîãàäêó î òîì, ÷òî ñâåò ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ñ îãðîìíîé ñêîðîñòüþ è ìû ïðîñòî íå çàìå÷àåì äëèòåëüíîñòè åãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ. Ïîìèìî ðàáîò â îáëàñòè àñòðîíîìèè Ôàëåñ èçâåñòåí òàêæå ñâîèìè òðóäàìè ïî ãåîãðàôèè è ôèçèîëîãèè, à Ýìïåäîêë ïðîñëàâèëñÿ íå òîëüêî êàê ôèëîñîô, íî è êàê âðà÷, ôèçèê è ôèçèîëîã. Øèðîêî èçâåñòíû äîñòèæåíèÿ àíòè÷íîñòè â ìàòåìàòèêå (Åâêëèä, III â. äî í. ý., Ïèôàãîð, VI â. äî í. ý.), ìåõàíèêå (Àðõèìåä, III â. äî í. ý.), àñòðîíîìèè (Ïòîëåìåé, II â. äî í. ý.).


21

Â ñðåäíåâåêîâüå ïðîöåññ ïîçíàíèÿ ïðèðîäû íàõîäèëñÿ â ïîëíîé çàâèñèìîñòè îò áîãîñëîâèÿ. Â ýòîò ïåðèîä ðàçâèâàëèñü àñòðîëîãèÿ, àëõèìèÿ, ìàãèÿ è äðóãèå âèäû îêêóëüòíîãî çíàíèÿ. Òåì íå ìåíåå ïîñòåïåííî íàêàïëèâàëèñü íîâûå ôàêòû è îòòà÷èâàëàñü ëîãèêà òåîðåòè÷åñêîãî ìûøëåíèÿ. Íàïðèìåð, âîçíèêíîâåíèþ è ðàçâèòèþ íàó÷íîé õèìèè, íåñîìíåííî, ñïîñîáñòâîâàëè ðàáîòû ñðåäíåâåêîâûõ àëõèìèêîâ. Èñòîðèþ àëõèìèè îáû÷íî íà÷èíàþò ñ IV â. í. ý. Â òå÷åíèå ïðèìåðíî òûñÿ÷åëåòèÿ àëõèìèêè ïûòàëèñü ñ ïîìîùüþ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé, ïðîòåêàþùèõ â ñîïðîâîæäåíèè ñïåöèôè÷åñêèõ çàêëèíàíèé, ïîëó÷èòü ôèëîñîôñêèé êàìåíü, ñïîñîáñòâóþùèé ïðåâðàùåíèþ ëþáîãî âåùåñòâà â çîëîòî, ïðèãîòîâèòü ýëèêñèð äîëãîëåòèÿ, ñîçäàòü óíèâåðñàëüíûé ðàñòâîðèòåëü. Â êà÷åñòâå ïîáî÷íûõ ïðîäóêòîâ èõ äåÿòåëüíîñòè ïîÿâèëèñü ìíîãèå îòêðûòèÿ, ðåøåíèÿ ïðàêòè÷åñêè âàæíûõ çàäà÷. Áûëè ñîçäàíû òåõíîëîãèè ïîëó÷åíèÿ êðàñîê, ñòåêîë, ëåêàðñòâ, ñïëàâîâ. Àëõèìè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ, íå ñîñòîÿâøèåñÿ òåîðåòè÷åñêè, â äàëüíåéøåì ÿâèëèñü îñíîâîé äëÿ ðàçâèòèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. Îñîáóþ ðîëü â ðàçâèòèè ïðîöåññà ïîçíàíèÿ ïðèðîäû â X–XII ââ. ñûãðàëè ìûñëèòåëè àðàáñêî-ìóñóëüìàíñêîãî ìèðà, ñîõðàíèâøèå ñâÿçü ñ àíòè÷íîé íàòóðôèëîñîôèåé: èðàíî-òàäæèêñêèé ôèëîñîô è âðà÷ Èáí-Ñèíà (Àâèöåííà), èðàíî-òàäæèêñêèé ìàòåìàòèê, àñòðîíîì, ïîýò è ìûñëèòåëü Îìàð Õàéÿì, àðàáñêèé ôèëîñîô è âðà÷ Èáí Ðîøä (Àâåððîýñ). Òàêèì îáðàçîì, â àíòè÷íûé è ñðåäíåâåêîâûé ïåðèîäû áûëè ñîçäàíû ïðåäïîñûëêè äëÿ ðàçâèòèÿ íàó÷íîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. Ñòàíîâëåíèå åñòåñòâîçíàíèÿ â ñîâðåìåííîì åãî ïîíèìàíèè, ïî ìíåíèþ èñòîðèêîâ íàóêè, ïðîøëî òðè ñòàäèè è â êîíöå ÕÕ â. âñòóïèëî â ÷åòâåðòóþ ñòàäèþ. Ïåðâàÿ ñòàäèÿ íàó÷íîãî åñòåñòâîçíàíèÿ — íàòóðôèëîñîôèÿ, çàðîäèâøàÿñÿ â ïîçäíåì ñðåäíåâåêîâüå, îòíîñèòñÿ ê ýïîõå Âîçðîæäåíèÿ (XV–XVI ââ.). Ýòîò ïåðèîä õàðàêòåðèçóåòñÿ ïîëó÷åíèåì çíàíèé ïóòåì íàáëþäåíèÿ, à íå ýêñïåðèìåíòà, ïðåîáëàäàíèåì äîãàäîê, à íå îïûòíî âîñïðîèçâîäèìûõ âûâîäîâ. Ïðè ýòîì íàòóðôèëîñîôèÿ íåñåò â ñåáå ãëóáîêóþ êîíñòðóêòèâíóþ èäåþ íåîáõîäèìîñòè ñîþçà åñòåñòâîçíàíèÿ è ôèëîñîôèè, ÷òî ïðîñëåæèâàåòñÿ âî âñåé ïîñëåäóþùåé èñòîðèè åñòåñòâîçíàíèÿ. Òàê, êàðòèíà ìèðîçäàíèÿ Äæ. Áðóíî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé âîñïðîèçâåäåíèå ôèëîñîôñêîé ìîäåëè àíòè÷íûõ àòîìèñòîâ íà îñíîâå äàííûõ àñòðîíîìè÷åñêèõ íàáëþäåíèé. Èòàëüÿíñêèé ôèëîñîô äîêàçûâàë, ÷òî ó Âñåëåííîé íåò öåíòðà, îíà áåñïðåäåëüíà è ñîñòîèò èç áåñêîíå÷íîãî ìíîæåñòâà çâåçäíûõ ñèñòåì. Òåîðåòè÷åñêèå ïîëîæåíèÿ è âûâîäû, ñäåëàííûå Äæ. Áðóíî, áàçèðóþòñÿ íå ñòîëüêî íà

22 Ãëàâà 1. Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ îïûòíûõ äàííûõ, ñêîëüêî íà ôèëîñîôñêîì ïîëîæåíèè î öåëîñòíîñòè è íåïðîòèâîðå÷èâîñòè êàðòèíû ìèðà. Òàêèì îáðàçîì, íåñìîòðÿ íà íåðàçâèòîñòü åñòåñòâîçíàíèÿ, ñòàäèþ íàòóðôèëîñîôèè îòëè÷àåò âàæíàÿ ìåòîäîëîãè÷åñêàÿ îñíîâà — ñèíòåç ôèëîñîôñêèõ è åñòåñòâåííîíàó÷íûõ èäåé. Èìåííî áëàãîäàðÿ ôèëîñîôñêîìó ïîäõîäó ê îñìûñëåíèþ åñòåñòâåííîíàó÷íûõ çíàíèé ñîçäàþòñÿ íàó÷íûå êàðòèíû ìèðà, êîòîðûå âûðàáàòûâàþòñÿ íàóêîé êàæäîé èñòîðè÷åñêîé ýïîõè. Âòîðàÿ ñòàäèÿ ðàçâèòèÿ åñòåñòâîçíàíèÿ — àíàëèòè÷åñêîå åñòåñòâîçíàíèå (XVII — êîíåö XIX â.) — ñâÿçàíà ñ ôîðìèðîâàíèåì è ñèñòåìàòè÷åñêèì ðàçâèòèåì ýêñïåðèìåíòàëüíî-òåîðåòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé. Íàòóðôèëîñîôñêîå ïîçíàíèå ïðèðîäû ïðåâðàòèëîñü â ñîâðåìåííîå åñòåñòâîçíàíèå, â ñèñòåìàòè÷åñêîå íàó÷íîå ïîçíàíèå íà áàçå ýêñïåðèìåíòîâ è ìàòåìàòè÷åñêîãî èçëîæåíèÿ ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ. Íà ñòàäèè àíàëèòè÷åñêîãî åñòåñòâîçíàíèÿ áûëà ïîëó÷åíà îñíîâíàÿ ìàññà äîñòèæåíèé â èçó÷åíèè ïðèðîäû. Ñðåäè íèõ — îòêðûòèå çàêîíîâ êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè, çàêîíà âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ, ïåðèîäè÷åñêîãî çàêîíà, ðàçðàáîòêà òåîðèè õèìè÷åñêîãî ñòðîåíèÿ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, òåîðèè ýâîëþöèè æèâûõ îðãàíèçìîâ. Âîçíèêëè è íà÷àëè èíòåíñèâíîå ðàçâèòèå åñòåñòâåííûå íàóêè: ôèçèêà, õèìèÿ, áèîëîãèÿ, ãåîãðàôèÿ, ãåîëîãèÿ. Íàêîïëåíèå çíàíèé òðåáîâàëî áîëåå äåòàëüíîãî èçó÷åíèÿ îáúåêòîâ, ÷òî âåëî ê äèôôåðåíöèàöèè ñîîòâåòñòâóþùèõ íàóê. Òàê, õèìèÿ ðàçäåëèëàñü íà îðãàíè÷åñêóþ è íåîðãàíè÷åñêóþ, çàòåì ïîÿâèëèñü ôèçè÷åñêàÿ è àíàëèòè÷åñêàÿ õèìèÿ. Â áèîëîãèè áûëè âûäåëåíû áîòàíèêà, çîîëîãèÿ, àíàòîìèÿ, ôèçèîëîãèÿ. Ïðè ýòîì âíèìàíèå ó÷åíûõ áûëî îáðàùåíî ãëàâíûì îáðàçîì íà èññëåäîâàíèå îáúåêòîâ ïðèðîäû â ñðàâíåíèè ñ èññëåäîâàíèÿìè ïðîöåññîâ. Òàê, â õèìèè èçó÷àëè ãëàâíûì îáðàçîì ýëåìåíòíûé ñîñòàâ è ñòðîåíèå ìîëåêóë âåùåñòâ, è òîëüêî ê êîíöó XIX â. âåäóùåå ìåñòî ñòàëî çàíèìàòü ó÷åíèå î õèìè÷åñêèõ ðåàêöèÿõ. Â ýòîò ïåðèîä ïðåîáëàäàë ïîäõîä ê ðàññìîòðåíèþ ïðèðîäû êàê íåèçìåííîé âî âðåìåíè, òî åñòü âíå ýâîëþöèè, à åå ðàçíûõ ñôåð — âíå ñâÿçè äðóã ñ äðóãîì. Íåñìîòðÿ íà òî ÷òî åñòåñòâîçíàíèå ïîñòåïåííî ïðîíèêàëîñü èäåÿìè ýâîëþöèîííîãî ðàçâèòèÿ, äàííûé ïîäõîä ïðîñóùåñòâîâàë â íàóêå âïëîòü äî ñåðåäèíû XIX â. Òàêèì îáðàçîì, ñòàäèþ àíàëèòè÷åñêîãî åñòåñòâîçíàíèÿ õàðàêòåðèçóþò ñëåäóþùèå îñîáåííîñòè: u u

òåíäåíöèÿ ê âîçðàñòàþùåé äèôôåðåíöèàöèè åñòåñòâåííûõ íàóê; ïðåîáëàäàíèå ýìïèðè÷åñêèõ (òî åñòü ïîëó÷åííûõ ïîñðåäñòâîì ýêñïåðèìåíòà) çíàíèé íàä òåîðåòè÷åñêèìè;

1.2. Åñòåñòâîçíàíèå — êîìïëåêñ íàóê î ïðèðîäå u

u

23

ïðåèìóùåñòâåííîå èññëåäîâàíèå îáúåêòîâ ïðèðîäû â ñðàâíåíèè ñ èññëåäîâàíèÿìè ïðîöåññîâ; ïîäõîä ê ðàññìîòðåíèþ ïðèðîäû êàê íåèçìåííîé âî âðåìåíè, à åå ðàçíûõ ñôåð — âíå ñâÿçè äðóã ñ äðóãîì.

Òðåòüÿ ñòàäèÿ — ñèíòåòè÷åñêîå åñòåñòâîçíàíèå (êîíåö XIX — êîíåö XX â.). Íà ñòàäèè ñèíòåòè÷åñêîãî åñòåñòâîçíàíèÿ âîçðàñòàåò ðîëü òåîðåòè÷åñêèõ çíàíèé, èíòåíñèâíî èññëåäóþòñÿ êàê ïðèðîäíûå îáúåêòû, òàê è ïðîöåññû. Ýâîëþöèîííûé ïîäõîä ê ïîçíàíèþ ïðèðîäû ñòàíîâèòñÿ ìåòîäîëîãè÷åñêîé îñíîâîé ñèíòåòè÷åñêîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. Ýòîò ïåðèîä ðàçâèòèÿ íàóêè õàðàêòåðèçóåòñÿ ÿñíûì ïîíèìàíèåì öåëîñòíîñòè ïðèðîäû è íåðàçðûâíîé âçàèìîñâÿçè îòäåëüíûõ åå ÷àñòåé. Íàïðèìåð, ëþáîé æèâîé îðãàíèçì ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ìåõàíè÷åñêóþ ñèñòåìó è êàê ñèñòåìó òåðìîäèíàìè÷åñêóþ. Îäíîâðåìåííî æèçíü ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê ìíîæåñòâî íåïðåðûâíî ïðîòåêàþùèõ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé. Ïðè ýòîì âàæíî ïîíèìàòü, ÷òî äàííûå ïîäõîäû èìåþò îòíîñèòåëüíûé õàðàêòåð. Æèâîé îðãàíèçì — åäèíîå öåëîå, è ïîòîìó ïîäõîä ê åãî èçó÷åíèþ äîëæåí áûòü êîìïëåêñíûì. Îäíèì èç ðåçóëüòàòîâ êîìïëåêñíîãî ïîäõîäà ê èçó÷åíèþ ïðèðîäû êàê åäèíîãî öåëîãî ñòàëî âîçíèêíîâåíèå ýêîëîãèè — íàóêè î âçàèìîîòíîøåíèÿõ îðãàíèçìîâ ìåæäó ñîáîé è ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé. Íåîáõîäèìîñòü êîìïëåêñíîãî èçó÷åíèÿ ïðèðîäíûõ îáúåêòîâ è ÿâëåíèé, ñ îäíîé ñòîðîíû, è îäíîâðåìåííî ðàñòóùàÿ äèôôåðåíöèàöèÿ íàóê — ñ äðóãîé, ïðèâåëè ê íåîáõîäèìîñòè ñîçäàíèÿ ñèíòåòè÷åñêèõ äèñöèïëèí. Òàê íà ñòûêå ñìåæíûõ íàóê — áèîëîãèè, õèìèè, ôèçèêè — ïîÿâèëèñü ôèçè÷åñêàÿ õèìèÿ, áèîõèìèÿ, ôèçèêî-õèìè÷åñêàÿ áèîëîãèÿ. Òàêèì îáðàçîì, ãëàâíîé îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ ñèíòåòè÷åñêîãî åñòåñòâîçíàíèÿ ÿâëÿåòñÿ îðèåíòàöèÿ íà ñîçäàíèå ñèíòåòè÷åñêèõ íàó÷íûõ äèñöèïëèí. Â êîíöå ÕÕ ñòîëåòèÿ åñòåñòâîçíàíèå âñòóïèëî â ÷åòâåðòóþ ñòàäèþ ñâîåãî ðàçâèòèÿ, êîòîðóþ íàçûâàþò èíòåãðàëüíûì åñòåñòâîçíàíèåì. Èíòåãðàëüíîå åñòåñòâîçíàíèå õàðàêòåðèçóåòñÿ íå ñòîëüêî ïðîäîëæàþùèìèñÿ ïðîöåññàìè ñèíòåçà äâóõ-òðåõ ñìåæíûõ íàóê, ñêîëüêî ìàñøòàáíûì îáúåäèíåíèåì ðàçíûõ äèñöèïëèí è íàïðàâëåíèé íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé. Ïðèìåðîì òàêèõ íîâûõ èíòåãðàëüíûõ íàó÷íûõ íàïðàâëåíèé ÿâëÿåòñÿ êèáåðíåòèêà. Êèáåðíåòèêà — ýòî íàóêà îá îáùèõ ïðèíöèïàõ óïðàâëåíèÿ â ìàøèíàõ, æèâûõ îðãàíèçìàõ è îáùåñòâå. Ýòî èíòåãðàëüíàÿ íàóêà, âîç-

24 Ãëàâà 1. Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ íèêøàÿ íà ñòûêå ðÿäà ñïåöèàëüíûõ äèñöèïëèí — òåîðèè àâòîìàòîâ, òåõíèêè ñâÿçè, ìàòåìàòè÷åñêîé ëîãèêè, òåîðèè èíôîðìàöèè è äð. Äðóãèì ïðèìåðîì ìàñøòàáíîé íàó÷íîé èíòåãðàöèè ÿâëÿåòñÿ ñèíåðãåòèêà, ïðåòåíäóþùàÿ íà ðîëü îáùåé òåîðèè ðàçâèòèÿ. Ñèíåðãåòèêà — íîâîå íàïðàâëåíèå ìåæäèñöèïëèíàðíûõ íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé ïðîöåññîâ âîçíèêíîâåíèÿ ïîðÿäêà èç áåñïîðÿäêà (ñàìîîðãàíèçàöèè) â îòêðûòûõ ñèñòåìàõ ôèçè÷åñêîé, õèìè÷åñêîé, áèîëîãè÷åñêîé è äðóãîé ïðèðîäû. Ñóùåñòâåííóþ ðîëü â ïðîöåññå íàó÷íîé èíòåãðàöèè âûïîëíÿþò òàêèå îáùåíàó÷íûå ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ, êàê ìàòåìàòèçàöèÿ åñòåñòâîçíàíèÿ, ðàçðàáîòêà ïðèíöèïîâ ñèñòåìíûõ èññëåäîâàíèé, èñïîëüçîâàíèå íîâåéøèõ èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé. Òàêèì îáðàçîì, ñîâðåìåííûé ýòàï â ðàçâèòèè åñòåñòâîçíàíèÿ îòëè÷àþò ÿñíîå ïîíèìàíèå öåëîñòíîñòè ïðèðîäû, ýâîëþöèîííûé ïîäõîä ê åå èçó÷åíèþ è ê îñìûñëåíèþ ðåçóëüòàòîâ èññëåäîâàíèé, èíòåíñèâíî èäóùèå ïðîöåññû èíòåãðàöèè ðàçíûõ íàó÷íûõ íàïðàâëåíèé. Óñèëèâàþùàÿñÿ òåíäåíöèÿ ê èíòåãðàöèè åñòåñòâåííûõ íàóê ïîçâîëÿåò ïðåäïîëîæèòü, ÷òî â äàëüíåéøåì íà êàêîé-òî áîëåå ãëóáîêîé îñíîâå áóäóò îáúåäèíåíû âñå íàóêè î íåæèâîé è æèâîé ïðèðîäå. Åñòåñòâîçíàíèå, âåðîÿòíî, áóäåò âûñòóïàòü êàê åäèíàÿ è ìíîãîãðàííàÿ íàóêà î ïðèðîäå.

Ñòðóêòóðà ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ Ñîâðåìåííîå åñòåñòâîçíàíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðàçäåë íàóêè, îñíîâàííûé íà âîñïðîèçâîäèìîé ýìïèðè÷åñêîé ïðîâåðêå ãèïîòåç è ñîçäàíèè òåîðèé èëè ýìïèðè÷åñêèõ îáîáùåíèé, îïèñûâàþùèõ ïðèðîäíûå ÿâëåíèÿ. Ñîâîêóïíûé îáúåêò åñòåñòâîçíàíèÿ — ïðèðîäà. Ïðåäìåò åñòåñòâîçíàíèÿ — ôàêòû è ÿâëåíèÿ ïðèðîäû, êîòîðûå âîñïðèíèìàþòñÿ íàøèìè îðãàíàìè ÷óâñòâ íåïîñðåäñòâåííî èëè îïîñðåäîâàííî, ñ ïîìîùüþ ïðèáîðîâ. Çàäà÷à ó÷åíîãî ñîñòîèò â òîì, ÷òîáû âûÿâèòü ýòè ôàêòû, îáîáùèòü èõ è ñîçäàòü òåîðåòè÷åñêóþ ìîäåëü, âêëþ÷àþùóþ çàêîíû, óïðàâëÿþùèå ÿâëåíèÿìè ïðèðîäû. Íàïðèìåð, ÿâëåíèå òÿãîòåíèÿ — êîíêðåòíûé ôàêò, óñòàíîâëåííûé ïîñðåäñòâîì îïûòà; çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ — âàðèàíò îáúÿñíåíèÿ äàííîãî ÿâëåíèÿ. Ïðè ýòîì ýìïèðè÷åñêèå ôàêòû è îáîáùåíèÿ, áóäó÷è óñòàíîâëåííûìè, ñîõðàíÿþò ñâîå ïåðâîíà÷àëüíîå çíà÷åíèå. Çàêîíû ìîãóò áûòü èçìåíåíû â õîäå ðàçâèòèÿ íàóêè. Òàê, çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ áûë ñêîððåêòèðîâàí ïîñëå ñîçäàíèÿ òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè. Îñíîâíîé ïðèíöèï åñòåñòâîçíàíèÿ ãëàñèò: çíàíèÿ î ïðèðîäå äîëæíû äîïóñêàòü ýìïèðè÷åñêóþ ïðîâåðêó.


25

Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî èñòèíîé â íàóêå ïðèçíàåòñÿ òî ïîëîæåíèå, êîòîðîå ïîäòâåðæäàåòñÿ âîñïðîèçâîäèìûì îïûòîì. Òàêèì îáðàçîì, îïûò ÿâëÿåòñÿ ðåøàþùèì àðãóìåíòîì ïðèíÿòèÿ òîé èëè èíîé òåîðèè. Ñîâðåìåííîå åñòåñòâîçíàíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñëîæíûé êîìïëåêñ íàóê î ïðèðîäå. Îíî âêëþ÷àåò â ñåáÿ òàêèå íàóêè, êàê áèîëîãèÿ, ôèçèêà, õèìèÿ, àñòðîíîìèÿ, ãåîãðàôèÿ, ýêîëîãèÿ è äð. Åñòåñòâåííûå íàóêè ðàçëè÷àþòñÿ ïðåäìåòîì ñâîåãî èçó÷åíèÿ. Íàïðèìåð, ïðåäìåòîì èçó÷åíèÿ áèîëîãèè ÿâëÿþòñÿ æèâûå îðãàíèçìû, õèìèè — âåùåñòâà è èõ ïðåâðàùåíèÿ. Àñòðîíîìèÿ èçó÷àåò íåáåñíûå òåëà, ãåîãðàôèÿ — îñîáóþ (ãåîãðàôè÷åñêóþ) îáîëî÷êó Çåìëè, ýêîëîãèÿ — âçàèìîîòíîøåíèÿ îðãàíèçìîâ ìåæäó ñîáîé è ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé. Êàæäàÿ åñòåñòâåííàÿ íàóêà ñàìà ÿâëÿåòñÿ êîìïëåêñîì íàóê, âîçíèêøèõ íà ðàçíûõ ýòàïàõ ðàçâèòèÿ åñòåñòâîçíàíèÿ. Òàê, â ñîñòàâ áèîëîãèè âõîäÿò áîòàíèêà, çîîëîãèÿ, ìèêðîáèîëîãèÿ, ãåíåòèêà, öèòîëîãèÿ è äðóãèå íàóêè. Ïðè ýòîì ïðåäìåòîì èçó÷åíèÿ áîòàíèêè ÿâëÿþòñÿ ðàñòåíèÿ, çîîëîãèè — æèâîòíûå, ìèêðîáèîëîãèè — ìèêðîîðãàíèçìû. Ãåíåòèêà èçó÷àåò çàêîíîìåðíîñòè íàñëåäñòâåííîñòè è èçìåí÷èâîñòè îðãàíèçìîâ, öèòîëîãèÿ — æèâóþ êëåòêó. Õèìèÿ òàêæå ïîäðàçäåëÿåòñÿ íà ðÿä áîëåå óçêèõ íàóê: îðãàíè÷åñêàÿ õèìèÿ, íåîðãàíè÷åñêàÿ õèìèÿ, àíàëèòè÷åñêàÿ õèìèÿ. Ê ãåîãðàôè÷åñêèì íàóêàì îòíîñÿò ãåîëîãèþ, çåìëåâåäåíèå, ãåîìîðôîëîãèþ, êëèìàòîëîãèþ, ôèçè÷åñêóþ ãåîãðàôèþ. Äèôôåðåíöèàöèÿ íàóê ïðèâåëà ê âûäåëåíèþ åùå áîëåå ìåëêèõ îáëàñòåé íàó÷íîãî çíàíèÿ. Ê ïðèìåðó, áèîëîãè÷åñêàÿ íàóêà çîîëîãèÿ âêëþ÷àåò â ñåáÿ îðíèòîëîãèþ, ýíòîìîëîãèþ, ãåðïåòîëîãèþ, ýòîëîãèþ, èõòèîëîãèþ è ò. ä. Îðíèòîëîãèÿ — íàóêà, èçó÷àþùàÿ ïòèö; ýíòîìîëîãèÿ — íàñåêîìûõ; ãåðïåòîëîãèÿ — ïðåñìûêàþùèõñÿ; ýòîëîãèÿ — íàóêà î ïîâåäåíèè æèâîòíûõ; èõòèîëîãèÿ èçó÷àåò ðûá. Ñîâðåìåííàÿ òåíäåíöèÿ ðàçâèòèÿ åñòåñòâîçíàíèÿ òàêîâà, ÷òî îäíîâðåìåííî ñ äèôôåðåíöèàöèåé íàó÷íîãî çíàíèÿ èäóò ïðîòèâîïîëîæíûå ïðîöåññû — ñîåäèíåíèå îòäåëüíûõ îáëàñòåé çíàíèÿ, ñîçäàíèå ñèíòåòè÷åñêèõ íàó÷íûõ äèñöèïëèí. Ïðè ýòîì âàæíî, ÷òî îáúåäèíåíèå íàó÷íûõ äèñöèïëèí ïðîèñõîäèò êàê âíóòðè ðàçëè÷íûõ îáëàñòåé åñòåñòâîçíàíèÿ, òàê è ìåæäó íèìè. Òàê, â õèìè÷åñêîé íàóêå íà ñòûêå îðãàíè÷åñêîé õèìèè ñ íåîðãàíè÷åñêîé è áèîõèìèåé âîçíèêëè õèìèÿ ìåòàëëîîðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé è áèîîðãàíè÷åñêàÿ õèìèÿ ñîîòâåòñòâåííî. Ïðèìåðàìè ìåæíàó÷íûõ ñèíòåòè÷åñêèõ äèñöèïëèí â åñòåñòâîçíàíèè ìîãóò ñëóæèòü òàêèå äèñöèïëèíû, êàê ôèçè÷åñêàÿ õèìèÿ, õèìè÷åñêàÿ ôèçèêà, áèîõèìèÿ, áèîôèçèêà, ôèçèêî-õèìè÷åñêàÿ áèîëîãèÿ.

26 Ãëàâà 1. Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ Îäíàêî ñîâðåìåííûé ýòàï ðàçâèòèÿ åñòåñòâîçíàíèÿ — èíòåãðàëüíîå åñòåñòâîçíàíèå — õàðàêòåðèçóåòñÿ íå ñòîëüêî ïðîäîëæàþùèìèñÿ ïðîöåññàìè ñèíòåçà ñìåæíûõ íàóê, ñêîëüêî ìàñøòàáíûì îáúåäèíåíèåì ðàçíûõ äèñöèïëèí è íàïðàâëåíèé íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé, ïðè÷åì òåíäåíöèÿ ê ìàñøòàáíîé èíòåãðàöèè íàó÷íîãî çíàíèÿ íåóêëîííî âîçðàñòàåò. Â åñòåñòâîçíàíèè ðàçëè÷àþò íàóêè ôóíäàìåíòàëüíûå è ïðèêëàäíûå. Ôóíäàìåíòàëüíûå íàóêè — ôèçèêà, õèìèÿ, àñòðîíîìèÿ — èçó÷àþò áàçèñíûå ñòðóêòóðû ìèðà, à ïðèêëàäíûå çàíèìàþòñÿ ïðèìåíåíèåì ðåçóëüòàòîâ ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé äëÿ ðåøåíèÿ êàê ïîçíàâàòåëüíûõ, òàê è ñîöèàëüíî-ïðàêòè÷åñêèõ çàäà÷. Íàïðèìåð, ôèçèêà ìåòàëëîâ è ôèçèêà ïîëóïðîâîäíèêîâ ÿâëÿþòñÿ òåîðåòè÷åñêèìè ïðèêëàäíûìè äèñöèïëèíàìè, à ìåòàëëîâåäåíèå, ïîëóïðîâîäíèêîâàÿ òåõíîëîãèÿ — ïðàêòè÷åñêèìè ïðèêëàäíûìè íàóêàìè. Òàêèì îáðàçîì, ïîçíàíèå çàêîíîâ ïðèðîäû è ïîñòðîåíèå íà ýòîé îñíîâå êàðòèíû ìèðà — íåïîñðåäñòâåííàÿ, áëèæàéøàÿ öåëü åñòåñòâîçíàíèÿ. Ñîäåéñòâèå ïðàêòè÷åñêîìó èñïîëüçîâàíèþ ýòèõ çàêîíîâ — êîíå÷íàÿ åãî çàäà÷à. Îò îáùåñòâåííûõ è òåõíè÷åñêèõ íàóê åñòåñòâîçíàíèå îòëè÷àåòñÿ ïî ïðåäìåòó, öåëÿì è ìåòîäîëîãèè èññëåäîâàíèÿ. Ïðè ýòîì åñòåñòâîçíàíèå ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê ýòàëîí íàó÷íîé îáúåêòèâíîñòè, ïîñêîëüêó ýòà îáëàñòü çíàíèÿ ðàñêðûâàåò îáùåçíà÷èìûå èñòèíû, ïðèíèìàåìûå âñåìè ëþäüìè. Ê ïðèìåðó, äðóãîé êðóïíûé êîìïëåêñ íàóê — îáùåñòâîçíàíèå — âñåãäà áûë ñâÿçàí ñ ãðóïïîâûìè öåííîñòÿìè è èíòåðåñàìè, èìåþùèìèñÿ êàê ó ñàìîãî ó÷åíîãî, òàê è â ïðåäìåòå èññëåäîâàíèÿ. Ïîýòîìó â ìåòîäîëîãèè îáùåñòâîçíàíèÿ íàðÿäó ñ îáúåêòèâíûìè ìåòîäàìè èññëåäîâàíèÿ ïðèîáðåòàåò áîëüøîå çíà÷åíèå ïåðåæèâàíèå èçó÷àåìîãî ñîáûòèÿ, ñóáúåêòèâíîå îòíîøåíèå ê íåìó. Åñòåñòâîçíàíèå èìååò ñóùåñòâåííûå ìåòîäîëîãè÷åñêèå îòëè÷èÿ è îò òåõíè÷åñêèõ íàóê, îáóñëîâëåííûå òåì, ÷òî öåëüþ åñòåñòâîçíàíèÿ ÿâëÿåòñÿ ïîçíàíèå ïðèðîäû, à öåëüþ òåõíè÷åñêèõ íàóê — ðåøåíèå ïðàêòè÷åñêèõ âîïðîñîâ, ñâÿçàííûõ ñ ïðåîáðàçîâàíèåì ìèðà. Îäíàêî ïðîâåñòè ÷åòêóþ ãðàíü ìåæäó åñòåñòâåííûìè, îáùåñòâåííûìè è òåõíè÷åñêèìè íàóêàìè íà ñîâðåìåííîì óðîâíå èõ ðàçâèòèÿ íåëüçÿ, ïîñêîëüêó ñóùåñòâóåò öåëûé ðÿä äèñöèïëèí, çàíèìàþùèõ ïðîìåæóòî÷íîå ïîëîæåíèå èëè ÿâëÿþùèõñÿ êîìïëåêñíûìè. Òàê, íà ñòûêå åñòåñòâåííûõ è îáùåñòâåííûõ íàóê íàõîäèòñÿ ýêîíîìè÷åñêàÿ ãåîãðàôèÿ, íà ñòûêå åñòåñòâåííûõ è òåõíè÷åñêèõ — áèîíèêà. Êîìïëåêñíîé äèñöèïëèíîé, êîòîðàÿ âêëþ÷àåò è åñòåñòâåííûå, è îáùåñòâåííûå, è òåõíè÷åñêèå ðàçäåëû, ÿâëÿåòñÿ ñîöèàëüíàÿ ýêîëîãèÿ.

1.3. Ìåòîäû åñòåñòâåííîíàó÷íûõ èññëåäîâàíèé

27

Òàêèì îáðàçîì,

} ñîâðåìåííîå åñòåñòâîçíàíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îáøèðíûé ðàçâèâàþùèéñÿ êîìïëåêñ íàóê î ïðèðîäå, õàðàêòåðèçóþùèéñÿ îäíîâðåìåííî èäóùèìè ïðîöåññàìè íàó÷íîé äèôôåðåíöèàöèè è ñîçäàíèÿ ñèíòåòè÷åñêèõ äèñöèïëèí è îðèåíòèðîâàííûé íà èíòåãðàöèþ íàó÷íûõ çíàíèé.

Åñòåñòâîçíàíèå ÿâëÿåòñÿ îñíîâîé äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ íàó÷íîé êàðòèíû ìèðà.

} Ïîä íàó÷íîé êàðòèíîé ìèðà ïîíèìàþò öåëîñòíóþ ñèñòåìó ïðåä-

ñòàâëåíèé î ìèðå, åãî îáùèõ ñâîéñòâàõ è çàêîíîìåðíîñòÿõ, âîçíèêàþùóþ â ðåçóëüòàòå îáîáùåíèÿ îñíîâíûõ åñòåñòâåííîíàó÷íûõ òåîðèé.

Íàó÷íàÿ êàðòèíà ìèðà íàõîäèòñÿ â ïîñòîÿííîì ðàçâèòèè. Â õîäå íàó÷íûõ ðåâîëþöèé â íåé ïðîèñõîäÿò êà÷åñòâåííûå ïðåîáðàçîâàíèÿ, ñòàðàÿ êàðòèíà ìèðà ñìåíÿåòñÿ íîâîé. Êàæäàÿ èñòîðè÷åñêàÿ ýïîõà ôîðìèðóåò ñâîþ íàó÷íóþ êàðòèíó ìèðà.

1.3. Ìåòîäû åñòåñòâåííîíàó÷íûõ èññëåäîâàíèé Íàó÷íîå çíàíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñèñòåìó, èìåþùóþ íåñêîëüêî óðîâíåé ïîçíàíèÿ, ðàçëè÷àþùèõñÿ ïî öåëîìó ðÿäó ïàðàìåòðîâ. Â çàâèñèìîñòè îò ïðåäìåòà, õàðàêòåðà, òèïà, ìåòîäà è ñïîñîáà ïîëó÷àåìîãî çíàíèÿ âûäåëÿþò ýìïèðè÷åñêèé è òåîðåòè÷åñêèé óðîâíè ïîçíàíèÿ. Êàæäûé èç íèõ âûïîëíÿåò îïðåäåëåííûå ôóíêöèè è ðàñïîëàãàåò ñïåöèôè÷åñêèìè ìåòîäàìè èññëåäîâàíèÿ. Óðîâíÿì ñîîòâåòñòâóþò âçàèìîñâÿçàííûå, íî â òî æå âðåìÿ ñïåöèôè÷åñêèå âèäû ïîçíàâàòåëüíîé äåÿòåëüíîñòè: ýìïèðè÷åñêîå è òåîðåòè÷åñêîå èññëåäîâàíèÿ. Âûäåëÿÿ ýìïèðè÷åñêèé è òåîðåòè÷åñêèé óðîâíè íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ, ñîâðåìåííûé èññëåäîâàòåëü îòäàåò ñåáå îò÷åò â òîì, ÷òî åñëè â îáûäåííîì ïîçíàíèè ïðàâîìåðíî ðàçëè÷àòü ÷óâñòâåííûé è ðàöèîíàëüíûé óðîâíè, òî â íàó÷íîì èññëåäîâàíèè ýìïèðè÷åñêèé óðîâåíü èññëåäîâàíèÿ íèêîãäà íå îãðàíè÷èâàåòñÿ ÷èñòî ÷óâñòâåííûì çíàíèåì, òåîðåòè÷åñêîå çíàíèå íå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ÷èñòóþ ðàöèîíàëüíîñòü. Äàæå ïåðâîíà÷àëüíûå ýìïèðè÷åñêèå çíàíèÿ, ïîëó÷åííûå ïóòåì íàáëþäåíèÿ, ôèê-

28 Ãëàâà 1. Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ ñèðóþòñÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì íàó÷íûõ òåðìèíîâ. Òåîðåòè÷åñêîå çíàíèå òàêæå íå ÿâëÿåòñÿ ÷èñòîé ðàöèîíàëüíîñòüþ. Ïðè ïîñòðîåíèè òåîðèè èñïîëüçóþòñÿ íàãëÿäíûå ïðåäñòàâëåíèÿ, êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ îñíîâîé ÷óâñòâåííîãî âîñïðèÿòèÿ. Òàêèì îáðàçîì, ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî â íà÷àëå ýìïèðè÷åñêîãî èññëåäîâàíèÿ ïðåîáëàäàåò ÷óâñòâåííîå, à â òåîðåòè÷åñêîì — ðàöèîíàëüíîå. Íà óðîâíå ýìïèðè÷åñêîãî èññëåäîâàíèÿ íå èñêëþ÷åíî âûÿâëåíèå çàâèñèìîñòåé è ñâÿçåé ìåæäó ÿâëåíèÿìè, îïðåäåëåííûõ çàêîíîìåðíîñòåé. Íî åñëè ýìïèðè÷åñêèé óðîâåíü ìîæåò óëîâèòü òîëüêî âíåøíåå ïðîÿâëåíèå, òî òåîðåòè÷åñêèé äîõîäèò äî îáúÿñíåíèÿ ñóùíîñòíûõ ñâÿçåé èññëåäóåìîãî îáúåêòà. Ýìïèðè÷åñêèå çíàíèÿ — ðåçóëüòàò íåïîñðåäñòâåííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ èññëåäîâàòåëÿ ñ ðåàëüíîñòüþ â íàáëþäåíèè èëè ýêñïåðèìåíòå. Íà ýìïèðè÷åñêîì óðîâíå ïðîèñõîäèò íå òîëüêî íàêîïëåíèå ôàêòîâ, íî è èõ ïåðâè÷íàÿ ñèñòåìàòèçàöèÿ, êëàññèôèêàöèÿ, ÷òî ïîçâîëÿåò âûÿâëÿòü ýìïèðè÷åñêèå ïðàâèëà, ïðèíöèïû è çàêîíû, êîòîðûå ïðåîáðàçóþòñÿ â íàáëþäàåìûå ÿâëåíèÿ. Íà ýòîì óðîâíå èññëåäóåìûé îáúåêò îòðàæàåòñÿ ïðåèìóùåñòâåííî âî âíåøíèõ ñâÿçÿõ è ïðîÿâëåíèÿõ. Ñëîæíîñòü íàó÷íîãî çíàíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ íàëè÷èåì â íåì íå òîëüêî óðîâíåé è ìåòîäîâ ïîçíàíèÿ, íî è ôîðì, â êîòîðûõ îíî ôèêñèðóåòñÿ è ðàçâèâàåòñÿ. Îñíîâíûìè ôîðìàìè íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ ÿâëÿþòñÿ ôàêòû, ïðîáëåìû, ãèïîòåçû è òåîðèè. Èõ çíà÷åíèå — ðàñêðûâàòü äèíàìèêó ïðîöåññà ïîçíàíèÿ â õîäå èññëåäîâàíèÿ è èçó÷åíèÿ êàêîãî-ëèáî îáúåêòà. Óñòàíîâëåíèå ôàêòîâ ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìûì óñëîâèåì óñïåøíîñòè åñòåñòâåííîíàó÷íûõ èññëåäîâàíèé. Äëÿ ïîñòðîåíèÿ òåîðèè ôàêòû äîëæíû áûòü íå òîëüêî äîñòîâåðíî óñòàíîâëåíû, ñèñòåìàòèçèðîâàíû è îáîáùåíû, íî è ðàññìîòðåíû âî âçàèìîñâÿçè. Ãèïîòåçà — ýòî ïðåäïîëîæèòåëüíîå çíàíèå, êîòîðîå íîñèò âåðîÿòíîñòíûé õàðàêòåð è òðåáóåò ïðîâåðêè. Åñëè â õîäå ïðîâåðêè ñîäåðæàíèå ãèïîòåçû íå ñîãëàñóåòñÿ ñ ýìïèðè÷åñêèìè äàííûìè, òî îíî îòâåðãàåòñÿ. Åñëè æå ãèïîòåçà ïîäòâåðæäàåòñÿ, òî ìîæíî ãîâîðèòü î íåé ñ òîé èëè èíîé ñòåïåíüþ âåðîÿòíîñòè. Â ðåçóëüòàòå ïðîâåðêè è äîêàçàòåëüñòâà îäíè ãèïîòåçû ñòàíîâÿòñÿ òåîðèÿìè, äðóãèå óòî÷íÿþòñÿ è êîíêðåòèçèðóþòñÿ, òðåòüè îòáðàñûâàþòñÿ, åñëè èõ ïðîâåðêà äàåò îòðèöàòåëüíûé ðåçóëüòàò. Îñíîâíûì êðèòåðèåì èñòèííîñòè ãèïîòåçû ÿâëÿåòñÿ ïðàêòèêà â ðàçíûõ ôîðìàõ. Íàó÷íàÿ òåîðèÿ — îáîáùåííàÿ ñèñòåìà çíàíèé, äàþùàÿ öåëîñòíîå îòîáðàæåíèå çàêîíîìåðíûõ è ñóùåñòâåííûõ ñâÿçåé â îïðåäåëåííîé îáëàñòè îáúåêòèâíîé ðåàëüíîñòè. Îñíîâíàÿ çàäà÷à òåîðèè çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òîáû îïèñàòü, ñèñòåìàòèçèðîâàòü è îáúÿñíèòü âñå ìíîæåñò-


29

âî ýìïèðè÷åñêèõ ôàêòîâ. Òåîðèè êëàññèôèöèðóþò êàê îïèñàòåëüíûå, íàó÷íûå è äåäóêòèâíûå. Â îïèñàòåëüíûõ òåîðèÿõ èññëåäîâàòåëè ôîðìóëèðóþò îáùèå çàêîíîìåðíîñòè íà îñíîâå ýìïèðè÷åñêèõ äàííûõ. Îïèñàòåëüíûå òåîðèè íå ïðåäïîëàãàþò ëîãè÷åñêîãî àíàëèçà è êîíêðåòíîñòè äîêàçàòåëüñòâ (ôèçèîëîãè÷åñêàÿ òåîðèÿ È. Ïàâëîâà, ýâîëþöèîííàÿ òåîðèÿ ×. Äàðâèíà è äð.). Â íàó÷íûõ òåîðèÿõ êîíñòðóèðóþò ìîäåëü, çàìåùàþùóþ ðåàëüíûé îáúåêò. Ñëåäñòâèÿ òåîðèè ïðîâåðÿþòñÿ ýêñïåðèìåíòîì (ôèçè÷åñêèå òåîðèè è äð.). Â äåäóêòèâíûõ òåîðèÿõ ðàçðàáîòàí ñïåöèàëüíûé ôîðìàëèçîâàíííûé ÿçûê, âñå òåðìèíû êîòîðîãî ïîäâåðãàþòñÿ èíòåðïðåòàöèè. Ïåðâàÿ èç íèõ — «Íà÷àëà» Åâêëèäà (ñôîðìóëèðîâàíà îñíîâíàÿ àêñèîìà, ïîòîì ê íåé äîáàâëåíû ïîëîæåíèÿ, ëîãè÷åñêè âûâåäåííûå èç íåå, è âñå äîêàçàòåëüñòâà ïðîâîäÿòñÿ íà ýòîé îñíîâå). Ãëàâíûìè ýëåìåíòàìè íàó÷íîé òåîðèè ÿâëÿþòñÿ ïðèíöèïû è çàêîíû. Ïðèíöèïû ïðåäñòàâëÿþò îáùèå è âàæíûå ïîäòâåðæäåíèÿ òåîðèè. Â òåîðèè ïðèíöèïû èãðàþò ðîëü ïåðâè÷íûõ ïðåäïîñûëîê, îáðàçóþùèõ åå îñíîâó. Â ñâîþ î÷åðåäü, ñîäåðæàíèå êàæäîãî ïðèíöèïà ðàñêðûâàåòñÿ ñ ïîìîùüþ çàêîíîâ. Îíè êîíêðåòèçèðóþò ïðèíöèïû, ðàñêðûâàþò ìåõàíèçì èõ äåéñòâèÿ, ëîãèêó âçàèìîñâÿçè, âûòåêàþùèõ èç íèõ ñëåäñòâèé. Çàêîíû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ôîðìó òåîðåòè÷åñêèõ óòâåðæäåíèé, ðàñêðûâàþùèõ îáùèå ñâÿçè èçó÷àåìûõ ÿâëåíèé, îáúåêòîâ è ïðîöåññîâ. Ïðè ôîðìóëèðîâàíèè ïðèíöèïîâ è çàêîíîâ èññëåäîâàòåëþ äîñòàòî÷íî íåïðîñòî óìåòü óâèäåòü çà ìíîãî÷èñëåííûìè, ÷àñòî ñîâåðøåííî íåïîõîæèìè âíåøíå ôàêòàìè èìåííî ñóùåñòâåííûå ñâîéñòâà è õàðàêòåðèñòèêè èññëåäóåìûõ ñâîéñòâ îáúåêòîâ è ÿâëåíèé. Òðóäíîñòü çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî â íåïîñðåäñòâåííîì íàáëþäåíèè çàôèêñèðîâàòü ñóùíîñòíûå õàðàêòåðèñòèêè èññëåäóåìîãî îáúåêòà ñëîæíî. Ïîýòîìó ïðÿìî ïåðåéòè ñ ýìïèðè÷åñêîãî óðîâíÿ ïîçíàíèÿ íà òåîðåòè÷åñêèé íåëüçÿ. Òåîðèÿ íå ñòðîèòñÿ ïóòåì íåïîñðåäñòâåííîãî îáîáùåíèÿ îïûòà, ïîýòîìó ñëåäóþùèì øàãîì ñòàíîâèòñÿ ôîðìóëèðîâàíèå ïðîáëåìû. Îíà îïðåäåëÿåòñÿ êàê ôîðìà çíàíèÿ, ñîäåðæàíèåì êîòîðîé ÿâëÿåòñÿ îñîçíàííûé âîïðîñ, äëÿ îòâåòà íà êîòîðûé èìåþùèõñÿ çíàíèé íåäîñòàòî÷íî. Ïîèñê, ôîðìóëèðîâàíèå è ðåøåíèå ïðîáëåì — îñíîâíûå ÷åðòû íàó÷íîé äåÿòåëüíîñòè. Â ñâîþ î÷åðåäü, íàëè÷èå ïðîáëåìû ïðè îñìûñëåíèè íåîáúÿñíèìûõ ôàêòîâ âëå÷åò çà ñîáîé ïðåäâàðèòåëüíûé âûâîä, òðåáóþùèé ýêñïåðèìåíòàëüíîãî, òåîðåòè÷åñêîãî è ëîãè÷åñêîãî ïîäòâåðæäåíèÿ. Ïðîöåññ ïîçíàíèÿ îêðóæàþùåãî ìèðà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðåøåíèå ðàçíîãî ðîäà çàäà÷, âîçíèêàþùèõ â õîäå

30 Ãëàâà 1. Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ ïðàêòè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà. Ýòè ïðîáëåìû ðåøàþòñÿ ïóòåì èñïîëüçîâàíèÿ îñîáûõ ïðèåìîâ — ìåòîäîâ.

} Ìåòîäû íàóêè — ñîâîêóïíîñòü ïðèåìîâ è îïåðàöèé ïðàêòè÷åñêîãî è òåîðåòè÷åñêîãî ïîçíàíèÿ äåéñòâèòåëüíîñòè.

Ìåòîäû èññëåäîâàíèé îïòèìèçèðóþò äåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà, âîîðóæàþò åãî íàèáîëåå ðàöèîíàëüíûìè ñïîñîáàìè îðãàíèçàöèè äåÿòåëüíîñòè. À. Ï. Ñàäîõèí êðîìå âûäåëåíèÿ óðîâíåé ïîçíàíèÿ ïðè êëàññèôèêàöèè íàó÷íûõ ìåòîäîâ ó÷èòûâàåò êðèòåðèé ïðèìåíÿåìîñòè ìåòîäà è âûäåëÿåò îáùèå, îñîáåííûå è ÷àñòíûå ìåòîäû íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ. Âûäåëåííûå ìåòîäû ÷àñòî ñî÷åòàþòñÿ è êîìáèíèðóþòñÿ â ïðîöåññå èññëåäîâàíèÿ. Îáùèå ìåòîäû ïîçíàíèÿ êàñàþòñÿ ëþáîé äèñöèïëèíû è äàþò âîçìîæíîñòü ñîåäèíèòü âñå ýòàïû ïðîöåññà ïîçíàíèÿ. Ýòè ìåòîäû èñïîëüçóþòñÿ â ëþáîé îáëàñòè èññëåäîâàíèÿ è ïîçâîëÿþò âûÿâëÿòü ñâÿçè è ïðèçíàêè èññëåäóåìûõ îáúåêòîâ. Â èñòîðèè íàóêè èññëåäîâàòåëè ê òàêèì ìåòîäàì îòíîñÿò ìåòàôèçè÷åñêèé è äèàëåêòè÷åñêèé ìåòîäû. ×àñòíûå ìåòîäû íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ — ýòî ìåòîäû, ïðèìåíÿþùèåñÿ òîëüêî â îòäåëüíîé îòðàñëè íàóêè. Ðàçëè÷íûå ìåòîäû åñòåñòâîçíàíèÿ (ôèçèêè, õèìèè, áèîëîãèè, ýêîëîãèè è ò. ä.) ÿâëÿþòñÿ ÷àñòíûìè ïî îòíîøåíèþ ê îáùåìó äèàëåêòè÷åñêîìó ìåòîäó ïîçíàíèÿ. Èíîãäà ÷àñòíûå ìåòîäû ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ çà ïðåäåëàìè òåõ îòðàñëåé åñòåñòâîçíàíèÿ, â êîòîðûõ îíè âîçíèêëè. Íàïðèìåð, ôèçè÷åñêèå è õèìè÷åñêèå ìåòîäû èñïîëüçóþòñÿ â àñòðîíîìèè, áèîëîãèè, ýêîëîãèè. ×àñòî èññëåäîâàòåëè ïðèìåíÿþò êîìïëåêñ âçàèìîñâÿçàííûõ ÷àñòíûõ ìåòîäîâ ê èçó÷åíèþ îäíîãî ïðåäìåòà. Íàïðèìåð, ýêîëîãèÿ îäíîâðåìåííî ïîëüçóåòñÿ ìåòîäàìè ôèçèêè, ìàòåìàòèêè, õèìèè, áèîëîãèè. ×àñòíûå ìåòîäû ïîçíàíèÿ ñâÿçàíû ñ îñîáåííûìè ìåòîäàìè. Îñîáåííûå ìåòîäû èññëåäóþò îïðåäåëåííûå ïðèçíàêè èçó÷àåìîãî îáúåêòà. Îíè ìîãóò ïðîÿâëÿòüñÿ íà ýìïèðè÷åñêîì è íà òåîðåòè÷åñêîì óðîâíÿõ ïîçíàíèÿ è áûòü óíèâåðñàëüíûìè. Ñðåäè îñîáåííûõ ýìïèðè÷åñêèõ ìåòîäîâ ïîçíàíèÿ âûäåëÿþò íàáëþäåíèå, èçìåðåíèå è ýêñïåðèìåíò. Íàáëþäåíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé öåëåíàïðàâëåííûé ïðîöåññ âîñïðèÿòèÿ ïðåäìåòîâ äåéñòâèòåëüíîñòè, ÷óâñòâåííîå îòðàæåíèå îáúåêòîâ è ÿâëåíèé, â õîäå êîòîðîãî ÷åëîâåê ïîëó÷àåò ïåðâè÷íóþ èíôîðìàöèþ îá îêðóæàþùåì ìèðå. Ïîýòîìó èññëåäîâàíèå ÷àùå âñåãî íà÷èíàåòñÿ ñ íàáëþäåíèÿ, è ëèøü ïîòîì èññëåäîâàòåëè ïåðåõîäÿò ê äðóãèì ìåòîäàì. Íàáëþäåíèÿ íå ñâÿçàíû ñ êàêîé-ëèáî òåîðèåé, íî öåëü íà-


31

áëþäåíèÿ âñåãäà ñâÿçàíà ñ íåêîé ïðîáëåìíîé ñèòóàöèåé. Íàáëþäåíèå ïðåäïîëàãàåò íàëè÷èå îïðåäåëåííîãî ïëàíà èññëåäîâàíèÿ, ïðåäïîëîæåíèå, ïîäâåðãàåìîå àíàëèçó è ïðîâåðêå. Íàáëþäåíèÿ èñïîëüçóþòñÿ òàì, ãäå íåëüçÿ ïîñòàâèòü ïðÿìîé ýêñïåðèìåíò (â âóëêàíîëîãèè, êîñìîëîãèè). Ðåçóëüòàòû íàáëþäåíèÿ ôèêñèðóþòñÿ â îïèñàíèè, îòìå÷àþùåì òå ïðèçíàêè è ñâîéñòâà èçó÷àåìîãî îáúåêòà, êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ ïðåäìåòîì èçó÷åíèÿ. Îïèñàíèå äîëæíî áûòü ìàêñèìàëüíî ïîëíûì, òî÷íûì è îáúåêòèâíûì. Èìåííî îïèñàíèÿ ðåçóëüòàòîâ íàáëþäåíèÿ ñîñòàâëÿþò ýìïèðè÷åñêèé áàçèñ íàóêè, íà èõ îñíîâå ñîçäàþòñÿ ýìïèðè÷åñêèå îáîáùåíèÿ, ñèñòåìàòèçàöèÿ è êëàññèôèêàöèÿ. Èçìåðåíèå — ýòî îïðåäåëåíèå êîëè÷åñòâåííûõ çíà÷åíèé (õàðàêòåðèñòèê) èçó÷àåìûõ ñòîðîí èëè ñâîéñòâ îáúåêòà ñ ïîìîùüþ ñïåöèàëüíûõ òåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ. Áîëüøóþ ðîëü â èññëåäîâàíèè èãðàþò åäèíèöû èçìåðåíèÿ, ñ êîòîðûìè ñðàâíèâàþòñÿ ïîëó÷åííûå äàííûå. Ýêñïåðèìåíò — áîëåå ñëîæíûé ìåòîä ýìïèðè÷åñêîãî ïîçíàíèÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ íàáëþäåíèåì. Îí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé öåëåíàïðàâëåííîå è ñòðîãî êîíòðîëèðóåìîå âîçäåéñòâèå èññëåäîâàòåëÿ íà èíòåðåñóþùèé îáúåêò èëè ÿâëåíèå äëÿ èçó÷åíèÿ åãî ðàçëè÷íûõ ñòîðîí, ñâÿçåé è îòíîøåíèé. Â õîäå ýêñïåðèìåíòàëüíîãî èññëåäîâàíèÿ ó÷åíûé âìåøèâàåòñÿ â åñòåñòâåííûé õîä ïðîöåññîâ, ïðåîáðàçóåò îáúåêò èññëåäîâàíèÿ. Ñïåöèôèêà ýêñïåðèìåíòà ñîñòîèò òàêæå â òîì, ÷òî îí ïîçâîëÿåò óâèäåòü îáúåêò èëè ïðîöåññ â ÷èñòîì âèäå. Ýòî ïðîèñõîäèò çà ñ÷åò ìàêñèìàëüíîãî èñêëþ÷åíèÿ âîçäåéñòâèÿ ïîñòîðîííèõ ôàêòîðîâ. Ýêñïåðèìåíòàòîð îòäåëÿåò ñóùåñòâåííûå ôàêòû îò íåñóùåñòâåííûõ è òåì ñàìûì çíà÷èòåëüíî óïðîùàåò ñèòóàöèþ. Òàêîå óïðîùåíèå ñïîñîáñòâóåò ãëóáîêîìó ïîíèìàíèþ ñóòè ÿâëåíèé è ïðîöåññîâ è ñîçäàåò âîçìîæíîñòü êîíòðîëèðîâàòü ìíîãèå âàæíûå äëÿ äàííîãî ýêñïåðèìåíòà ôàêòîðû è âåëè÷èíû. Äëÿ ñîâðåìåííîãî ýêñïåðèìåíòà õàðàêòåðíû îñîáåííîñòè: óâåëè÷åíèå ðîëè òåîðèè íà ïîäãîòîâèòåëüíîì ýòàïå ýêñïåðèìåíòà; ñëîæíîñòü òåõíè÷åñêèõ ñðåäñòâ; ìàñøòàáíîñòü ýêñïåðèìåíòà. Îñíîâíàÿ çàäà÷à ýêñïåðèìåíòà çàêëþ÷àåòñÿ â ïðîâåðêå ãèïîòåç è âûâîäîâ òåîðèé, èìåþùèõ ôóíäàìåíòàëüíîå è ïðèêëàäíîå çíà÷åíèå. Â ýêñïåðèìåíòàëüíîé ðàáîòå ïðè àêòèâíîì âîçäåéñòâèè íà èññëåäóåìûé îáúåêò èñêóññòâåííî âûäåëÿþòñÿ òå èëè èíûå åãî ñâîéñòâà, êîòîðûå è ÿâëÿþòñÿ ïðåäìåòîì èçó÷åíèÿ â åñòåñòâåííûõ ëèáî ñïåöèàëüíî ñîçäàííûõ óñëîâèÿõ. Â ïðîöåññå åñòåñòâåííîíàó÷íîãî ýêñïåðèìåíòà ÷àñòî ïðèáåãàþò ê ôèçè÷åñêîìó ìîäåëèðîâàíèþ èññëåäóåìîãî îáúåêòà è ñîçäàþò äëÿ íåãî ðàçëè÷íûå óïðàâëÿåìûå óñëîâèÿ. Ñ. Õ. Êàðïåíêîâ ïîä-

32 Ãëàâà 1. Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ ðàçäåëÿåò ýêñïåðèìåíòàëüíûå ñðåäñòâà ïî ñîäåðæàíèþ íà ñëåäóþùèå ñèñòåìû: u u u

ñèñòåìó, ñîäåðæàùóþ èññëåäóåìûé îáúåêò ñ çàäàííûìè ñâîéñòâàìè; ñèñòåìó, îáåñïå÷èâàþùóþ âîçäåéñòâèå íà èññëåäóåìûé îáúåêò; èçìåðèòåëüíóþ ñèñòåìó.

Ñ. Õ. Êàðïåíêîâ óêàçûâàåò, ÷òî â çàâèñèìîñòè îò ïîñòàâëåííîé çàäà÷è äàííûå ñèñòåìû èãðàþò ðàçíóþ ðîëü. Íàïðèìåð, ïðè îïðåäåëåíèè ìàãíèòíûõ ñâîéñòâ âåùåñòâà ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòà âî ìíîãîì çàâèñÿò îò ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïðèáîðîâ. Â òî æå âðåìÿ ïðè èññëåäîâàíèè ñâîéñòâ âåùåñòâà, íå âñòðå÷àþùåãîñÿ â ïðèðîäå â îáû÷íûõ óñëîâèÿõ, äà åùå è ïðè íèçêîé òåìïåðàòóðå, âàæíû âñå ñèñòåìû ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ñðåäñòâ. Â ëþáîì åñòåñòâåííîíàó÷íîì ýêñïåðèìåíòå âûäåëÿþò òàêèå ýòàïû: u u u

ïîäãîòîâèòåëüíûé ýòàï; ýòàï ñáîðà ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ; ýòàï îáðàáîòêè ðåçóëüòàòîâ.

Ïîäãîòîâèòåëüíûé ýòàï ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé òåîðåòè÷åñêîå îáîñíîâàíèå ýêñïåðèìåíòà, åãî ïëàíèðîâàíèå, èçãîòîâëåíèå îáðàçöà èññëåäóåìîãî îáúåêòà, âûáîð óñëîâèé è òåõíè÷åñêèõ ñðåäñòâ èññëåäîâàíèé. Ðåçóëüòàòû, ïîëó÷åííûå íà õîðîøî ïîäãîòîâëåííîé ýêñïåðèìåíòàëüíîé áàçå, êàê ïðàâèëî, ëåã÷å ïîääàþòñÿ ñëîæíîé ìàòåìàòè÷åñêîé îáðàáîòêå. Àíàëèç ðåçóëüòàòîâ ýêñïåðèìåíòà ïîçâîëÿåò îöåíèòü òå èëè èíûå ïðèçíàêè èññëåäóåìîãî îáúåêòà, ñîïîñòàâèòü ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû ñ ãèïîòåçîé, ÷òî î÷åíü âàæíî ïðè îïðåäåëåíèè ïðàâèëüíîñòè è ñòåïåíè äîñòîâåðíîñòè îêîí÷àòåëüíûõ ðåçóëüòàòîâ èññëåäîâàíèÿ. Äëÿ ïîâûøåíèÿ äîñòîâåðíîñòè ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ ýêñïåðèìåíòà íåîáõîäèìû: u u u u

ìíîãîêðàòíàÿ ïîâòîðíîñòü èçìåðåíèé; ñîâåðøåíñòâîâàíèå òåõíè÷åñêèõ ñðåäñòâ è ïðèáîðîâ; ñòðîãèé ó÷åò ôàêòîðîâ, âëèÿþùèõ íà èññëåäóåìûé îáúåêò; ÷åòêîå ïëàíèðîâàíèå ýêñïåðèìåíòà, ïîçâîëÿþùåå ó÷åñòü ñïåöèôèêó èññëåäóåìîãî îáúåêòà.

Ñðåäè îñîáåííûõ òåîðåòè÷åñêèõ ìåòîäîâ íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ âûäåëÿþò ïðîöåäóðû àáñòðàãèðîâàíèÿ è èäåàëèçàöèè. Â ïðîöåññàõ àáñòðàãèðîâàíèÿ è èäåàëèçàöèè ôîðìèðóþòñÿ ïîíÿòèÿ è òåðìèíû, èñ-


33

ïîëüçóåìûå âî âñåõ òåîðèÿõ. Ïîíÿòèÿ îòðàæàþò ñóùåñòâåííóþ ñòîðîíó ÿâëåíèé, ïîÿâëÿþùóþñÿ ïðè îáîáùåíèè èññëåäîâàíèÿ. Ïðè ýòîì èç îáúåêòà èëè ÿâëåíèÿ âûäåëÿåòñÿ òîëüêî íåêîòîðàÿ åãî ñòîðîíà. Òàê, ïîíÿòèþ «òåìïåðàòóðà» ìîæåò áûòü äàíî îïåðàöèîííîå îïðåäåëåíèå (ïîêàçàòåëü ñòåïåíè íàãðåòîñòè òåëà â îïðåäåëåííîé øêàëå òåðìîìåòðà), à ñ ïîçèöèé ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêîé òåîðèè òåìïåðàòóðà — ýòî âåëè÷èíà, ïðîïîðöèîíàëüíàÿ ñðåäíåé êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè äâèæåíèÿ ÷àñòèö, ñîñòàâëÿþùèõ òåëî. Àáñòðàãèðîâàíèå — ìûñëåííîå îòâëå÷åíèå îò âñåõ ñâîéñòâ, ñâÿçåé è îòíîøåíèé èçó÷àåìîãî îáúåêòà, êîòîðûå ñ÷èòàþò íåñóùåñòâåííûìè. Òàêîâû ìîäåëè òî÷êè, ïðÿìîé ëèíèè, îêðóæíîñòè, ïëîñêîñòè. Ðåçóëüòàò ïðîöåññà àáñòðàãèðîâàíèÿ íàçûâàåòñÿ àáñòðàêöèåé. Ðåàëüíûå îáúåêòû â êàêèõ-òî çàäà÷àõ ìîãóò áûòü çàìåíåíû ýòèìè àáñòðàêöèÿìè (Çåìëþ ïðè äâèæåíèè âîêðóã Ñîëíöà ìîæíî ñ÷èòàòü ìàòåðèàëüíîé òî÷êîé, íî íåëüçÿ ïðè äâèæåíèè ïî åå ïîâåðõíîñòè). Èäåàëèçàöèÿ ïðåäñòàâëÿåò îïåðàöèþ ìûñëåííîãî âûäåëåíèÿ êàêîãî-òî îäíîãî âàæíîãî äëÿ äàííîé òåîðèè ñâîéñòâà èëè îòíîøåíèÿ, ìûñëåííîãî êîíñòðóèðîâàíèÿ îáúåêòà, íàäåëåííîãî ýòèì ñâîéñòâîì (îòíîøåíèåì). Â ðåçóëüòàòå èäåàëüíûé îáúåêò îáëàäàåò òîëüêî ýòèì ñâîéñòâîì (îòíîøåíèåì). Íàóêà âûäåëÿåò â ðåàëüíîé äåéñòâèòåëüíîñòè îáùèå çàêîíîìåðíîñòè, êîòîðûå ñóùåñòâåííû è ïîâòîðÿþòñÿ â ðàçëè÷íûõ ïðåäìåòàõ, ïîýòîìó ïðèõîäèòñÿ èäòè íà îòâëå÷åíèÿ îò ðåàëüíûõ îáúåêòîâ. Òàê îáðàçóþòñÿ òàêèå ïîíÿòèÿ, êàê «àòîì», «ìíîæåñòâî», «àáñîëþòíî ÷åðíîå òåëî», «èäåàëüíûé ãàç», «ñïëîøíàÿ ñðåäà». Ïîëó÷åííûå òàêèì îáðàçîì èäåàëüíûå îáúåêòû â äåéñòâèòåëüíîñòè íå ñóùåñòâóþò, òàê êàê â ïðèðîäå íå ìîæåò áûòü ïðåäìåòîâ è ÿâëåíèé, èìåþùèõ òîëüêî îäíî ñâîéñòâî èëè êà÷åñòâî. Ïðè ïðèìåíåíèè òåîðèè íåîáõîäèìî âíîâü ñîïîñòàâèòü ïîëó÷åííûå è èñïîëüçîâàííûå èäåàëüíûå è àáñòðàêòíûå ìîäåëè ñ ðåàëüíîñòüþ. Ïîýòîìó âàæíû âûáîð àáñòðàêöèé â ñîîòâåòñòâèè ñ èõ àäåêâàòíîñòüþ äàííîé òåîðèè è ïîñëåäóþùåå èñêëþ÷åíèå èõ. Ñðåäè îñîáåííûõ óíèâåðñàëüíûõ ìåòîäîâ èññëåäîâàíèé âûäåëÿþò àíàëèç, ñèíòåç, ñðàâíåíèå, êëàññèôèêàöèþ, àíàëîãèþ, ìîäåëèðîâàíèå. Ïðîöåññ åñòåñòâåííîíàó÷íîãî ïîçíàíèÿ ñîâåðøàåòñÿ òàê, ÷òî ìû ñíà÷àëà íàáëþäàåì îáùóþ êàðòèíó èçó÷àåìîãî îáúåêòà, ïðè êîòîðîé ÷àñòíîñòè îñòàþòñÿ â òåíè. Ïðè òàêîì íàáëþäåíèè íåëüçÿ ïîçíàòü âíóòðåííþþ ñòðóêòóðó îáúåêòà. Äëÿ åå èçó÷åíèÿ ìû äîëæíû ðàçäåëèòü èçó÷àåìûå îáúåêòû.

34 Ãëàâà 1. Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ Àíàëèç — îäíà èç íà÷àëüíûõ ñòàäèé èññëåäîâàíèÿ, êîãäà îò öåëüíîãî îïèñàíèÿ îáúåêòà ïåðåõîäÿò ê åãî ñòðîåíèþ, ñîñòàâó, ïðèçíàêàì è ñâîéñòâàì. Àíàëèç — ìåòîä íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ, â îñíîâå êîòîðîãî ëåæèò ïðîöåäóðà ìûñëåííîãî èëè ðåàëüíîãî ðàçäåëåíèÿ îáúåêòà íà ñîñòàâëÿþùèå åãî ÷àñòè è èõ îòäåëüíîå èçó÷åíèå. Íåâîçìîæíî ïîçíàòü ñóùíîñòü îáúåêòà, òîëüêî âûäåëÿÿ â íåì ýëåìåíòû, èç êîòîðûõ îí ñîñòîèò. Êîãäà ïóòåì àíàëèçà ÷àñòíîñòè èññëåäóåìîãî îáúåêòà èçó÷åíû, îí äîïîëíÿåòñÿ ñèíòåçîì. Ñèíòåç — ìåòîä íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ, â îñíîâå êîòîðîãî ëåæèòü îáúåäèíåíèå âûäåëåííûõ àíàëèçîì ýëåìåíòîâ. Ñèíòåç âûñòóïàåò íå êàê ìåòîä êîíñòðóèðîâàíèÿ öåëîãî, à êàê ìåòîä ïðåäñòàâëåíèÿ öåëîãî â ôîðìå åäèíñòâåííûõ çíàíèé, ïîëó÷åííûõ ñ ïîìîùüþ àíàëèçà. Îí ïîêàçûâàåò ìåñòî è ðîëü êàæäîãî ýëåìåíòà â ñèñòåìå, èõ ñâÿçü ñ äðóãèìè ñîñòàâíûìè ÷àñòÿìè. Àíàëèç ôèêñèðóåò â îñíîâíîì òî ñïåöèôè÷åñêîå, ÷òî îòëè÷àåò ÷àñòè äðóã îò äðóãà, ñèíòåç — îáîáùàåò àíàëèòè÷åñêè âûäåëåííûå è èçó÷åííûå îñîáåííîñòè îáúåêòà. Àíàëèç è ñèíòåç áåðóò ñâîå íà÷àëî â ïðàêòè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà. ×åëîâåê íàó÷èëñÿ ìûñëåííî àíàëèçèðîâàòü è ñèíòåçèðîâàòü ëèøü íà îñíîâå ïðàêòè÷åñêîãî ðàçäåëåíèÿ, ïîñòåïåííî îñìûñëèâàÿ òî, ÷òî ïðîèñõîäèò ñ îáúåêòîì ïðè âûïîëíåíèè ïðàêòè÷åñêèõ äåéñòâèé ñ íèì. Àíàëèç è ñèíòåç ÿâëÿþòñÿ êîìïîíåíòàìè àíàëèòèêî-ñèíòåòè÷åñêîãî ìåòîäà ïîçíàíèÿ. Ïðè êîëè÷åñòâåííîì ñîïîñòàâëåíèè èññëåäóåìûõ ñâîéñòâ, ïàðàìåòðîâ îáúåêòîâ èëè ÿâëåíèé ãîâîðÿò î ìåòîäå ñðàâíåíèÿ. Ñðàâíåíèå — ìåòîä íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ, ïîçâîëÿþùèé óñòàíîâèòü ñõîäñòâî è ðàçëè÷èå èçó÷àåìûõ îáúåêòîâ. Ñðàâíåíèå ëåæèò â îñíîâå ìíîãèõ åñòåñòâåííîíàó÷íûõ èçìåðåíèé, ñîñòàâëÿþùèõ íåîòúåìëåìóþ ÷àñòü ëþáûõ ýêñïåðèìåíòîâ. Ñðàâíèâàÿ îáúåêòû ìåæäó ñîáîé, ÷åëîâåê ïîëó÷àåò âîçìîæíîñòü ïðàâèëüíî ïîçíàâàòü èõ è òåì ñàìûì ïðàâèëüíî îðèåíòèðîâàòüñÿ â îêðóæàþùåì ìèðå, öåëåíàïðàâëåííî âîçäåéñòâîâàòü íà íåãî. Ñðàâíåíèå èìååò çíà÷åíèå, êîãäà ñðàâíèâàþòñÿ äåéñòâèòåëüíî îäíîðîäíûå è áëèçêèå ïî ñâîåé ñóùíîñòè îáúåêòû. Ìåòîä ñðàâíåíèÿ âûäåëÿåò îòëè÷èÿ èññëåäóåìûõ îáúåêòîâ è ñîñòàâëÿåò îñíîâó ëþáûõ èçìåðåíèé, òî åñòü îñíîâó ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé. Êëàññèôèêàöèÿ — ìåòîä íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ, êîòîðûé îáúåäèíÿåò â îäèí êëàññ îáúåêòû, ìàêñèìàëüíî ñõîäíûå äðóã ñ äðóãîì â ñóùåñòâåííûõ ïðèçíàêàõ. Êëàññèôèêàöèÿ ïîçâîëÿåò ñâåñòè íàêîïëåííûé ìíîãîîáðàçíûé ìàòåðèàë ê ñðàâíèòåëüíî íåáîëüøîìó ÷èñëó êëàññîâ, òèïîâ è ôîðì è âûÿâèòü èñõîäíûå åäèíèöû àíàëèçà, îáíàðóæèòü óñ-

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè

35

òîé÷èâûå ïðèçíàêè è îòíîøåíèÿ. Êàê ïðàâèëî, êëàññèôèêàöèè âûðàæàþòñÿ â âèäå òåêñòîâ íà åñòåñòâåííûõ ÿçûêàõ, ñõåì è òàáëèö. Àíàëîãèÿ — ìåòîä ïîçíàíèÿ, ïðè êîòîðîì ïðîèñõîäèò ïåðåíîñ çíàíèÿ, ïîëó÷åííîãî ïðè ðàññìîòðåíèè êàêîãî-ëèáî îáúåêòà, íà äðóãîé, ìåíåå èçó÷åííûé, íî ñõîæèé ñ ïåðâûì ïî êàêèì-òî ñóùåñòâåííûì ñâîéñòâàì. Ìåòîä àíàëîãèè îñíîâûâàåòñÿ íà ñõîäñòâå ïðåäìåòîâ ïî ðÿäó êàêèõ-ëèáî ïðèçíàêîâ, ïðè÷åì ñõîäñòâî óñòàíàâëèâàåòñÿ â ðåçóëüòàòå ñðàâíåíèÿ ïðåäìåòîâ ìåæäó ñîáîé. Òàêèì îáðàçîì, â îñíîâå ìåòîäà àíàëîãèè ëåæèò ìåòîä ñðàâíåíèÿ. Ìåòîä àíàëîãèè òåñíî ñâÿçàí ñ ìåòîäîì ìîäåëèðîâàíèÿ, êîòîðûé ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé èçó÷åíèå êàêèõ-ëèáî îáúåêòîâ ñ ïîìîùüþ ìîäåëåé ñ äàëüíåéøèì ïåðåíîñîì ïîëó÷åííûõ äàííûõ íà îðèãèíàë. Â îñíîâå ýòîãî ìåòîäà ëåæèò ñóùåñòâåííîå ñõîäñòâî îáúåêòà-îðèãèíàëà è åãî ìîäåëè. Â ñîâðåìåííûõ èññëåäîâàíèÿõ èñïîëüçóþò ðàçëè÷íûå âèäû ìîäåëèðîâàíèÿ: ïðåäìåòíîå, ìûñëåííîå, ñèìâîëè÷åñêîå, êîìïüþòåðíîå. Ïðåäìåòíîå ìîäåëèðîâàíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé èñïîëüçîâàíèå ìîäåëåé, âîñïðîèçâîäÿùèõ îïðåäåëåííûå õàðàêòåðèñòèêè îáúåêòà. Ìûñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé èñïîëüçîâàíèå ðàçëè÷íûõ ìûñëåííûõ ïðåäñòàâëåíèé â ôîðìå âîîáðàæàåìûõ ìîäåëåé. Ñèìâîëè÷åñêîå ìîäåëèðîâàíèå èñïîëüçóåò â êà÷åñòâå ìîäåëåé ÷åðòåæè, ñõåìû, ôîðìóëû. Â íèõ â ñèìâîëèêî-çíàêîâîé ôîðìå îòðàæàþòñÿ îïðåäåëåííûå ñâîéñòâà îðèãèíàëà. Âèäîì ñèìâîëè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ÿâëÿåòñÿ ìàòåìàòè÷åñêîå ìîäåëèðîâàíèå, ïðîèçâîäèìîå ñðåäñòâàìè ìàòåìàòèêè è ëîãèêè. Îíî ïðåäïîëàãàåò ôîðìèðîâàíèå ñèñòåì óðàâíåíèé, êîòîðûå îïèñûâàþò èññëåäóåìîå ïðèðîäíîå ÿâëåíèå, è èõ ðåøåíèå ïðè ðàçëè÷íûõ óñëîâèÿõ. Êîìïüþòåðíîå ìîäåëèðîâàíèå ïîëó÷èëî øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå â ïîñëåäíåå âðåìÿ (Ñàäîõèí À. Ï., 2007). Ðàçíîîáðàçèå ìåòîäîâ íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ ñîçäàåò òðóäíîñòè â èõ ïðèìåíåíèè è ïîíèìàíèè èõ ðîëè. Ýòè ïðîáëåìû ðåøàþòñÿ îñîáîé îáëàñòüþ çíàíèÿ — ìåòîäîëîãèåé. Îñíîâíîé çàäà÷åé ìåòîäîëîãèè ÿâëÿåòñÿ èçó÷åíèå ïðîèñõîæäåíèÿ, ñóùíîñòè, ýôôåêòèâíîñòè, ðàçâèòèÿ ìåòîäîâ ïîçíàíèÿ.

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè 1. ×òî òàêîå íàóêà? Êàêîâû ôóíêöèè íàóêè? 2. Êàêèå ñïåöèôè÷åñêèå ÷åðòû õàðàêòåðèçóþò íàóêó? Â ÷åì ñîñòîèò îòëè÷èå íàóêè îò îáûäåííîãî ïîçíàíèÿ?

36 Ãëàâà 1. Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ 3. Êàêèå óðîâíè íàó÷íîãî èññëåäîâàíèÿ âûäåëÿþò? 4. Â ÷åì îòëè÷èå êîíöåïöèè îò çàêîíà, òåîðèè è ãèïîòåçû? 5. ×òî èçó÷àåò åñòåñòâîçíàíèå? Êàêèå ýòàïû âûäåëÿþò â ðàçâèòèè åñòåñòâîçíàíèÿ? 6. Â ÷åì çàêëþ÷àåòñÿ ðàçíèöà ìåæäó ôóíäàìåíòàëüíûìè è ïðèêëàäíûìè íàóêàìè? 7. ×òî ïîíèìàþò ïîä íàó÷íîé êàðòèíîé ìèðà? 8. Â ÷åì çàêëþ÷àåòñÿ åäèíñòâî ýìïèðè÷åñêîãî è òåîðåòè÷åñêîãî çíàíèÿ? 9. ×òî ñîñòàâëÿåò îñíîâó íàó÷íîé òåîðèè? 10. Äàéòå îïðåäåëåíèå ìåòîäàì íàóêè. Êàêèå èç íèõ âû çíàåòå?

Ãëàâà 2 ÔÓÍÄÀÌÅÍÒÀËÜÍÛÅ ÏÎÍßÒÈß Î ÌÀÒÅÐÈÈ

2.1. Ìàòåðèÿ è åå ñâîéñòâà } Ìàòåðèÿ — áåñêîíå÷íîå ìíîæåñòâî âñåõ ñîñóùåñòâóþùèõ â ìèðå

îáúåêòîâ è ñèñòåì, ñîâîêóïíîñòü èõ ñâîéñòâ è ñâÿçåé, îòíîøåíèé è ôîðì äâèæåíèÿ. Îíà âêëþ÷àåò â ñåáÿ íå òîëüêî íåïîñðåäñòâåííî íàáëþäàåìûå îáúåêòû è òåëà ïðèðîäû, íî è âñå òå, êîòîðûå íå äàíû ÷åëîâåêó â åãî îùóùåíèÿõ.

Íåîòúåìëåìûì ñâîéñòâîì ìàòåðèè ÿâëÿåòñÿ äâèæåíèå. Äâèæåíèå ìàòåðèè ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ëþáûå èçìåíåíèÿ, ïðîèñõîäÿùèå ñ ìàòåðèàëüíûìè îáúåêòàìè â ðåçóëüòàòå èõ âçàèìîäåéñòâèé. Â ïðèðîäå íàáëþäàþòñÿ ðàçëè÷íûå âèäû äâèæåíèÿ ìàòåðèè: ìåõàíè÷åñêîå, êîëåáàòåëüíîå è âîëíîâîå, òåïëîâîå äâèæåíèå àòîìîâ è ìîëåêóë, ðàâíîâåñíûå è íåðàâíîâåñíûå ïðîöåññû, ðàäèîàêòèâíûé ðàñïàä, õèìè÷åñêèå è ÿäåðíûå ðåàêöèè, ðàçâèòèå æèâûõ îðãàíèçìîâ è áèîñôåðû. Íà ñîâðåìåííîì ýòàïå ðàçâèòèÿ åñòåñòâîçíàíèÿ èññëåäîâàòåëè ðàçëè÷àþò ñëåäóþùèå âèäû ìàòåðèè: âåùåñòâî, ôèçè÷åñêîå ïîëå è ôèçè÷åñêèé âàêóóì. Âåùåñòâî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îñíîâíîé âèä ìàòåðèè, îáëàäàþùèé ìàññîé ïîêîÿ. Ê âåùåñòâåííûì îáúåêòàì îòíîñÿò: ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû, àòîìû, ìîëåêóëû è ìíîãî÷èñëåííûå îáðàçîâàííûå èç íèõ ìàòåðèàëüíûå îáúåêòû. Ñâîéñòâà âåùåñòâà çàâèñÿò îò âíåøíèõ óñëîâèé è èíòåíñèâíîñòè âçàèìîäåéñòâèÿ àòîìîâ è ìîëåêóë, ÷òî è îáóñëîâëèâàåò ðàçëè÷íûå àãðåãàòíûå ñîñòîÿíèÿ âåùåñòâ. Ôèçè÷åñêîå ïîëå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îñîáûé âèä ìàòåðèè, îáåñïå÷èâàþùèé ôèçè÷åñêîå âçàèìîäåéñòâèå ìàòåðèàëüíûõ îáúåêòîâ è èõ ñèñòåì. Ê ôèçè÷åñêèì ïîëÿì èññëåäîâàòåëè îòíîñÿò: ýëåêòðîìàãíèòíîå è ãðàâèòàöèîííîå ïîëÿ, ïîëå ÿäåðíûõ ñèë, âîëíîâûå ïîëÿ, ñîîò-

38 Ãëàâà 2. Ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ î ìàòåðèè âåòñòâóþùèå ðàçëè÷íûì ÷àñòèöàì. Èñòî÷íèêîì ôèçè÷åñêèõ ïîëåé ÿâëÿþòñÿ ÷àñòèöû. Ôèçè÷åñêèé âàêóóì — ýòî íèçøåå ýíåðãåòè÷åñêîå ñîñòîÿíèå êâàíòîâîãî ïîëÿ. Ýòîò òåðìèí áûë ââåäåí â êâàíòîâóþ òåîðèþ ïîëÿ äëÿ îáúÿñíåíèÿ íåêîòîðûõ ïðîöåññîâ. Ñðåäíåå ÷èñëî ÷àñòèö — êâàíòîâ ïîëÿ — â âàêóóìå ðàâíî íóëþ, îäíàêî â íåì ìîãóò ðîæäàòüñÿ ÷àñòèöû â ïðîìåæóòî÷íûõ ñîñòîÿíèÿõ, ñóùåñòâóþùèå êîðîòêîå âðåìÿ. Ïðè îïèñàíèè ìàòåðèàëüíûõ ñèñòåì èñïîëüçóþò êîðïóñêóëÿðíóþ (îò ëàò. corpuskulum — ÷àñòèöà) è êîíòèíóàëüíóþ (îò ëàò. continium — íåïðåðûâíûé) òåîðèè. Êîíòèíóàëüíàÿ òåîðèÿ ðàññìàòðèâàåò ïîâòîðÿþùèåñÿ íåïðåðûâíûå ïðîöåññû, êîëåáàíèÿ, êîòîðûå ïðîèñõîäÿò â îêðåñòíîñòè íåêîòîðîãî ñðåäíåãî ïîëîæåíèÿ. Ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè êîëåáàíèé â ñðåäå âîçíèêàþò âîëíû. Òåîðèÿ êîëåáàíèé — îáëàñòü ôèçèêè, çàíèìàþùàÿñÿ èññëåäîâàíèåì ýòèõ çàêîíîìåðíîñòåé. Òàêèì îáðàçîì, êîíòèíóàëüíàÿ òåîðèÿ îïèñûâàåò âîëíîâûå ïðîöåññû. Íàðÿäó ñ âîëíîâûì (êîíòèíóàëüíûì) îïèñàíèåì øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ ïîíÿòèå ÷àñòèöû — êîðïóñêóëû. Ñ òî÷êè çðåíèÿ êîíòèíóàëüíîé êîíöåïöèè âñÿ ìàòåðèÿ ðàññìàòðèâàëàñü êàê ôîðìà ïîëÿ, ðàâíîìåðíî ðàñïðîñòðàíåííîãî â ïðîñòðàíñòâå, à ïîñëå ñëó÷àéíîãî âîçìóùåíèÿ ïîëÿ âîçíèêëè âîëíû, òî åñòü ÷àñòèöû ñ ðàçëè÷íûìè ñâîéñòâàìè. Âçàèìîäåéñòâèå ýòèõ îáðàçîâàíèé ïðèâåëî ê ïîÿâëåíèþ àòîìîâ, ìîëåêóë, ìàêðîòåë, îáðàçóþùèõ ìàêðîìèð. Íà îñíîâå ýòîãî êðèòåðèÿ âûäåëÿþò ñëåäóþùèå óðîâíè ìàòåðèè: ìèêðîìèð, ìàêðîìèð è ìåãàìèð. Ìèêðîìèð — ýòî îáëàñòü ïðåäåëüíî ìàëûõ, íåïîñðåäñòâåííî íåíàáëþäàåìûõ ìàòåðèàëüíûõ ìèêðîîáúåêòîâ, ðàçìåð êîòîðûõ èñ÷èñëÿåòñÿ â äèàïàçîíå îò 10–8 äî 10–16 ñì, à âðåìÿ æèçíè — îò áåñêîíå÷íîñòè äî 10–24 ñ. Ýòî ìèð îò àòîìîâ äî ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Âñå îíè îáëàäàþò êàê âîëíîâûìè, òàê è êîðïóñêóëÿðíûìè ñâîéñòâàìè. Ìàêðîìèð — ìèð ìàòåðèàëüíûõ îáúåêòîâ, ñîèçìåðèìûõ ïî ñâîèì ìàñøòàáîì ñ ÷åëîâåêîì. Íà ýòîì óðîâíå ïðîñòðàíñòâåííûå âåëè÷èíû èçìåðÿþòñÿ îò ìèëëèìåòðîâ äî êèëîìåòðîâ, à âðåìÿ — îò ñåêóíä äî ëåò. Ìàêðîìèð ïðåäñòàâëåí ìàêðîìîëåêóëàìè, âåùåñòâàìè â ðàçëè÷íûõ àãðåãàòíûõ ñîñòîÿíèÿõ, æèâûìè îðãàíèçìàìè, ÷åëîâåêîì è ïðîäóêòàìè åãî äåÿòåëüíîñòè. Ìåãàìèð — ñôåðà îãðîìíûõ êîñìè÷åñêèõ ìàñøòàáîâ è ñêîðîñòåé, ðàññòîÿíèå â êîòîðîé èçìåðÿåòñÿ àñòðîíîìè÷åñêèìè åäèíèöàìè (1 à. å. = = 8,3 ñâåòîâûõ ìèíóòû), ñâåòîâûìè ãîäàìè (1 ñâåòîâîé ãîä = 10 òðëí êì) è ïàðñåêàìè (1ïê = 30 òðëí êì), à âðåìÿ ñóùåñòâîâàíèÿ êîñìè÷åñêèõ îáúåêòîâ — ìèëëèîíàìè è ìèëëèàðäàìè ëåò. Ê ýòîìó óðîâíþ îòíîñÿò-

2.1. Ìàòåðèÿ è åå ñâîéñòâà

39

ñÿ íàèáîëåå êðóïíûå ìàòåðèàëüíûå îáúåêòû: ïëàíåòû è èõ ñèñòåìû, çâåçäû, ãàëàêòèêè è èõ ñêîïëåíèÿ, îáðàçóþùèå ìåòàãàëàêòèêè.

Êëàññèôèêàöèÿ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû — îñíîâíûå ñòðóêòóðíûå ýëåìåíòû ìèêðîìèðà. Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû ìîãóò áûòü ñîñòàâíûìè (ïðîòîí, íåéòðîí) è íåñîñòàâíûìè (ýëåêòðîí, íåéòðèíî, ôîòîí). Ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè îáíàðóæåíî áîëåå 400 ÷àñòèö è èõ àíòè÷àñòèö. Íåêîòîðûå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû îáëàäàþò íåîáû÷íûìè ñâîéñòâàìè. Òàê, äîëãîå âðåìÿ ñ÷èòàëîñü, ÷òî ÷àñòèöà íåéòðèíî íå èìååò ìàññû ïîêîÿ. Â 30-å ãã. ÕÕ â. ïðè èçó÷åíèè áåòà-ðàñïàäà áûëî îáíàðóæåíî, ÷òî ðàñïðåäåëåíèå ïî ýíåðãèÿì ýëåêòðîíîâ, èñïóñêàåìûõ ðàäèîàêòèâíûìè ÿäðàìè, ïðîèñõîäèò íåïðåðûâíî. Èç ýòîãî ñëåäîâàëî, ÷òî èëè íå âûïîëíÿåòñÿ çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè, èëè êðîìå ýëåêòðîíîâ èñïóñêàþòñÿ òðóäíî ðåãèñòðèðóåìûå ÷àñòèöû, ïîäîáíûå ôîòîíàì ñ íóëåâîé ìàññîé ïîêîÿ, óíîñÿùèå ÷àñòü ýíåðãèè. Ó÷åíûå ïðåäïîëîæèëè, ÷òî ýòî íåéòðèíî. Îäíàêî çàðåãèñòðèðîâàòü íåéòðèíî ýêñïåðèìåíòàëüíî óäàëîñü òîëüêî â 1956 ã. íà îãðîìíûõ ïîäçåìíûõ óñòàíîâêàõ. Ñëîæíîñòü ðåãèñòðàöèè ýòèõ ÷àñòèö çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî çàõâàò ÷àñòèö íåéòðèíî ïðîèñõîäèò ÷ðåçâû÷àéíî ðåäêî èç-çà èõ âûñîêîé ïðîíèêàþùåé ñïîñîáíîñòè. Â õîäå ýêñïåðèìåíòîâ áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ìàññà ïîêîÿ íåéòðèíî íå ðàâíà íóëþ, õîòÿ îò íóëÿ îòëè÷àåòñÿ íåíàìíîãî. Èíòåðåñíûìè ñâîéñòâàìè îáëàäàþò è àíòè÷àñòèöû. Îíè èìåþò ìíîãèå èç òåõ æå ïðèçíàêîâ, ÷òî è èõ ÷àñòèöû-äâîéíèêè (ìàññó, ñïèí1, âðåìÿ æèçíè è ò. ä.), íî îòëè÷àþòñÿ îò íèõ çíàêàìè ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà èëè äðóãèìè õàðàêòåðèñòèêàìè. Â 1928 ã. Ï. Äèðàê ïðåäñêàçàë ñóùåñòâîâàíèå àíòè÷àñòèöû ýëåêòðîíà — ïîçèòðîíà, êîòîðûé áûë îáíàðóæåí ñïóñòÿ ÷åòûðå ãîäà Ê. Àíäåðñîíîì â ñîñòàâå êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé. Ýëåêòðîí è ïîçèòðîí — íå åäèíñòâåííàÿ ïàðà ÷àñòèö-äâîéíèêîâ, âñå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû, êðîìå íåéòðàëüíûõ, èìåþò ñâîè àíòè÷àñòèöû. Ïðè ñòîëêíîâåíèè ÷àñòèöû è àíòè÷àñòèöû ïðîèñõîäèò èõ àííèãèëÿöèÿ (îò ëàò. annihilatio — ïðåâðàùåíèå â íè÷òî) — ïðåâðàùåíèå ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö è àíòè÷àñòèö â äðóãèå ÷àñòèöû, ÷èñëî è âèä êîòîðûõ îïðåäåëÿþòñÿ çàêîíàìè ñîõðàíåíèÿ. Íàïðèìåð, â ðåçóëüòàòå àííèãèëÿöèè ïàðû ýëåêòðîí— ïîçèòðîí ðîæäàþòñÿ ôîòîíû. ×èñëî îáíàðóæåííûõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö ñî âðåìåíåì óâåëè÷èâàåòñÿ. Âìåñòå ñ òåì ïðîäîëæàåòñÿ ïîèñê 1

Ñîáñòâåííûé ìîìåíò èìïóëüñà ìèêðî÷àñòèöû, êîòîðûé íå çàâèñèò îò åå ïîëîæåíèÿ â ïðîñòðàíñòâå.

40 Ãëàâà 2. Ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ î ìàòåðèè ôóíäàìåíòàëüíûõ ÷àñòèö, êîòîðûå ìîãëè áû áûòü ñîñòàâíûìè «êèðïè÷èêàìè» äëÿ ïîñòðîåíèÿ èçâåñòíûõ ÷àñòèö. Ãèïîòåçà î ñóùåñòâîâàíèè ïîäîáíîãî ðîäà ÷àñòèö, íàçâàííûõ êâàðêàìè, áûëà âûñêàçàíà â 1964 ã. àìåðèêàíñêèì ôèçèêîì Ì. Ãåëë-Ìàíîì (Íîáåëåâñêàÿ ïðåìèÿ 1969 ã.). Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû îáëàäàþò áîëüøèì êîëè÷åñòâîì õàðàêòåðèñòèê. Îäíà èç îòëè÷èòåëüíûõ îñîáåííîñòåé êâàðêîâ çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî îíè èìåþò äðîáíûå ýëåêòðè÷åñêèå çàðÿäû. Êâàðêè ìîãóò ñîåäèíÿòüñÿ äðóã ñ äðóãîì ïàðàìè è òðîéêàìè. Ñîåäèíåíèå òðåõ êâàðêîâ îáðàçóåò áàðèîíû (ïðîòîíû è íåéòðîíû). Â ñâîáîäíîì ñîñòîÿíèè êâàðêè íå íàáëþäàëèñü. Îäíàêî êâàðêîâàÿ ìîäåëü ïîçâîëèëà îïðåäåëèòü êâàíòîâûå ÷èñëà ìíîãèõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû êëàññèôèöèðóþò ïî ñëåäóþùèì ïðèçíàêàì: ìàññå ÷àñòèöû, ýëåêòðè÷åñêîìó çàðÿäó, òèïó ôèçè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, â êîòîðîì ó÷àñòâóþò ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû, âðåìåíè æèçíè ÷àñòèö, ñïèíó è äð. Â çàâèñèìîñòè îò ìàññû ïîêîÿ ÷àñòèöû (ìàññà åå ïîêîÿ, êîòîðàÿ îïðåäåëÿåòñÿ ïî îòíîøåíèþ ê ìàññå ïîêîÿ ýëåêòðîíà, ñ÷èòàþùåãîñÿ ñàìîé ëåãêîé èç âñåõ ÷àñòèö, èìåþùèõ ìàññó) âûäåëÿþò: u u u u

ôîòîíû (ãðå÷. phÜtos — ÷àñòèöû, êîòîðûå íå èìåþò ìàññû ïîêîÿ è äâèæóòñÿ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà); ëåïòîíû (ãðå÷. leptos — ëåãêèé) — ëåãêèå ÷àñòèöû (ýëåêòðîí è íåéòðèíî); ìåçîíû (ãðå÷. mesos — ñðåäíèé) — ñðåäíèå ÷àñòèöû ñ ìàññîé îò îäíîé äî òûñÿ÷è ìàññ ýëåêòðîíà (ïè-ìåçîí, êà-ìåçîí è äð.); áàðèîíû (ãðå÷. barys — òÿæåëûé) — òÿæåëûå ÷àñòèöû ñ ìàññîé áîëåå òûñÿ÷è ìàññ ýëåêòðîíà (ïðîòîíû, íåéòðîíû è äð.). Â çàâèñèìîñòè îò ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà âûäåëÿþò:

u u u

÷àñòèöû ñ îòðèöàòåëüíûì çàðÿäîì (íàïðèìåð, ýëåêòðîíû); ÷àñòèöû ñ ïîëîæèòåëüíûì çàðÿäîì (íàïðèìåð, ïðîòîí, ïîçèòðîíû); ÷àñòèöû ñ íóëåâûì çàðÿäîì (íàïðèìåð, íåéòðèíî).

Ñóùåñòâóþò ÷àñòèöû ñ äðîáíûì çàðÿäîì — êâàðêè. Ñ ó÷åòîì òèïà ôóíäàìåíòàëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, â êîòîðîì ó÷àñòâóþò ÷àñòèöû, ñðåäè íèõ âûäåëÿþò: u u

àäðîíû (ãðå÷. adros — êðóïíûé, ñèëüíûé), ó÷àñòâóþùèå â ýëåêòðîìàãíèòíîì, ñèëüíîì è ñëàáîì âçàèìîäåéñòâèè; ëåïòîíû, ó÷àñòâóþùèå òîëüêî â ýëåêòðîìàãíèòíîì è ñëàáîì âçàèìîäåéñòâèè;

2.2. Ôóíäàìåíòàëüíûå âçàèìîäåéñòâèÿ u

41

÷àñòèöû — ïåðåíîñ÷èêè âçàèìîäåéñòâèé (ôîòîíû — ïåðåíîñ÷èêè ýëåêòðîìàãíèòíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ; ãðàâèòîíû — ïåðåíîñ÷èêè ãðàâèòàöèîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ; ãëþîíû — ïåðåíîñ÷èêè ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ; ïðîìåæóòî÷íûå âåêòîðíûå áîçîíû — ïåðåíîñ÷èêè ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ).

Ïî âðåìåíè æèçíè ÷àñòèöû äåëÿòñÿ íà ñòàáèëüíûå, êâàçèñòàáèëüíûå è íåñòàáèëüíûå. Áîëüøèíñòâî ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö íåñòàáèëüíî, âðåìÿ èõ æèçíè — 10–10–10–24 ñ. Ñòàáèëüíûå ÷àñòèöû íå ðàñïàäàþòñÿ äëèòåëüíîå âðåìÿ. Îíè ìîãóò ñóùåñòâîâàòü îò áåñêîíå÷íîñòè äî 10–10 ñ. Ñòàáèëüíûìè ÷àñòèöàìè ñ÷èòàþòñÿ ôîòîí, íåéòðèíî, ïðîòîí è ýëåêòðîí. Êâàçèñòàáèëüíûå ÷àñòèöû ðàñïàäàþòñÿ â ðåçóëüòàòå ýëåêòðîìàãíèòíîãî è ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, èíà÷å èõ íàçûâàþò ðåçîíàíñàìè. Âðåìÿ èõ æèçíè ñîñòàâëÿåò 10–24–10–26 ñ.

2.2. Ôóíäàìåíòàëüíûå âçàèìîäåéñòâèÿ Âçàèìîäåéñòâèå — îñíîâíàÿ ïðè÷èíà äâèæåíèÿ ìàòåðèè, ïîýòîìó âçàèìîäåéñòâèå ïðèñóùå âñåì ìàòåðèàëüíûì îáúåêòàì íåçàâèñèìî îò èõ ïðèðîäíîãî ïðîèñõîæäåíèÿ è ñèñòåìíîé îðãàíèçàöèè. Îñîáåííîñòè ðàçëè÷íûõ âçàèìîäåéñòâèé îïðåäåëÿþò óñëîâèÿ ñóùåñòâîâàíèÿ è ñïåöèôèêó ñâîéñòâ ìàòåðèàëüíûõ îáúåêòîâ. Âñåãî èçâåñòíî ÷åòûðå âèäà âçàèìîäåéñòâèÿ: ãðàâèòàöèîííîå, ýëåêòðîìàãíèòíîå, ñèëüíîå è ñëàáîå. Ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå ïåðâûì èç èçâåñòíûõ ôóíäàìåíòàëüíûõ âçàèìîäåéñòâèé ñòàëî ïðåäìåòîì èññëåäîâàíèÿ ó÷åíûõ. Îíî ïðîÿâëÿåòñÿ âî âçàèìíîì ïðèòÿæåíèè ëþáûõ ìàòåðèàëüíûõ îáúåêòîâ, èìåþùèõ ìàññó, ïåðåäàåòñÿ ïîñðåäñòâîì ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ è îïðåäåëÿåòñÿ çàêîíîì âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ, êîòîðûé áûë ñôîðìóëèðîâàí È. Íüþòîíîì Çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ îïèñûâàåò ïàäåíèå ìàòåðèàëüíûõ òåë â ïîëå Çåìëè, äâèæåíèå ïëàíåò Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû, çâåçä è ò. ï. Ïî ìåðå óâåëè÷åíèÿ ìàññû âåùåñòâà ãðàâèòàöèîííûå âçàèìîäåéñòâèÿ âîçðàñòàþò. Ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå — íàèáîëåå ñëàáîå èç âñåõ èçâåñòíûõ ñîâðåìåííîé íàóêå âçàèìîäåéñòâèé. Òåì íå ìåíåå ãðàâèòàöèîííûå âçàèìîäåéñòâèÿ îïðåäåëÿþò ñòðîåíèå âñåé Âñåëåííîé: îáðàçîâàíèå âñåõ êîñìè÷åñêèõ ñèñòåì; ñóùåñòâîâàíèå ïëàíåò, çâåçä è ãàëàêòèê. Âàæíàÿ ðîëü ãðàâèòàöèîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ îïðåäåëÿåòñÿ åãî óíèâåðñàëüíîñòüþ: âñå òåëà, ÷àñòèöû è ïîëÿ ó÷àñòâóþò â íåì.

42 Ãëàâà 2. Ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ î ìàòåðèè Ïåðåíîñ÷èêàìè ãðàâèòàöèîííîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ÿâëÿþòñÿ ãðàâèòîíû — êâàíòû ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ. Ýëåêòðîìàãíèòíîå âçàèìîäåéñòâèå òàêæå ÿâëÿåòñÿ óíèâåðñàëüíûì è ñóùåñòâóåò ìåæäó ëþáûìè òåëàìè â ìèêðî-, ìàêðî- è ìåãàìèðå. Ýëåêòðîìàãíèòíîå âçàèìîäåéñòâèå îáóñëîâëåíî ýëåêòðè÷åñêèìè çàðÿäàìè è ïåðåäàåòñÿ ñ ïîìîùüþ ýëåêòðè÷åñêîãî è ìàãíèòíîãî ïîëåé. Ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå âîçíèêàåò ïðè íàëè÷èè ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ, à ìàãíèòíîå — ïðè äâèæåíèè ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ. Ýëåêòðîìàãíèòíîå âçàèìîäåéñòâèå îïèñûâàåòñÿ: çàêîíîì Êóëîíà, çàêîíîì Àìïåðà è äð. è â îáîáùåííîì âèäå — ýëåêòðîìàãíèòíîé òåîðèåé Ìàêñâåëëà, ñâÿçûâàþùåé ýëåêòðè÷åñêîå è ìàãíèòíîå ïîëÿ. Áëàãîäàðÿ ýëåêòðîìàãíèòíîìó âçàèìîäåéñòâèþ âîçíèêàþò àòîìû, ìîëåêóëû è ïðîèñõîäÿò õèìè÷åñêèå ðåàêöèè. Õèìè÷åñêèå ðåàêöèè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ïðîÿâëåíèå ýëåêòðîìàãíèòíûõ âçàèìîäåéñòâèé è ÿâëÿþòñÿ ðåçóëüòàòàìè ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ ñâÿçåé ìåæäó àòîìàìè â ìîëåêóëàõ, à òàêæå êîëè÷åñòâà è ñîñòàâà àòîìîâ â ìîëåêóëàõ ðàçíûõ âåùåñòâ. Ðàçëè÷íûå àãðåãàòíûå ñîñòîÿíèÿ âåùåñòâà, ñèëû óïðóãîñòè, òðåíèÿ è ò. ä. îïðåäåëÿþòñÿ ýëåêòðîìàãíèòíûì âçàèìîäåéñòâèåì. Ïåðåíîñ÷èêàìè ýëåêòðîìàãíèòíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ÿâëÿþòñÿ ôîòîíû — êâàíòû ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ íóëåâîé ìàññîé ïîêîÿ. Âíóòðè àòîìíîãî ÿäðà ïðîÿâëÿþòñÿ ñèëüíûå è ñëàáûå âçàèìîäåéñòâèÿ. Ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå îáåñïå÷èâàåò ñâÿçü íóêëîíîâ â ÿäðå. Äàííîå âçàèìîäåéñòâèå îïðåäåëÿåòñÿ ÿäåðíûìè ñèëàìè, îáëàäàþùèìè çàðÿäîâîé íåçàâèñèìîñòüþ, êîðîòêîäåéñòâèåì, íàñûùåíèåì è äðóãèìè ñâîéñòâàìè. Ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå óäåðæèâàåò íóêëîíû (ïðîòîíû è íåéòðîíû) â ÿäðå è êâàðêè âíóòðè íóêëîíîâ è îòâå÷àåò çà ñòàáèëüíîñòü àòîìíûõ ÿäåð. Ñ ïîìîùüþ ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ó÷åíûå îáúÿñíèëè, ïî÷åìó ïðîòîíû ÿäðà àòîìà íå ðàçëåòàþòñÿ ïîä äåéñòâèåì ýëåêòðîìàãíèòíûõ ñèë îòòàëêèâàíèÿ. Ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå ïåðåäàåòñÿ ãëþîíàìè — ÷àñòèöàìè, «ñêëåèâàþùèìè» êâàðêè, êîòîðûå âõîäÿò â ñîñòàâ ïðîòîíîâ, íåéòðîíîâ è äðóãèõ ÷àñòèö. Ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèå òàêæå äåéñòâóåò òîëüêî â ìèêðîìèðå. Â ýòîì âçàèìîäåéñòâèè ó÷àñòâóþò âñå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû, êðîìå ôîòîíà. Îíî îáóñëîâëèâàåò áîëüøèíñòâî ðàñïàäîâ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, ïîýòîìó åãî îòêðûòèå ïðîèçîøëî âñëåä çà îòêðûòèåì ðàäèîàêòèâíîñòè. Ïåðâàÿ òåîðèÿ ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ áûëà ñîçäàíà â 1934 ã. Ý. Ôåðìè è ðàçâèòà â 1950-å ãã. Ì. Ãåëë-Ìàíîì, Ð. Ôåéíìàíîì è äðóãèìè ó÷åíûìè. Ïåðåíîñ÷èêàìè ñëàáîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ïðèíÿòî ñ÷èòàòü ÷àñòèöû ñ ìàññîé â 100 ðàç áîëüøå ìàññû ïðîòîíîâ — ïðîìåæóòî÷íûå âåêòîðíûå áîçîíû.

2.3. Òåïëîâîå èçëó÷åíèå. Ðîæäåíèå êâàíòîâûõ ïðåäñòàâëåíèé

43

Õàðàêòåðèñòèêè ôóíäàìåíòàëüíûõ âçàèìîäåéñòâèé ïðåäñòàâëåíû â òàáë. 2.1. Òàáëèöà 2.1

Õàðàêòåðèñòèêè ôóíäàìåíòàëüíûõ âçàèìîäåéñòâèé Òèï âçàèìîäåéñòâèÿ

Ãðàâèòàöèîííîå

Èñòî÷íèê

Ìàññà

Ýëåêòðîìàã- Ýëåêòðè÷åñêè çàðÿæåííûå íèòíîå ÷àñòèöû Ñèëüíîå

×àñòèöû, âõîäÿùèå â ñîñòàâ ÿäåð (ïðîòîíû, íåéòðîíû)

Ñëàáîå

Ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû

Êîíñòàíòà âçàèÐàäèóñ ìîäåéñòâèÿ äåéñòâèÿ (ì)

10–38

¥

10–2

¥

1

10–15

10–14

10–18

Èç òàáëèöû âèäíî, ÷òî ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå ãîðàçäî ñëàáåå äðóãèõ âçàèìîäåéñòâèé. Ðàäèóñ åãî äåéñòâèÿ íåîãðàíè÷åí. Îíî íå èãðàåò ñóùåñòâåííîé ðîëè â ìèêðîïðîöåññàõ è â òî æå âðåìÿ ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì äëÿ îáúåêòîâ ñ áîëüøèìè ìàññàìè. Ýëåêòðîìàãíèòíîå âçàèìîäåéñòâèå ñèëüíåå ãðàâèòàöèîííîãî, õîòÿ ðàäèóñ åãî äåéñòâèÿ òàêæå íåîãðàíè÷åí. Ñèëüíîå è ñëàáîå âçàèìîäåéñòâèÿ èìåþò î÷åíü îãðàíè÷åííûé ðàäèóñ äåéñòâèÿ. Îäíà èç âàæíåéøèõ çàäà÷ ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ — ñîçäàíèå åäèíîé òåîðèè ôóíäàìåíòàëüíûõ âçàèìîäåéñòâèé, îáúåäèíÿþùåé ðàçëè÷íûå âèäû âçàèìîäåéñòâèÿ. Ñîçäàíèå ïîäîáíîé òåîðèè îçíà÷àëî áû òàêæå ïîñòðîåíèå åäèíîé òåîðèè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö.

2.3. Òåïëîâîå èçëó÷åíèå. Ðîæäåíèå êâàíòîâûõ ïðåäñòàâëåíèé Â êîíöå XX â. âîëíîâàÿ òåîðèÿ íå ìîãëà îáúÿñíèòü è îïèñàòü òåïëîâîå èçëó÷åíèå âî âñåì äèàïàçîíå ÷àñòîò ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí òåïëîâîãî äèàïàçîíà. À òî, ÷òî òåïëîâîå èçëó÷åíèå, è â ÷àñòíîñòè ñâåò, ÿâëÿåòñÿ ýëåêòðîìàãíèòíûìè âîëíàìè, ñòàëî íàó÷íûì ôàêòîì. Äàòü òî÷íîå îïèñàíèå òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ óäàëîñü íåìåöêîìó ôèçèêó Ìàêñó Ïëàíêó. 14 äåêàáðÿ 1900 ã. Ïëàíê âûñòóïèë íà çàñåäàíèè Íåìåöêîãî ôèçè÷åñêîãî îáùåñòâà ñ äîêëàäîì, â êîòîðîì èçëîæèë ñâîþ ãèïîòåçó êâàíòîâîé ïðèðîäû òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ è íîâóþ ôîðìóëó èçëó÷åíèÿ

44 Ãëàâà 2. Ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ î ìàòåðèè (ôîðìóëà Ïëàíêà). Ýòîò äåíü ôèçèêè ñ÷èòàþò äíåì ðîæäåíèÿ íîâîé ôèçèêè — êâàíòîâîé. Âûäàþùèéñÿ ôðàíöóçñêèé ìàòåìàòèê è ôèçèê À. Ïóàíêàðå ïèñàë: «Êâàíòîâàÿ òåîðèÿ Ïëàíêà åñòü, áåç âñÿêîãî ñîìíåíèÿ, ñàìàÿ áîëüøàÿ è ñàìàÿ ãëóáîêàÿ ðåâîëþöèÿ, êîòîðóþ íàòóðàëüíàÿ ôèëîñîôèÿ ïðåòåðïåëà ñî âðåìåí Íüþòîíà». Ïëàíê óñòàíîâèë, ÷òî òåïëîâîå èçëó÷åíèå (ýëåêòðîìàãíèòíàÿ âîëíà) èñïóñêàåòñÿ íå ñïëîøíûì ïîòîêîì, à ïîðöèÿìè (êâàíòàìè). Ýíåðãèÿ êàæäîãî êâàíòà — E = hn, òî åñòü ïðîïîðöèîíàëüíà ÷àñòîòå ýëåêòðîìàãíèòíîé âîëíû — v. Çäåñü h — ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà, ðàâíàÿ 6,62 × 10–34 Äæ × ñ. Ñîâïàäåíèå ðàñ÷åòîâ Ïëàíêà ñ îïûòíûìè äàííûìè áûëî ïîëíûì. Â 1919 ã. Ì. Ïëàíêó ïðèñâîèëè Íîáåëåâñêóþ ïðåìèþ. Íà îñíîâå êâàíòîâûõ ïðåäñòàâëåíèé À. Ýéíøòåéí â 1905 ã. ðàçðàáîòàë òåîðèþ ôîòîýôôåêòà (Íîáåëåâñêàÿ ïðåìèÿ 1922 ã.), ïîñòàâèâ íàóêó ïåðåä ôàêòîì: ñâåò îáëàäàåò è âîëíîâûìè è êîðïóñêóëÿðíûìè ñâîéñòâàìè, îí èçëó÷àåòñÿ, ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ è ïîãëîùàåòñÿ êâàíòàìè (ïîðöèÿìè). Êâàíòû ñâåòà ñòàëè íàçûâàòü ôîòîíàìè.

2.4. Ãèïîòåçà äå Áðîéëÿ î êîðïóñêóëÿðíîâîëíîâîì äóàëèçìå ñâîéñòâ ÷àñòèö Ôðàíöóçñêèé ó÷åíûé Ëóè äå Áðîéëü (1892–1987) â 1924 ã. â äîêòîðñêîé äèññåðòàöèè «Èññëåäîâàíèÿ ïî òåîðèè êâàíòîâ» âûäâèíóë ñìåëóþ ãèïîòåçó îá óíèâåðñàëüíîñòè êîðïóñêóëÿðíî-âîëíîâîãî äóàëèçìà, óòâåðæäàÿ, ÷òî ïîñêîëüêó ñâåò âåäåò ñåáÿ â îäíèõ ñëó÷àÿõ êàê âîëíà, à â äðóãèõ — êàê ÷àñòèöà, òî è ìàòåðèàëüíûå ÷àñòèöû (ýëåêòðîíû è äð.) â ñèëó îáùíîñòè çàêîíîâ ïðèðîäû äîëæíû îáëàäàòü âîëíîâûìè ñâîéñòâàìè. «Â îïòèêå, — ïèñàë îí, — â òå÷åíèå ñòîëåòèÿ ñëèøêîì ïðåíåáðåãàëè êîðïóñêóëÿðíûì ñïîñîáîì ðàññìîòðåíèÿ ïî ñðàâíåíèþ ñ âîëíîâûì; íå äåëàëàñü ëè â òåîðèè âåùåñòâà îáðàòíàÿ îøèáêà? Íå äóìàëè ëè ìû ñëèøêîì ìíîãî î êàðòèíå “÷àñòèö” è íå ïðåíåáðåãàëè ëè ÷ðåçìåðíîé êàðòèíîé âîëí?» Â òî âðåìÿ ãèïîòåçà äå Áðîéëÿ âûãëÿäåëà áåçóìíîé. Ëèøü â 1927 ã., òðè ãîäà ñïóñòÿ, íàóêà ïåðåæèëà îãðîìíîå ïîòðÿñåíèå: ôèçèêè Ê. Äýâèññîí è Ë. Äæåðìåð ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîäòâåðäèëè ãèïîòåçó äå Áðîéëÿ, ïîëó÷èâ äèôðàêöèîííóþ êàðòèíó ýëåêòðîíîâ.

2.5. Îïûòû Ðåçåðôîðäà. Ìîäåëü àòîìà Ðåçåðôîðäà

45

Ñîãëàñíî êâàíòîâîé òåîðèè ñâåòà À. Ýéíøòåéíà, âîëíîâûå õàðàêòåðèñòèêè ôîòîíîâ ñâåòà (÷àñòîòà êîëåáàíèé v è äëèíà âîëíà l = c/v) ñâÿçàíû ñ êîðïóñêóëÿðíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè (ýíåðãèåé eô, ðåëÿòèâèñòñêîé ìàññîé mô è èìïóëüñîì ðô) ñîîòíîøåíèÿìè: e ô = hv ; mô =

eô c

2

=

hv hv h ; p ô = mô × c = = . 2 c c l

Ïî èäåå äå Áðîéëÿ, ëþáàÿ ìèêðî÷àñòèöà, â òîì ÷èñëå è ñ ìàññîé ïîêîÿ m0 ¹ 0, äîëæíà îáëàäàòü íå òîëüêî êîðïóñêóëÿðíûìè, íî è âîëíîâûìè ñâîéñòâàìè. Ñîîòâåòñòâóþùèå ÷àñòîòà v è äëèíà âîëíû l îïðåäåëÿþòñÿ ïðè ýòîì ñîîòíîøåíèÿìè, ïîäîáíûìè ýéíøòåéíîâñêèì: e = hn è p =

h . l

Îòñþäà äëèíà âîëíû äå Áðîéëÿ — l=

h . p

Òàêèì îáðàçîì, ñîîòíîøåíèÿ Ýéíøòåéíà, ïîëó÷åííûå èì ïðè ïîñòðîåíèè òåîðèè ôîòîíîâ â ðåçóëüòàòå ãèïîòåçû, âûäâèíóòîé äå Áðîéëåì, ïðèîáðåëè óíèâåðñàëüíûé õàðàêòåð è ñòàëè îäèíàêîâî ïðèìåíèìûìè êàê äëÿ àíàëèçà êîðïóñêóëÿðíûõ ñâîéñòâ ñâåòà, òàê è ïðè èññëåäîâàíèè âîëíîâûõ ñâîéñòâ âñåõ ìèêðî÷àñòèö.

2.5. Îïûòû Ðåçåðôîðäà. Ìîäåëü àòîìà Ðåçåðôîðäà À. Îïûòû Ðåçåðôîðäà Â 1911 ã. Ðåçåðôîðä ïðîâåë èñêëþ÷èòåëüíûå ïî ñâîåìó çíà÷åíèþ ýêñïåðèìåíòû, äîêàçàâøèå ñóùåñòâîâàíèå ÿäðà àòîìà. Äëÿ èññëåäîâàíèÿ àòîìà Ðåçåðôîðä ïðèìåíèë åãî çîíäèðîâàíèå (áîìáàðäèðîâêó) ñ ïîìîùüþ a-÷àñòèö, êîòîðûå âîçíèêàþò ïðè ðàñïàäå ðàäèÿ, ïîëîíèÿ è íåêîòîðûõ äðóãèõ ýëåìåíòîâ. Ðåçåðôîðäîì è åãî ñîòðóäíèêàìè åùå â áîëåå ðàííèõ îïûòàõ â 1909 ã. áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî a-÷àñòèöû îáëàäàþò ïîëîæèòåëüíûì çàðÿäîì, ðàâíûì ïî ìîäóëþ óäâîåííîìó çàðÿäó ýëåêòðîíà q =+2e, è ìàññîé, ñîâïàäàþùåé c ìàññîé àòîìà ãåëèÿ, òî åñòü ma = 6,62 × 10–27 êã,

46 Ãëàâà 2. Ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ î ìàòåðèè ÷òî ïðèìåðíî â 7300 ðàç áîëüøå ìàññû ýëåêòðîíà. Ïîçæå áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî a-÷àñòèöû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ÿäðà àòîìîâ ãåëèÿ. Ýòèìè ÷àñòèöàìè Ðåçåðôîðä áîìáàðäèðîâàë àòîìû òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ. Ýëåêòðîíû âñëåäñòâèå ñâîåé ìàëîé ìàññû íå ìîãóò èçìåíèòü òðàåêòîðèþ a-÷àñòèöû. Èõ ðàññåÿíèå (èçìåíåíèå íàïðàâëåíèÿ äâèæåíèÿ) ìîæåò âûçâàòü òîëüêî ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííàÿ ÷àñòü àòîìà. Òàêèì îáðàçîì, ïî ðàññåÿíèþ a-÷àñòèö ìîæíî îïðåäåëèòü õàðàêòåð ðàñïðåäåëåíèÿ ïîëîæèòåëüíîãî çàðÿäà, à çíà÷èò, è ìàññû âíóòðè àòîìà. Áûëî èçâåñòíî, ÷òî a-÷àñòèöû, èçëó÷åííûå ïîëîíèåì, ëåòÿò ñî ñêîðîñòüþ 1,6–107 ì/ñ. Ïîëîíèé ïîìåùàëñÿ âíóòðü ñâèíöîâîãî ôóòëÿðà, âäîëü êîòîðîãî âûñâåðëåí óçêèé êàíàë. Ïó÷îê a-÷àñòèö, ïðîéäÿ êàíàë è äèàôðàãìó, ïàäàë íà ôîëüãó. Çîëîòóþ ôîëüãó ìîæíî ñäåëàòü èñêëþ÷èòåëüíî òîíêîé — òîëùèíîé 4–10–7 ì (â 400 àòîìîâ çîëîòà; ýòî ÷èñëî ìîæíî îöåíèòü, çíàÿ ìàññó, ïëîòíîñòü è ìîëÿðíóþ ìàññó çîëîòà). Ïîñëå ôîëüãè a-÷àñòèöû ïîïàäàëè íà ïîëóïðîçðà÷íûé ýêðàí, ïîêðûòûé ñóëüôèäîì öèíêà. Ñòîëêíîâåíèå êàæäîé ÷àñòèöû ñ ýêðàíîì ñîïðîâîæäàëîñü âñïûøêîé ñâåòà (ñöèíòèëëÿöèåé), îáóñëîâëåííîé ôëóðåñöåíöèåé, êîòîðàÿ íàáëþäàëàñü â ìèêðîñêîï. Ïðè õîðîøåì âàêóóìå âíóòðè ïðèáîðà (÷òîáû íå áûëî ðàññåÿíèÿ ÷àñòèö îò ìîëåêóë âîçäóõà) â îòñóòñòâèå ôîëüãè íà ýêðàíå âîçíèêàë ñâåòëûé êðóæîê èç ñöèíòèëëÿöèé, âûçûâàåìûõ òîíêèì ïó÷êîì a-÷àñòèö. Êîãäà íà ïóòè ïó÷êà ïîìåùàëàñü ôîëüãà, òî ïîäàâëÿþùåå áîëüøèíñòâî a-÷àñòèö âñå ðàâíî íå îòêëîíÿëîñü îò ñâîåãî ïåðâîíà÷àëüíîãî íàïðàâëåíèÿ, òî åñòü ïðîõîäèëî ñêâîçü ôîëüãó, êàê åñëè áû îíà ïðåäñòàâëÿëà ñîáîé ïóñòîå ïðîñòðàíñòâî. Îäíàêî èìåëèñü a-÷àñòèöû, êîòîðûå èçìåíÿëè ñâîé ïóòü è äàæå îòñêàêèâàëè íàçàä. Ìàðñäåí è Ãåéãåð, ó÷åíèêè è ñîòðóäíèêè Ðåçåðôîðäà, íàñ÷èòàëè áîëåå ìèëëèîíà ñöèíòèëëÿöèé è îïðåäåëèëè, ÷òî ïðèìåðíî îäíà èç 2 òûñÿ÷ a-÷àñòèö îòêëîíÿëàñü íà óãëû, áîëüøèå 90°, à îäíà èç 8 òûñÿ÷ — íà 180°. Îáúÿñíèòü ýòîò ðåçóëüòàò íà îñíîâå äðóãèõ ìîäåëåé àòîìà, â ÷àñòíîñòè Òîìñîíà, áûëî íåëüçÿ. Ðàñ÷åòû ïîêàçûâàþò, ÷òî ïðè ðàñïðåäåëåíèè ïî âñåìó àòîìó ïîëîæèòåëüíûé çàðÿä (äàæå áåç ó÷åòà ýëåêòðîíîâ) íå ìîæåò ñîçäàòü äîñòàòî÷íî èíòåíñèâíîå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå, ñïîñîáíîå îòáðîñèòü a-÷àñòèöó íàçàä. Íàïðÿæåííîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ ðàâíîìåðíî çàðÿæåííîãî øàðà ìàêñèìàëüíà íà ïîâåðõíîñòè øàðà è óáûâàåò äî íóëÿ ïî ìåðå ïðèáëèæåíèÿ ê öåíòðó. Ðàññåÿíèå a-÷àñòèö íà áîëüøèå óãëû ïðîèñõîäèò òàê, êàê åñëè áû âåñü ïîëîæèòåëüíûé çàðÿä àòîìà áûë ñîñðåäîòî÷åí â åãî ÿäðå — îáëàñòè, çàíèìàþùåé âåñüìà ìàëûé îáúåì ïî ñðàâíåíèþ ñî âñåì îáúåìîì àòîìà.

2.5. Îïûòû Ðåçåðôîðäà. Ìîäåëü àòîìà Ðåçåðôîðäà

47

Âåðîÿòíîñòü ïîïàäàíèÿ a-÷àñòèö â ÿäðî è èõ îòêëîíåíèå íà áîëüøèå óãëû î÷åíü ìàëà, ïîýòîìó äëÿ áîëüøèíñòâà a-÷àñòèö ôîëüãè êàê áû íå ñóùåñòâîâàëî. Ðåçåðôîðä òåîðåòè÷åñêè ðàññìîòðåë çàäà÷ó î ðàññåÿíèè a-÷àñòèö â êóëîíîâñêîì ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå ÿäðà è ïîëó÷èë ôîðìóëó, ïîçâîëÿþùóþ ïî ïëîòíîñòè ïîòîêà a-÷àñòèö, íàëåòàþùèõ íà ÿäðî, è èçìåðåííîìó ÷èñëó ÷àñòèö, ðàññåÿííûõ ïîä íåêîòîðûì óãëîì, îïðåäåëèòü ÷èñëî N ýëåìåíòàðíûõ ïîëîæèòåëüíûõ çàðÿäîâ +å, ñîäåðæàùèõñÿ â ÿäðå àòîìîâ äàííîé ðàññåèâàþùåé ôîëüãè. Îïûòû ïîêàçàëè, ÷òî ÷èñëî N ðàâíî ïîðÿäêîâîìó íîìåðó ýëåìåíòà â ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìå Ä. È. Ìåíäåëååâà, òî åñòü N = Z (äëÿ çîëîòà Z = 79). Òàêèì îáðàçîì, ãèïîòåçà Ðåçåðôîðäà î ñîñðåäîòî÷åíèè ïîëîæèòåëüíîãî çàðÿäà â ÿäðå àòîìà ïîçâîëèëà óñòàíîâèòü ôèçè÷åñêèé ñìûñë ïîðÿäêîâîãî íîìåðà ýëåìåíòà â ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìå ýëåìåíòîâ. Â íåéòðàëüíîì àòîìå äîëæíî ñîäåðæàòüñÿ òàêæå Z ýëåêòðîíîâ. Ñóùåñòâåííî, ÷òî ÷èñëî ýëåêòðîíîâ â àòîìå, îïðåäåëåííîå ðàçëè÷íûìè ìåòîäàìè, ñîâïàëî ñ ÷èñëîì ýëåìåíòàðíûõ ïîëîæèòåëüíûõ çàðÿäîâ â ÿäðå. Ýòî ïîñëóæèëî ïðîâåðêîé ñïðàâåäëèâîñòè ÿäåðíîé ìîäåëè àòîìà.

Á. ßäåðíàÿ ìîäåëü àòîìà Ðåçåðôîðäà Îáîáùàÿ ðåçóëüòàòû îïûòîâ ïî ðàññåÿíèþ a-÷àñòèö çîëîòîé ôîëüãîé, Ðåçåðôîðä óñòàíîâèë: àòîìû ïî ñâîåé ïðèðîäå â çíà÷èòåëüíîé ìåðå ïðîçðà÷íû äëÿ a-÷àñòèö; u îòêëîíåíèÿ a-÷àñòèö íà áîëüøèå óãëû âîçìîæíû òîëüêî â òîì ñëó÷àå, åñëè âíóòðè àòîìà èìååòñÿ î÷åíü ñèëüíîå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå, ñîçäàâàåìîå ïîëîæèòåëüíûì çàðÿäîì, ñâÿçàííûì ñ áîëüøîé è ñêîíöåíòðèðîâàííîé â î÷åíü ìàëîì îáúåìå ìàññîé. Äëÿ îáúÿñíåíèÿ ýòèõ îïûòîâ Ðåçåðôîðä ïðåäëîæèë ÿäåðíóþ ìîäåëü àòîìà: â ÿäðå àòîìà (îáëàñòè ñ ëèíåéíûìè ðàçìåðàìè 10–15–10–14 ì) ñîñðåäîòî÷åíû âåñü åãî ïîëîæèòåëüíûé çàðÿä è ïðàêòè÷åñêè âñÿ ìàññà àòîìà (99,9%). Âîêðóã ÿäðà â îáëàñòè ñ ëèíåéíûìè ðàçìåðàìè ~10–10 ì (ðàçìåðû àòîìà îöåíåíû â ìîëåêóëÿðíî-êèíåòè÷åñêîé òåîðèè) äâèæóòñÿ ïî çàìêíóòûì îðáèòàì îòðèöàòåëüíî çàðÿæåííûå ýëåêòðîíû, ìàññà êîòîðûõ ñîñòàâëÿåò ëèøü 0,1% ìàññû ÿäðà. Ñëåäîâàòåëüíî, ýëåêòðîíû íàõîäÿòñÿ îò ÿäðà íà ðàññòîÿíèè îò 10 000 äî 100 000 ïîïåðå÷íèêîâ ÿäðà, òî åñòü îñíîâíóþ ÷àñòü àòîìà ñîñòàâëÿåò ïóñòîå ïðîñòðàíñòâî. ßäåðíàÿ ìîäåëü àòîìîâ Ðåçåðôîðäà íàïîìèíàåò ñîëíå÷íóþ ñèñòåìó: â öåíòðå ñèñòåìû íàõîäèòñÿ «ñîëíöå» — ÿäðî, à âîêðóã íåãî ïî u

48 Ãëàâà 2. Ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ î ìàòåðèè îðáèòàì äâèæóòñÿ «ïëàíåòû» — ýëåêòðîíû, ïîýòîìó äàííóþ ìîäåëü íàçûâàþò ïëàíåòàðíîé. Ýëåêòðîíû íå ïàäàþò íà ÿäðî ïîòîìó, ÷òî ýëåêòðè÷åñêèå ñèëû ïðèòÿæåíèÿ ìåæäó ÿäðîì è ýëåêòðîíàìè óðàâíîâåøèâàþòñÿ öåíòðîáåæíûìè ñèëàìè, îáóñëîâëåííûìè âðàùåíèåì ýëåêòðîíîâ âîêðóã ÿäðà. Â 1914 ã., ÷åðåç òðè ãîäà ïîñëå ñîçäàíèÿ ïëàíåòàðíîé ìîäåëè àòîìà, Ðåçåðôîðä èññëåäîâàë ïîëîæèòåëüíûå çàðÿäû â ÿäðå. Áîìáàðäèðóÿ ýëåêòðîíàìè àòîìû âîäîðîäà, îí îáíàðóæèë, ÷òî íåéòðàëüíûå àòîìû ïðåâðàòèëèñü â ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííûå ÷àñòèöû. Òàê êàê àòîì âîäîðîäà èìååò îäèí ýëåêòðîí, Ðåçåðôîðä ðåøèë, ÷òî ÿäðî àòîìà ÿâëÿåòñÿ ÷àñòèöåé, íåñóùåé ýëåìåíòàðíûé ïîëîæèòåëüíûé çàðÿä +å. Ýòó ÷àñòèöó îí íàçâàë ïðîòîíîì. Ïëàíåòàðíàÿ ìîäåëü õîðîøî ñîãëàñóåòñÿ ñ îïûòàìè ïî ðàññåèâàíèþ a-÷àñòèö, íî îíà íå ìîæåò îáúÿñíèòü óñòîé÷èâîñòü àòîìà. Ðàññìîòðèì, íàïðèìåð, ìîäåëü àòîìà âîäîðîäà, ñîäåðæàùåãî ÿäðî-ïðîòîí è îäèí ýëåêòðîí, êîòîðûé äâèæåòñÿ ñî ñêîðîñòüþ v âîêðóã ÿäðà ïî êðóãîâîé îðáèòå ðàäèóñà r. Ýëåêòðîí äîëæåí ïî ñïèðàëè ïàäàòü íà ÿäðî, è ÷àñòîòà åãî îáðàùåíèÿ âîêðóã ÿäðà (ñëåäîâàòåëüíî, è ÷àñòîòà èçëó÷àåìûõ èì ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí) äîëæíà íåïðåðûâíî èçìåíÿòüñÿ, òî åñòü àòîì íåóñòîé÷èâ, è åãî ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå äîëæíî èìåòü íåïðåðûâíûé ñïåêòð. Â äåéñòâèòåëüíîñòè îêàçûâàåòñÿ, ÷òî: à) àòîì óñòîé÷èâ; á) àòîì èçëó÷àåò ýíåðãèþ ëèøü ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ; â) èçëó÷åíèå àòîìà èìååò ëèíåé÷àòûé ñïåêòð, îïðåäåëÿåìûé åãî ñòðîåíèåì. Òàêèì îáðàçîì, ïðèìåíåíèå êëàññè÷åñêîé ýëåêòðîäèíàìèêè ê ïëàíåòàðíîé ìîäåëè àòîìà ïðèâåëî ê ïîëíîìó ïðîòèâîðå÷èþ ñ ýêñïåðèìåíòàëüíûìè ôàêòàìè. Ïðåîäîëåíèå âîçíèêøèõ òðóäíîñòåé ïîòðåáîâàëî ñîçäàíèÿ êà÷åñòâåííî íîâîé — êâàíòîâîé — òåîðèè àòîìà. Îäíàêî, íåñìîòðÿ íà ñâîþ íåñîñòîÿòåëüíîñòü, ïëàíåòàðíàÿ ìîäåëü è ñåé÷àñ ïðèíÿòà â êà÷åñòâå ïðèáëèæåííîé è óïðîùåííîé êàðòèíû àòîìà.

2.6. Òåîðèÿ Áîðà äëÿ àòîìà âîäîðîäà. Ïîñòóëàòû Áîðà Äàòñêèé ôèçèê Íèëüñ Áîð (1885–1962) â 1913 ã. ñîçäàë ïåðâóþ êâàíòîâóþ òåîðèþ àòîìà, ñâÿçàâ â åäèíîå öåëîå ýìïèðè÷åñêèå çàêîíîìåð-

2.7. Àòîì âîäîðîäà â êâàíòîâîé ìåõàíèêå

49

íîñòè ëèíåé÷àòûõ ñïåêòðîâ âîäîðîäà, ÿäåðíóþ ìîäåëü àòîìà Ðåçåðôîðäà è êâàíòîâûé õàðàêòåð èçëó÷åíèÿ è ïîãëîùåíèÿ ñâåòà. Â îñíîâó ñâîåé òåîðèè Áîð ïîëîæèë òðè ïîñòóëàòà, ïî ïîâîäó êîòîðûõ àìåðèêàíñêèé ôèçèê Ë. Êóïåð çàìåòèë: «Êîíå÷íî, áûëî íåñêîëüêî ñàìîíàäåÿííî âûäâèãàòü ïðåäëîæåíèÿ, ïðîòèâîðå÷àùèå ýëåêòðîäèíàìèêå Ìàêñâåëëà è ìåõàíèêå Íüþòîíà, íî Áîð áûë ìîëîä». Ïåðâûé ïîñòóëàò (ïîñòóëàò ñòàöèîíàðíûõ ñîñòîÿíèé): â àòîìå ýëåêòðîíû ìîãóò äâèãàòüñÿ òîëüêî ïî îïðåäåëåííûì, òàê íàçûâàåìûì ðàçðåøåííûì, èëè ñòàöèîíàðíûì, êðóãîâûì îðáèòàì, íà êîòîðûõ îíè, íåñìîòðÿ íà íàëè÷èå ó íèõ óñêîðåíèÿ, íå èçëó÷àþò ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí (ïîýòîìó ýòè îðáèòû íàçâàíû ñòàöèîíàðíûìè). Ýëåêòðîí íà êàæäîé ñòàöèîíàðíîé îðáèòå îáëàäàåò îïðåäåëåííîé ýíåðãèåé En. Âòîðîé ïîñòóëàò (ïðàâèëî ÷àñòîò): àòîì èçëó÷àåò èëè ïîãëîùàåò êâàíò ýëåêòðîìàãíèòíîé ýíåðãèè ïðè ïåðåõîäå ýëåêòðîíà ñ îäíîé ñòàöèîíàðíîé îðáèòû íà äðóãóþ: hn = E1 – E2 , ãäå E1 è E2 — ýíåðãèÿ ýëåêòðîíà ñîîòâåòñòâåííî äî è ïîñëå ïåðåõîäà. Ïðè E1 > E2 ïðîèñõîäèò èçëó÷åíèå êâàíòà (ïåðåõîä àòîìà èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ ñ áîëüøåé ýíåðãèåé â ñîñòîÿíèå ñ ìåíüøåé ýíåðãèåé, òî åñòü ïåðåõîä ýëåêòðîíà ñ ëþáîé äàëüíåé íà ëþáóþ áëèæíþþ îò ÿäðà îðáèòó); ïðè E1 < E2 — ïîãëîùåíèå êâàíòà (ïåðåõîä àòîìà â ñîñòîÿíèå ñ áîëüøåé ýíåðãèåé, òî åñòü ïåðåõîä ýëåêòðîíà íà áîëåå óäàëåííóþ îò ÿäðà îðáèòó). Áóäó÷è óâåðåííûì, ÷òî ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà äîëæíà èãðàòü îñíîâíóþ ðîëü â òåîðèè àòîìà, Áîð ââåë òðåòèé ïîñòóëàò (ïðàâèëî êâàíòîâàíèÿ): íà ñòàöèîíàðíûõ îðáèòàõ ìîìåíò èìïóëüñà ýëåêòðîíà Ln = mevnrn êðàòåí âåëè÷èíå _ = h/(2p), òî åñòü mevnrn = nh, n = 1, 2, 3, ..., ãäå _ = 1,05 × 10–34 Äæ × ñ — ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà (âåëè÷èíà h/(2p)) âñòðå÷àåòñÿ ñòîëü ÷àñòî, ÷òî äëÿ íåå ââåäåíî ñïåöèàëüíîå îáîçíà÷åíèå _ («àø» ñ ÷åðòîé; â äàííîé ðàáîòå «àø»— ïðÿìîå); me = 9,1 × 10–31 êã — ìàññà ýëåêòðîíà; rï — ðàäèóñ n-é ñòàöèîíàðíîé îðáèòû; vn — ñêîðîñòü ýëåêòðîíà íà ýòîé îðáèòå.

2.7. Àòîì âîäîðîäà â êâàíòîâîé ìåõàíèêå Óðàâíåíèåì äâèæåíèÿ ìèêðî÷àñòèöû â ðàçëè÷íûõ ñèëîâûõ ïîëÿõ ÿâëÿåòñÿ âîëíîâîå óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà.

50 Ãëàâà 2. Ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ î ìàòåðèè Äëÿ ñòàöèîíàðíûõ ñîñòîÿíèé óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà áóäåò òàêèì: Dj +

2m (E - U ) j = 0 , h2

¶2j ¶2j ¶2j ö æ ãäå D — îïåðàòîð Ëàïëàñà çç Dj = + + ÷ , m — ìàññà ÷àñòè¶ x 2 ¶ y 2 ¶ z 2 ÷ø è öû, h — ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà, E — ïîëíàÿ ýíåðãèÿ, U — ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ. Óðàâíåíèå Øðåäèíãåðà ÿâëÿåòñÿ äèôôåðåíöèàëüíûì óðàâíåíèåì âòîðîãî ïîðÿäêà è èìååò ðåøåíèå, êîòîðîå óêàçûâàåò íà òî, ÷òî â àòîìå âîäîðîäà ïîëíàÿ ýíåðãèÿ äîëæíà èìåòü äèñêðåòíûé õàðàêòåð: E1, E2, E3… Ýòà ýíåðãèÿ íàõîäèòñÿ íà ñîîòâåòñòâóþùèõ óðîâíÿõ n = 1, 2, 3, … ïî ôîðìóëå: En = -

me 4 (n = 1, 2, 3, …). 8e 20 h 2 n 2

Ñàìûé íèæíèé óðîâåíü E ñîîòâåòñòâóåò ìèíèìàëüíîé âîçìîæíîé ýíåðãèè. Ýòîò óðîâåíü íàçûâàþò îñíîâíûì, âñå îñòàëüíûå — âîçáóæäåííûìè. Ïî ìåðå ðîñòà ãëàâíîãî êâàíòîâîãî ÷èñëà n ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè ðàñïîëàãàþòñÿ òåñíåå, ïîëíàÿ ýíåðãèÿ óìåíüøàåòñÿ, è ïðè n = ¥ îíà ðàâíà íóëþ. Ïðè E >0 ýëåêòðîí ñòàíîâèòñÿ ñâîáîäíûì, íåñâÿçàííûì ñ êîíêðåòíûì ÿäðîì, à àòîì — èîíèçèðîâàííûì. Ïîëíîå îïèñàíèå ñîñòîÿíèÿ ýëåêòðîíà â àòîìå, ïîìèìî ýíåðãèè, ñâÿçàíî ñ ÷åòûðüìÿ õàðàêòåðèñòèêàìè, êîòîðûå íàçûâàþòñÿ êâàíòîâûìè ÷èñëàìè. Ê íèì îòíîñÿòñÿ: ãëàâíîå êâàíòîâîå ÷èñëî ï, îðáèòàëüíîå êâàíòîâîå ÷èñëî l, ìàãíèòíîå êâàíòîâîå ÷èñëî m1, ìàãíèòíîå ñïèíîâîå êâàíòîâîå ÷èñëî ms. Âîëíîâàÿ j-ôóíêöèÿ, îïèñûâàþùàÿ äâèæåíèå ýëåêòðîíà â àòîìå, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íå îäíîìåðíóþ, à ïðîñòðàíñòâåííóþ âîëíó, ñîîòâåòñòâóþùóþ òðåì ñòåïåíÿì ñâîáîäû ýëåêòðîíà â ïðîñòðàíñòâå, òî åñòü âîëíîâàÿ ôóíêöèÿ â ïðîñòðàíñòâå õàðàêòåðèçóåòñÿ òðåìÿ ñèñòåìàìè. Êàæäàÿ èç íèõ èìååò ñâîè êâàíòîâûå ÷èñëà: ï, l, ml. Êàæäîé ìèêðî÷àñòèöå, â òîì ÷èñëå è ýëåêòðîíó, òàêæå ñâîéñòâåííî ñîáñòâåííîå âíóòðåííåå ñëîæíîå äâèæåíèå. Ýòî äâèæåíèå ìîæåò õà-

2.7. Àòîì âîäîðîäà â êâàíòîâîé ìåõàíèêå

51

ðàêòåðèçîâàòüñÿ ÷åòâåðòûì êâàíòîâûì ÷èñëîì ms. Ïîãîâîðèì îá ýòîì ïîäðîáíåå. À. Ãëàâíîå êâàíòîâîå ÷èñëî ï, ñîãëàñíî ôîðìóëå, îïðåäåëÿåò ýíåðãåòè÷åñêèå óðîâíè ýëåêòðîíà â àòîìå è ìîæåò ïðèíèìàòü çíà÷åíèÿ ï = = 1, 2, 3... Á. Îðáèòàëüíîå êâàíòîâîå ÷èñëî l. Èç ðåøåíèÿ óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà ñëåäóåò, ÷òî ìîìåíò èìïóëüñà ýëåêòðîíà (åãî ìåõàíè÷åñêèé îðáèòàëüíûé ìîìåíò) êâàíòóåòñÿ, òî åñòü ïðèíèìàåò äèñêðåòíûå çíà÷åíèÿ, îïðåäåëÿåìûå ôîðìóëîé Ll = h l (l + 1), ãäå Ll — ìîìåíò èìïóëüñà ýëåêòðîíà íà îðáèòå, l — îðáèòàëüíîå êâàíòîâîå ÷èñëî, êîòîðîå ïðè çàäàííîì ï ïðèíèìàåò çíà÷åíèå l = 0, 1, 2... (n — 1) è îïðåäåëÿåò ìîìåíò èìïóëüñà ýëåêòðîíà â àòîìå. Â. Ìàãíèòíîå êâàíòîâîå ÷èñëî ml. Èç ðåøåíèÿ óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà ñëåäóåò òàêæå, ÷òî âåêòîð Ll (ìîìåíò èìïóëüñà ýëåêòðîíà) îðèåíòèðóåòñÿ â ïðîñòðàíñòâå ïîä âëèÿíèåì âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Ïðè ýòîì âåêòîð ðàçâåðíåòñÿ òàê, ÷òî åãî ïðîåêöèÿ íà íàïðàâëåíèå âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ áóäåò Ll z = hml ãäå ml íàçûâàåòñÿ ìàãíèòíûì êâàíòîâûì ÷èñëîì, êîòîðîå ìîæåò ïðèíèìàòü çíà÷åíèÿ mi = 0, ±1, ±2, ..., ±1, òî åñòü âñåãî (2l + 1) çíà÷åíèé. Ó÷èòûâàÿ ñêàçàííîå, ìîæíî ñäåëàòü çàêëþ÷åíèå î òîì, ÷òî àòîì âîäîðîäà ìîæåò èìåòü îäíî è òî æå çíà÷åíèå ýíåðãèè, íàõîäÿñü â íåñêîëüêèõ ðàçëè÷íûõ ñîñòîÿíèÿõ (n — îäíî è òî æå, à l è ml — ðàçíûå). Ïðè äâèæåíèè ýëåêòðîíà â àòîìå ýëåêòðîí çàìåòíî ïðîÿâëÿåò âîëíîâûå ñâîéñòâà. Ïîýòîìó êâàíòîâàÿ ýëåêòðîíèêà âîîáùå îòêàçûâàåòñÿ îò êëàññè÷åñêèõ ïðåäñòàâëåíèé îá ýëåêòðîííûõ îðáèòàõ. Ðå÷ü èäåò îá îïðåäåëåíèè âåðîÿòíîãî ìåñòà íàõîæäåíèÿ ýëåêòðîíà íà îðáèòå, òî åñòü ìåñòîíàõîæäåíèå ýëåêòðîíà ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåíî óñëîâíûì «îáëàêîì». Ýëåêòðîí ïðè ñâîåì äâèæåíèè êàê áû «ðàçìàçàí» ïî âñåìó îáúåìó ýòîãî «îáëàêà». Êâàíòîâûå ÷èñëà n è l õàðàêòåðèçóþò ðàçìåð è ôîðìó ýëåêòðîííîãî «îáëàêà», à êâàíòîâîå ÷èñëî òl — îðèåíòàöèþ ýòîãî «îáëàêà» â ïðîñòðàíñòâå. Â 1925 ã. àìåðèêàíñêèå ôèçèêè Óëåíáåê è Ãàóäñìèò äîêàçàëè, ÷òî ýëåêòðîí òàêæå îáëàäàåò ñîáñòâåííûì ìîìåíòîì èìïóëüñà (ñïèíîì), õîòÿ ìû íå ñ÷èòàåì ýëåêòðîí ñëîæíîé ìèêðî÷àñòèöåé. Ïîçäíåå âûÿñ-

52 Ãëàâà 2. Ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ î ìàòåðèè íèëîñü, ÷òî ñïèíîì îáëàäàþò ïðîòîíû, íåéòðîíû, ôîòîíû è äðóãèå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû Îïûòû Øòåðíà, Ãåðëàõà è äðóãèõ ôèçèêîâ ïðèâåëè ê íåîáõîäèìîñòè õàðàêòåðèçîâàòü ýëåêòðîí (è ìèêðî÷àñòèöû âîîáùå) äîáàâî÷íîé âíóòðåííåé ñòåïåíüþ ñâîáîäû. Îòñþäà äëÿ ïîëíîãî îïèñàíèÿ ñîñòîÿíèÿ ýëåêòðîíà â àòîìå íåîáõîäèìî çàäàâàòü ÷åòûðå êâàíòîâûõ ÷èñëà: ãëàâíîå — ï, îðáèòàëüíîå — l, ìàãíèòíîå — ml, ìàãíèòíîå ñïèíîâîå ÷èñëî — ms. Â êâàíòîâîé ôèçèêå óñòàíîâëåíî, ÷òî òàê íàçûâàåìàÿ ñèììåòðèÿ èëè àñèììåòðèÿ âîëíîâûõ ôóíêöèé îïðåäåëÿåòñÿ ñïèíîì ÷àñòèöû. Â çàâèñèìîñòè îò õàðàêòåðà ñèììåòðèè ÷àñòèö âñå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû è ïîñòðîåííûå èç íèõ àòîìû è ìîëåêóëû äåëÿòñÿ íà äâà êëàññà. ×àñòèöû ñ ïîëóöåëûì ñïèíîì (íàïðèìåð, ýëåêòðîíû, ïðîòîíû, íåéòðîíû) îïèñûâàþòñÿ àñèììåòðè÷íûìè âîëíîâûìè ôóíêöèÿìè è ïîä÷èíÿþòñÿ ñòàòèñòèêå Ôåðìè—Äèðàêà. Ýòè ÷àñòèöû íàçûâàþòñÿ ôåðìèîíàìè. ×àñòèöû ñ öåëî÷èñëåííûì ñïèíîì, â òîì ÷èñëå è ñ íóëåâûì, òàêèå êàê ôîòîí (Ls = 1) èëè ë-ìåçîí (Ls = 0), îïèñûâàþòñÿ ñèììåòðè÷íûìè âîëíîâûìè ôóíêöèÿìè è ïîä÷èíÿþòñÿ ñòàòèñòèêå Áîçå— Ýéíøòåéíà. Ýòè ÷àñòèöû íàçûâàþòñÿ áîçîíàìè. Ñëîæíûå ÷àñòèöû (íàïðèìåð, àòîìíûå ÿäðà), ñîñòàâëåííûå èç íå÷åòíîãî ÷èñëà ôåðìèîíîâ, òàêæå ÿâëÿþòñÿ ôåðìèîíàìè (ñóììàðíûé ñïèí — ïîëóöåëûé), à ñîñòàâëåííûå èç ÷åòíîãî — áîçîíàìè (ñóììàðíûé ñïèí — öåëî÷èñëåííûé).

2.8. Ìíîãîýëåêòðîííûé àòîì. Ïðèíöèï Ïàóëè

Â ìíîãîýëåêòðîííîì àòîìå, çàðÿä êîòîðîãî ðàâåí Ze, ýëåêòðîíû áóäóò çàíèìàòü ðàçëè÷íûå «îðáèòû» (îáîëî÷êè). Ïðè äâèæåíèè âîêðóã ÿäðà Z-ýëåêòðîíû ðàñïîëàãàþòñÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêèì çàêîíîì, êîòîðûé íàçûâàåòñÿ ïðèíöèïîì Ïàóëè (1925 ã.). Îí ôîðìóëèðóåòñÿ òàê:

} 1. Â ëþáîì àòîìå íå ìîæåò áûòü äâóõ îäèíàêîâûõ ýëåêòðîíîâ, îïðåäåëÿåìûõ íàáîðîì ÷åòûðåõ êâàíòîâûõ ÷èñåë: ãëàâíîãî n, îðáèòàëüíîãî l, ìàãíèòíîãî m è ìàãíèòíîãî ñïèíîâîãî m s .

} 2. Â ñîñòîÿíèÿõ ñ îïðåäåëåííûì çíà÷åíèåì ìîãóò íàõîäèòüñÿ â àòîìå íå áîëåå 2n 2 ýëåêòðîíîâ.

2.9. Êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêîå îáîñíîâàíèå Ïåðèîäè÷åñêîãî çàêîíà

53

Çíà÷èò, íà ïåðâîé îáîëî÷êå («îðáèòå») ìîãóò íàõîäèòüñÿ òîëüêî 2 ýëåêòðîíà, íà âòîðîé — 8, íà òðåòüåé — 18 è ò. ä. Òàêèì îáðàçîì, ñîâîêóïíîñòü ýëåêòðîíîâ â ìíîãîýëåêòðîííîì àòîìå, èìåþùèõ îäíî è òî æå ãëàâíîå êâàíòîâîå ÷èñëî n, íàçûâàþò ýëåêòðîííîé îáîëî÷êîé. Â êàæäîé èç îáîëî÷åê ýëåêòðîíû ðàñïîëàãàþòñÿ ïî ïîäîáîëî÷êàì, êîòîðûå ñîîòâåòñòâóþò îïðåäåëåííîìó çíà÷åíèþ l. Òàê êàê îðáèòàëüíîå êâàíòîâîå ÷èñëî l ïðèíèìàåò çíà÷åíèÿ îò 0 äî (ï – 1), ÷èñëî ïîäîáîëî÷åê ðàâíî ïîðÿäêîâîìó íîìåðó îáîëî÷êè ï. Êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ â ïîäîáîëî÷êå îïðåäåëÿåòñÿ ìàãíèòíûì êâàíòîâûì ÷èñëîì ml è ìàãíèòíûì ñïèíîâûì ÷èñëîì ms. Ïðèíöèï Ïàóëè ñûãðàë âûäàþùóþñÿ ðîëü â ðàçâèòèè ñîâðåìåííîé ôèçèêè. Òàê, íàïðèìåð, óäàëîñü òåîðåòè÷åñêè îáîñíîâàòü ïåðèîäè÷åñêóþ ñèñòåìó ýëåìåíòîâ Ìåíäåëååâà. Áåç ïðèíöèïà Ïàóëè íåâîçìîæíî áûëî áû ñîçäàòü êâàíòîâûå ñòàòèñòèêè è ñîâðåìåííóþ òåîðèþ òâåðäûõ òåë.

2.9. Êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêîå îáîñíîâàíèå Ïåðèîäè÷åñêîãî çàêîíà Ä. È. Ìåíäåëååâà Â 1869 ã. Ä. È. Ìåíäåëååâ îòêðûë ïåðèîäè÷åñêèé çàêîí èçìåíåíèÿ õèìè÷åñêèõ è ôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ ýëåìåíòîâ â çàâèñèìîñòè îò èõ àòîìíûõ ìàññ. Ä. È. Ìåíäåëååâ ââåë ïîíÿòèå ïîðÿäêîâîãî íîìåðà Z-ýëåìåíòà è, ðàñïîëîæèâ õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû â ïîðÿäêå âîçðàñòàíèÿ èõ íîìåðà, ïîëó÷èë ïîëíóþ ïåðèîäè÷íîñòü â èçìåíåíèè õèìè÷åñêèõ ñâîéñòâ ýëåìåíòîâ. Ôèçè÷åñêèé ñìûñë ïîðÿäêîâîãî íîìåðà Z-ýëåìåíòà â ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìå áûë óñòàíîâëåí â ÿäåðíîé ìîäåëè àòîìà Ðåçåðôîðäà: Z ñîâïàäàåò ñ ÷èñëîì ïîëîæèòåëüíûõ ýëåìåíòàðíûõ çàðÿäîâ â ÿäðå (ïðîòîíîâ) è, ñîîòâåòñòâåííî, ñ ÷èñëîì ýëåêòðîíîâ â îáîëî÷êàõ àòîìîâ. Ïðèíöèï Ïàóëè äàåò îáúÿñíåíèå Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû Ä. È. Ìåíäåëååâà. Íà÷íåì ñ àòîìà âîäîðîäà, èìåþùåãî îäèí ýëåêòðîí è îäèí ïðîòîí. Êàæäûé ïîñëåäóþùèé àòîì áóäåì ïîëó÷àòü, óâåëè÷èâàÿ çàðÿä ÿäðà ïðåäûäóùåãî àòîìà íà åäèíèöó (îäèí ïðîòîí) è äîáàâëÿÿ îäèí ýëåêòðîí, êîòîðûé ìû áóäåì ïîìåùàòü â äîñòóïíîå åìó, ñîãëàñíî ïðèíöèïó Ïàóëè, ñîñòîÿíèå. Ó àòîìà âîäîðîäà Z = 1 íà îáîëî÷êå 1 ýëåêòðîí. Ýòîò ýëåêòðîí íàõîäèòñÿ íà ïåðâîé îáîëî÷êå (K-îáîëî÷êà) è èìååò ñîñòîÿíèå 1S, òî åñòü ó íåãî n = 1, à l = 0 (S-ñîñòîÿíèå), m = 0, ms = ±l/2 (îðèåíòàöèÿ åãî ñïèíà ïðîèçâîëüíà).

54 Ãëàâà 2. Ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ î ìàòåðèè Ó àòîìà ãåëèÿ (Íå) Z = 2, íà îáîëî÷êå 2 ýëåêòðîíà, îáà îíè ðàñïîëàãàþòñÿ íà ïåðâîé îáîëî÷êå è èìåþò ñîñòîÿíèå 1S, íî ñ àíòèïàðàëëåëüíîé îðèåíòàöèåé ñïèíîâ. Íà àòîìå ãåëèÿ çàêàí÷èâàåòñÿ çàïîëíåíèå ïåðâîé îáîëî÷êè (K-îáîëî÷êè), ÷òî ñîîòâåòñòâóåò çàâåðøåíèþ I ïåðèîäà Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû ýëåìåíòîâ Ä. È. Ìåíäåëååâà. Ïî ïðèíöèïó Ïàóëè, íà ïåðâîé îáîëî÷êå áîëüøå 2 ýëåêòðîíîâ ðàçìåñòèòü íåëüçÿ. Ó àòîìà ëèòèÿ (Li) Z = 3, íà îáîëî÷êàõ 3 ýëåêòðîíà: 2 — íà ïåðâîé îáîëî÷êå (K-îáîëî÷êå) è 1 — íà âòîðîé (L-îáîëî÷êå). Íà ïåðâîé îáîëî÷êå ýëåêòðîíû â ñîñòîÿíèè 1S, à íà âòîðîé — 2S. Ëèòèåì íà÷èíàåòñÿ II ïåðèîä òàáëèöû. Ó àòîìà áåðèëëèÿ (Be) Z = 4, íà îáîëî÷êàõ 4 ýëåêòðîíà: 2 íà ïåðâîé îáîëî÷êå â ñîñòîÿíèè IS è 2 íà âòîðîé â ñîñòîÿíèè 2S. Ó ñëåäóþùèõ øåñòè ýëåìåíòîâ — îò Â (Z = 5) äî Ne (Z = 10) — èäåò çàïîëíåíèå âòîðîé îáîëî÷êè, ïðè ýòîì ýëåêòðîíû íàõîäÿòñÿ êàê â ñîñòîÿíèè 2S, òàê è â ñîñòîÿíèè 2ð (ó âòîðîé îáîëî÷êè îáðàçóåòñÿ 2 ïîäîáîëî÷êè). Ó àòîìà íàòðèÿ (Na) Z = 11. Ó íåãî ïåðâàÿ è âòîðàÿ îáîëî÷êè, ñîãëàñíî ïðèíöèïó Ïàóëè, ïîëíîñòüþ çàïîëíåíû (2 ýëåêòðîíà íà ïåðâîé è 8 ýëåêòðîíîâ íà âòîðîé îáîëî÷êàõ). Ïîýòîìó îäèííàäöàòûé ýëåêòðîí ðàñïîëàãàåòñÿ íà òðåòüåé îáîëî÷êå (M-îáîëî÷êå), çàíèìàÿ íàèíèçøåå ñîñòîÿíèå 3S. Íàòðèåì îòêðûâàåòñÿ III ïåðèîä Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû Ä. È. Ìåíäåëååâà. Ðàññóæäàÿ ïîäîáíûì îáðàçîì, ìîæíî ïîñòðîèòü âñþ òàáëèöó. Òàêèì îáðàçîì, ïåðèîäè÷íîñòü â õèìè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ ýëåìåíòîâ îáúÿñíÿåòñÿ ïîâòîðÿåìîñòüþ â ñòðóêòóðå âíåøíèõ îáîëî÷åê ó àòîìîâ ðîäñòâåííûõ ýëåìåíòîâ. Òàê, èíåðòíûå ãàçû èìåþò îäèíàêîâûå âíåøíèå îáîëî÷êè èç 8 ýëåêòðîíîâ.

2.10. Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ ÿäåðíîé ôèçèêè ßäðà âñåõ àòîìîâ ìîæíî ðàçäåëèòü íà äâà áîëüøèõ êëàññà: ñòàáèëüíûå è ðàäèîàêòèâíûå. Ïîñëåäíèå ñàìîïðîèçâîëüíî ðàñïàäàþòñÿ, ïðåâðàùàÿñü â ÿäðà äðóãèõ ýëåìåíòîâ. ßäåðíûå ïðåîáðàçîâàíèÿ ìîãóò ïðîèñõîäèòü è ñî ñòàáèëüíûìè ÿäðàìè ïðè èõ âçàèìîäåéñòâèè äðóã ñ äðóãîì è ñ ðàçëè÷íûìè ìèêðî÷àñòèöàìè. Ëþáîå ÿäðî çàðÿæåíî ïîëîæèòåëüíî, è âåëè÷èíà çàðÿäà îïðåäåëÿåòñÿ êîëè÷åñòâîì ïðîòîíîâ â ÿäðå Z (çàðÿäîâîå ÷èñëî). Êîëè÷åñòâî

2.10. Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ ÿäåðíîé ôèçèêè

55

ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ â ÿäðå îïðåäåëÿåò ìàññîâîå ÷èñëî ÿäðà A. Ñèìâîëè÷åñêè ÿäðî çàïèñûâàåòñÿ òàê: A Z

X,

ãäå X — ñèìâîë õèìè÷åñêîãî ýëåìåíòà. ßäðà ñ îäèíàêîâûìè çàðÿäîâûì ÷èñëîì Z è ðàçíûìè ìàññîâûìè ÷èñëàìè A íàçûâàþòñÿ èçîòîïàìè. Íàïðèìåð, óðàí â ïðèðîäå âñòðå÷àåòñÿ â îñíîâíîì â âèäå äâóõ èçîòîïîâ 235 U è 238 U. Èçîòîïû îáëàäàþò îäèíàêîâûìè õèìè÷åñêèìè ñâîé92 92 ñòâàìè è ðàçíûìè ôèçè÷åñêèìè. Íàïðèìåð, èçîòîï óðàíà 235 U õîðîøî 92 âçàèìîäåéñòâóþò ñ íåéòðîíîì 10 n ëþáûõ ýíåðãèé è ìîæåò ðàçäåëèòüñÿ íà äâà áîëåå ëåãêèõ ÿäðà. Â òî æå âðåìÿ èçîòîï óðàíà 238 U äåëèòñÿ 92 òîëüêî ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ íåéòðîíàìè âûñîêèõ ýíåðãèé, áîëåå 1 ìåãàýëåêòðîíîâîëüòà (ÌýÂ) (1 ÌýÂ = 1,6 × 10–13 Äæ). ßäðà ñ îäèíàêîâûìè A è ðàçíûìè Z íàçûâàþòñÿ èçîáàðàìè. Â òî âðåìÿ êàê çàðÿä ÿäðà ðàâåí ñóììå çàðÿäîâ âõîäÿùèõ â íåãî ïðîòîíîâ, ìàññà ÿäðà íå ðàâíà ñóììå ìàññ îòäåëüíûõ ñâîáîäíûõ ïðîòîíîâ è íåéòðîíîâ (íóêëîíîâ), îíà íåñêîëüêî ìåíüøå åå. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî äëÿ ñâÿçè íóêëîíîâ â ÿäðå (äëÿ îðãàíèçàöèè ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ) òðåáóåòñÿ ýíåðãèÿ ñâÿçè E. Êàæäûé íóêëîí (è ïðîòîí è íåéòðîí), ïîïàäàÿ â ÿäðî, îáðàçíî ãîâîðÿ, âûäåëÿåò ÷àñòü ñâîåé ìàññû äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ âíóòðèÿäåðíîãî ñèëüíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ, êîòîðîå «ñêëåèâàåò» íóêëîíû â ÿäðå. Ïðè ýòîì, ñîãëàñíî òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè (ñì. ãëàâó 3), ìåæäó ýíåðãèåé E è ìàññîé m ñóùåñòâóåò ñîîòíîøåíèå E = mc2, ãäå ñ — ñêîðîñòü ñâåòà â âàêóóìå. Òàê ÷òî ôîðìèðîâàíèå ýíåðãèè ñâÿçè íóêëîíîâ â ÿäðå Ecâ ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ ìàññû ÿäðà íà òàê íàçûâàåìûé äåôåêò ìàññû Dm = Eñâ × c2. Ýòè ïðåäñòàâëåíèÿ ïîäòâåðæäåíû ìíîãî÷èñëåííûìè ýêñïåðèìåíòàìè. ÏîE ñòðîèâ çàâèñèìîñòü ýíåðãèè ñâÿçè íà îäèí íóêëîí ñâ = e îò ÷èñëà íóA êëîíîâ â ÿäðå A, ìû ñðàçó óâèäèì íåëèíåéíûé õàðàêòåð ýòîé çàâèñèìîñòè. Óäåëüíàÿ ýíåðãèÿ ñâÿçè e ñ ðîñòîì A ñíà÷àëà êðóòî âîçðàñòàåò (ó ëåãêèõ ÿäåð), çàòåì õàðàêòåðèñòèêà ïðèáëèæàåòñÿ ê ãîðèçîíòàëüíîé (ó ñðåäíèõ ÿäåð), à äàëåå ìåäëåííî ñíèæàåòñÿ (ó òÿæåëûõ ÿäåð). Ó óðàíà e » 7,5 ÌýÂ, à ó ñðåäíèõ ÿäåð e » 8,5 ÌýÂ. Ñðåäíèå ÿäðà íàèáîëåå óñòîé÷èâû, ó íèõ áîëüøàÿ ýíåðãèÿ ñâÿçè. Îòñþäà îòêðûâàåòñÿ âîçìîæíîñòü ïîëó÷åíèÿ ýíåðãèè ïðè äåëåíèè òÿæåëîãî ÿäðà íà äâà áîëåå ëåãêèõ (ñðåäíèõ). Òàêàÿ ÿäåðíàÿ ðåàêöèÿ äåëåíèÿ ìîæåò îñóùåñòâèòüñÿ ïðè áîìáàðäèðîâêå ÿäðà óðàíà ñâîáîäíûì íåéòðîíîì. Íàïðè-

56 Ãëàâà 2. Ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ î ìàòåðèè ìåð, 235 U äåëèòñÿ íà äâà íîâûõ ÿäðà: ðóáèäèé -3794 Rb è öåçèé 140 Cs 92 55 (îäèí èç âàðèàíòîâ äåëåíèÿ óðàíà). Ðåàêöèÿ äåëåíèÿ òÿæåëîãî ÿäðà çàìå÷àòåëüíà òåì, ÷òî ïîìèìî íîâûõ áîëåå ëåãêèõ ÿäåð ïîÿâëÿþòñÿ äâà íîâûõ ñâîáîäíûõ íåéòðîíà, êîòîðûå íàçûâàþò âòîðè÷íûìè. Ïðè ýòîì íà êàæäûé àêò äåëåíèÿ ïðèõîäèòñÿ 200 ÌýÂ âûäåëÿþùåéñÿ ýíåðãèè. Îíà âûäåëÿåòñÿ â âèäå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè âñåõ ïðîäóêòîâ äåëåíèÿ è äàëåå ìîæåò áûòü èñïîëüçîâàíà, íàïðèìåð, äëÿ íàãðåâàíèÿ âîäû èëè äðóãîãî òåïëîíîñèòåëÿ. Âòîðè÷íûå íåéòðîíû â ñâîþ î÷åðåäü ìîãóò âûçâàòü äåëåíèå äðóãèõ ÿäåð óðàíà. Îáðàçóåòñÿ öåïíàÿ ðåàêöèÿ, â ðåçóëüòàòå êîòîðîé â ðàçìíîæàþùåé ñðåäå ìîæåò âûäåëèòüñÿ îãðîìíàÿ ýíåðãèÿ. Ýòîò ñïîñîá ïîëó÷åíèÿ ýíåðãèè øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ â ÿäåðíûõ áîåïðèïàñàõ è óïðàâëÿåìûõ ÿäåðíûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ óñòàíîâêàõ íà ýëåêòðîñòàíöèÿõ è íà òðàíñïîðòíûõ îáúåêòàõ ñ àòîìíîé ýíåðãåòèêîé. Ïîìèìî óêàçàííîãî ñïîñîáà ïîëó÷åíèÿ àòîìíîé (ÿäåðíîé) ýíåðãèè åñòü è äðóãîé — ñëèÿíèå äâóõ ëåãêèõ ÿäåð â áîëåå òÿæåëîå ÿäðî. Ïðîöåññ îáúåäèíåíèÿ ëåãêèõ ÿäåð ìîæåò ïðîèñõîäèòü ëèøü ïðè ñáëèæåíèè èñõîäíûõ ÿäåð íà ðàññòîÿíèå, ãäå óæå äåéñòâóþò ÿäåðíûå ñèëû (ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå), òî åñòü ~10–15 ì. Ýòîãî ìîæíî äîñòèãíóòü ïðè ñâåðõâûñîêèõ òåìïåðàòóðàõ ïîðÿäêà 1 000 000 °Ñ. Òàêèå ïðîöåññû íàçûâàþò òåðìîÿäåðíûìè ðåàêöèÿìè. Òåðìîÿäåðíûå ðåàêöèè â ïðèðîäå èäóò íà çâåçäàõ è, êîíå÷íî, íà Ñîëíöå. Â óñëîâèÿõ Çåìëè îíè ïðîèñõîäÿò ïðè âçðûâàõ âîäîðîäíûõ áîìá (òåðìîÿäåðíîå îðóæèå), çàïàëîì äëÿ êîòîðûõ ñëóæèò îáû÷íàÿ àòîìíàÿ áîìáà, ñîçäàþùàÿ óñëîâèÿ äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ñâåðõâûñîêèõ òåìïåðàòóð. Óïðàâëÿåìûé òåðìîÿäåðíûé ñèíòåç ïîêà èìååò òîëüêî íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêóþ íàïðàâëåííîñòü. Ïðîìûøëåííûõ óñòàíîâîê íåò, îäíàêî ðàáîòû â ýòîì íàïðàâëåíèè âåäóòñÿ âî âñåõ ðàçâèòûõ ñòðàíàõ, â òîì ÷èñëå è â Ðîññèè.

2.11. Ðàäèîàêòèâíîñòü Ðàäèîàêòèâíîñòüþ íàçûâàåòñÿ ñàìîïðîèçâîëüíîå ïðåîáðàçîâàíèå îäíèõ ÿäåð â äðóãèå. Ñïîíòàííûé ðàñïàä èçîòîïîâ ÿäåð â óñëîâèÿõ ïðèðîäíîé ñðåäû íàçûâàþò åñòåñòâåííîé, à â óñëîâèÿõ ëàáîðàòîðèé â ðåçóëüòàòå äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà — èñêóññòâåííîé ðàäèîàêòèâíîñòüþ. Åñòåñòâåííóþ ðàäèîàêòèâíîñòü îòêðûë ôðàíöóçñêèé ôèçèê Àíðè Áåêêåðåëü â 1896 ã. Ýòî îòêðûòèå âûçâàëî ðåâîëþöèþ â åñòåñòâîçíà-

2.11. Ðàäèîàêòèâíîñòü

57

íèè âîîáùå è â ôèçèêå â ÷àñòíîñòè. Êëàññè÷åñêàÿ ôèçèêà XIX â. ñ åå óáåæäåííîñòüþ â íåäåëèìîñòè àòîìà óøëà â ïðîøëîå, óñòóïèâ ìåñòî íîâûì òåîðèÿì. Îòêðûòèå è èññëåäîâàíèå ÿâëåíèÿ ðàäèîàêòèâíîñòè ñâÿçàíî òàêæå ñ èìåíàìè Ìàðèè è Ïüåðà Êþðè. Ýòèì èññëåäîâàòåëÿì â 1903 ã. áûëà ïðèñóæäåíà Íîáåëåâñêàÿ ïðåìèÿ ïî ôèçèêå. Èñêóññòâåííàÿ ðàäèîàêòèâíîñòü îòêðûòà è èññëåäîâàíà ñóïðóãàìè Èðåí è Ôðåäåðèêîì Æîëèî-Êþðè, êîòîðûå â 1935 ã. òàêæå ïîëó÷èëè Íîáåëåâñêóþ ïðåìèþ. Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî ïðèíöèïèàëüíîãî ðàçëè÷èÿ ìåæäó ýòèìè äâóìÿ òèïàìè ðàäèîàêòèâíîñòè íåò. Äëÿ êàæäîãî ðàäèîàêòèâíîãî ýëåìåíòà óñòàíîâëåíû êîëè÷åñòâåííûå îöåíêè. Òàê, âåðîÿòíîñòü ðàñïàäà îäíîãî àòîìà â îäíó ñåêóíäó õàðàêòåðèçóåòñÿ ïîñòîÿííîé ðàñïàäà äàííîãî ýëåìåíòà l, à âðåìÿ, çà êîòîðîå ðàñïàäàåòñÿ ïîëîâèíà ðàäèîàêòèâíîãî îáðàçöà, íàçûâàåòñÿ ïåðèîäîì ïîëóðàñïàäà T0,5. Ñî âðåìåíåì ÷èñëî íåðàñïàâøèõñÿ ÿäåð N óáûâàåò ïî ýêñïîíåíöèàëüíîìó çàêîíó: N = N 0 e - lt , ãäå N0 — ÷èñëî íåðàñïàâøèõñÿ ÿäåð â ìîìåíò âðåìåíè t = t0 (òî åñòü íà÷àëüíîå ÷èñëî àòîìîâ), N – òåêóùåå çíà÷åíèå ÷èñëà íåðàñïàâøèõñÿ ÿäåð. Ýòîò çàêîí íàçûâàåòñÿ ýëåìåíòàðíûì çàêîíîì ðàäèîàêòèâíîãî ðàñïàäà. Èç íåãî ìîæíî ïîëó÷èòü ôîðìóëó äëÿ ïåðèîäà ïîëóðàñïàäà: T0 ,5 =

ln 2 0,693 = . l l

×èñëî ðàäèîàêòèâíûõ ðàñïàäîâ â îáðàçöå çà îäíó ñåêóíäó íàçûâàþò àêòèâíîñòüþ ðàäèîàêòèâíîãî ïðåïàðàòà. ×àùå âñåãî àêòèâíîñòü îáîçíà÷àþò áóêâîé A, òîãäà ïî îïðåäåëåíèþ: A=-

dN , dt

ãäå çíàê «–» îçíà÷àåò óáûâàíèå N âî âðåìåíè. Åäèíèöà àêòèâíîñòè â ñèñòåìå ÑÈ — Áåêêåðåëü (Áê): 1 Áê = 1 ðàñïàä/1ñ. ×àñòî íà ïðàêòèêå èñïîëüçóåòñÿ âíåñèñòåìíàÿ åäèíèöà — Êþðè (Êu), 1 Êu = 3,7 × 1010 Áê.

58 Ãëàâà 2. Ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ î ìàòåðèè Ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî àêòèâíîñòü óìåíüøàåòñÿ âî âðåìåíè òàêæå ïî ýêñïîíåíöèàëüíîìó çàêîíó: A = A0 e - lt .

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè 1. ×òî òàêîå ìàòåðèÿ? Êàêèå âèäû ìàòåðèè ðàçëè÷àþò â ñîâðåìåííîì ïðåäñòàâëåíèè? 2. Îáúÿñíèòå ïîíÿòèå «ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû». Íàçîâèòå âàæíåéøèå õàðàêòåðèñòèêè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Êàê êëàññèôèöèðóþòñÿ ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû? 3. Ñêîëüêî âèäîâ âçàèìîäåéñòâèÿ âàì èçâåñòíî? Íàçîâèòå èõ îñíîâíûå ÷åðòû. 4. ×òî òàêîå àíòè÷àñòèöû? 5. Â ÷åì çàêëþ÷àåòñÿ ñïåöèôèêà èçó÷åíèÿ ìèêðîìèðà ïî ñðàâíåíèþ ñ èçó÷åíèåì ìåãà- è ìàêðîìèðà? 6. Îõàðàêòåðèçóéòå êðàòêî èñòîðèþ ðàçâèòèÿ ïðåäñòàâëåíèé î ñòðîåíèè àòîìà. 7. Ñôîðìóëèðóéòå ïîñòóëàòû Í. Áîðà. Ìîæíî ëè ñ ïîìîùüþ òåîðèè Í. Áîðà îáúÿñíèòü ñòðóêòóðó àòîìîâ âñåõ ýëåìåíòîâ òàáëèöû Ä. È. Ìåíäåëååâà? 8. Êòî è êîãäà ñîçäàë òåîðèþ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ? 9. ×òî òàêîå ðàäèîàêòèâíîñòü? 10. Íàçîâèòå îñíîâíûå âèäû ðàäèîàêòèâíîãî ðàñïàäà.

Ãëàâà 3 ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÎ, ÂÐÅÌß, ÏÐÈÍÖÈÏÛ ÎÒÍÎÑÈÒÅËÜÍÎÑÒÈ

3.1. Íüþòîíîâñêàÿ êîíöåïöèÿ àáñîëþòíîãî ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè. Çàêîíû äâèæåíèÿ Âîïðîñû ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè âñåãäà èíòåðåñîâàëè ÷åëîâå÷åñêîå îáùåñòâî. Îäíà èç êîíöåïöèé ýòèõ ïîíÿòèé èäåò îò äðåâíèõ àòîìèñòîâ — Äåìîêðèòà, Ýïèêóðà è äð. Îíè ââåëè â íàó÷íûé îáîðîò ïîíÿòèå ïóñòîãî ïðîñòðàíñòâà è ðàññìàòðèâàëè åãî êàê îäíîðîäíîå è áåñêîíå÷íîå. Â ïðîöåññå ñîçäàíèÿ îáùåé êàðòèíû ìèðîçäàíèÿ Èñààê Íüþòîí (1642–1726), êîíå÷íî, òàêæå íå ìîã îáîéòè âîïðîñ ïîíÿòèÿ ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè. Â 1687 ã. îí îïóáëèêîâàë òðóä «Ìàòåìàòè÷åñêèå íà÷àëà íàòóðàëüíîé ôèëîñîôèè», êîòîðûé ñòàë âåðøèíîé äîñòèæåíèé åñòåñòâîçíàíèÿ XVII â. Ïî Íüþòîíó, ìèð ñîñòîèò èç ìàòåðèè, ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè. Ýòè òðè êàòåãîðèè íåçàâèñèìû äðóã îò äðóãà. Ìàòåðèÿ ðàçìåùàåòñÿ â áåñêîíå÷íîì ïðîñòðàíñòâå. Äâèæåíèå ìàòåðèè ïðîèñõîäèò â ïðîñòðàíñòâå è âðåìåíè. Íüþòîí ðàçäåëÿë ïðîñòðàíñòâî íà àáñîëþòíîå è îòíîñèòåëüíîå. Àáñîëþòíîå ïðîñòðàíñòâî íåïîäâèæíî, áåñêîíå÷íî. Îòíîñèòåëüíîå — ýòî ÷àñòü àáñîëþòíîãî. Òàê æå îí êëàññèôèöèðîâàë è âðåìÿ. Ïîä àáñîëþòíûì, èñòèííûì (ìàòåìàòè÷åñêèì) âðåìåíåì îí ïîíèìàë âðåìÿ, êîòîðîå òå÷åò âñåãäà è âåçäå ðàâíîìåðíî, à îòíîñèòåëüíîå âðåìÿ, ïî Íüþòîíó, åñòü ìåðà ïðîäîëæèòåëüíîñòè, êîòîðàÿ ñóùåñòâóåò â ðåàëüíîé æèçíè: ñåêóíäà, ìèíóòà, ÷àñ, ñóòêè, ìåñÿö, ãîä. Ó Íüþòîíà àáñîëþòíîå âðåìÿ ñóùåñòâóåò è äëèòñÿ ðàâíîìåðíî ñàìî ïî ñåáå, áåçîòíîñèòåëüíî ê êàêèì-ëèáî ñîáûòèÿì. Àáñîëþòíîå ïðîñòðàíñòâî è àáñîëþòíîå âðåìÿ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé âìåñòèëèùå âñåõ ìàòåðèàëüíûõ

60 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè òåë è ïðîñòðàíñòâ è íå çàâèñÿò íè îò ýòèõ òåë, íè îò ýòèõ ïðîöåññîâ, íè äðóã îò äðóãà. Ìàññó Íüþòîí îïðåäåëÿåò êàê êîëè÷åñòâî ìàòåðèè è ââîäèò ïîíÿòèå «ïàññèâíîé ñèëû» (ñèëû èíåðöèè) è «àêòèâíîé ñèëû», ñîçäàþùåé äâèæåíèå òåë. Èçó÷èâ è âûÿâèâ çàêîíîìåðíîñòè äâèæåíèÿ, Íüþòîí òàêèì îáðàçîì ñôîðìóëèðîâàë åãî çàêîíû: 1-é çàêîí. Âñÿêîìó òåëó ïðîäîëæàòü ñâîå ñîñòîÿíèå ïîêîÿ èëè ðàâíîìåðíîãî ïðÿìîëèíåéíîãî äâèæåíèÿ, ïîñêîëüêó îíî íå ïðèíóæäàåòñÿ ïðèëîæåííûìè ñèëàìè èçìåíÿòü ýòî ñîñòîÿíèå. 2-é çàêîí. Èçìåíåíèþ äâèæåíèÿ áûòü ïðîïîðöèîíàëüíûì ïðèëîæåííîé äâèæóùåé ñèëå è ïðîèñõîäèòü ïî íàïðàâëåíèþ òîé ïðÿìîé, ïî êîòîðîé ýòà ñèëà äåéñòâóåò. 3-é çàêîí. Äåéñòâèþ âñåãäà âñòðå÷àòü ðàâíîå ïðîòèâîäåéñòâèå, èëè âîçäåéñòâèþ äâóõ òåë äðóã íà äðóãà áûòü ìåæäó ñîáîé ðàâíûìè è íàïðàâëåííûìè â ïðîòèâîïîëîæíûå ñòîðîíû.

Â íàøå âðåìÿ çíàìåíèòûå çàêîíû ôîðìóëèðóþòñÿ â áîëåå óäîáíîé ôîðìå:

} 1. Âñÿêîå ìàòåðèàëüíîå òåëî ñîõðàíÿåò ñîñòîÿíèå ïîêîÿ èëè ðàâ-

íîìåðíîãî ïðÿìîëèíåéíîãî äâèæåíèÿ äî òåõ ïîð, ïîêà âîçäåéñòâèå ñî ñòîðîíû äðóãèõ òåë íå çàñòàâèò åãî èçìåíèòü ýòî ñîñòîÿíèå. Ñòðåìëåíèå òåëà ñîõðàíèòü ñîñòîÿíèå ïîêîÿ èëè ðàâíîìåðíîãî ïðÿìîëèíåéíîãî äâèæåíèÿ íàçûâàåòñÿ èíåðòíîñòüþ. Ïîýòîìó ïåðâûé çàêîí íàçûâàþò òàêæå çàêîíîì èíåðöèè.

} 2. Óñêîðåíèå, ïðèîáðåòàåìîå òåëîì, ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíî ñèëå, äåéñòâóþùåé íà òåëî, è îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî ìàññå òåëà.

} 3. Ñèëû, ñ êîòîðûìè äåéñòâóþò äðóã íà äðóãà âçàèìîäåéñòâóþùèå òåëà, ðàâíû ïî âåëè÷èíå è ïðîòèâîïîëîæíû ïî íàïðàâëåíèþ.

Âòîðîé çàêîí Íüþòîíà íàì èçâåñòåí â âèäå F = m ´ a, èëè a = F/m, ãäå óñêîðåíèå à, ïîëó÷àåìîå òåëîì ïîä äåéñòâèåì ñèëû F, îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî ìàññå òåëà m. Âåëè÷èíà m íàçûâàåòñÿ èíåðòíîé ìàññîé òåëà, îíà õàðàêòåðèçóåò ñïîñîáíîñòü òåëà îêàçûâàòü ñîïðîòèâëåíèå äåéñòâóþùåé («àêòèâíîé») ñèëå, òî åñòü ñîõðàíÿòü ñîñòîÿíèå ïîêîÿ. Âòîðîé çàêîí Íüþòîíà ñïðàâåäëèâ òîëüêî â èíåðöèàëüíûõ ñèñòåìàõ îòñ÷åòà.

3.1. Íüþòîíîâñêàÿ êîíöåïöèÿ àáñîëþòíîãî ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè

61

Ïåðâûé çàêîí ìîæíî ïîëó÷èòü èç âòîðîãî, òàê êàê â ñëó÷àå îòñóòñòâèÿ âîçäåéñòâèÿ íà òåëî ñî ñòîðîíû äðóãèõ ñèë óñêîðåíèå òàêæå ðàâíî íóëþ. Îäíàêî ïåðâûé çàêîí ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê ñàìîñòîÿòåëüíûé çàêîí, ïîñêîëüêó îí óòâåðæäàåò ñóùåñòâîâàíèå èíåðöèàëüíûõ ñèñòåì îòñ÷åòà.

} Èíåðöèàëüíûå ñèñòåìû îòñ÷åòà — ýòî òàêèå ñèñòåìû, â êîòîðûõ

ñïðàâåäëèâ çàêîí èíåðöèè: ìàòåðèàëüíàÿ òî÷êà, êîãäà íà íåå íå äåéñòâóþò íèêàêèå ñèëû (èëè äåéñòâóþò ñèëû, âçàèìíî óðàâíîâåøåííûå), íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè ïîêîÿ èëè ðàâíîìåðíîãî ïðÿìîëèíåéíîãî äâèæåíèÿ.

Òåîðåòè÷åñêè ìîæåò ñóùåñòâîâàòü ñêîëü óãîäíî ðàâíîïðàâíûõ èíåðöèàëüíûõ ñèñòåì îòñ÷åòà, è âî âñåõ òàêèõ ñèñòåìàõ çàêîíû ôèçèêè îäèíàêîâû. Ýòî óòâåðæäàåò ïðèíöèï îòíîñèòåëüíîñòè Ãàëèëåÿ (1636 ã.). Íàó÷íîå äîêàçàòåëüñòâî ñóùåñòâîâàíèÿ âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ è ìàòåìàòè÷åñêîå âûðàæåíèå îïèñûâàþùåãî åãî çàêîíà ñòàëî âîçìîæíûì òîëüêî íà îñíîâå îòêðûòûõ È. Íüþòîíîì çàêîíîâ ìåõàíèêè. Çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ áûë ñôîðìóëèðîâàí Íüþòîíîì â òðóäå «Ìàòåìàòè÷åñêèå íà÷àëà íàòóðàëüíîé ôèëîñîôèè» (1687 ã.). Çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ Íüþòîí ôîðìóëèðóåò â ñëåäóþùèõ òåçèñàõ: «òÿãîòåíèå ñóùåñòâóåò äëÿ âñåõ òåë âîîáùå è ïðîïîðöèîíàëüíî ìàññå êàæäîãî èç íèõ», «òÿãîòåíèå ê îòäåëüíûì ðàâíûì ÷àñòèöàì òåë îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíî êâàäðàòàì ðàññòîÿíèé ìåñò ê ÷àñòèöàì». Ýòîò çàêîí èçâåñòåí â âèäå: F=

Gm1 m2 , r2

ãäå m1, m2 — ìàññû äâóõ ÷àñòèö, r — ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè, G — ãðàâèòàöèîííàÿ ïîñòîÿííàÿ (â ñèñòåìå ÑÈ G = 6,672 · 10–11 ì2/êã2). Ôèçè÷åñêèé ñìûñë ãðàâèòàöèîííîé ïîñòîÿííîé çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî îíà õàðàêòåðèçóåò ñèëó ïðèòÿæåíèÿ äâóõ ìàññ âåñîì â 1 êã íà ðàññòîÿíèè â 1 ì. Îòêðûâ çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ, Íüþòîí ñìîã äàòü îòâåò íà âîïðîñ, ïî÷åìó Ëóíà îáðàùàåòñÿ âîêðóã Çåìëè è ïî÷åìó ïëàíåòû äâèæóòñÿ âîêðóã Ñîëíöà. Â êàæäîì îòäåëüíîì ñëó÷àå îí ìîã ðàññ÷èòàòü ñèëó òÿãîòåíèÿ. Íî êàê ïåðåäàåòñÿ âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó ìàññàìè, ïðèòÿãèâàþùèìèñÿ äðóã ê äðóãó, êàêîâà ïðèðîäà ýòîé ñèëû, Íüþòîí îáúÿñíèòü íå ìîã.

62 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè Â òðóäàõ Íüþòîíà òÿãîòåíèå — ýòî ñèëà, êîòîðàÿ äåéñòâóåò íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ è êàê áû áåç êàêîãî-òî ìàòåðèàëüíîãî ïîñðåäíèêà. Ýòî ïðèâåëî ê ïîíÿòèþ «äàëüíîäåéñòâèå». Ïðèðîäó «äàëüíîäåéñòâèÿ» Íüþòîí îáúÿñíèòü íå ìîã. Îí äóìàë î êàêîì-òî ìàòåðèàëüíîì «àãåíòå», ñ ïîìîùüþ êîòîðîãî îñóùåñòâëÿåòñÿ ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå, íî â ðåøåíèè ýòîé ïðîáëåìû îí ïîòåðïåë íåóäà÷ó. Îñíîâûâàÿñü íà çàêîíå âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ Íüþòîíà, íåáåñíàÿ ìåõàíèêà äîïóñêàåò ïðèíöèïèàëüíóþ âîçìîæíîñòü ìãíîâåííîé ïåðåäà÷è ñèãíàëîâ, ÷òî ïðîòèâîðå÷èò ñîâðåìåííîé ôèçèêå (îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè). Ïîýòîìó áóêâàëüíîå ïîíèìàíèå çàêîíà òÿãîòåíèÿ Íüþòîíà ñ ñîâðåìåííîé òî÷êè çðåíèÿ íåäîïóñòèìî. Íüþòîíîâñêàÿ ìåõàíèñòè÷åñêàÿ ïàðàäèãìà â åñòåñòâîçíàíèè ãîñïîäñòâîâàëà áîëåå 200 ëåò, õîòÿ è ïîäâåðãàëàñü êðèòèêå ïî ðÿäó ïîçèöèé, â òîì ÷èñëå è â ïîíèìàíèè ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè (Ëåéáíèö, Ãåãåëü, Áåðêëè è äð.). Â êîíöå XIX è â íà÷àëå XX â. âîçíèêëè ïðèíöèïèàëüíî íîâûå íàó÷íûå ïðåäñòàâëåíèÿ îá îêðóæàþùåé ïðèðîäå. Ïîÿâèëèñü íîâûå ïàðàäèãìû: ñíà÷àëà ðåëÿòèâèñòñêàÿ, à çàòåì êâàíòîâàÿ (ñì. ðàíåå). Â ôèçè÷åñêóþ êàðòèíó ìèðà ïîëíîïðàâíî âîøëà êîíöåïöèÿ ïîëÿ êàê ìàòåðèàëüíîé ñðåäû, ñâÿçûâàþùåé ÷àñòèöû âåùåñòâà, âñå ôèçè÷åñêèå îáúåêòû ìàòåðèàëüíîãî ìèðà. Â ñîâðåìåííîé ôèçèêå èçâåñòíû ÷åòûðå âèäà âçàèìîäåéñòâèÿ ìàòåðèàëüíûõ îáúåêòîâ: ýëåêòðîìàãíèòíîå, ãðàâèòàöèîííîå, ñèëüíîå è ñëàáîå (ñì. âûøå). Îíè îòâåòñòâåííû çà âñå ïðîöåññû âçàèìîäåéñòâèÿ.

3.2. Çàêîíû ñîõðàíåíèÿ Ðàññìîòðèì íàèáîëåå îáùèå çàêîíû ñîõðàíåíèÿ, êîòîðûì ïîä÷èíÿåòñÿ âåñü ìàòåðèàëüíûé ìèð è êîòîðûå ââîäÿò â ôèçèêó ðÿä ôóíäàìåíòàëüíûõ ïîíÿòèé: ýíåðãèÿ, êîëè÷åñòâî äâèæåíèÿ (èìïóëüñ), ìîìåíò èìïóëüñà, çàðÿä.

Çàêîí ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà Êàê èçâåñòíî, êîëè÷åñòâîì äâèæåíèÿ, èëè èìïóëüñîì,®íàçûâàþò ïðîr èçâåäåíèå ñêîðîñòè íà ìàññó äâèæóùåãîñÿ òåëà: p = mv Ýòà ôèçè÷åñêàÿ âåëè÷èíà ïîçâîëÿåò íàéòè èçìåíåíèå äâèæåíèÿ òåëà çà êàêîéíèáóäü îïðåäåëåííûé ïðîìåæóòîê âðåìåíè. Äëÿ ðåøåíèÿ ýòîé çàäà÷è ñëåäîâàëî áû ïðèìåíÿòü âòîðîé çàêîí Íüþòîíà áåñ÷èñëåííîå ÷èñëî ðàç, âî âñå ïðîìåæóòî÷íûå ìîìåíòû âðåìåíè. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ (èìïóëüñà) ìîæíî ïîëó÷èòü, èñïîëüçóÿ âòîðîé è òðå-

3.2. Çàêîíû ñîõðàíåíèÿ

63

òèé çàêîíû Íüþòîíà. Åñëè ðàññìàòðèâàòü äâå (èëè áîëåå) ìàòåðèàëüíûå òî÷êè (òåëà), âçàèìîäåéñòâóþùèå ìåæäó ñîáîé è îáðàçóþùèå ñèñòåìó, èçîëèðîâàííóþ îò äåéñòâèÿ âíåøíèõ ñèë, òî çà âðåìÿ äâèæåíèÿ èìïóëüñû êàæäîé òî÷êè (òåëà) ìîãóò èçìåíÿòüñÿ, íî îáùèé èìïóëüñ ñèñòåìû äîëæåí îñòàâàòüñÿ íåèçìåííûì: m1v + m1v2 = const. Âçàèìîäåéñòâóþùèå òåëà îáìåíèâàþòñÿ èìïóëüñàìè ïðè ñîõðàíåíèè îáùåãî èìïóëüñà. Â îáùåì ñëó÷àå ïîëó÷àåì: N

PS = å mi v i = const, i =1

ãäå PS — îáùèé, ñóììàðíûé èìïóëüñ ñèñòåìû, mi vi — èìïóëüñû îòäåëüíûõ âçàèìîäåéñòâóþùèõ ÷àñòåé ñèñòåìû. Ñôîðìóëèðóåì çàêîí ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà:

} Åñëè ñóììà âíåøíèõ ñèë ðàâíà íóëþ, èìïóëüñ ñèñòåìû òåë îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì ïðè ëþáûõ ïðîèñõîäÿùèõ â íåé ïðîöåññàõ.

Ïðèìåð äåéñòâèÿ çàêîíà ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà ìîæíî ðàññìîòðåòü íà ïðîöåññå âçàèìîäåéñòâèÿ ëîäêè ñ ÷åëîâåêîì, êîòîðàÿ óòêíóëàñü íîñîì â áåðåã, à ÷åëîâåê â ëîäêå áûñòðî èäåò èç êîðìû â íîñ ñî ñêîðîñòüþ v1. Â ýòîì ñëó÷àå ëîäêà îòîéäåò îò áåðåãà ñî ñêîðîñòüþ v2: m1v1 - m2 v 2 = 0, v 2 =

m1 - v1 . m2

Àíàëîãè÷íûé ïðèìåð ìîæíî ïðèâåñòè ñî ñíàðÿäîì, êîòîðûé ðàçîðâàëñÿ â âîçäóõå íà íåñêîëüêî ÷àñòåé. Âåêòîðíàÿ ñóììà èìïóëüñîâ âñåõ îñêîëêîâ ðàâíà èìïóëüñó ñíàðÿäà äî ðàçðûâà.

Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà Âðàùåíèå òâåðäûõ òåë óäîáíî õàðàêòåðèçîâàòü ôèçè÷åñêîé âåëè÷èíîé, êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ ìîìåíòîì èìïóëüñà. Ïðè âðàùåíèè òâåðäîãî òåëà âîêðóã íåïîäâèæíîé îñè êàæäàÿ îòäåëüíàÿ ÷àñòèöà òåëà äâèæåòñÿ ïî îêðóæíîñòè ðàäèóñîì ri ñ êàêîé-òî ® ® ® ëèíåéíîé ñêîðîñòüþ v i . Ñêîðîñòü v i è èìïóëüñ p = mi v i ïåðïåíäèêóëÿðíû ðàäèóñó ri. Ïðîèçâåäåíèå èìïóëüñà p = mi v i íà ðàäèóñ ri íàçûâàåòñÿ ìîìåíòîì èìïóëüñà ÷àñòèöû:

64 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè Li = mi v i ri = Pi ri . Ìîìåíò èìïóëüñà âñåãî òåëà: n

L = å mi v i ri . i =1

Åñëè çàìåíèòü ëèíåéíóþ ñêîðîñòü óãëîâîé w (vi = wri), òî n

n

i =1

i =1

L = å mi ri2 w = wå mi ri2 = Jw , ãäå J = mr — ìîìåíò èíåðöèè. Ìîìåíò èìïóëüñà çàìêíóòîé ñèñòåìû íå èçìåíÿåòñÿ âî âðåìåíè, òî åñòü L = const è Jw = const. Ïðè ýòîì ìîìåíòû èìïóëüñà îòäåëüíûõ ÷àñòèö âðàùàþùåãîñÿ òåëà ìîãóò êàê óãîäíî èçìåíÿòüñÿ, îäíàêî îáùèé ìîìåíò èìïóëüñà (ñóììà ìîìåíòîâ èìïóëüñà îòäåëüíûõ ÷àñòåé òåëà) îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì. Ïðîäåìîíñòðèðîâàòü çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà ìîæíî, íàáëþäàÿ âðàùåíèå ôèãóðèñòà íà êîíüêàõ ñ ðóêàìè, âûòÿíóòûìè â ñòîðîíû, è ñ ðóêàìè, ïîäíÿòûìè íàä ãîëîâîé. Òàê êàê Jw = const, òî âî âòîðîì ñëó÷àå ìîìåíò èíåðöèè J óìåíüøàåòñÿ, çíà÷èò, ïðè ýòîì äîëæíà âîçðàñòè óãëîâàÿ ñêîðîñòü w, òàê êàê Jw = const. 2

Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè Ýíåðãèÿ — ýòî óíèâåðñàëüíàÿ ìåðà ðàçëè÷íûõ ôîðì äâèæåíèÿ è âçàèìîäåéñòâèÿ. Ýíåðãèÿ, îòäàííàÿ îäíèì òåëîì äðóãîìó, âñåãäà ðàâíà ýíåðãèè, ïîëó÷åííîé äðóãèì òåëîì. Äëÿ êîëè÷åñòâåííîé îöåíêè ïðîöåññà îáìåíà ýíåðãèåé ìåæäó âçàèìîäåéñòâóþùèìè òåëàìè â ìåõàíèêå ââîäèòñÿ ïîíÿòèå ðàáîòû ñèëû, âûçûâàþùåé äâèæåíèå. Êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû — ýòî ýíåðãèÿ ìåõàíè÷åñêîãî äâèæåíèÿ ýòîé ñèñòåìû. Ñèëà, âûçûâàþùàÿ äâèæåíèå òåëà, ñîâåðøàåò ðàáîòó, à ýíåðãèÿ äâèæóùåãîñÿ òåëà âîçðàñòàåò íà âåëè÷èíó çàòðà÷åííîé ðàáîòû. Êàê èçâåñòíî, òåëî ìàññîé m, äâèæóùååñÿ ñî ñêîðîñòüþ v, îáëàäàåò êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèåé E = mv2/2. Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ — ýòî ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ñèñòåìû òåë, êîòîðûå âçàèìîäåéñòâóþò ïîñðåäñòâîì ñèëîâûõ ïîëåé, íàïðèìåð ïîñðåäñòâîì ãðàâèòàöèîííûõ ñèë. Ðàáîòà, ñîâåðøàåìàÿ ýòèìè ñèëàìè, ïðè ïåðåìåùåíèè òåëà èç îäíîãî ïîëîæåíèÿ â äðóãîå íå çàâèñèò îò òðàåêòîðèè äâèæåíèÿ, à çàâèñèò òîëüêî îò íà÷àëüíîãî è êîíå÷íîãî ïîëîæåíèÿ òåëà â ñèëîâîì ïîëå.

3.2. Çàêîíû ñîõðàíåíèÿ

65

Òàêèå ñèëîâûå ïîëÿ íàçûâàþò ïîòåíöèàëüíûìè, à ñèëû, äåéñòâóþùèå â íèõ, — êîíñåðâàòèâíûìè. Ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ÿâëÿþòñÿ êîíñåðâàòèâíûìè ñèëàìè, à ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ òåëà ìàññîé m, ïîäíÿòîãî íà âûñîòó h íàä ïîâåðõíîñòüþ Çåìëè, ðàâíà EÏÎÒ = mgh, ãäå g — óñêîðåíèå ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ. Ïîëíàÿ ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ðàâíà ñóììå êèíåòè÷åñêîé è ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè: E = EÊÈÍ + EÏÎÒ Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè (1686 ã., Ëåéáíèö) ãëàñèò, ÷òî â ñèñòåìå òåë, ìåæäó êîòîðûìè äåéñòâóþò òîëüêî êîíñåðâàòèâíûå ñèëû, ïîëíàÿ ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ñîõðàíÿåòñÿ íåèçìåííîé âî âðåìåíè. Ïðè ýòîì ìîãóò ïðîèñõîäèòü ïðåâðàùåíèÿ êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè â ïîòåíöèàëüíóþ è îáðàòíî â ýêâèâàëåíòíûõ êîëè÷åñòâàõ. Ñóùåñòâóþò åùå îäèí âèä ñèñòåì, â êîòîðûõ ìåõàíè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ìîæåò óìåíüøàòüñÿ çà ñ÷åò ïðåîáðàçîâàíèÿ â äðóãèå ôîðìû ýíåðãèè. Íàïðèìåð, ïðè äâèæåíèè ñèñòåìû ñ òðåíèåì ÷àñòü ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè óìåíüøàåòñÿ çà ñ÷åò òðåíèÿ. Òàêèå ñèñòåìû íàçûâàþòñÿ äèññèïàòèâíûìè, òî åñòü ñèñòåìàìè, ðàññåèâàþùèìè ìåõàíè÷åñêóþ ýíåðãèþ. Â òàêèõ ñèñòåìàõ çàêîí ñîõðàíåíèÿ ïîëíîé ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè íåñïðàâåäëèâ. Îäíàêî ïðè óìåíüøåíèè ìåõàíè÷åñêîé ýíåðãèè âñåãäà âîçíèêàåò ýêâèâàëåíòíîå ýòîìó óìåíüøåíèþ êîëè÷åñòâî ýíåðãèè äðóãîãî âèäà. Òàêèì îáðàçîì, ýíåðãèÿ íèêîãäà íå èñ÷åçàåò è íå ïîÿâëÿåòñÿ âíîâü, îíà ëèøü ïðåâðàùàåòñÿ èç îäíîãî âèäà â äðóãîé. Çäåñü ïðîÿâëÿåòñÿ ñâîéñòâî íåóíè÷òîæèìîñòè ìàòåðèè è åå äâèæåíèÿ.

Çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà Ýëåêòðè÷åñêèå çàðÿäû — ýòî èñòî÷íèêè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ. Âñÿ ñîâîêóïíîñòü ýëåêòðè÷åñêèõ ÿâëåíèé åñòü ïðîÿâëåíèå ñóùåñòâîâàíèÿ äâèæåíèÿ è âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ. Â êîíöå XIX â. àíãëèéñêèì ôèçèêîì Òîìñîíîì áûë îòêðûò ýëåêòðîí — íîñèòåëü îòðèöàòåëüíîãî ýëåìåíòàðíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà (–1,6 · 10–19 Êë), à â íà÷àëå XX â. Ðåçåðôîðä îòêðûë ïðîòîí, îáëàäàþùèé òàêèì æå ïî âåëè÷èíå ýëåìåíòàðíûì ïîëîæèòåëüíûì çàðÿäîì. Ïîñêîëüêó êàæäàÿ ÷àñòèöà õàðàêòåðèçóåòñÿ îïðåäåëåííûì, ïðèñóùèì åé ýëåêòðè÷åñêèì çàðÿäîì, çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñëåäñòâèå ñîõðàíåíèÿ ÷èñëà ÷àñòèö, åñëè ïðè ýòîì íå ïðîèñõîäèò âçàèìîïðåâðàùåíèÿ ÷àñòèö.

66 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè Ïðè ýëåêòðèçàöèè ôèçè÷åñêèõ òåë ÷èñëî çàðÿæåííûõ ÷àñòèö íå ìåíÿåòñÿ, à ïðîèñõîäèò ëèøü èõ ïåðåðàñïðåäåëåíèå â ïðîñòðàíñòâå. Â îáùåì çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü òàê:

} â çàìêíóòîé ñèñòåìå àëãåáðàè÷åñêàÿ ñóììà çàðÿäîâ ñèñòåìû îñòàåòñÿ íåèçìåííîé âî âðåìåíè, êàêèå áû ïðîöåññû íè ïðîèñõîäèëè âíóòðè ýòîé çàìêíóòîé ñèñòåìû.

Òàêîå ïîíÿòèå ñóùåñòâîâàëî â ôèçèêå äàâíî, à â 1843 ã. Ì. Ôàðàäåé ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîäòâåðäèë ýòîò çàêîí. Êàê è äðóãèå çàêîíû ñîõðàíåíèÿ, çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà ñïðàâåäëèâ íà âñåõ ñòðóêòóðíûõ óðîâíÿõ ìàòåðèàëüíîãî ìèðà. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà âìåñòå ñ çàêîíîì ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè õàðàêòåðèçóåò óñòîé÷èâîñòü ýëåêòðîíà. Îí íå ìîæåò ïðåâðàòèòüñÿ ñàìîïðîèçâîëüíî â áîëåå òÿæåëóþ ÷àñòèöó èëè â áîëåå ëåãêóþ. Â ïåðâîì ñëó÷àå ýòî íå ïîçâîëÿåò çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè, à âî âòîðîì — çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà.

3.3. Ïðèíöèïû ñîâðåìåííîé ôèçèêè Ïðèíöèï ñèììåòðèè Ïîä ñèììåòðèåé ïîíèìàþò îäíîðîäíîñòü, ïðîïîðöèîíàëüíîñòü, ãàðìîíèþ êàêèõ-òî ìàòåðèàëüíûõ îáúåêòîâ. Àñèììåòðèÿ — ïîíÿòèå ïðîòèâîïîëîæíîå. Ëþáîé ôèçè÷åñêèé îáúåêò ñîäåðæèò ýëåìåíòû ñèììåòðèè è àñèììåòðèè. Ðàññìîòðèì ñèììåòðèè â ôèçèêå, õèìèè è áèîëîãèè. Â ôèçèêå ñèììåòðèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì: åñëè ôèçè÷åñêèå çàêîíû íå ìåíÿþòñÿ ïðè îïðåäåëåííûõ ïðåîáðàçîâàíèÿõ, êîòîðûì ìîæåò áûòü ïîäâåðãíóòà ñèñòåìà (ôèçè÷åñêèé îáúåêò), òî ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ýòè çàêîíû îáëàäàþò ñèììåòðèåé (èëè èíâàðèàíòíû) îòíîñèòåëüíî ýòèõ ïðåîáðàçîâàíèé. Ñèììåòðèè äåëÿò íà ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííûå è âíóòðåííèå, ïîñëåäíèå îòíîñÿòñÿ òîëüêî ê ìèêðîìèðó. Ñðåäè ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííûõ ðàññìîòðèì îñíîâíûå. 1. Ñäâèã âðåìåíè. Èçìåíåíèå íà÷àëà îòñ÷åòà íå èçìåíÿåò ôèçè÷åñêèõ çàêîíîâ. Âðåìÿ îäíîðîäíî ïî âñåìó ïðîñòðàíñòâó. 2. Ñäâèã ñèñòåìû îòñ÷åòà ïðîñòðàíñòâåííûõ êîîðäèíàò. Òàêàÿ îïåðàöèÿ íå èçìåíÿåò ôèçè÷åñêèõ çàêîíîâ. Âñå òî÷êè ïðîñòðàíñòâà ðàâíîïðàâíû, è ïðîñòðàíñòâî îäíîðîäíî.

3.3. Ïðèíöèïû ñîâðåìåííîé ôèçèêè

67

3. Ïîâîðîò ñèñòåìû îòñ÷åòà ïðîñòðàíñòâåííûõ êîîðäèíàò òàêæå ñîõðàíÿåò ôèçè÷åñêèå çàêîíû íåèçìåííûìè — çíà÷èò, ïðîñòðàíñòâî èçîòðîïíî. 4. Êëàññè÷åñêèé ïðèíöèï îòíîñèòåëüíîñòè Ãàëèëåÿ óñòàíàâëèâàåò ñèììåòðèþ ìåæäó ïîêîåì è ðàâíîìåðíûì ïðÿìîëèíåéíûì äâèæåíèåì. 5. Îáðàùåíèå çíàêà âðåìåíè íå èçìåíÿåò ôóíäàìåíòàëüíûõ çàêîíîâ â ìàêðîìèðå, òî åñòü ïðîöåññû ìàêðîìèðà ìîãóò îïèñûâàòüñÿ è ïðè îáðàùåíèè çíàêà âðåìåíè. Íà óðîâíå ìàêðîìèðà íàáëþäàåòñÿ íåîáðàòèìîñòü ïðîöåññîâ, òàê êàê îíè ñâÿçàíû ñ íåðàâíîâåñíûì ñîñòîÿíèåì Âñåëåííîé. Â õèìèè ñèììåòðèè ïðîÿâëÿþòñÿ â ãåîìåòðè÷åñêîé êîíôèãóðàöèè ìîëåêóë. Ýòî îïðåäåëÿåò êàê õèìè÷åñêèå, òàê è ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà ìîëåêóë. Áîëüøèíñòâî ïðîñòûõ ìîëåêóë èìåþò îñè ñèììåòðèè, ïëîñêîñòè ñèììåòðèè. Íàïðèìåð, ìîëåêóëà àììèàêà NH3 ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïðàâèëüíóþ òðåóãîëüíóþ ïèðàìèäó, ìîëåêóëà ìåòàíà CH4 — ïðàâèëüíûé òåòðàýäð. Ïðåäñòàâëåíèÿ î ñèììåòðèè âåñüìà ïîëåçíû ïðè òåîðåòè÷åñêîì àíàëèçå ñòðîåíèÿ êîìïëåêñíûõ ñîåäèíåíèé, èõ ñâîéñòâ è ïîâåäåíèÿ. Â áèîëîãèè ñèììåòðèè äàâíî èçó÷àþòñÿ ñïåöèàëèñòàìè. Íàèáîëüøèé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿåò ñòðóêòóðíàÿ ñèììåòðèÿ áèîîáúåêòîâ. Îíà ïðîÿâëÿåòñÿ â âèäå òîãî èëè èíîãî çàêîíîìåðíîãî ïîâòîðåíèÿ. Íà íèçøèõ ýòàïàõ ðàçâèòèÿ æèâîé ïðèðîäû âñòðå÷àþòñÿ ïðåäñòàâèòåëè âñåõ êëàññîâ òî÷å÷íîé ñèììåòðèè (ïðàâèëüíûå ìíîãîãðàííèêè, øàðû). Íà áîëåå âûñîêèõ ñòóïåíÿõ ýâîëþöèè âñòðå÷àþòñÿ ðàñòåíèÿ è æèâîòíûå â îñíîâíîì ñ àêñèàëüíîé è àêòèíîìîðôíîé ñèììåòðèåé. Áèîîáúåêòû ñ àêñèàëüíîé ñèììåòðèåé õàðàêòåðèçóþòñÿ îñüþ ñèììåòðèè (ìåäóçà, öâåòîê ôëîêñà), à ñ àêòèíîìîðôíîé — îñüþ ñèììåòðèè è ïåðåñåêàþùèìèñÿ íà ýòîé îñè ïëîñêîñòÿìè (íàïðèìåð, áàáî÷êà ñ äâóñòîðîííåé ñèììåòðèåé). Øèðîêî èçâåñòíà ñèììåòðèÿ êðèñòàëëîâ. Ýòî ñâîéñòâî êðèñòàëëîâ êàê áû ñîâìåùàòüñÿ ñ ñîáîé â ðàçëè÷íûõ ïîëîæåíèÿõ ïóòåì ïîâîðîòîâ, îòðàæåíèé, ïàðàëëåëüíûõ ïåðåíîñîâ. Ñèììåòðèÿ âíåøíåé ôîðìû êðèñòàëëîâ îïðåäåëÿåòñÿ ñèììåòðèåé èõ àòîìíîãî ñòðîåíèÿ. Âñå ýòî ñâÿçàíî ñ ñèììåòðèåé ôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ êðèñòàëëîâ.

Ñèììåòðèÿ è çàêîíû ñîõðàíåíèÿ Â 1918 ã. íåìåöêèé ìàòåìàòèê Ýììè Íåòåð äîêàçàëà ôóíäàìåíòàëüíóþ òåîðåìó, óñòàíàâëèâàþùóþ ñâÿçü ìåæäó ñâîéñòâàìè ñèììåòðèè

68 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè è çàêîíàìè ñîõðàíåíèÿ. Ñóòü òåîðåìû â òîì, ÷òî íåïðåðûâíûìè ïðåîáðàçîâàíèÿìè â ïðîñòðàíñòâå–âðåìåíè, îñòàâëÿþùèìè èíâàðèàíòíûì äåéñòâèå, ÿâëÿþòñÿ: ñäâèã âî âðåìåíè, ñäâèã â ïðîñòðàíñòâå, òðåõìåðíîå ïðîñòðàíñòâåííîå âðàùåíèå, ÷åòûðåõìåðíûå âðàùåíèÿ â ïðîñòðàíñòâå–âðåìåíè. Ñîãëàñíî òåîðåìå Íåòåð, èç èíâàðèàíòíîñòè îòíîñèòåëüíî ñäâèãà âî âðåìåíè ñëåäóåò çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè; èç èíâàðèàíòíîñòè îòíîñèòåëüíî ïðîñòðàíñòâåííûõ ñäâèãîâ — çàêîí ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà; èç èíâàðèàíòíîñòè îòíîñèòåëüíî ïðîñòðàíñòâåííîãî âðàùåíèÿ — çàêîí ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà; èíâàðèàíòíîñòü îòíîñèòåëüíî ïðåîáðàçîâàíèé Ëîðåíöà (÷åòûðåõìåðíûå âðàùåíèÿ â ïðîñòðàíñòâå–âðåìåíè) — îáîáùåííûé çàêîí äâèæåíèÿ öåíòðà ìàññ: öåíòð ìàññ ðåëÿòèâèñòñêîé ñèñòåìû äâèæåòñÿ ðàâíîìåðíî è ïðÿìîëèíåéíî. Òåîðåìà Íåòåð îòíîñèòñÿ íå òîëüêî ê ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííûì ñèììåòðèÿì, íî è ê âíóòðåííèì. Íàïðèìåð, ïðè âñåõ ïðåâðàùåíèÿõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö ñóììà ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ ÷àñòèö ñîõðàíÿåòñÿ íåèçìåííîé. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà â ìàêðîñèñòåìàõ áûë ïîäòâåðæäåí ýêñïåðèìåíòàëüíûì ïóòåì çàäîëãî äî Íåòåð, â 1843 ã. Ì. Ôàðàäååì. Ñòðîãîãî íàó÷íîãî îáúÿñíåíèÿ ïðè÷èí âûïîëíåíèÿ çàêîíà ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà ïîêà íåò.

Ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè Ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè ÿâëÿåòñÿ îñíîâîïîëàãàþùèì â ñîâðåìåííîé ôèçèêå. Ïîíÿòèå äîïîëíèòåëüíîñòè áûëî ââåäåíî â íàóêó Í. Áîðîì â 1928 ã. Ýòî áûëî âðåìÿ ñòàíîâëåíèÿ êâàíòîâîé ìåõàíèêè. Òðóäíî ïåðåîöåíèòü çíà÷åíèå ïðèíöèïà äîïîëíèòåëüíîñòè äëÿ ðàçâèòèÿ íàøèõ ïðåäñòàâëåíèé î ìèðå è ïîçíàíèÿ ðàçëè÷íûõ çàêîíîìåðíîñòåé. Ìû ïðàêòè÷åñêè âñåãäà îïåðèðóåì ïðèíöèïîì äîïîëíèòåëüíîñòè. Òàê, äëÿ õàðàêòåðèñòèêè ìíîãèõ ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ èñïîëüçóåòñÿ îäíîâðåìåííî äâå âåëè÷èíû. Íàïðèìåð, ïðè îöåíêå äâèæåíèÿ ìàòåðèàëüíîé òî÷êè — êîîðäèíàòà òî÷êè è åå ñêîðîñòü. Îäíà âåëè÷èíà êàê áû äîïîëíÿåò äðóãóþ. Ýòî õàðàêòåðíî ïðàêòè÷åñêè äëÿ ëþáûõ äâèæóùèõñÿ ìàòåðèàëüíûõ îáúåêòîâ. Òàê ðàáîòàåò íà ïðàêòèêå ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè. Îñîáåííî ÿðêî ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè âûñòóïàåò â ìèêðîìèðå. Âñå ìèêðî÷àñòèöû èìåþò äóàëèñòè÷åñêóþ êîðïóñêóëÿðíî-âîëíîâóþ ïðèðîäó. Èíñòðóìåíòàëüíûå ñïîñîáû ïîçâîëèëè îáíàðóæèòü ýòó äâîéñòâåííîñòü ìèêðî÷àñòèö ñíà÷àëà ó ôîòîíà, çàòåì ó ýëåêòðîíà è äðóãèõ ìèêðî÷àñòèö. Ëþáîå óñòðîéñòâî äëÿ äåòåêòèðîâàíèÿ ìèêðî-

3.3. Ïðèíöèïû ñîâðåìåííîé ôèçèêè

69

÷àñòèö ðåãèñòðèðóåò èõ êàê íå÷òî öåëîå, ëîêàëèçîâàííîå â âåñüìà ìàëîé îáëàñòè ïðîñòðàíñòâà. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ìîæíî íàáëþäàòü äèôðàêöèþ è èíòåðôåðåíöèþ ýòèõ æå ìèêðî÷àñòèö íà êðèñòàëëè÷åñêèõ ðåøåòêàõ èëè èñêóññòâåííî ñîçäàííûõ ïðåïÿòñòâèÿõ ïðè èõ äâèæåíèè, òî åñòü ìèêðî÷àñòèöû îáëàäàþò âûðàæåííûìè âîëíîâûìè ñâîéñòâàìè. Îäíàêî ïðè îöåíêå ÿâëåíèé îêðóæàþùåãî íàñ ìèðà ìû íàõîäèìñÿ â ïëåíó íàøèõ ìàêðîñêîïè÷åñêèõ ïðåäñòàâëåíèé. Ïîýòîìó íàáëþäàòåëü, îöåíèâàÿ ìèêðîïðîöåññû, äîëæåí, ïðèíèìàÿ áåç ñîìíåíèÿ ìèêðî÷àñòèöû êàê ëîêàëèçîâàííûå îáúåêòû (÷àñòèöû èëè êîðïóñêóëû), îäíîâðåìåííî «äîìûñëèâàòü» èõ âîëíîâûå ñâîéñòâà. Íàáëþäàòåëü äîëæåí ïðèìåíÿòü äâà äîïîëíÿþùèõ äðóã äðóãà ïîíÿòèÿ. Òîëüêî â ñîâîêóïíîñòè ýòèõ äâóõ íàáîðîâ ïîíÿòèé èíôîðìàöèÿ î ìèêðîïðîöåññàõ áóäåò äîñòîâåðíîé. Òàêèì îáðàçîì, îäíà õàðàêòåðèñòèêà ñïîñîáíà îòðàçèòü òîëüêî ÷àñòü èñòèíû, à ñîáðàâ ïðîòèâîðå÷àùèå äðóã äðóãó õàðàêòåðèñòèêè îäíîãî îáúåêòà, ìîæíî ïîëó÷èòü ïîëíóþ êàðòèíó ýòîãî îáúåêòà. Â îáùåé ôîðìå ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü òàê:

} Â îáëàñòè êâàíòîâûõ ÿâëåíèé íàèáîëåå îáùèå ôèçè÷åñêèå ñâîéñòâà êàêîé-ëèáî ñèñòåìû äîëæíû áûòü âûðàæåíû ñ ïîìîùüþ äîïîëíÿþùèõ äðóã äðóãà ïàð íåçàâèñèìûõ ïåðåìåííûõ, êàæäàÿ èç êîòîðûõ ìîæåò áûòü ëó÷øå îïðåäåëåíà òîëüêî çà ñ÷åò ñîîòâåòñòâóþùåãî óìåíüøåíèÿ ñòåïåíè îïðåäåëåííîñòè äðóãîé 1 .

Ïðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòè Ãåéçåíáåðãà Ïðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòè ÿâëÿåòñÿ ôóíäàìåíòàëüíûì çàêîíîì ìèêðîìèðà. Åãî ìîæíî ñ÷èòàòü ÷àñòíûì âûðàæåíèåì ïðèíöèïà äîïîëíèòåëüíîñòè. Â êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêå ÷àñòèöà äâèæåòñÿ ïî îïðåäåëåííîé òðàåêòîðèè, è â ëþáîé ìîìåíò âðåìåíè âîçìîæíî òî÷íî îïðåäåëèòü åå êîîðäèíàòû è åå èìïóëüñ. Îòíîñèòåëüíî ìèêðî÷àñòèöû òàêîå ïðåäñòàâëåíèå íåïðàâîìåðíî. Ìèêðî÷àñòèöà íå èìååò ÷åòêî âûðàæåííîé òðàåêòîðèè, îíà îáëàäàåò è ñâîéñòâàìè ÷àñòèöû, è ñâîéñòâàìè âîëíû (êîðïóñêóëÿðíî-âîëíîâîé äóàëèçì). Â ýòîì ñëó÷àå ïîíÿòèå «äëèíà âîëíû â äàííîé òî÷êå» íå èìååò ôèçè÷åñêîãî ñìûñëà, à ïîñêîëüêó èìïóëüñ ìèêðî÷àñòèöû âûðàæàåòñÿ ÷åðåç äëèíó âîëíû — p = h l , òî îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî ìèêðî÷àñòèöà ñ îïðåäåëåííûì èìïóëüñîì èìååò ïîëíîñòüþ íåîïðåäåëåííóþ êîîðäèíàòó, è íàîáîðîò. 1

Ôîðìóëèðîâêà ïðèíàäëåæèò èçâåñòíîìó ôèçèêó Ä. Áîìó.

70 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè Â. Ãåéçåíáåðã (1927 ã.), ó÷èòûâàÿ äâîéñòâåííóþ ïðèðîäó ìèêðî÷àñòèö, ïðèøåë ê âûâîäó, ÷òî íåâîçìîæíî îäíîâðåìåííî ñ ëþáîé íàïåðåä çàäàííîé òî÷íîñòüþ õàðàêòåðèçîâàòü ìèêðî÷àñòèöó è êîîðäèíàòàìè, è èìïóëüñîì. Ñîîòíîøåíèÿìè íåîïðåäåëåííîñòåé Ãåéçåíáåðãà íàçûâàþòñÿ íåðàâåíñòâà: Dx · Dpx ³ h, Dy · Dpy ³ h, Dz · Dpz ³ h. Çäåñü Dx, Dy, Dz îçíà÷àþò èíòåðâàëû êîîðäèíàò, â êîòîðûõ ìîæåò áûòü ëîêàëèçîâàíà ìèêðî÷àñòèöà (ýòè èíòåðâàëû è åñòü íåîïðåäåëåííîñòè êîîðäèíàò), Dpx, Dpy, Dpz îçíà÷àþò èíòåðâàëû ïðîåêöèé èìïóëüñà íà êîîðäèíàòíûå îñè x, y, z, h — ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà. Ñîãëàñíî ïðèíöèïó íåîïðåäåëåííîñòåé, ÷åì òî÷íåå ôèêñèðóåòñÿ èìïóëüñ, òåì çíà÷èòåëüíåå áóäåò íåîïðåäåëåííîñòü ïî êîîðäèíàòå, è íàîáîðîò.

Ïðèíöèï ñîîòâåòñòâèÿ Ïî ìåðå ðàçâèòèÿ íàóêè, óãëóáëåíèÿ íàêîïëåííûõ çíàíèé íîâûå òåîðèè ñòàíîâÿòñÿ áîëåå òî÷íûìè. Íîâûå òåîðèè îõâàòûâàþò âñå áîëåå øèðîêèå ãîðèçîíòû ìàòåðèàëüíîãî ìèðà è ïðîíèêàþò â ðàíåå íåèçâåäàííûå ãëóáèíû. Äèíàìè÷åñêèå òåîðèè ñìåíÿþòñÿ ñòàòè÷åñêèìè. Êàæäàÿ ôóíäàìåíòàëüíàÿ òåîðèÿ èìååò îïðåäåëåííûå ãðàíèöû ïðèìåíèìîñòè. Ïîýòîìó ïîÿâëåíèå íîâîé òåîðèè íå îçíà÷àåò ïîëíîãî îòðèöàíèÿ ñòàðîé. Òàê, äâèæåíèå òåë â ìàêðîìèðå ñî ñêîðîñòÿìè çíà÷èòåëüíî ìåíüøèìè, ÷åì ñêîðîñòü ñâåòà, âñåãäà áóäåò îïèñûâàòüñÿ êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêîé Íüþòîíà. Îäíàêî ïðè ñêîðîñòÿõ, ñîèçìåðèìûõ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà (ðåëÿòèâèñòñêèõ ñêîðîñòÿõ), ìåõàíèêà Íüþòîíà íåïðèìåíèìà. Îáúåêòèâíî èìååò ìåñòî ïðååìñòâåííîñòü ôóíäàìåíòàëüíûõ ôèçè÷åñêèõ òåîðèé. Ýòî è åñòü ïðèíöèï ñîîòâåòñòâèÿ, êîòîðûé ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü ñëåäóþùèì îáðàçîì: íèêàêàÿ íîâàÿ òåîðèÿ íå ìîæåò áûòü ñïðàâåäëèâîé, åñëè îíà íå ñîäåðæèò â êà÷åñòâå ïðåäåëüíîãî ñëó÷àÿ ñòàðóþ òåîðèþ, îòíîñÿùóþñÿ ê òåì æå ÿâëåíèÿì, ïîñêîëüêó ñòàðàÿ òåîðèÿ óæå îïðàâäàëà ñåáÿ â ñâîåé îáëàñòè.

3.4. Ïîíÿòèå î ñîñòîÿíèè ñèñòåìû. Ëàïëàñîâñêèé äåòåðìèíèçì Â êëàññè÷åñêîé ôèçèêå ñèñòåìà ïîíèìàåòñÿ êàê ñîâîêóïíîñòü êàêèõòî ÷àñòåé, ñâÿçàííûõ ìåæäó ñîáîé îïðåäåëåííûì îáðàçîì. Ýòè ÷àñòè

3.4. Ïîíÿòèå î ñîñòîÿíèè ñèñòåìû. Ëàïëàñîâñêèé äåòåðìèíèçì

71

(ýëåìåíòû) ñèñòåìû ìîãóò âîçäåéñòâîâàòü äðóã íà äðóãà, è ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî èõ âçàèìîâîçäåéñòâèå âñåãäà ìîæåò îöåíèâàòüñÿ ñ ïîçèöèé ïðè÷èííî-ñëåäñòâåííûõ îòíîøåíèé ìåæäó âçàèìîäåéñòâóþùèìè ýëåìåíòàìè ñèñòåìû. Ôèëîñîôñêîå ó÷åíèå îá îáúåêòèâíîñòè çàêîíîìåðíîé âçàèìîñâÿçè è âçàèìîîáóñëîâëåííîñòè ÿâëåíèé ìàòåðèàëüíîãî è äóõîâíîãî ìèðà íàçûâàþò äåòåðìèíèçìîì. Öåíòðàëüíûì ïîíÿòèåì äåòåðìèíèçìà ÿâëÿåòñÿ ïîëîæåíèå î ñóùåñòâîâàíèè ïðè÷èííîñòè; ïðè÷èííîñòü èìååò ìåñòî, êîãäà îäíî ÿâëåíèå ïîðîæäàåò äðóãîå ÿâëåíèå (ñëåäñòâèå). Êëàññè÷åñêàÿ ôèçèêà ñòîèò íà ïîçèöèÿõ æåñòêîãî äåòåðìèíèçìà, êîòîðûé íàçûâàþò ëàïëàñîâñêèì, — èìåííî Ïüåð Ñèìîí Ëàïëàñ ïðîâîçãëàñèë ïðèíöèï ïðè÷èííîñòè êàê ôóíäàìåíòàëüíûé çàêîí ïðèðîäû. Ëàïëàñ ñ÷èòàë, ÷òî åñëè èçâåñòíî ðàñïîëîæåíèå ýëåìåíòîâ (êàêèõòî òåë) ñèñòåìû è äåéñòâóþùèå â íåé ñèëû, òî ìîæíî ñ ïîëíîé äîñòîâåðíîñòüþ ïðåäñêàçàòü, êàê áóäåò äâèãàòüñÿ êàæäîå òåëî ýòîé ñèñòåìû ñåé÷àñ è â áóäóùåì. Îí ïèñàë: «Ìû äîëæíû ðàññìàòðèâàòü ñóùåñòâóþùåå ñîñòîÿíèå Âñåëåííîé êàê ñëåäñòâèå ïðåäûäóùåãî ñîñòîÿíèÿ è êàê ïðè÷èíó ïîñëåäóþùåãî. Óì, êîòîðûé â äàííûé ìîìåíò çíàë áû âñå ñèëû, äåéñòâóþùèå â ïðèðîäå, è îòíîñèòåëüíîå ïîëîæåíèå âñåõ ñîñòàâëÿþùèõ åå ñóùíîñòåé, åñëè áû îí åùå áûë ñòîëü îáøèðåí, ÷òîáû ââåñòè â ðàñ÷åò âñå ýòè äàííûå, îõâàòèë áû îäíîé è òîé æå ôîðìóëîé äâèæåíèÿ êðóïíåéøèõ òåë Âñåëåííîé è ëåã÷àéøèõ àòîìîâ. Íè÷òî íå áûëî áû äëÿ íåãî íåäîñòîâåðíûì, è áóäóùåå, êàê è ïðîøåäøåå, ñòîÿëî áû ïåðåä åãî ãëàçàìè». Òðàäèöèîííî ýòî ãèïîòåòè÷åñêîå ñóùåñòâî, êîòîðîå ìîãëî áû (ïî Ëàïëàñó) ïðåäñêàçàòü ðàçâèòèå Âñåëåííîé, â íàóêå íàçûâàþò «äåìîíîì Ëàïëàñà». Â êëàññè÷åñêèé ïåðèîä ðàçâèòèÿ åñòåñòâîçíàíèÿ óòâåðæäàåòñÿ ïðåäñòàâëåíèå î òîì, ÷òî òîëüêî äèíàìè÷åñêèå çàêîíû ïîëíîñòüþ õàðàêòåðèçóþò ïðè÷èííîñòü â ïðèðîäå. Ëàïëàñ ïûòàëñÿ îáúÿñíèòü âåñü ìèð, â òîì ÷èñëå ôèçèîëîãè÷åñêèå, ïñèõîëîãè÷åñêèå, ñîöèàëüíûå ÿâëåíèÿ ñ òî÷êè çðåíèÿ ìåõàíèñòè÷åñêîãî äåòåðìèíèçìà, êîòîðûé îí ðàññìàòðèâàë êàê ìåòîäîëîãè÷åñêèé ïðèíöèï ïîñòðîåíèÿ âñÿêîé íàóêè. Îáðàçåö ôîðìû íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ Ëàïëàñ âèäåë â íåáåñíîé ìåõàíèêå. Òàêèì îáðàçîì, ëàïëàñîâñêèé äåòåðìèíèçì îòðèöàåò îáúåêòèâíóþ ïðèðîäó ñëó÷àéíîñòè, ïîíÿòèå âåðîÿòíîñòè ñîáûòèÿ. Äàëüíåéøåå ðàçâèòèå åñòåñòâîçíàíèÿ ïðèâåëî ê íîâûì ïðåäñòàâëåíèÿì ïðè÷èííîñòè è ñëåäñòâèÿ. Äëÿ íåêîòîðûõ ïðèðîäíûõ ïðîöåññîâ òðóäíî îïðåäåëèòü ïðè÷èíó — íàïðèìåð, ðàäèîàêòèâíûé ðàñïàä ïðîèñõîäèò ñëó÷àéíî. Íåëüçÿ îäíîçíà÷íî ñâÿçàòü âðåìÿ «âûëåòà»

72 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè a- èëè b-÷àñòèöû èç ÿäðà è çíà÷åíèå åå ýíåðãèè. Ïîäîáíûå ïðîöåññû îáúåêòèâíî ñëó÷àéíû. Îñîáåííî ìíîãî òàêèõ ïðèìåðîâ â áèîëîãèè. Â íûíåøíåì åñòåñòâîçíàíèè ñîâðåìåííûé äåòåðìèíèçì ïðåäëàãàåò ðàçíîîáðàçíûå, îáúåêòèâíî ñóùåñòâóþùèå ôîðìû âçàèìîñâÿçè ïðîöåññîâ è ÿâëåíèé, ìíîãèå èç êîòîðûõ âûðàæàþòñÿ â âèäå ñîîòíîøåíèé, íå èìåþùèõ âûðàæåííûõ ïðè÷èííûõ ñâÿçåé, òî åñòü íå ñîäåðæàùèõ â ñåáå ìîìåíòîâ ïîðîæäåíèÿ îäíîãî äðóãèì. Ýòî è ïðîñòðàíñòâåííîâðåìåííûå ñâÿçè, îòíîøåíèÿ ñèììåòðèè è îïðåäåëåííûõ ôóíêöèîíàëüíûõ çàâèñèìîñòåé, âåðîÿòíîñòíûå ñîîòíîøåíèÿ è ò. ä. Îäíàêî âñå ôîðìû ðåàëüíûõ âçàèìîäåéñòâèé ÿâëåíèé îáðàçóþòñÿ íà îñíîâå âñåîáùåé äåéñòâóþùåé ïðè÷èííîñòè, âíå êîòîðîé íå ñóùåñòâóåò íè îäíîãî ÿâëåíèÿ äåéñòâèòåëüíîñòè, â òîì ÷èñëå è òàê íàçûâàåìûõ ñëó÷àéíûõ ÿâëåíèé, â ñîâîêóïíîñòè êîòîðûõ ïðîÿâëÿþòñÿ ñòàòè÷åñêèå çàêîíû. Íàóêà ïðîäîëæàåò ðàçâèâàòüñÿ, îáîãàùàåòñÿ íîâûìè êîíöåïöèÿìè, çàêîíàìè, ïðèíöèïàìè, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò îá îãðàíè÷åííîñòè ëàïëàñîâñêîãî äåòåðìèíèçìà. Îäíàêî êëàññè÷åñêàÿ ôèçèêà, â ÷àñòíîñòè êëàññè÷åñêàÿ ìåõàíèêà, èìååò è ñåãîäíÿ ñâîþ íèøó ïðèìåíåíèÿ. Åå çàêîíû âïîëíå ïðèìåíèìû äëÿ îòíîñèòåëüíî ìåäëåííûõ äâèæåíèé, ñêîðîñòü êîòîðûõ çíà÷èòåëüíî ìåíüøå ñêîðîñòè ñâåòà. Çíà÷åíèå êëàññè÷åñêîé ôèçèêè â ñîâðåìåííûé ïåðèîä õîðîøî îïðåäåëèë îäèí èç ñîçäàòåëåé êâàíòîâîé ìåõàíèêè Íèëüñ Áîð: «Êàê áû äàëåêî íè âûõîäèëè ÿâëåíèÿ çà ðàìêè êëàññè÷åñêîãî ôèçè÷åñêîãî îáúÿñíåíèÿ, âñå îïûòíûå äàííûå äîëæíû îïèñûâàòüñÿ ïðè ïîìîùè êëàññè÷åñêèõ ïîíÿòèé. Îáîñíîâàíèå ýòîãî ñîñòîèò ïðîñòî â êîíñòàòàöèè òî÷íîãî çíà÷åíèÿ ñëîâà “ýêñïåðèìåíò”. Ñëîâîì “ýêñïåðèìåíò” ìû óêàçûâàåì íà òàêóþ ñèòóàöèþ, êîãäà ìû ìîæåì ñîîáùàòü äðóãèì, ÷òî èìåííî ìû ñäåëàëè è ÷òî èìåííî ìû óçíàëè. Ïîýòîìó ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ óñòàíîâêà è ðåçóëüòàòû íàáëþäåíèé äîëæíû îïèñûâàòüñÿ îäíîçíà÷íûì îáðàçîì íà ÿçûêå êëàññè÷åñêîé ôèçèêè».

3.5. Ñïåöèàëüíàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè (ÑÒÎ) Ââåäåíèå â ÑÒÎ Ñ òåîðèåé îòíîñèòåëüíîñòè ìû çíàêîìèìñÿ åùå â ñðåäíåé øêîëå. Ýòà òåîðèÿ îáúÿñíÿåò íàì ÿâëåíèÿ îêðóæàþùåãî ìèðà òàêèì îáðàçîì, ÷òî ýòî ïðîòèâîðå÷èò «çäðàâîìó ñìûñëó». Ïðàâäà, åùå òîò æå À. Ýéíøòåéí â ñâîå âðåìÿ çàìåòèë: «Çäðàâûé ñìûñë — ýòî ïðåäðàññóäêè, êîòîðûå ñêëàäûâàþòñÿ â âîçðàñòå äî âîñåìíàäöàòè ëåò».

3.5. Ñïåöèàëüíàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè (ÑÒÎ)

73

Åùå â XVIII â. ó÷åíûå ïûòàëèñü îòâåòèòü íà âîïðîñû î òîì, êàê ïåðåäàåòñÿ ãðàâèòàöèîííîå âçàèìîäåéñòâèå è êàê ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ñâåò (ïîçæå âîîáùå ëþáûå ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû). Ïîèñêè îòâåòîâ íà ýòè âîïðîñû è ÿâèëèñü ïðè÷èíîé ðàçðàáîòêè òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè. Â XIX â. ôèçèêè áûëè óáåæäåíû, ÷òî ñóùåñòâóåò òàê íàçûâàåìûé ýôèð (ìèðîâîé ýôèð, ñâåòîíîñíûé ýôèð). Ïî ïðåäñòàâëåíèÿì ïðîøëûõ ñòîëåòèé, ýòî íåêàÿ âñåïðîíèêàþùàÿ âñåçàïîëíÿþùàÿ ñðåäà. Ðàçâèòèå ôèçèêè âî âòîðîé ïîëîâèíå XIX â. òðåáîâàëî îò ó÷åíûõ ìàêñèìàëüíî êîíêðåòèçèðîâàòü ïðåäñòàâëåíèÿ îá ýôèðå. Åñëè ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ýôèð ïîäîáåí ãàçó, òî â íåì ìîãëè áû ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ òîëüêî ïðîäîëüíûå âîëíû, à ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû — ïîïåðå÷íûå. Íåïîíÿòíî, êàê â òàêîì ýôèðå ìîãëè áû äâèãàòüñÿ íåáåñíûå òåëà. Èìåëèñü è äðóãèå ñåðüåçíûå âîçðàæåíèÿ ïðîòèâ ýôèðà. Â òî æå âðåìÿ øîòëàíäñêèé ôèçèê Äæåéìñ Ìàêñâåëë (1831–1879) ñîçäàë òåîðèþ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ, èç êîòîðîé, â ÷àñòíîñòè, ñëåäîâàëà âåëè÷èíà êîíå÷íîé ñêîðîñòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ýòîãî ïîëÿ â ïðîñòðàíñòâå — 300 000 êì/ñ. Íåìåöêèé ôèçèê Ãåíðèõ Ãåðö (1857–1894) äîêàçàë îïûòíûì ïóòåì èäåíòè÷íîñòü ñâåòà, òåïëîâûõ ëó÷åé è ýëåêòðîìàãíèòíîãî «âîëíîâîãî äâèæåíèÿ». Îí îïðåäåëèë, ÷òî ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñèëà äåéñòâóåò ñî ñêîðîñòüþ 300 000 êì/ñ. Áîëüøå òîãî, Ãåðö óñòàíîâèë, ÷òî «ýëåêòðè÷åñêèå ñèëû ìîãóò îòäåëÿòüñÿ îò âåñîìûõ òåë è ñóùåñòâîâàòü äàëåå ñàìîñòîÿòåëüíî êàê ñîñòîÿíèå èëè èçìåíåíèå ïðîñòðàíñòâà». Îäíàêî ñèòóàöèÿ ñ ýôèðîì ñòàâèëà ìíîãî âîïðîñîâ, è äëÿ îòìåíû ýòîãî ïîíÿòèÿ òðåáîâàëñÿ ïðÿìîé ýêñïåðèìåíò. Èäåþ åãî ñôîðìóëèðîâàë åùå Ìàêñâåëë, ïðåäëîæèâøèé èñïîëüçîâàòü â êà÷åñòâå äâèæóùåãîñÿ òåëà Çåìëþ, êîòîðàÿ ïåðåìåùàåòñÿ ïî îðáèòå ñî ñêîðîñòüþ 30 êì/ñ. Òàêîé îïûò òðåáîâàë êðàéíå âûñîêîé òî÷íîñòè èçìåðåíèé. Ýòó òðóäíåéøóþ çàäà÷ó â 1881 ã. ðåøèëè àìåðèêàíñêèå ôèçèêè À. Ìàéêåëüñîí è Ý. Ìîðëè. Ñîãëàñíî ãèïîòåçå «íåïîäâèæíîãî ýôèðà», ìîæíî íàáëþäàòü «ýôèðíûé âåòåð» ïðè äâèæåíèè Çåìëè ñêâîçü «ýôèð», à ñêîðîñòü ñâåòà ïî îòíîøåíèþ ê Çåìëå äîëæíà çàâèñåòü îò íàïðàâëåíèÿ ñâåòîâîãî ëó÷à îòíîñèòåëüíî íàïðàâëåíèÿ äâèæåíèÿ Çåìëè â ýôèðå (òî åñòü ñâåò íàïðàâëÿåòñÿ ïî äâèæåíèþ Çåìëè è ïðîòèâ). Ñêîðîñòè ïðè íàëè÷èè ýôèðà äîëæíû áûëè áûòü ðàçëè÷íûìè. Íî îíè îêàçàëèñü íåèçìåííûìè. Ýòî ïîêàçûâàëî, ÷òî ýôèðà íåò. Ýòîò îòðèöàòåëüíûé ðåçóëüòàò ñòàë ïîäòâåðæäåíèåì òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè. Îïûò Ìàéêåëüñîíà è Ìîðëè ïî îïðåäåëåíèþ ñêîðîñòè ñâåòà íåîäíîêðàòíî ïîâòîðÿëñÿ ïîçäíåå, â 1885–1887 ãã., ñ òåì æå ðåçóëüòàòîì. Â 1904 ã. íà íàó÷íîì êîíãðåññå ôðàíöóçñêèé ìàòåìàòèê Àíðè Ïóàíêàðå (1854–1912) âûñêàçàë ìíåíèå, ÷òî â ïðèðîäå íå ìîæåò áûòü ñêî-

74 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè ðîñòåé, áîëüøèõ ñêîðîñòè ñâåòà. Òîãäà æå À. Ïóàíêàðå ñôîðìóëèðîâàë ïðèíöèï îòíîñèòåëüíîñòè êàê âñåîáùèé çàêîí ïðèðîäû. Â 1905 ã. îí ïèñàë: «Íåâîçìîæíîñòü äîêàçàòü ïóòåì îïûòîâ àáñîëþòíîå äâèæåíèå Çåìëè ÿâëÿåòñÿ, î÷åâèäíî, îáùèì çàêîíîì ïðèðîäû». Çäåñü æå îí óêàçûâàåò íà ïðåîáðàçîâàíèÿ Ëîðåíöà è íà îáùóþ ñâÿçü ïðîñòðàíñòâåííûõ è âðåìåííûõ êîîðäèíàò. Àëüáåðò Ýéíøòåéí (1879–1955), ñîçäàâàÿ ñïåöèàëüíóþ òåîðèþ îòíîñèòåëüíîñòè, î ðåçóëüòàòàõ Ïóàíêàðå åùå íå çíàë. Ïîçæå Ýéíøòåéí íàïèøåò: «ß ñîâåðøåííî íå ïîíèìàþ, ïî÷åìó ìåíÿ ïðåâîçíîñÿò êàê ñîçäàòåëÿ òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè. Íå áóäü ìåíÿ, ÷åðåç ãîä ýòî áû ñäåëàë Ïóàíêàðå, ÷åðåç äâà ãîäà ñäåëàë áû Ìèíêîâñêèé, â êîíöå êîíöîâ, áîëåå ïîëîâèíû â ýòîì äåëå ïðèíàäëåæèò Ëîðåíöó. Ìîè çàñëóãè ïðåóâåëè÷åíû». Îäíàêî Ëîðåíö ñî ñâîåé ñòîðîíû â 1912 ã. ïèñàë: «Çàñëóãà Ýéíøòåéíà ñîñòîèò â òîì, ÷òî îí ïåðâûì âûðàçèë ïðèíöèï îòíîñèòåëüíîñòè â âèäå âñåîáùåãî, ñòðîãîãî çàêîíà».

Äâà ïîñòóëàòà Ýéíøòåéíà â ÑÒÎ Äëÿ îïèñàíèÿ ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèé Ãàëèëåé ââåë ïîíÿòèå èíåðöèàëüíîé ñèñòåìû. Â òàêîé ñèñòåìå òåëî, íà êîòîðîå íå äåéñòâóåò êàêàÿ-ëèáî ñèëà, íàõîäèòñÿ â ïîêîå èëè â ñîñòîÿíèè ðàâíîìåðíîãî ïðÿìîëèíåéíîãî äâèæåíèÿ. Çàêîíû, îïèñûâàþùèå ìåõàíè÷åñêîå äâèæåíèå, â ðàçëè÷íûõ èíåðöèàëüíûõ ñèñòåìàõ îäèíàêîâî ñïðàâåäëèâû, òî åñòü íå èçìåíÿþòñÿ ïðè ïåðåõîäå îò îäíîé ñèñòåìû êîîðäèíàò ê äðóãîé. Íàïðèìåð, åñëè ïàññàæèð èäåò â äâèæóùåìñÿ âàãîíå ïîåçäà â íàïðàâëåíèè åãî äâèæåíèÿ ñî ñêîðîñòüþ v1 = 4 êì/÷, à ïîåçä äâèæåòñÿ ñî ñêîðîñòüþ v2 = 46 êì/÷, òî ñêîðîñòü ïàññàæèðà îòíîñèòåëüíî æåëåçíîäîðîæíîãî ïîëîòíà áóäåò vS = v1 + v2 = 50 êì/÷, òî åñòü çäåñü èìååòñÿ ñëîæåíèå ñêîðîñòåé. Ïî «çäðàâîìó ñìûñëó» ýòî íåçûáëåìûé ôàêò: ®

®

®

v S = v1 + v 2 . Îäíàêî â ìèðå áîëüøèõ ñêîðîñòåé, ñîèçìåðèìûõ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà, óêàçàííàÿ ôîðìóëà ñëîæåíèÿ ñêîðîñòåé ïðîñòî íåâåðíà. Â ïðèðîäå ñâåò ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ñî ñêîðîñòüþ ñ = 300 000 êì/ñ íåçàâèñèìî îò òîãî, â êàêóþ ñòîðîíó ïî îòíîøåíèþ ê íàáëþäàòåëþ äâèæåòñÿ èñòî÷íèê ñâåòà. Â 1905 ã. â íåìåöêîì íàó÷íîì æóðíàëå «Àííàëû ôèçèêè» 26-ëåòíèé Àëüáåðò Ýéíøòåéí îïóáëèêîâàë ñòàòüþ «Îá ýëåêòðîäèíàìèêå äâèæóùèõñÿ òåë». Â ýòîé ñòàòüå îí ñôîðìóëèðîâàë äâà çíàìåíèòûõ ïîñòóëàòà, êîòîðûå ëåãëè â îñíîâàíèå ÷àñòíîé, èëè ñïåöèàëüíîé, òåî-


75

ðèè îòíîñèòåëüíîñòè (ÑÒÎ), èçìåíèâøåé êëàññè÷åñêèå ïðåäñòàâëåíèÿ î ïðîñòðàíñòâå è âðåìåíè. Â ïåðâîì ïîñòóëàòå Ýéíøòåéí ðàçâèë êëàññè÷åñêèé ïðèíöèï îòíîñèòåëüíîñòè Ãàëèëåÿ. Îí ïîêàçàë, ÷òî ýòîò ïðèíöèï ÿâëÿåòñÿ âñåîáùèì, â òîì ÷èñëå è äëÿ ýëåêòðîäèíàìèêè (à íå òîëüêî äëÿ ìåõàíè÷åñêèõ ñèñòåì). Ýòî ïîëîæåíèå íå áûëî îäíîçíà÷íûì, òàê êàê ïîòðåáîâàëîñü îòêàçàòüñÿ îò íüþòîíîâñêîãî äàëüíîäåéñòâèÿ. Îáîáùåííûé ïðèíöèï îòíîñèòåëüíîñòè Ýéíøòåéíà óòâåðæäàåò, ÷òî íèêàêèìè ôèçè÷åñêèìè îïûòàìè (ìåõàíè÷åñêèìè è ýëåêòðîìàãíèòíûìè) âíóòðè äàííîé ñèñòåìû îòñ÷åòà íåëüçÿ óñòàíîâèòü, äâèæåòñÿ ýòà ñèñòåìà ðàâíîìåðíî èëè ïîêîèòñÿ. Ïðè ýòîì ïðîñòðàíñòâî è âðåìÿ ÿâëÿþòñÿ ñâÿçàííûìè äðóã ñ äðóãîì, çàâèñÿùèìè äðóã îò äðóãà (ó Ãàëèëåÿ è Íüþòîíà ïðîñòðàíñòâî è âðåìÿ íåçàâèñèìû äðóã îò äðóãà). Âòîðîé ïîñòóëàò ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè Ýéíøòåéí ïðåäëîæèë ïîñëå àíàëèçà ýëåêòðîäèíàìèêè Ìàêñâåëëà — ýòî ïðèíöèï ïîñòîÿíñòâà ñêîðîñòè ñâåòà â âàêóóìå, êîòîðàÿ ïðèìåðíî ðàâíà 300 000 êì/ñ. Ñêîðîñòü ñâåòà — ýòî ñàìàÿ áîëüøàÿ ñêîðîñòü â íàøåé Âñåëåííîé. Áîëüøå ñêîðîñòè 300 000 êì/ñ â îêðóæàþùåì íàñ ìèðå áûòü íå ìîæåò. Â ñîâðåìåííûõ óñêîðèòåëÿõ ìèêðî÷àñòèöû ðàçãîíÿþòñÿ äî îãðîìíûõ ñêîðîñòåé. Íàïðèìåð, ýëåêòðîí ðàçãîíÿåòñÿ äî ñêîðîñòè nå = 0,9999999 Ñ, ãäå nå, Ñ — ñêîðîñòè ýëåêòðîíà è ñâåòà ñîîòâåòñòâåííî. Ïðè ýòîì, ñ òî÷êè çðåíèÿ íàáëþäàòåëÿ, ìàññà ýëåêòðîíà âîçðàñòàåò â 2500 ðàç: me =

me 0

v2 1- e c2

.

Çäåñü me0 — ìàññà ïîêîÿ ýëåêòðîíà, me — ìàññà ýëåêòðîíà íà ñêîðîñòè ve. Äîñòè÷ü ñêîðîñòè ñâåòà ýëåêòðîí íå ìîæåò. Îäíàêî ñóùåñòâóþò ìèêðî÷àñòèöû, êîòîðûå èìåþò ñêîðîñòü ñâåòà, èõ íàçûâàþò «ëþêñîíû». Ê íèì îòíîñÿòñÿ ôîòîíû è íåéòðèíî. Ó íèõ ïðàêòè÷åñêè íåò ìàññû ïîêîÿ, èõ íåëüçÿ çàòîðìîçèòü, îíè âñåãäà äâèæóòñÿ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà ñ. Âñå îñòàëüíûå ìèêðî÷àñòèöû (òàðäèîíû) äâèæóòñÿ ñî ñêîðîñòÿìè ìåíüøå ñêîðîñòè ñâåòà. Ìèêðî÷àñòèöû, ó êîòîðûõ ñêîðîñòü äâèæåíèÿ ìîãëà áû áûòü áîëüøå ñêîðîñòè ñâåòà, íàçûâàþò òàõèîíàìè. Òàêèõ ÷àñòèö â íàøåì ðåàëüíîì ìèðå íåò. Èñêëþ÷èòåëüíî âàæíûì ðåçóëüòàòîì òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ÿâëÿåòñÿ âûÿâëåíèå ñâÿçè ìåæäó ýíåðãèåé è ìàññîé òåëà. Ïðè ìàëûõ ñêîðîñòÿõ

76 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè E » m0 c 2 +

m0 v 2 èëè E = E0 + EÊ, 2

ãäå E = m0 c 2 — ýíåðãèÿ ïîêîÿ ÷àñòèöû ñ ìàññîé ïîêîÿ m0, à ÅÊ — êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ äâèæóùåéñÿ ÷àñòèöû. Îãðîìíûì äîñòèæåíèåì òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ÿâëÿåòñÿ óñòàíîâëåííûé åþ ôàêò ýêâèâàëåíòíîñòè ìàññû è ýíåðãèè (E = m0 c 2 ). Îäíàêî ðå÷ü èäåò íå î ïðåâðàùåíèè ìàññû â ýíåðãèþ è íàîáîðîò, à î òîì, ÷òî ïðåâðàùåíèå ýíåðãèè èç îäíîãî âèäà â äðóãîé ñîîòâåòñòâóåò ïåðåõîäó ìàññû èç îäíîé ôîðìû â äðóãóþ. Ýíåðãèþ íåëüçÿ çàìåíèòü ìàññîé, òàê êàê ýíåðãèÿ õàðàêòåðèçóåò ñïîñîáíîñòü òåëà âûïîëíÿòü ðàáîòó, à ìàññà — ìåðó èíåðöèè. Ïðè ñêîðîñòÿõ ðåëÿòèâèñòñêèõ, áëèçêèõ ê ñêîðîñòè ñâåòà: E = m× c2 =

m0 1-

v2

× c2 ,

c2

ãäå Å — ýíåðãèÿ, m — ìàññà ÷àñòèöû, m0 — ìàññà ïîêîÿ ÷àñòèöû, ñ — ñêîðîñòü ñâåòà â âàêóóìå. Èç ïðèâåäåííîé ôîðìóëû âèäíî, ÷òî äëÿ äîñòèæåíèÿ ñêîðîñòè ñâåòà ÷àñòèöå íóæíî ñîîáùèòü áåñêîíå÷íî áîëüøóþ ýíåðãèþ. Äëÿ ôîòîíîâ è íåéòðèíî ýòà ôîðìóëà íåñïðàâåäëèâà, òàê êàê ó íèõ v = c.

Ðåëÿòèâèñòñêèå ýôôåêòû Ïîä ðåëÿòèâèñòñêèìè ýôôåêòàìè â òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ïîíèìàþò èçìåíåíèÿ ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííûõ õàðàêòåðèñòèê òåë ïðè ñêîðîñòÿõ, ñîèçìåðèìûõ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà. Â êà÷åñòâå ïðèìåðà îáû÷íî ðàññìàòðèâàåòñÿ êîñìè÷åñêèé êîðàáëü òèïà ôîòîííîé ðàêåòû, êîòîðûé ëåòèò â êîñìîñå ñî ñêîðîñòüþ, ñîèçìåðèìîé ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà. Ïðè ýòîì íåïîäâèæíûé íàáëþäàòåëü ìîæåò çàìåòèòü òðè ðåëÿòèâèñòñêèõ ýôôåêòà:

1. Óâåëè÷åíèå ìàññû ïî ñðàâíåíèþ ñ ìàññîé ïîêîÿ. Ñ ðîñòîì ñêîðîñòè ðàñòåò è ìàññà. Åñëè áû òåëî ìîãëî äâèãàòüñÿ ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà, òî åãî ìàññà âîçðîñëà áû äî áåñêîíå÷íîñòè, ÷òî íåâîçìîæíî. Ýéíøòåéí äîêàçàë, ÷òî ìàññà òåëà åñòü ìåðà ñîäåðæàùåéñÿ â íåé ýíåðãèè (E = mc 2 ). Ñîîáùèòü òåëó áåñêîíå÷íóþ ýíåðãèþ íåâîçìîæíî. 2. Ñîêðàùåíèå ëèíåéíûõ ðàçìåðîâ òåëà â íàïðàâëåíèè åãî äâèæåíèÿ. ×åì áîëüøå áóäåò ñêîðîñòü êîñìè÷åñêîãî êîðàáëÿ, ïðîëåòàþùåãî


77

ìèìî íåïîäâèæíîãî íàáëþäàòåëÿ, è ÷åì áëèæå îíà áóäåò ê ñêîðîñòè ñâåòà, òåì ìåíüøå áóäóò ðàçìåðû ýòîãî êîðàáëÿ äëÿ íåïîäâèæíîãî íàáëþäàòåëÿ. Ïðè äîñòèæåíèè êîðàáëåì ñêîðîñòè ñâåòà åãî íàáëþäàåìàÿ äëèíà áóäåò ðàâíà íóëþ, ÷åãî áûòü íå ìîæåò. Íà ñàìîì æå êîðàáëå êîñìîíàâòû ýòèõ èçìåíåíèé íå áóäóò íàáëþäàòü. 3. Çàìåäëåíèå âðåìåíè. Â êîñìè÷åñêîì êîðàáëå, äâèæóùåìñÿ ñî ñêîðîñòüþ, áëèçêîé ê ñêîðîñòè ñâåòà, âðåìÿ òå÷åò ìåäëåííåå, ÷åì ó íåïîäâèæíîãî íàáëþäàòåëÿ. Ýôôåêò çàìåäëåíèÿ âðåìåíè ñêàçàëñÿ áû íå òîëüêî íà ÷àñàõ âíóòðè êîðàáëÿ, íî è íà âñåõ ïðîöåññàõ, ïðîòåêàþùèõ íà íåì, à òàêæå íà áèîëîãè÷åñêèõ ðèòìàõ êîñìîíàâòîâ. Îäíàêî ôîòîííóþ ðàêåòó íåëüçÿ ðàññìàòðèâàòü êàê èíåðöèàëüíóþ ñèñòåìó, èáî îíà âî âðåìÿ ðàçãîíà è òîðìîæåíèÿ äâèæåòñÿ ñ óñêîðåíèåì (à íå ðàâíîìåðíî è ïðÿìîëèíåéíî). Â òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ïðåäëîæåíû ïðèíöèïèàëüíî íîâûå îöåíêè ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííûõ îòíîøåíèé ìåæäó ôèçè÷åñêèìè îáúåêòàìè. Â êëàññè÷åñêîé ôèçèêå ïðè ïåðåõîäå îò îäíîé èíåðöèàëüíîé ñèñòåìû (¹ 1) ê äðóãîé (¹ 2) âðåìÿ îñòàåòñÿ òåì æå — t2 = t1, à ïðîñòðàíñòâåííàÿ êîîðäèíàòà èçìåíÿåòñÿ ïî óðàâíåíèþ x2 = x1 – vt. Â òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ïðèìåíÿþòñÿ òàê íàçûâàåìûå ïðåîáðàçîâàíèÿ Ëîðåíöà: vx 1 c2 t2 = v2 1c2 t1 -

è x2 =

x 1 - vt 1-

v2 c2

×

Èç îòíîøåíèé âèäíî, ÷òî ïðîñòðàíñòâåííûå è âðåìåííûå êîîðäèíàòû çàâèñÿò äðóã îò äðóãà. ×òî êàñàåòñÿ ñîêðàùåíèÿ äëèíû â íàïðàâëåíèè äâèæåíèÿ, òî l 2 = l1 1 -

v2 , c2

à õîä âðåìåíè çàìåäëÿåòñÿ: T2 =

T1

v2 1c2

×

78 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè Â 1971 ã. â ÑØÀ áûë ïîñòàâëåí ýêñïåðèìåíò ïî îïðåäåëåíèþ çàìåäëåíèÿ âðåìåíè. Èçãîòîâèëè äâîå ñîâåðøåííî îäèíàêîâûõ òî÷íûõ ÷àñîâ. Îäíè ÷àñû îñòàâàëèñü íà çåìëå, à äðóãèå ïîìåùàëèñü â ñàìîëåò, êîòîðûé ëåòàë âîêðóã Çåìëè. Ñàìîëåò, ëåòÿùèé ïî êðóãîâîé òðàåêòîðèè âîêðóã Çåìëè, äâèæåòñÿ ñ íåêîòîðûõ óñêîðåíèåì, è çíà÷èò, ÷àñû íà áîðòó ñàìîëåòà íàõîäÿòñÿ â äðóãîé ñèòóàöèè ïî ñðàâíåíèþ ñ ÷àñàìè, ïîêîÿùèìèñÿ íà çåìëå. Â ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíàìè òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ÷àñû-ïóòåøåñòâåííèêè äîëæíû áûëè îòñòàòü îò ïîêîÿùèõñÿ íà 184 íñ, à íà ñàìîì äåëå îòñòàâàíèå ñîñòàâèëî 203 íñ. Áûëè è äðóãèå ýêñïåðèìåíòû, â êîòîðûõ ïðîâåðÿëñÿ ýôôåêò çàìåäëåíèÿ âðåìåíè, è âñå îíè ïîäòâåðäèëè ôàêò çàìåäëåíèÿ. Òàêèì îáðàçîì, ðàçíîå òå÷åíèå âðåìåíè â ñèñòåìàõ êîîðäèíàò, äâèæóùèõñÿ îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà ðàâíîìåðíî è ïðÿìîëèíåéíî, ÿâëÿåòñÿ íåïðåëîæíûì ýêñïåðèìåíòàëüíî óñòàíîâëåííûì ôàêòîì.

Îáùàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè Ïîñëå îïóáëèêîâàíèÿ ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè â 1905 ã. À. Ýéíøòåéí îáðàòèëñÿ ê ñîâðåìåííîìó ïðåäñòàâëåíèþ òÿãîòåíèÿ. Â 1916 ã. îí îïóáëèêîâàë îáùóþ òåîðèþ îòíîñèòåëüíîñòè (ÎÒÎ), êîòîðàÿ ñ ñîâðåìåííûõ ïîçèöèé îáúÿñíÿåò òåîðèþ òÿãîòåíèÿ. Îíà îñíîâûâàåòñÿ íà äâóõ ïîñòóëàòàõ ñïåöèàëüíîé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè è ôîðìóëèðóåò òðåòèé ïîñòóëàò — ïðèíöèï ýêâèâàëåíòíîñòè èíåðòíîé è ãðàâèòàöèîííîé ìàññ. Âàæíåéøèì âûâîäîì ÎÒÎ ÿâëÿåòñÿ ïîëîæåíèå îá èçìåíåíèè ãåîìåòðè÷åñêèõ (ïðîñòðàíñòâåííûõ) è âðåìåííûõ õàðàêòåðèñòèê â ãðàâèòàöèîííûõ ïîëÿõ (à íå òîëüêî ïðè äâèæåíèè ñ áîëüøèìè ñêîðîñòÿìè). Ýòîò âûâîä ñâÿçûâàåò ÎÒÎ ñ ãåîìåòðèåé, òî åñòü â ÎÒÎ íàáëþäàåòñÿ ãåîìåòðèçàöèÿ òÿãîòåíèÿ. Êëàññè÷åñêàÿ ãåîìåòðèÿ Åâêëèäà äëÿ ýòîãî íå ãîäèëàñü. Íîâàÿ ãåîìåòðèÿ ïîÿâèëàñü åùå â XIX â. â òðóäàõ ðóññêîãî ìàòåìàòèêà Í. È. Ëîáà÷åâñêîãî, íåìåöêîãî — Á. Ðèìàíà, âåíãåðñêîãî — ß. Áîëüÿéÿ. Ãåîìåòðèÿ íàøåãî ïðîñòðàíñòâà îêàçàëàñü íååâêëèäîâîé. ÎÒÎ1 — ôèçè÷åñêàÿ òåîðèÿ, â îñíîâå êîòîðîé ëåæèò ðÿä ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ôàêòîâ. Ðàññìîòðèì íåêîòîðûå èç íèõ. Ãðàâèòàöèîííîå ïîëå âëèÿåò íà äâèæåíèå íå òîëüêî ìàññèâíûõ òåë, íî è ñâåòà. Ëó÷ ñâå1

ÎÒÎ — îäíà èç ñàìûõ ñëîæíûõ îáëàñòåé ñîâðåìåííîé ôèçèêè. Îíà áàçèðóåòñÿ íà ãðîìîçäêîì ìàòåìàòè÷åñêîì àïïàðàòå óðàâíåíèé Ýéíøòåéíà, êîòîðûå ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñèñòåìó êîâàðèàíòíûõ óðàâíåíèé â ÷àñòíûõ ïðîèçâîäíûõ.


79

òà îòêëîíÿåòñÿ â ïîëå Ñîëíöà. Èçìåðåíèÿ, ïðîâåäåííûå â 1922 ã. àíãëèéñêèì àñòðîíîìîì À. Ýääèíãòîíîì âî âðåìÿ ñîëíå÷íîãî çàòìåíèÿ, ïîäòâåðäèëè ýòî ïðåäñêàçàíèå Ýéíøòåéíà. Â ÎÒÎ îðáèòû ïëàíåò íåçàìêíóòû. Íåáîëüøîé ýôôåêò òàêîãî ðîäà ìîæíî îïèñûâàòü êàê âðàùåíèå ïåðèãåëèÿ ýëëèïòè÷åñêîé îðáèòû. Ïåðèãåëèé — ýòî áëèæàéøàÿ ê Ñîëíöó òî÷êà îðáèòû íåáåñíîãî òåëà, êîòîðîå äâèæåòñÿ âîêðóã Ñîëíöà ïî ýëëèïñó, ïàðàáîëå èëè ãèïåðáîëå. Àñòðîíîìàì èçâåñòíî, ÷òî ïåðèãåëèé îðáèòû Ìåðêóðèÿ ïîâîðà÷èâàåòñÿ çà ñòîëåòèå ïðèìåðíî íà 6000². Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ ãðàâèòàöèîííûìè âîçìóùåíèÿìè ñî ñòîðîíû äðóãèõ ïëàíåò. Ïðè ýòîì îñòàâàëñÿ íåóñòðàíèìûé îñòàòîê îêîëî 40² çà ñòîëåòèå. Â 1915 ã. Ýéíøòåéí îáúÿñíèë ýòî ðàñõîæäåíèå â ðàìêàõ ÎÒÎ. Ñóùåñòâóþò îáúåêòû, â êîòîðûõ ýôôåêòû ÎÒÎ èãðàþò îïðåäåëÿþùóþ ðîëü. Ê íèì îòíîñÿòñÿ «÷åðíûå äûðû». «×åðíàÿ äûðà» âîçíèêàåò òîãäà, êîãäà çâåçäà ñæèìàåòñÿ íàñòîëüêî ñèëüíî, ÷òî ñóùåñòâóþùåå ãðàâèòàöèîííîå ïîëå íå âûïóñêàåò âî âíåøíåå ïðîñòðàíñòâî äàæå ñâåò. Ïîýòîìó èç òàêîé çâåçäû íå èñõîäèò íèêàêîé èíôîðìàöèè. Ìíîãî÷èñëåííûå àñòðîíîìè÷åñêèå íàáëþäåíèÿ óêàçûâàþò íà ðåàëüíîå ñóùåñòâîâàíèå òàêèõ îáúåêòîâ. ÎÒÎ äàåò ÷åòêîå îáúÿñíåíèå ýòîìó ôàêòó. Â 1918 ã. Ýéíøòåéí ïðåäñêàçàë íà îñíîâå ÎÒÎ ñóùåñòâîâàíèå ãðàâèòàöèîííûõ âîëí: ìàññèâíûå òåëà, äâèãàÿñü ñ óñêîðåíèåì, èçëó÷àþò ãðàâèòàöèîííûå âîëíû. Ãðàâèòàöèîííûå âîëíû äîëæíû ðàñïðîñòðàíÿòüñÿ ñ òîé æå ñêîðîñòüþ, ÷òî ýëåêòðîìàãíèòíûå, òî åñòü ñî ñêîðîñòüþ ñâåòà. Ïî àíàëîãèè ñ êâàíòàìè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ ïðèíÿòî ãîâîðèòü î ãðàâèòîíàõ êàê î êâàíòàõ ãðàâèòàöèîííîãî ïîëÿ. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ôîðìèðóåòñÿ íîâàÿ îáëàñòü íàóêè — ãðàâèòàöèîííî-âîëíîâàÿ àñòðîíîìèÿ. Åñòü íàäåæäà, ÷òî ãðàâèòàöèîííûå ýêñïåðèìåíòû äàäóò íîâûå ðåçóëüòàòû. Íà îñíîâàíèè óðàâíåíèé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè îòå÷åñòâåííûé ìàòåìàòèê-ôèçèê À. Ôðèäìàí â 1922 ã. íàøåë íîâîå êîñìîëîãè÷åñêîå ðåøåíèå óðàâíåíèé ÎÒÎ Ýòî ðåøåíèå óêàçûâàåò íà òî, ÷òî íàøà Âñåëåííàÿ íå ñòàöèîíàðíà, îíà íåïðåðûâíî ðàñøèðÿåòñÿ. Ôðèäìàí íàøåë äâà âàðèàíòà ðåøåíèÿ óðàâíåíèé Ýéíøòåéíà, òî åñòü äâà âàðèàíòà âîçìîæíîãî ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé. Â çàâèñèìîñòè îò ïëîòíîñòè ìàòåðèè Âñåëåííàÿ èëè áóäåò è äàëåå ðàñøèðÿòüñÿ, èëè ÷åðåç êàêîå-òî âðåìÿ íà÷íåò ñæèìàòüñÿ. Â 1929 ã. àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Ý. Õàááë ýêñïåðèìåíòàëüíî óñòàíîâèë çàêîí, êîòîðûé îïðåäåëÿåò ñêîðîñòü ðàçëåòà ãàëàêòèê â çàâèñè-

80 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè ìîñòè îò ðàññòîÿíèÿ äî íàøåé ãàëàêòèêè. ×åì äàëüøå ðàçáåãàþùàÿñÿ ãàëàêòèêà, òåì áîëüøå ñêîðîñòü åå ðàçáåãàíèÿ. Õàááë èñïîëüçîâàë ýôôåêò Äîïëåðà, â ñîîòâåòñòâèè ñ êîòîðûì ó èñòî÷íèêà ñâåòà, óäàëÿþùåãîñÿ îò íàáëþäàòåëÿ, äëèíà âîëíû óâåëè÷èâàåòñÿ, òî åñòü ñìåùàåòñÿ ê êðàñíîìó êîíöó ñïåêòðà (êðàñíååò). Òàêèì îáðàçîì, âñå èçâåñòíûå íàó÷íûå ôàêòû ïîäòâåðæäàþò ñïðàâåäëèâîñòü îáùåé òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ ñîâðåìåííîé òåîðèåé òÿãîòåíèÿ.

3.6. Íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè. Ïðåäñòàâëåíèÿ îá ýíòðîïèè Îáùèå ñâåäåíèÿ î òåðìîäèíàìèêå } Òåðìîäèíàìèêà — ýòî íàóêà î íàèáîëåå îáùèõ ñâîéñòâàõ ìàêðî-

ñêîïè÷åñêèõ òåë è ñèñòåì, íàõîäÿùèõñÿ â ñîñòîÿíèè òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ, è î ïðîöåññàõ ïåðåõîäà èç îäíîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå.

Êëàññè÷åñêàÿ òåðìîäèíàìèêà èçó÷àåò ôèçè÷åñêèå îáúåêòû ìàòåðèàëüíîãî ìèðà òîëüêî â ñîñòîÿíèè òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ. Çäåñü ïîäðàçóìåâàåòñÿ òàêîå ñîñòîÿíèå, â êîòîðîå ñ òå÷åíèåì âðåìåíè ïðèõîäèò ñèñòåìà, íàõîäÿùàÿñÿ ïðè îïðåäåëåííûõ íåèçìåííûõ âíåøíèõ óñëîâèÿõ è îïðåäåëåííîé ïîñòîÿííîé òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåé ñðåäû. Äëÿ òàêèõ ðàâíîâåñíûõ ñîñòîÿíèé ïîíÿòèå âðåìåíè íåñóùåñòâåííî. Ïîýòîìó âðåìÿ â ÿâíîì âèäå êàê ïàðàìåòð â òåðìîäèíàìèêå íå èñïîëüçóåòñÿ. Â ïåðâîíà÷àëüíîì âèäå ýòà äèñöèïëèíà íàçûâàëàñü «ìåõàíè÷åñêàÿ òåîðèÿ òåïëà». Òåðìèí «òåðìîäèíàìèêà» áûë ââåäåí â íàó÷íóþ ëèòåðàòóðó â 1854 ã. Â. Òîìñîíîì. Ðàâíîâåñíûå ïðîöåññû êëàññè÷åñêîé òåðìîäèíàìèêè ïîçâîëÿþò òàêæå ñóäèòü î çàêîíîìåðíîñòÿõ ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ ïðè óñòàíîâëåíèè ðàâíîâåñèÿ, òî åñòü ðàññìàòðèâàåò ïóòè ê óñòàíîâëåíèþ òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ. Âìåñòå ñ òåì òåðìîäèíàìèêà ðàññìàòðèâàåò óñëîâèÿ ñóùåñòâîâàíèÿ íåîáðàòèìûõ ïðîöåññîâ. Íàïðèìåð, ðàñïðîñòðàíåíèå ìîëåêóë ãàçà (çàêîí äèôôóçèè) âåäåò â êîíöå êîíöîâ ê ðàâíîâåñíîìó ñîñòîÿíèþ, à îáðàòíûé ïåðåõîä òàêîé ñèñòåìû ê ïåðâîíà÷àëüíîìó ñîñòîÿíèþ òåðìîäèíàìèêà çàïðåùàåò. Çàäà÷åé òåðìîäèíàìèêè íåîáðàòèìûõ ïðîöåññîâ ñíà÷àëà áûëî èçó÷åíèå íåðàâíîâåñíûõ ïðîöåññîâ äëÿ ñîñòîÿíèé, íå ñëèøêîì ñèëü-

3.6. Íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè. Ïðåäñòàâëåíèÿ îá ýíòðîïèè

81

íî îòëè÷àþùèõñÿ îò ðàâíîâåñíîãî. Âîçíèêíîâåíèå òåðìîäèíàìèêè íåîáðàòèìûõ ïðîöåññîâ îòíîñèòñÿ ê 50-ì ãã. ïðîøëîãî ñòîëåòèÿ. Îíà ñôîðìèðîâàëàñü íà áàçå êëàññè÷åñêîé òåðìîäèíàìèêè, êîòîðàÿ âîçíèêëà âî âòîðîé ïîëîâèíå XIX â. Â ñòàíîâëåíèè êëàññè÷åñêîé òåðìîäèíàìèêè âûäàþùóþñÿ ðîëü ñûãðàëè ðàáîòû Í. Êàðíî, Á. Êëàïåéðîíà, Ð. Êëàóçèóñà è äð. Ïðîøëî ñðàâíèòåëüíî ìíîãî âðåìåíè, ïðåæäå ÷åì ñòàëî ïîíÿòíî, ÷òî êëàññè÷åñêàÿ òåðìîäèíàìèêà ÿâëÿåòñÿ ïî ñóùåñòâó òåðìîñòàòèêîé, à îñíîâîïîëàãàþùèå óðàâíåíèÿ Ôóðüå— Îìà—Ôèêà è Íàâüå—Ñòîêñà ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ýëåìåíòû áóäóùåé òåðìîäèíàìèêè. Çäåñü ñëåäóåò íàçâàòü îäíîãî èç ïèîíåðîâ íîâîãî íàïðàâëåíèÿ â òåðìîäèíàìèêå — àìåðèêàíñêîãî ôèçèêà Ë. Îíñàãåðà (Íîáåëåâñêàÿ ïðåìèÿ 1968 ã.), à òàêæå ãîëëàíäñêî-áåëüãèéñêóþ øêîëó È. Ïðèãîæèíà, Ñ. äå Ãðîòà, Ï. Ìàçóðà. Â 1977 ã. áåëüãèéñêîìó ôèçèêó è ôèçèêîõèìèêó ðóññêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ Èëüå Ðîìàíîâè÷ó Ïðèãîæèíó áûëà ïðèñóæäåíà Íîáåëåâñêàÿ ïðåìèÿ ïî õèìèè «çà âêëàä â òåîðèþ íåðàâíîâåñíîé òåðìîäèíàìèêè, â îñîáåííîñòè — â òåîðèþ äèññèïàòèâíûõ ñòðóêòóð, è çà åå ïðèìåíåíèÿ â õèìèè è áèîëîãèè».

Òåðìîäèíàìèêà êàê ôóíêöèÿ ñîñòîÿíèÿ Ðàâåíñòâî òåìïåðàòóð âî âñåõ òî÷êàõ êàêèõ-òî ñèñòåì èëè ÷àñòåé îäíîé ñèñòåìû ÿâëÿåòñÿ óñëîâèåì ðàâíîâåñèÿ. Ñîñòîÿíèå îäíîðîäíûõ æèäêîñòåé èëè ãàçà ïîëíîñòüþ ôèêñèðóåòñÿ çàäàíèåì ëþáûõ äâóõ èç òðåõ âåëè÷èí: òåìïåðàòóðû Ò, îáúåìà V, äàâëåíèÿ ð. Ñâÿçü ìåæäó p, V è T íàçûâàåòñÿ óðàâíåíèåì ñîñòîÿíèÿ. Ôðàíöóçñêèé ôèçèê Á. Êëàïåéðîí â 1934 ã. âûâåë óðàâíåíèå ñîñòîÿíèÿ äëÿ èäåàëüíîãî ãàçà, îáúåäèíèâ çàêîíû Áîéëÿ–Ìàðèîòòà è ÃåéËþñàêà. Ä. È. Ìåíäåëååâ îáúåäèíèë óðàâíåíèÿ Êëàïåéðîíà ñ çàêîíîì Àâîãàäðî. Ñîãëàñíî çàêîíó Àâîãàäðî, ïðè îäèíàêîâûõ äàâëåíèÿõ ð è òåìïåðàòóðå Ò ìîëè âñåõ ãàçîâ çàíèìàþò îäèíàêîâûé ìîëÿðíûé îáúåì Vm, ïîýòîìó äëÿ âñåõ ãàçîâ ñóùåñòâóåò ìîëÿðíàÿ ãàçîâàÿ ïîñòîÿííàÿ R. Òîãäà Óðàâíåíèå Êëàïåéðîíà—Ìåíäåëååâà ìîæíî çàïèñàòü â âèäå: pVm = RT. ×èñëîâîå çíà÷åíèå ìîëÿðíîé ãàçîâîé ïîñòîÿííîé R = 8,31 Äæ/ìîëü · K.

82 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè

Ïåðâîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè Ïåðâîå íà÷àëî, èëè ïåðâûé çàêîí òåðìîäèíàìèêè, èëè çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè äëÿ òåïëîâûõ ñèñòåì, óäîáíî ðàññìîòðåòü íà ïðèìåðå ðàáîòû òåïëîâîé ìàøèíû. Â ñîñòàâ òåïëîâîé ìàøèíû âõîäÿò èñòî÷íèê òåïëà Q1, ðàáî÷åå òåëî, íàïðèìåð öèëèíäð ñ ïîðøíåì, ïîä êîòîðûì ãàç ìîæåò íàãðåâàòüñÿ (DQ1) èëè îõëàæäàòüñÿ õîëîäèëüíèêîì, îòáèðàþùèì îò ðàáî÷åãî òåëà òåïëî DQ2. Ïðè ýòîì ìîæåò ñîâåðøàòüñÿ ðàáî òà DA è èçìåíÿåòñÿ âíóòðåííÿÿ ýíåðãèÿ DU. Ýíåðãèÿ òåïëîâîãî äâèæåíèÿ ìîæåò ïðåâðàùàòüñÿ â ýíåðãèþ ìåõàíè÷åñêîãî äâèæåíèÿ, è íàîáîðîò. Ïðè ýòèõ ïðåâðàùåíèÿõ ñîáëþäàåòñÿ çàêîí ñîõðàíåíèÿ è ïðåâðàùåíèÿ ýíåðãèè. Ïðèìåíèòåëüíî ê òåðìîäèíàìè÷åñêèì ïðîöåññàì ýòî è åñòü ïåðâîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè, óñòàíîâëåííîå â ðåçóëüòàòå îáîáùåíèÿ ìíîãîâåêîâûõ îïûòíûõ äàííûõ. Îïûò ïîêàçûâàåò, ÷òî èçìåíåíèå âíóòðåííåé ýíåðãèè DU îïðåäåëÿåòñÿ ðàçíîñòüþ ìåæäó êîëè÷åñòâîì òåïëîòû Q1, ïîëó÷åííîé ñèñòåìîé, è ðàáîòîé À: DU = Q1 – A èëè: Q1 = A1 + DU. Â äèôôåðåíöèàëüíîé ôîðìå: dQ = dA + dU. Ïåðâîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè îïðåäåëÿåò âòîðóþ ôóíêöèþ ñîñòîÿíèÿ — ýíåðãèþ, òî÷íåå, âíóòðåííþþ ýíåðãèþ U, êîòîðàÿ ïðåäñòàâëÿåò ýíåðãèþ õàîòè÷åñêîãî äâèæåíèÿ âñåõ ìîëåêóë, àòîìîâ, èîíîâ è ò. ä., à òàêæå ýíåðãèþ âçàèìîäåéñòâèÿ ýòèõ ìèêðî÷àñòèö. Åñëè ñèñòåìà íå îáìåíèâàåòñÿ ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé ýíåðãèåé èëè âåùåñòâîì (èçîëèðîâàííàÿ ñèñòåìà), òî dU = O, à U = const â ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíîì ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî ðàáîòà À ðàâíà êîëè÷åñòâó òåïëîòû Q, òî åñòü ïåðèîäè÷åñêè äåéñòâóþùèé äâèãàòåëü (òåïëîâàÿ ìàøèíà) íå ìîæåò ñîâåðøàòü ðàáîòó áîëüøóþ, ÷åì ñîîáùåííàÿ åìó èçâíå ýíåðãèÿ, à ýòî çíà÷èò, ÷òî íåâîçìîæíî ñîçäàòü äâèãàòåëü, êîòîðûé ïóòåì êàêèõ-òî ïðåîáðàçîâàíèé ýíåðãèè ìîæåò óâåëè÷èòü åå îáùåå êîëè÷åñòâî.


83

Êðóãîâûå ïðîöåññû (öèêëû). Îáðàòèìûå è íåîáðàòèìûå ïðîöåññû } Êðóãîâûì ïðîöåññîì (öèêëîì) íàçûâàåòñÿ òàêîé ïðîöåññ, ïðè êî-

òîðîì ñèñòåìà ïðîõîäèò ÷åðåç ðÿä ñîñòîÿíèé è âîçâðàùàåòñÿ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå. Òàêîé öèêë ìîæíî ïðåäñòàâèòü çàìêíóòîé êðèâîé â îñÿõ P, V, ãäå P — äàâëåíèå â ñèñòåìå, à V — åå îáúåì. Çàìêíóòàÿ êðèâàÿ ñîñòîèò èç ó÷àñòêîâ, ãäå îáúåì óâåëè÷èâàåòñÿ (ðàñøèðåíèå), è ó÷àñòêà, ãäå îáúåì óìåíüøàåòñÿ (ñæàòèå).

Ïðè ýòîì ðàáîòà, ñîâåðøàåìàÿ çà öèêë, îïðåäåëÿåòñÿ ïëîùàäüþ, îõâàòûâàåìîé çàìêíóòîé êðèâîé. Öèêë, êîòîðûé ïðîòåêàåò ÷åðåç ðàñøèðåíèå, à ïîòîì ñæàòèå, íàçûâàåòñÿ ïðÿìûì, îí èñïîëüçóåòñÿ â òåïëîâûõ ìàøèíàõ — ïåðèîäè÷åñêè äåéñòâóþùèõ äâèãàòåëÿõ, ñîâåðøàþùèõ ðàáîòó çà ñ÷åò ïîëó÷åííîãî èçâíå òåïëà. Öèêë, êîòîðûé ïðîòåêàåò ÷åðåç ñæàòèå, à ïîòîì ðàñøèðåíèå, íàçûâàåòñÿ îáðàòíûì è èñïîëüçóåòñÿ â õîëîäèëüíûõ ìàøèíàõ — ïåðèîäè÷åñêè äåéñòâóþùèõ óñòàíîâêàõ, â êîòîðûõ çà ñ÷åò ðàáîòû âíåøíèõ ñèë òåïëîòà ïåðåíîñèòñÿ îò îäíîãî òåëà ê äðóãîìó. Â ðåçóëüòàòå êðóãîâîãî ïðîöåññà ñèñòåìà âîçâðàùàåòñÿ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå: DU = 0, Q = A. Ñèñòåìà ìîæåò êàê ïîëó÷àòü òåïëîòó, òàê è îòäàâàòü. Åñëè ñèñòåìà ïîëó÷àåò Q1 òåïëîòû, à îòäàåò Q2, òî òåðìè÷åñêèé êîýôôèöèåíò ïîëåçíîãî äåéñòâèÿ äëÿ êðóãîâîãî ïðîöåññà h=

Q1 - Q 2 A = . Q1 Q1

Îáðàòèìûå ïðîöåññû ìîãóò ïðîèñõîäèòü êàê â ïðÿìîì, òàê è â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè. Â èäåàëüíîì ñëó÷àå, åñëè ïðîöåññ ïðîèñõîäèò ñíà÷àëà â ïðÿìîì, à çàòåì â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè è ñèñòåìà âîçâðàùàåòñÿ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå, òî â îêðóæàþùåé ñðåäå íå ïðîèñõîäèò íèêàêèõ èçìåíåíèé. Îáðàòèìûå ïðîöåññû — ýòî èäåàëèçàöèÿ ðåàëüíûõ ïðîöåññîâ, ïðè êîòîðûõ âñåãäà ïðîèñõîäèò íåêîòîðàÿ ïîòåðÿ ýíåðãèè (íà òðåíèå, òåïëîïðîâîäíîñòü è ò. ä.) Ïîíÿòèå îáðàòèìîãî êðóãîâîãî ïðîöåññà ââåë â ôèçèêó â 1834 ã. ôðàíöóçñêèé ó÷åíûé Á. Êëàïåéðîí.


Èäåàëüíûé öèêë òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ Êàðíî Êîãäà ìû ãîâîðèì îá îáðàòèìîñòè ïðîöåññîâ, ñëåäóåò ó÷èòûâàòü, ÷òî ýòî íåêîòîðàÿ èäåàëèçàöèÿ. Âñå ðåàëüíûå ïðîöåññû íåîáðàòèìû, ïîýòîìó è öèêëû, ïî êîòîðûì ðàáîòàþò òåïëîâûå ìàøèíû, òàêæå íåîáðàòèìû, à çíà÷èò è íåðàâíîâåñíû. Îäíàêî äëÿ óïðîùåíèÿ êîëè÷åñòâåííûõ îöåíîê òàêèõ öèêëîâ íåîáõîäèìî ñ÷èòàòü èõ ðàâíîâåñíûìè, òî åñòü êàê åñëè áû îíè ñîñòîÿëè òîëüêî èç ðàâíîâåñíûõ ïðîöåññîâ. Ýòîãî òðåáóåò õîðîøî ðàçðàáîòàííûé àïïàðàò êëàññè÷åñêîé òåðìîäèíàìèêè. Çíàìåíèòûé öèêë èäåàëüíîãî äâèãàòåëÿ Êàðíî ñ÷èòàåòñÿ ðàâíîâåñíûì îáðàòíûì êðóãîâûì ïðîöåññîì. Â ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ ëþáîé öèêë íå ìîæåò áûòü èäåàëüíûì, òàê êàê ñóùåñòâóþò ïîòåðè. Îí ñîâåðøàåòñÿ ìåæäó äâóìÿ èñòî÷íèêàìè òåïëîòû ñ ïîñòîÿííûìè òåìïåðàòóðàìè ó òåïëîîòäàò÷èêà Ò1 è òåïëîïðèåìíèêà Ò2, à òàêæå ðàáî÷èì òåëîì, â êà÷åñòâå êîòîðîãî ïðèíÿò èäåàëüíûé ãàç (ðèñ. 3.1).

Ðèñ. 3.1. Öèêë òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ

Ïîëàãàåì, ÷òî Ò1 > Ò2 è îòâîä òåïëà îò òåïëîîòäàò÷èêà è ïîäâîä òåïëà ê òåïëîïðèåìíèêó íå âëèÿþò íà èõ òåìïåðàòóðû, T1 è T2 îñòàþòñÿ ïîñòîÿííûìè. Îáîçíà÷èì ïàðàìåòðû ãàçà ïðè ëåâîì êðàéíåì ïîëîæåíèè ïîðøíÿ òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ: äàâëåíèå — Ð1, îáúåì — V1, òåìïåðàòóðà Ò1. Ýòî òî÷êà 1 íà ãðàôèêå íà îñÿõ P–V. Â ýòîò ìîìåíò ãàç (ðàáî÷åå òåëî) âçàèìîäåéñòâóåò ñ òåïëîîòäàò÷èêîì, òåìïåðàòóðà êîòîðîãî òàêæå Ò1. Ïðè äâèæåíèè ïîðøíÿ âïðàâî äàâëåíèå ãàçà â öèëèíäðå óìåíüøàåòñÿ, à îáúåì óâåëè÷èâàåòñÿ. Ýòî áóäåò ïðîäîëæàòüñÿ äî ïðèõîäà ïîðøíÿ â ïîëîæåíèå, îïðåäåëÿåìûå òî÷êîé 2, ãäå ïàðàìåòðû ðàáî÷åãî òåëà (ãàçà) ïðèìóò çíà÷åíèÿ P2, V2, T2. Òåìïåðàòóðà â ýòîé òî÷êå îñòàåòñÿ íåèçìåííîé, òàê êàê òåìïåðàòóðà ãàçà è òåïëîîòäàò÷èêà îäè-


85

íàêîâà â ïðîöåññå ïåðåõîäà ïîðøíÿ îò òî÷êè 1 ê òî÷êå 2 (ðàñøèðåíèå). Òàêîé ïðîöåññ, ïðè êîòîðîì Ò íå èçìåíÿåòñÿ, íàçûâàåòñÿ èçîòåðìè÷åñêèì, à êðèâàÿ 1–2 íàçûâàåòñÿ èçîòåðìîé. Â ýòîì ïðîöåññå îò òåïëîîòäàò÷èêà ê ðàáî÷åìó òåëó ïåðåõîäèò òåïëîòà Q1. Â òî÷êå 2 öèëèíäð ïîëíîñòüþ èçîëèðóåòñÿ îò âíåøíåé ñðåäû (òåïëîîáìåíà íåò) è ïðè äàëüíåéøåì äâèæåíèè ïîðøíÿ âïðàâî óìåíüøåíèå äàâëåíèÿ è óâåëè÷åíèå îáúåìà ïðîèñõîäèò ïî êðèâîé 2–3, êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ àäèàáàòîé (ïðîöåññ áåç òåïëîîáìåíà ñ âíåøíåé ñðåäîé). Êîãäà ïîðøåíü ïåðåìåñòèòñÿ â êðàéíåå ïðàâîå ïîëîæåíèå (òî÷êà 3), ïðîöåññ ðàñøèðåíèÿ çàêîí÷èòñÿ è ïàðàìåòðû áóäóò èìåòü çíà÷åíèÿ Ð3, V3, à òåìïåðàòóðà ñòàíåò ðàâíîé òåìïåðàòóðå òåïëîïðèåìíèêà Ò2. Ïðè ýòîì ïîëîæåíèè ïîðøíÿ èçîëÿöèÿ ðàáî÷åãî òåëà ñíèæàåòñÿ è îíî âçàèìîäåéñòâóåò ñ òåïëîïðèåìíèêîì. Åñëè òåïåðü óâåëè÷èâàòü äàâëåíèå íà ïîðøåíü, òî îí áóäåò ïåðåìåùàòüñÿ âëåâî ïðè íåèçìåííîé òåìïåðàòóðå Ò2 (ñæàòèå). Çíà÷èò, ýòîò ïðîöåññ ñæàòèÿ áóäåò èçîòåðìè÷åñêèì. Â ýòîì ïðîöåññå òåïëîòà Q2 ïåðåéäåò îò ðàáî÷åãî òåëà ê òåïëîïðèåìíèêó. Ïîðøåíü, äâèãàÿñü âëåâî, ïðèäåò â òî÷êó 4 ñ ïàðàìåòðàìè P4, V4 è T2, ãäå ðàáî÷åå òåëî âíîâü èçîëèðóåòñÿ îò âíåøíåé ñðåäû. Äàëüíåéøåå ñæàòèå ïðîèñõîäèò ïî àäèàáàòå 4–1 ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû. Â òî÷êå 1 ñæàòèå çàêàí÷èâàåòñÿ ïðè ïàðàìåòðàõ ðàáî÷åãî òåëà P1, V1, T1. Ïîðøåíü âîçâðàòèëñÿ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå. Â òî÷êå 1 èçîëÿöèÿ ðàáî÷åãî òåëà îò âíåøíåé ñðåäû ñíèìàåòñÿ è öèêë ïîâòîðÿåòñÿ. Òàêèì îáðàçîì, öèêë Êàðíî ìîæíî ñ÷èòàòü îáðàòèìûì. Õîòÿ ïðè ýòîì íå ó÷èòûâàëèñü ðàçëè÷íûå ñîïóòñòâóþùèå ïîòåðè (òåïëà â îêðóæàþùóþ ñðåäó, íà òðåíèå è íåêîòîðûå äðóãèå óñëîâèÿ èäåàëèçàöèè). Êîýôôèöèåíò ïîëåçíîãî äåéñòâèÿ èäåàëüíîãî äâèãàòåëÿ Êàðíî: h=

T1 - T2 = 1 - T2 T1 . T1

Àíàëèç âûðàæåíèÿ äëÿ ÊÏÄ öèêëà Êàðíî ïîçâîëÿåò ñäåëàòü ñëåäóþùèå âûâîäû: 1) ÊÏÄ òåì áîëüøå, ÷åì áîëüøå Ò1 è ÷åì ìåíüøå Ò2; 2) ÊÏÄ âñåãäà ìåíüøå åäèíèöû; 3) ÊÏÄ ðàâåí íóëþ ïðè Ò1 = Ò2. Öèêë Êàðíî äàåò íàèëó÷øèå èñïîëüçîâàíèÿ òåïëîòû, íî, êàê óêàçûâàëîñü âûøå, îí ÿâëÿåòñÿ èäåàëèçèðîâàííûì è â ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ íåîñóùåñòâèì. Îäíàêî çíà÷åíèå åãî âåëèêî. Îí ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü íàèâûñøåå çíà÷åíèå ÊÏÄ òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ.


Âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè. Ýíòðîïèÿ Âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè ñâÿçàíî ñ èìåíàìè Í. Êàðíî, Â. Òîìñîíà (Êåëüâèíà), Ð. Êëàóçèóñà, Ë. Áîëüöìàíà, Â. Íåðíñòà. Âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè ââîäèò â ðàññìîòðåíèå íîâóþ ôóíêöèþ ñîñòîÿíèÿ — ýíòðîïèþ. Òåðìèí «ýíòðîïèÿ», ïðåäëîæåííûé Ð. Êëàóçèóñîì, îáðàçîâàí îò ãðå÷. entropia è îçíà÷àåò «ïðåâðàùåíèå». Óìåñòíî áóäåò ïðèâåñòè ïîíÿòèå «ýíòðîïèÿ» â ôîðìóëèðîâêå À. Çîììåðôåëüäà: «Êàæäàÿ òåðìîäèíàìè÷åñêàÿ ñèñòåìà îáëàäàåò ôóíêöèåé ñîñòîÿíèÿ, íàçûâàåìîé ýíòðîïèåé. Ýíòðîïèÿ âû÷èñëÿåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ñèñòåìà ïåðåâîäèòñÿ èç ïðîèçâîëüíî âûáðàííîãî íà÷àëüíîãî ñîñòîÿíèÿ â ñîîòâåòñòâóþùåå êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå ÷åðåç ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ñîñòîÿíèé ðàâíîâåñèÿ; âû÷èñëÿþòñÿ âñå ïðîâîäèìûå ïðè ýòîì ê ñèñòåìå ïîðöèè òåïëà dQ, äåëÿòñÿ êàæäàÿ íà ñîîòâåòñòâóþùóþ åé àáñîëþòíóþ òåìïåðàòóðó Ò, è âñå ïîëó÷åííûå òàêèì îáðàçîì çíà÷åíèÿ ñóììèðóþòñÿ (ïåðâàÿ ÷àñòü âòîðîãî íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè). Ïðè ðåàëüíûõ (íåèäåàëüíûõ) ïðîöåññàõ ýíòðîïèÿ èçîëèðîâàííîé ñèñòåìû âîçðàñòàåò (âòîðàÿ ÷àñòü âòîðîãî íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè)». Ó÷åòà è ñîõðàíåíèÿ êîëè÷åñòâà ýíåðãèè åùå íåäîñòàòî÷íî äëÿ òîãî, ÷òîáû ñóäèòü î âîçìîæíîñòè òîãî èëè èíîãî ïðîöåññà. Ýíåðãèþ ñëåäóåò õàðàêòåðèçîâàòü íå òîëüêî êîëè÷åñòâîì, íî è êà÷åñòâîì. Ïðè ýòîì ñóùåñòâåííî, ÷òî ýíåðãèÿ îïðåäåëåííîãî êà÷åñòâà ñàìîïðîèçâîëüíî ìîæåò ïðåâðàùàòüñÿ òîëüêî â ýíåðãèþ áîëåå íèçêîãî êà÷åñòâà. Âåëè÷èíîé, îïðåäåëÿþùåé êà÷åñòâî ýíåðãèè, è ÿâëÿåòñÿ ýíòðîïèÿ. Ïðîöåññû â æèâîé è íåæèâîé ìàòåðèè â öåëîì ïðîòåêàþò òàê, ÷òî ýíòðîïèÿ â çàìêíóòûõ èçîëèðîâàííûõ ñèñòåìàõ âîçðàñòàåò, à êà÷åñòâî ýíåðãèè ïîíèæàåòñÿ. Â ýòîì è åñòü ñìûñë âòîðîãî íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè. Åñëè îáîçíà÷èòü ýíòðîïèþ ÷åðåç S, òî dS =

dQ , T

÷òî è ñîîòâåòñòâóåò ïåðâîé ÷àñòè âòîðîãî íà÷àëà ïî Çîììåðôåëüäó. Ìîæíî ïîäñòàâèòü âûðàæåíèå äëÿ ýíòðîïèè â óðàâíåíèå ïåðâîãî íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè: dU = T ´ dS – dU. Ýòà ôîðìóëà èçâåñòíà â ëèòåðàòóðå êàê ñîîòíîøåíèå Ãèááñà. Ýòî ôóíäàìåíòàëüíîå óðàâíåíèå îáúåäèíÿåò ïåðâîå è âòîðîå íà÷àëà òåð-


87

ìîäèíàìèêè è îïðåäåëÿåò, ïî ñóùåñòâó, âñþ ðàâíîâåñíóþ òåðìîäèíàìèêó. Âòîðîå íà÷àëî óñòàíàâëèâàåò îïðåäåëåííîå íàïðàâëåíèå òå÷åíèÿ ïðîöåññîâ â ïðèðîäå, òî åñòü «ñòðåëó âðåìåíè». Íàèáîëåå ãëóáîêî ñìûñë ýíòðîïèè âñêðûâàåòñÿ ïðè ñòàòè÷åñêîé îöåíêå ýíòðîïèè. Â ñîîòâåòñòâèè ñ ïðèíöèïîì Áîëüöìàíà ýíòðîïèÿ ñâÿçàíà ñ âåðîÿòíîñòüþ ñîñòîÿíèÿ ñèñòåìû èçâåñòíûì ñîîòíîøåíèåì S = K ´ LnW, ãäå W — òåðìîäèíàìè÷åñêàÿ âåðîÿòíîñòü, à Ê — ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà. Ïîä òåðìîäèíàìè÷åñêîé âåðîÿòíîñòüþ, èëè ñòàòè÷åñêèì âåñîì, ïîíèìàåòñÿ ÷èñëî ðàçëè÷íûõ ðàñïðåäåëåíèé ÷àñòèö ïî êîîðäèíàòàì è ñêîðîñòÿì, ñîîòâåòñòâóþùèõ äàííîìó òåðìîäèíàìè÷åñêîìó ñîñòîÿíèþ. Ïðè ëþáîì ïðîöåññå, êîòîðûé ïðîòåêàåò â èçîëèðîâàííîé ñèñòåìå è ïåðåâîäèò åå èç ñîñòîÿíèÿ 1 â ñîñòîÿíèå 2, èçìåíåíèå DW òåðìîäèíàìè÷åñêîé âåðîÿòíîñòè ïîëîæèòåëüíî èëè ðàâíî íóëþ: DW = W2 – W1 ³ 0 Â ñëó÷àå îáðàòèìîãî ïðîöåññà DW = 0, òî åñòü òåðìîäèíàìè÷åñêàÿ âåðîÿòíîñòü, ïîñòîÿííà. Åñëè ïðîèñõîäèò íåîáðàòèìûé ïðîöåññ, òî DW > 0 è W âîçðàñòàåò. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî íåîáðàòèìûé ïðîöåññ ïåðåâîäèò ñèñòåìó èç ìåíåå âåðîÿòíîãî ñîñòîÿíèÿ â áîëåå âåðîÿòíîå. Âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè ÿâëÿåòñÿ ñòàòèñòè÷åñêèì çàêîíîì, îíî îïèñûâàåò çàêîíîìåðíîñòè õàîòè÷åñêîãî äâèæåíèÿ áîëüøîãî ÷èñëà ÷àñòèö, ñîñòàâëÿþùèõ çàìêíóòóþ ñèñòåìó, òî åñòü ýíòðîïèÿ õàðàêòåðèçóåò ìåðó áåñïîðÿäî÷íîñòè, õàîòè÷íîñòè ÷àñòèö â ñèñòåìå. Ð. Êëàóçèóñ îïðåäåëèë âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè òàê:

} íåâîçìîæåí êðóãîâîé ïðîöåññ, åäèíñòâåííûì ðåçóëüòàòîì êîòîðîãî ÿâëÿåòñÿ ïåðåäà÷à òåïëîòû îò ìåíåå íàãðåòîãî òåëà ê áîëåå íàãðåòîìó (1850).

Â ñâÿçè ñ ýòîé ôîðìóëèðîâêîé â ñåðåäèíå XIX â. áûëà îïðåäåëåíà ïðîáëåìà òàê íàçûâàåìîé òåïëîâîé ñìåðòè Âñåëåííîé. Ðàññìàòðèâàÿ Âñåëåííóþ êàê çàìêíóòóþ ñèñòåìó, Ð. Êëàóçèóñ, îïèðàÿñü íà âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè, óòâåðæäàë, ÷òî ðàíî èëè ïîçäíî ýíòðîïèÿ Âñåëåííîé äîëæíà äîñòèãíóòü ñâîåãî ìàêñèìóìà. Ïåðåõîä òåïëîòû îò áîëåå íàãðåòûõ òåë ê ìåíåå íàãðåòûì ïðèâåäåò ê òîìó, ÷òî òåìïåðàòóðà âñåõ òåë Âñåëåííîé áóäåò îäèíàêîâîé, íàñòóïèò ïîëíîå òåïëîâîå ðàâ-

88 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè íîâåñèå è âñå ïðîöåññû âî Âñåëåííîé ïðåêðàòÿòñÿ — íàñòóïèò òåïëîâàÿ ñìåðòü Âñåëåííîé. Îøèáî÷íîñòü âûâîäà î òåïëîâîé ñìåðòè Âñåëåííîé çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî íåëüçÿ ïðèìåíÿòü âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè ê ñèñòåìå, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ íå çàìêíóòîé, à áåñêîíå÷íî ðàçâèâàþùåé ñèñòåìîé. Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿåòñÿ, ãàëàêòèêè ðàçáåãàþòñÿ ñî ñêîðîñòÿìè, êîòîðûå íàðàñòàþò. Âñåëåííàÿ íåñòàöèîíàðíà. Â îñíîâó ôîðìóëèðîâîê âòîðîãî íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè ïîëîæåíû ïîñòóëàòû, ÿâëÿþùèåñÿ ðåçóëüòàòîì ìíîãîâåêîâîãî ÷åëîâå÷åñêîãî îïûòà. Êðîìå óêàçàííîãî ïîñòóëàòà Êëàóçèóñà íàèáîëüøóþ èçâåñòíîñòü ïîëó÷èë ïîñòóëàò Òîìñîíà (Êåëüâèíà), êîòîðûé ãîâîðèò î íåâîçìîæíîñòè ïîñòðîåíèÿ âå÷íîãî òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ âòîðîãî ðîäà (perpetuum mobile), òî åñòü äâèãàòåëÿ, ïîëíîñòüþ ïðåâðàùàþùåãî òåïëîòó â ðàáîòó. Ñîãëàñíî ýòîìó ïîñòóëàòó, èç âñåé òåïëîòû, ïîëó÷åííîé îò èñòî÷íèêà òåïëà ñ âûñîêîé òåìïåðàòóðîé — òåïëîîòäàò÷èêà, òîëüêî ÷àñòü ìîæåò áûòü ïðåâðàùåíà â ðàáîòó. Îñòàëüíàÿ ÷àñòü äîëæíà áûòü îòâåäåíà â òåïëîïðèåìíèê ñ îòíîñèòåëüíî íèçêîé òåìïåðàòóðîé, òî åñòü äëÿ ðàáîòû òåïëîâîãî äâèãàòåëÿ íåîáõîäèìû ïî êðàéíåé ìåðå äâà òåïëîâûõ èñòî÷íèêà ðàçëè÷íîé òåìïåðàòóðû. Ýòèì è îáúÿñíÿåòñÿ ïðè÷èíà, ïî êîòîðîé íåëüçÿ ïåðåâåñòè â ðàáîòó òåïëîòó îêðóæàþùåé íàñ àòìîñôåðû èëè òåïëîòó ìîðåé è îêåàíîâ ïðè îòñóòñòâèè òàêèõ æå ìàñøòàáíûõ èñòî÷íèêîâ òåïëîòû ñ áîëåå íèçêîé òåìïåðàòóðîé.

Òðåòüå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè, èëè òåïëîâàÿ òåîðèÿ Íåðíñòà Ñðåäè ôóíêöèé ñîñòîÿíèÿ, êðîìå òåìïåðàòóðû Ò, âíóòðåííåé ýíåðãèè U è ýíòðîïèè S, èìåþòñÿ è òàêèå, êîòîðûå ñîäåðæàò ïðîèçâåäåíèå T × S. Íàïðèìåð, ïðè èçó÷åíèè õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé âàæíóþ ðîëü èãðàþò òàêèå ôóíêöèè ñîñòîÿíèÿ, êàê ñâîáîäíàÿ ýíåðãèÿ F = U – T × S èëè ïîòåíöèàë Ãèááñà Ô = U+ pV – TS. Â ýòè ôóíêöèè ñîñòîÿíèÿ âõîäèò ïðîèçâåäåíèå T × S. Îäíàêî âåëè÷èíà S îïðåäåëÿåòñÿ ëèøü ñ òî÷íîñòüþ äî ïðîèçâîëüíîé ïîñòîÿííîé S0, òàê êàê ýíòðîïèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ÷åðåç åå äèôôåðåíöèàë dS. Ñëåäîâàòåëüíî, áåç êîíêðåòèçàöèè S0 ïðèìåíåíèå ôóíêöèé ñîñòîÿíèÿ ñòàíîâèòñÿ íåîïðåäåëåííûì. Âîçíèêàåò âîïðîñ îá àáñîëþòíîì çíà÷åíèè ýíòðîïèè. Òåïëîâàÿ òåîðèÿ Íåðíñòà îòâå÷àåò íà ýòîò âîïðîñ. Â ôîðìóëèðîâêå Ïëàíêà îíà ñâîäèòñÿ ê óòâåðæäåíèþ: ýíòðîïèÿ âñåõ òåë â ñîñòîÿíèè


89

ðàâíîâåñèÿ ñòðåìèòñÿ ê íóëþ ïî ìåðå ïðèáëèæåíèÿ òåìïåðàòóðû ê íóëþ Êåëüâèíà: limS = 0. Òàê êàê ýíòðîïèÿ îïðåäåëÿåòñÿ ñ òî÷íîñòüþ äî àääèòèâíîé ïîñòîÿííîé S0, òî ýòó ïîñòîÿííóþ óäîáíî âçÿòü ðàâíîé íóëþ. Òåïëîâàÿ òåîðåìà áûëà ñôîðìóëèðîâàíà Íåðñòîì â íà÷àëå XX â. (Íîáåëåâñêàÿ ïðåìèÿ ïî ôèçèêå â 1920 ã.). Îíà íå âûòåêàåò èç ïåðâûõ äâóõ íà÷àë, ïîýòîìó â ñèëó ñâîåé îáùíîñòè ñ ïîëíûì ïðàâîì ìîæåò ðàññìàòðèâàòüñÿ êàê íîâûé çàêîí ïðèðîäû — òðåòüå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè.

Íåðàâíîâåñíàÿ òåðìîäèíàìèêà Íåðàâíîâåñíûå ñèñòåìû õàðàêòåðèçóþòñÿ íå òîëüêî òåðìîäèíàìè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè, íî è ñêîðîñòüþ èõ èçìåíåíèÿ âî âðåìåíè è â ïðîñòðàíñòâå, êîòîðàÿ îïðåäåëÿåò ïîòîêè (ïðîöåññû ïåðåíîñà) è òåðìîäèíàìè÷åñêèå ñèëû (ãðàäèåíò òåìïåðàòóðû, ãðàäèåíò êîíöåíòðàöèè è äð.). Ïîÿâëåíèå ïîòîêîâ â ñèñòåìå íàðóøàåò ñòàòèñòè÷åñêîå ðàâíîâåñèå. Â ëþáîé ôèçè÷åñêîé ñèñòåìå âñåãäà ïðîèñõîäÿò ïðîöåññû, ñòàðàþùèåñÿ âåðíóòü ñèñòåìó â ñîñòîÿíèå ðàâíîâåñèÿ. Ïðîèñõîäèò êàê áû ïðîòèâîáîðñòâî ìåæäó ïðîöåññàìè ïåðåíîñà, íàðóøàþùèìè ðàâíîâåñèå, è âíóòðåííèìè ïðîöåññàìè, ñòàðàþùèìèñÿ åãî âîññòàíîâèòü. Ïðîöåññû â íåðàâíîâåñíûõ ñèñòåìàõ îáëàäàþò ñëåäóþùèìè òðåìÿ ñâîéñòâàìè: 1. Ïðîöåññû, ïðèâîäÿùèå ñèñòåìó ê òåðìîäèíàìè÷åñêîìó ðàâíîâåñèþ (âîññòàíîâëåíèå), ïðîèñõîäÿò òîãäà, êîãäà íåò îñîáûõ ôàêòîðîâ, ñîõðàíÿþùèõ íåðàâíîâåñíîå ñîñòîÿíèå âíóòðè ñàìîé ñèñòåìû. Åñëè èñõîäíîå ñîñòîÿíèå ñèëüíî íåðàâíîâåñíî, à íà ôîíå îáùåãî ñòðåìëåíèÿ ñèñòåìû ê ðàâíîâåñèþ ðîæäàþòñÿ ïðåäñòàâëÿþùèå áîëüøîé èíòåðåñ ïîäñèñòåìû, â êîòîðûõ ýíòðîïèÿ ëîêàëüíî óìåíüøàåòñÿ, òî âîçíèêàþò ëîêàëüíûå ïîäñèñòåìû, ãäå óïîðÿäî÷åííîñòü ïîâûøàåòñÿ. Ïðè ýòîì îáùåå âîçðàñòàíèå äëÿ âñåé ñèñòåìû âî ìíîãî ðàç áîëüøå. Â èçîëèðîâàííîé ñèñòåìå ëîêàëüíîå óìåíüøåíèå ýíòðîïèè, êîíå÷íî, ÿâëÿåòñÿ âðåìåííûì. Â îòêðûòîé æå ñèñòåìå, ÷åðåç êîòîðóþ äëèòåëüíîå âðåìÿ ïðîòåêàþò ìîùíûå ïîòîêè, ñíèæàþùèå ýíòðîïèþ, ìîãóò âîçíèêíóòü êàêèå-òî óïîðÿäî÷åííûå ïîäñèñòåìû. Îíè ìîãóò ñóùåñòâîâàòü, èçìåíÿÿñü è ðàçâèâàÿñü, î÷åíü äîëãî (ïîêà íå ïðåêðàòÿòñÿ ïèòàþùèå èõ ïîòîêè).

90 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè 2. Ðîæäåíèå ëîêàëüíûõ ñîñòîÿíèé ñ íèçêîé ýíòðîïèåé ïðèâîäèò ê óñêîðåíèþ îáùåãî ðîñòà ýíòðîïèè âñåé ñèñòåìû. Áëàãîäàðÿ óïîðÿäî÷åííûì ïîäñèñòåìàì âñÿ ñèñòåìà â öåëîì äâèæåòñÿ áûñòðåå êî âñå áîëåå íåóïîðÿäî÷åííûì ñîñòîÿíèÿì, ê òåðìîäèíàìè÷åñêîìó ðàâíîâåñèþ. Íàëè÷èå óïîðÿäî÷åííîé ïîäñèñòåìû ìîæåò â ìèëëèîíû è áîëåå ðàç óñêîðèòü âûõîä âñåé ñèñòåìû èç «áëàãîïîëó÷íîãî» ìåòàñòàáèëüíîãî ñîñòîÿíèÿ. Â ïðèðîäå íè÷åãî «äàðîì» íå äàåòñÿ. 3. Óïîðÿäî÷åííûå ñîñòîÿíèÿ ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé äèññèïàòèâíûå ñòðóêòóðû, êîòîðûå òðåáóþò äëÿ ñâîåãî ñòàíîâëåíèÿ áîëüøîãî ïðèòîêà ýíåðãèè. Òàêèå ñèñòåìû ðåàãèðóþò íà ìàëûå èçìåíåíèÿ âíåøíèõ óñëîâèé áîëåå ÷óòêî è áîëåå ðàçíîîáðàçíî, ÷åì òåðìîäèíàìè÷åñêîå ðàâíîâåñíîå ñîñòîÿíèå. Îíè ìîãóò ëåãêî ðàçðóøàòüñÿ èëè æå ïðåâðàùàòüñÿ â íîâûå óïîðÿäî÷åííûå ñòðóêòóðû. Âîçíèêíîâåíèå äèññèïàòèâíûõ ñòðóêòóð íîñèò ïîðîãîâûé õàðàêòåð. Íåðàâíîâåñíàÿ òåðìîäèíàìèêà ñâÿçàëà ïîðîãîâûé õàðàêòåð ñ íåóñòîé÷èâîñòüþ. Íîâàÿ ñòðóêòóðà âñåãäà ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì íåóñòîé÷èâîñòè è âîçíèêàåò èç ôëóêòóàöèè. Âûäàþùåéñÿ çàñëóãîé íåðàâíîâåñíîé òåðìîäèíàìèêè ÿâëÿåòñÿ óñòàíîâëåíèå òîãî, ÷òî ñàìîîðãàíèçàöèÿ ïðèñóùà íå òîëüêî «æèâûì ñèñòåìàì». Ñïîñîáíîñòü ê ñàìîîðãàíèçàöèè ÿâëÿåòñÿ îáùèì ñâîéñòâîì âñåõ îòêðûòûõ ñèñòåì, ó êîòîðûõ âîçìîæåí îáìåí ýíåðãèåé ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé. Ïðè ýòîì èìåííî íåðàâíîâåñíîñòü ñëóæèò èñòî÷íèêîì óïîðÿäî÷åííîñòè. Ýòîò âûâîä ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì òåçèñîì äëÿ êðóãà èäåé ãðóïïû È. Ïðèãîæèíà. Ñîâìåñòèìîñòü âòîðîãî íà÷àëà òåðìîäèíàìèêè ñî ñïîñîáíîñòüþ ñèñòåì ê ñàìîîðãàíèçàöèè — îäíî èç êðóïíåéøèõ äîñòèæåíèé ñîâðåìåííîé íåðàâíîâåñíîé òåðìîäèíàìèêè.

Ýíòðîïèÿ è âåùåñòâî. Èçìåíåíèå ýíòðîïèè â õèìè÷åñêèõ ðåàêöèÿõ Ïðè ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû ðàñòåò ñêîðîñòü ðàçëè÷íûõ âèäîâ äâèæåíèÿ ÷àñòèö. Îòñþäà ÷èñëî ìèêðîñîñòîÿíèé ÷àñòèö, à ñîîòâåòñòâåííî è òåðìîäèíàìè÷åñêàÿ âåðîÿòíîñòü W, è ýíòðîïèÿ âåùåñòâà ðàñòóò. Ïðè ïåðåõîäå âåùåñòâà èç òâåðäîãî ñîñòîÿíèÿ â æèäêîå óâåëè÷èâàåòñÿ íåóïîðÿäî÷åííîñòü ÷àñòèö è ñîîòâåòñòâåííî ýíòðîïèÿ (DSïëàâë.). Îñîáåííî ðåçêî ðàñòåò íåóïîðÿäî÷åííîñòü è ñîîòâåòñòâåííî ýíòðîïèÿ


91

ïðè ïåðåõîäå âåùåñòâà èç æèäêîãî ñîñòîÿíèÿ â ãàçîîáðàçíîå (DSêèïåí.). Ýíòðîïèÿ óâåëè÷èâàåòñÿ ïðè ïðåâðàùåíèè êðèñòàëëè÷åñêîãî âåùåñòâà â àìîðôíîå. ×åì âûøå òâåðäîñòü âåùåñòâà, òåì ìåíüøå åãî ýíòðîïèÿ. Óâåëè÷åíèå àòîìîâ â ìîëåêóëå è óñëîæíåíèå ìîëåêóë âåäåò ê Êàë óâåëè÷åíèþ ýíòðîïèè. Ýíòðîïèÿ èçìåðÿåòñÿ â (ýíòðîïèéíàÿ ìîëü × Ê Äæ åäèíèöà) è â . Ïðè ðàñ÷åòàõ ïðèìåíÿþò çíà÷åíèÿ ýíòðîïèè â ìîëü × Ê òàê íàçûâàåìîì ñòàíäàðòíîì ñîñòîÿíèè, òî åñòü ïðè 298,15 Ê (25°Ñ). 0 . Íàïðèìåð, ýíòðîïèÿ êèñëîðîäà Òîãäà ýíòðîïèþ îáîçíà÷àþò S 298 0 0 O3 - S 298 = 238,8 åä. ý., à O2 - S 298 = 205 åä. ý. Àáñîëþòíûå çíà÷åíèÿ ýíòðîïèè ìíîãèõ âåùåñòâ ÿâëÿþòñÿ òàáëè÷íûìè è ïðèâåäåíû â ñïðàâî÷íèêàõ. Íàïðèìåð: H2O(æ) = 70,8; H2O(ã) = 188,7; CO(ã) = 197,54; CH4(ã) = 186,19; H2(ã) = 130,58; HCl(ã) = 186,69; HCl(ð) = 56,5; CH3OH(æ) = 126,8; Ca(ê) = 41,4; Ñà(ÎH)2(ê) = 83,4; Ñ(àëìàç) = 2,38; Ñ(ãðàôèò) = 5,74 è ò. ä. Ïðèìå÷àíèå: æ — æèäêîñòü, ã — ãàç, ê — êðèñòàëëû; ð — ðàñòâîð.

Èçìåíåíèå ýíòðîïèè ñèñòåìû â ðåçóëüòàòå õèìè÷åñêîé ðåàêöèè (DS) ðàâíî ñóììå ýíòðîïèé ïðîäóêòîâ ðåàêöèè çà âû÷åòîì ýíòðîïèé èñõîäíûõ âåùåñòâ. Íàïðèìåð: 0 0 0 0 = S0 CH4 + H2O(ã) = CO + 3H2, çäåñü DS298 co , 298 + 3SH 2 , 298 - SCH 4 , 298 - SH 2O , 298 = 197,54 = 3 × 130,58 – 188,19 – 188,7 = 214,39 Äæ/ìîëü × Ê.

Â ðåçóëüòàòå ðåàêöèè ýíòðîïèÿ âîçðîñëà (DS > 0), âîçðîñëî ÷èñëî ìîëåé ãàçîîáðàçíûõ âåùåñòâ.

Èíôîðìàöèîííàÿ ýíòðîïèÿ. Ýíòðîïèÿ â áèîëîãèè Èíôîðìàöèîííàÿ ýíòðîïèÿ ñëóæèò ìåðîé íåîïðåäåëåííîñòè ñîîáùåíèé. Ñîîáùåíèÿ îïèñûâàþòñÿ ìíîæåñòâîì âåëè÷èí x1, x2 …, xn, êîòîðûå ìîãóò áûòü, íàïðèìåð, ñëîâàìè: p1, p2..., pn. Èíôîðìàöèîííóþ ýíòðîïèþ îáîçíà÷àþò Sn èëè Íu. Äëÿ îïðåäåëåííîãî äèñêðåòíîãî ñòàòèñòè÷åñêîãî ðàñïðåäåëåíèÿ âåðîÿòíîñòåé Ði èñïîëüçóþò ñëåäóþùåå âûðàæåíèå: i

Sn = –å p i ln p i , i =1

92 Ãëàâà 3. Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè ïðè óñëîâèè: k

pi å i

= 1.

=1

Çíà÷åíèå Sn = 0, åñëè êàêàÿ-ëèáî âåðîÿòíîñòü Pi = 1, à îñòàëüíûå âåðîÿòíîñòè ïîÿâëåíèÿ äðóãèõ âåëè÷èí ðàâíû íóëþ. Â ýòîì ñëó÷àå èíôîðìàöèÿ äîñòîâåðíà, òî åñòü íåîïðåäåëåííîñòü â èíôîðìàöèè îòñóòñòâóåò. Èíôîðìàöèîííàÿ ýíòðîïèÿ ïðèíèìàåò íàèáîëüøåå çíà÷åíèå, êîãäà Pi ðàâíû ìåæäó ñîáîé è íåîïðåäåëåííîñòü â èíôîðìàöèè ìàêñèìàëüíà. Îáùàÿ ýíòðîïèÿ íåñêîëüêèõ ñîîáùåíèé ðàâíà ñóììå ýíòðîïèé îòäåëüíûõ ñîîáùåíèé (ñâîéñòâî àääèòèâíîñòè). Àìåðèêàíñêèé ìàòåìàòèê Êëîä Øåííîí, îäèí èç ñîçäàòåëåé ìàòåìàòè÷åñêîé òåîðèè èíôîðìàöèè, èñïîëüçîâàë ïîíÿòèå ýíòðîïèè äëÿ îïðåäåëåíèÿ êðèòè÷åñêîé ñêîðîñòè ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè è ïðè ñîçäàíèè «ïîìåõîóñòîé÷èâûõ êîäîâ». Òàêîé ïîäõîä (èñïîëüçîâàíèå èç ñòàòèñòè÷åñêîé òåðìîäèíàìèêè âåðîÿòíîñòíîé ôóíêöèè ýíòðîïèè) îêàçàëñÿ ïëîäîòâîðíûì è â äðóãèõ íàïðàâëåíèÿõ åñòåñòâîçíàíèÿ. Ïîíÿòèå ýíòðîïèè, êàê ïîêàçàë âïåðâûå Ý. Øðåäèíãåð (1944 ã.), à çàòåì Ë. Áðèëëþýí è äð., ñóùåñòâåííî è äëÿ ïîíèìàíèÿ ìíîãèõ ÿâëåíèé æèçíè è äàæå äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà. Òåïåðü ÿñíî, ÷òî ñ ïîìîùüþ âåðîÿòíîñòíîé ôóíêöèè ýíòðîïèè ìîæíî àíàëèçèðîâàòü âñå ñòàäèè ïåðåõîäà ñèñòåìû îò ñîñòîÿíèÿ ïîëíîãî õàîñà, êîòîðîìó ñîîòâåòñòâóþò ðàâíûå çíà÷åíèÿ âåðîÿòíîñòåé è ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå ýíòðîïèè, ê ñîñòîÿíèþ ïðåäåëüíî âîçìîæíîé óïîðÿäî÷åííîñòè, êîòîðîìó ñîîòâåòñòâóåò åäèíñòâåííî âîçìîæíîå ñîñòîÿíèå ýëåìåíòîâ ñèñòåìû. Æèâîé îðãàíèçì ñ òî÷êè çðåíèÿ ïðîòåêàþùèõ â íåì ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñëîæíóþ îòêðûòóþ ñèñòåìó, íàõîäÿùóþñÿ â íåðàâíîâåñíîì, íåñòàöèîíàðíîì ñîñòîÿíèè. Äëÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ õàðàêòåðíà ñáàëàíñèðîâàííîñòü ïðîöåññîâ îáìåíà, âåäóùèõ ê óìåíüøåíèþ ýíòðîïèè. Êîíå÷íî, ñ ïîìîùüþ ýíòðîïèè íåëüçÿ îõàðàêòåðèçîâàòü æèçíåäåÿòåëüíîñòü â öåëîì, òàê êàê æèçíü íå ñâîäèòñÿ ê ïðîñòîé ñîâîêóïíîñòè ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ. Åé ñâîéñòâåííû äðóãèå ñëîæíûå ïðîöåññû ñàìîðåãóëÿöèè.

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè 1. Ñôîðìóëèðóéòå çàêîíû äâèæåíèÿ Íüþòîíà. 2. Ïåðå÷èñëèòå îñíîâíûå çàêîíû ñîõðàíåíèÿ.


93

3. Íàçîâèòå îáùèå óñëîâèÿ ñïðàâåäëèâîñòè çàêîíîâ ñîõðàíåíèÿ. 4. Îáúÿñíèòå ñóùåñòâî ïðèíöèïà ñèììåòðèè è ñâÿçü ýòîãî ïðèíöèïà ñ çàêîíàìè ñîõðàíåíèÿ. 5. Ñôîðìóëèðóéòå ïðèíöèï äîïîëíèòåëüíîñòè è ïðèíöèï íåîïðåäåëåííîñòè Ãåéçåíáåðãà. 6. Â ÷åì ñîñòîèò «êðóøåíèå» ëàïëàñîâñêîãî äåòåðìèíèçìà? 7. Êàê ôîðìóëèðóþòñÿ ïîñòóëàòû Ýéíøòåéíà â ÑÒÎ? 8. Íàçîâèòå è îáúÿñíèòå ðåëÿòèâèñòñêèå ýôôåêòû. 9. Â ÷åì ñîñòîèò ñóòü ÎÒÎ? 10. Ïî÷åìó íåâîçìîæåí âå÷íûé äâèãàòåëü ïåðâîãî ðîäà? 11. Îáúÿñíèòå ïîíÿòèå êðóãîâîãî ïðîöåññà â òåðìîäèíàìèêå è èäåàëüíûé öèêë Êàðíî. 12. Îáúÿñíèòå ïîíÿòèå ýíòðîïèè êàê ôóíêöèþ ñîñòîÿíèÿ ñèñòåìû. 13. Ñôîðìóëèðóéòå âòîðîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè. 14. Îáúÿñíèòå ñóòü ïîíÿòèÿ «íåðàâíîâåñíàÿ òåðìîäèíàìèêà». 15. Êàê êà÷åñòâåííî îïðåäåëÿåòñÿ èçìåíåíèå ýíòðîïèè ïðè õèìè÷åñêèõ ðåàêöèÿõ?

Ãëàâà 4 ÅÑÒÅÑÒÂÅÍÍÎÍÀÓ×ÍÛÅ ÇÍÀÍÈß Î ÂÅÙÅÑÒÂÅ

4.1. Õèìèÿ êàê íàóêà. Êðàòêàÿ èñòîðè÷åñêàÿ ñïðàâêà. Ïðîáëåìû è ïåðñïåêòèâû ñîâðåìåííîé õèìèè Ñîãëàñíî îáùåïðèíÿòîìó îïðåäåëåíèþ,

} õèìèÿ — ýòî íàóêà î âåùåñòâàõ è èõ ïðåâðàùåíèÿõ, èëè, êàê âàðèàíò, íàóêà î õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòàõ è èõ ñîåäèíåíèÿõ.

Â ýòèõ îïðåäåëåíèÿõ ïîäðàçóìåâàåòñÿ ñòðóêòóðíûé óðîâåíü èçó÷åíèÿ âåùåñòâà è, òàê ñêàçàòü, «ðàçäåëåíèå ïîëíîìî÷èé» ìåæäó ôèçèêîé è õèìèåé. Ôèçèêà èçó÷àåò ñòðîåíèå àòîìà è ìèð ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö (àòîìíûé è íóêëîííûé óðîâåíü ìèêðîìèðà), ñ îäíîé ñòîðîíû, è ïðîÿâëåíèå ôèçè÷åñêèõ ñâîéñòâ âåùåñòâ, ïðåáûâàþùèõ â ðàçíûõ àãðåãàòíûõ ñîñòîÿíèÿõ, — ñ äðóãîé (êëàññè÷åñêèå ìåõàíèêà è ýëåêòðîäèíàìèêà, òåïëîôèçèêà êàê èçó÷åíèå ÿâëåíèé ìàêðîìèðà). Õèìèÿ æå ðàññìàòðèâàåò ïðîöåññû «ñáîðêè» ìîëåêóë èç àòîìîâ, òðàäèöèîííî íàçûâàåìûå «õèìè÷åñêèìè ðåàêöèÿìè», à òàêæå ïðîÿâëåíèå õèìè÷åñêèõ ñâîéñòâ âåùåñòâ, òî åñòü ñïîñîáíîñòü âåùåñòâ âñòóïàòü â õèìè÷åñêèå ðåàêöèè îïðåäåëåííîãî âèäà. Òàêèì îáðàçîì, ñòðóêòóðíûé óðîâåíü âåùåñòâà, èçó÷àåìûé â õèìèè, îêàçûâàåòñÿ ïîìåùåííûì ìåæäó äâóìÿ «ôèçè÷åñêèìè» óðîâíÿìè ñòðóêòóðû âåùåñòâà, à «õèìè÷åñêèå» ÿâëåíèÿ ïðîèñõîäÿò íà ãðàíèöå ìèêðîìèðà è ìàêðîìèðà. Õèìèÿ — ïîëíîïðàâíûé ïðåäñòàâèòåëü ñåìåéñòâà òî÷íûõ åñòåñòâåííûõ íàóê, òî åñòü õèìè÷åñêîå íàó÷íîå çíàíèå ñôîðìèðîâàíî èç òåîðèé, çàêîíîâ è çàêîíîìåðíîñòåé, ôîðìóëèðîâêè êîòîðûõ èñêëþ÷àþò ìíîæåñòâåííîå òîëêîâàíèå è êîòîðûå ìíîãîêðàòíî ïîäòâåðæäåíû è ïðîâåðåíû íà ïðàêòèêå. È, êàê äëÿ ëþáîé åñòåñòâåííîé íàóêè, äëÿ õèìèè èìåþò áîëüøîå çíà÷åíèå ïðîâåðÿåìîñòü, äîñòîâåðíîñòü è âîñ-

4.1. Õèìèÿ êàê íàóêà

95

ïðîèçâîäèìîñòü ðåçóëüòàòîâ, äîêàçàòåëüíîñòü çíàíèÿ, ñîîòâåòñòâèå íàó÷íûõ òåîðèé è íàáëþäàåìûõ ôàêòîâ. Õèìèÿ — ðàöèîíàëüíàÿ íàóêà, äàæå ãèïîòåçû â õèìèè èìåþò ÷èñòî ðàöèîíàëüíûé õàðàêòåð. Ñîâðåìåííàÿ õèìèÿ ñ÷àñòëèâî èçáåæàëà òîãî «íàëåòà» èððàöèîíàëüíîñòè, êîòîðûé ïðèñóòñòâóåò â ôèçèêå, áèîëîãèè, àñòðîíîìèè, îñîáåííî êîãäà îáñóæäàþòñÿ âîïðîñû ïðîèñõîæäåíèÿ Âñåëåííîé, âåùåñòâà è æèçíè. Òðàäèöèîííî òàêæå ñëàáà ñâÿçü õèìèè è ôèëîñîôèè (â òå÷åíèå ïîñëåäíèõ 250–300 ëåò ïîñëå èñêëþ÷åíèÿ àëõèìè÷åñêèõ ïðåäñòàâëåíèé èç õèìèè). È â äèñêóññèÿõ ìåæäó îðòîäîêñàëüíûìè «ìàòåðèàëèñòàìè» è «èäåàëèñòàìè» õèìèêè âñåãäà îñòàþòñÿ â ñòîðîíå, à îïïîíåíòû ïðèáåãàþò ê ðàçíûì àñïåêòàì õèìè÷åñêîãî çíàíèÿ äëÿ äîêàçàòåëüñòâà ñâîèõ, ïîðîé ïðîòèâîïîëîæíûõ ïî ñóùíîñòè, äîâîäîâ. È õîòÿ ñîâðåìåííàÿ õèìèÿ èìååò î÷åíü ìàëî îáùåãî ñ àëõèìèåé ñðåäíèõ âåêîâ, à àëõèìè÷åñêèå òåêñòû èíòåðåñíû äëÿ íàñ, ó÷åíûõ XXI ñòîëåòèÿ, ñ ëèòåðàòóðíî-èñòîðè÷åñêîé, íî íèêàê íå íàó÷íîé òî÷êè çðåíèÿ, çàáàâíî, ÷òî ñâîå íàçâàíèå «õèìèÿ» ïîëó÷èëà èìåííî îò àëõèìèè. Íàçâàíèå æå «àëõèìèÿ» èñõîäèò, ïðåäïîëîæèòåëüíî, îò ñëîâà «Êåìè»; ñòðàíà Êåìè (èëè Êåìü) — îäíî èç ñòàðèííûõ íàçâàíèé ñîâðåìåííîãî Åãèïòà, îòêóäà, ñîãëàñíî ñðåäíåâåêîâûì ëåãåíäàì, áûëè ðîäîì ïåðâûå àëõèìèêè. Õèìèÿ ðàçâèâàëàñü è ðàçâèâàåòñÿ òðàäèöèîííî â äâóõ íàïðàâëåíèÿõ — êàê ôóíäàìåíòàëüíàÿ íàóêà (ñîçäàíèå è èçó÷åíèå òåîðåòè÷åñêèõ îñíîâ õèìè÷åñêîãî çíàíèÿ) è êàê íàóêà ïðèêëàäíàÿ (ðåøåíèå ïðàêòè÷åñêèõ çàäà÷ ïðèìåíåíèÿ ðàçëè÷íûõ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé). È åñëè â XVIII–XIX ââ. âòîðîå íàïðàâëåíèå ðàçâèâàëîñü áîëåå èíòåíñèâíî, îáñëóæèâàÿ ïðîìûøëåííóþ ðåâîëþöèþ, à òåîðåòè÷åñêîå íàïðàâëåíèå âûíóæäåíî áûëî «äîãîíÿòü» â ïîïûòêå îáúÿñíèòü è ñèñòåìàòèçèðîâàòü áûñòðî ðàñòóùèé îáúåì õèìè÷åñêèõ çíàíèé, òî âñå èçìåíèëîñü íà ðóáåæå XIX–XX ââ. è îñîáåííî â íà÷àëå XX â. Âåëèêèå îòêðûòèÿ â ôèçèêå ìèêðîìèðà, ïðèâåäøèå ê ñìåíå ïàðàäèãìû åñòåñòâîçíàíèÿ, ïðåäîïðåäåëèëè ðàçâèòèå òåîðåòè÷åñêîé íåîðãàíè÷åñêîé è îðãàíè÷åñêîé õèìèè â ñâåòå êâàíòîâûõ ïðåäñòàâëåíèé. Òàêèì îáðàçîì áûë óñîâåðøåíñòâîâàí ìåõàíèçì îáúÿñíåíèÿ õèìè÷åñêîãî ñòðîåíèÿ è ñòðóêòóðû âåùåñòâà, è â äàëüíåéøåì îáà íàïðàâëåíèÿ õèìè÷åñêîé íàóêè ðàçâèâàëèñü óæå â òåñíîì âçàèìîäåéñòâèè, ðåøàÿ îñíîâíóþ ïðîáëåìó ñîâðåìåííîé õèìèè — ïîëó÷åíèå (ñèíòåç) âåùåñòâà ñ çàäàííûìè ñâîéñòâàìè. Âàæíûì ýòàïîì ðåøåíèÿ ýòîé çàäà÷è ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèå ïðîáëåìû óïðàâëåíèÿ ñâîéñòâàìè âåùåñòâà. Õèìèÿ êàê íàóêà íå òîëüêî î õèìè÷åñêîì ñîñòàâå è ñòðóêòóðå âåùåñòâà, íî è î õèìè÷å-

96 Ãëàâà 4. Åñòåñòâåííîíàó÷íûå çíàíèÿ î âåùåñòâå ñêèõ ïðîöåññàõ, ðàçâèâàåòñÿ â ðàìêàõ ïàðàäèãìû ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ — êâàíòîâî-ðåëÿòèâèñòñêîé ìåõàíèêè. Â ÷àñòíîñòè, ñóùåñòâóåò ôóíäàìåíòàëüíàÿ õèìè÷åñêàÿ íàóêà — êâàíòîâî-îðãàíè÷åñêàÿ õèìèÿ, êîòîðàÿ èçó÷àåò ìåõàíèçìû îðãàíè÷åñêèõ ðåàêöèé ñ ïîçèöèè êâàíòîâûõ ïðåäñòàâëåíèé. Îäíàêî íàðÿäó ñ êâàíòîâîé õèìèåé ñîñóùåñòâóåò è êëàññè÷åñêàÿ õèìèÿ, íàïðèìåð õèìèÿ àíàëèçà ñîñòàâà âåùåñòâà è õèìèÿ ïðîìûøëåííîãî ñèíòåçà èçâåñòíûõ ïðîäóêòîâ, ãäå äëÿ âûïîëíåíèÿ ðóòèííûõ ïðîöåäóð íå îáÿçàòåëüíî ïðèáåãàòü ê êâàíòîâûì ïðåäñòàâëåíèÿì.

4.2. Õèìè÷åñêèé ýëåìåíò. Ñòðîåíèå àòîìà. Ïåðèîäè÷åñêèé çàêîí Îáúåêò èçó÷åíèÿ õèìè÷åñêîé íàóêè, ëåæàùèé â îñíîâå âñåõ òåîðåòè÷åñêèõ ïðåäñòàâëåíèé î ñîñòàâå è ñòðóêòóðå âåùåñòâà, íåêîå ïðîñòîå íà÷àëî, èç êîòîðîãî ñîáèðàþòñÿ ñëîæíûå ñèñòåìû, òàê ñêàçàòü, ýëåìåíò, — ýòî àòîì â åãî ñîâðåìåííîì îïðåäåëåíèè.

} Àòîì — ýëåêòðîíåéòðàëüíàÿ ñèñòåìà âçàèìîäåéñòâóþùèõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Ñîñòàâíûå ÷àñòè àòîìà — ÿäðî è ýëåêòðîíû.

Ýëåêòðîí — èñòèííàÿ ýëåìåíòàðíàÿ ÷àñòèöà, çàðÿæåííàÿ îòðèöàòåëüíî. ßäðî ñîñòîèò èç ÷àñòèö äâóõ òèïîâ: ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííûõ ïðîòîíîâ è íå èìåþùèõ çàðÿäà íåéòðîíîâ. Îáà òèïà ÷àñòèö èìåþò îáùåå íàçâàíèå «íóêëîíû» è îòíîñÿòñÿ ê êëàññó àäðîíîâ è, êàê è äðóãèå àíäðîíû, â ñâîþ î÷åðåäü ñàìè ñîñòîÿò èç ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö — êâàðêîâ; ïîýòîìó ïðîòîí è íåéòðîí â ñòðîãîì ñìûñëå ýëåìåíòàðíûìè ÷àñòèöàìè íå ÿâëÿþòñÿ. Ïðîòîíû è íåéòðîíû õàðàêòåðèçóþòñÿ îäèíàêîâîé ìàññîé, ðàâíîé 1,67 × 10–24 ã, íàçûâàåìîé «àòîìíîé åäèíèöåé ìàññû» (ñîêðàùåííî — à. å. ì.); ýëåêòðîí æå íàìíîãî ëåã÷å íóêëîíîâ, åãî ìàññà ðàâíà 0,00055 à. å. ì. Èç ýòèõ äàííûõ ïîíÿòíî, ÷òî íàèáîëüøèé âêëàä â ìàññó àòîìà âíîñÿò èìåííî íóêëîíû. Äîñòàòî÷íî áîëüøîå ðàçíîîáðàçèå ýëåìåíòîâ (è èõ èçîòîïîâ) îáåñïå÷èâàåòñÿ íàëè÷èåì ÷àñòèö âñåãî òðåõ òèïîâ, êîòîðûå ïðèíèìàþò ó÷àñòèå â ñîçäàíèè àòîìîâ.

} Õèìè÷åñêèé ýëåìåíò — ýòî îïðåäåëåííûé âèä àòîìîâ, õàðàêòåðèçóþùèéñÿ îäèíàêîâûì çàðÿäîì ÿäðà.

Óñòàíîâëåíî, ÷òî ÷èñëåííî çàðÿä ýëåêòðîíà (–1,6 × 10–19 Êë) è ïðîòîíà (1,6 × 10–19 Êë) ðàâíû è èìåþò íàçâàíèå «óñëîâíûé åäèíè÷íûé çà-

4.2. Õèìè÷åñêèé ýëåìåíò. Ñòðîåíèå àòîìà. Ïåðèîäè÷åñêèé çàêîí

97

ðÿä»; äëÿ ñîáëþäåíèÿ ïðàâèëà ýëåêòðîíåéòðàëüíîñòè àòîìîâ íåîáõîäèìî, ÷òîáû ñóììà óñëîâíûõ åäèíè÷íûõ çàðÿäîâ áûëà ðàâíà íóëþ, òî åñòü ÷òîáû êîëè÷åñòâà ïðîòîíîâ è ýëåêòðîíîâ â àòîìå áûëè îäèíàêîâû. À âîò êîëè÷åñòâî íåéòðîíîâ â ÿäðå àòîìà, êîòîðîå íå âëèÿåò íà ñóììàðíûé çàðÿä àòîìà, ìîæåò âàðüèðîâàòü. Àòîìû îäíîãî è òîãî æå ýëåìåíòà, èìåþùèå â ÿäðå ðàçíîå êîëè÷åñòâî íåéòðîíîâ è, ñîîòâåòñòâåííî, ðàçíóþ ìàññó, íàçûâàþòñÿ èçîòîïàìè. Êàæäûé ýëåìåíò èìååò ñâîå íàçâàíèå è êðàòêîå ñòàíäàðòíîå îáîçíà÷åíèå èç îäíîé èëè äâóõ áóêâ ëàòèíñêîãî àëôàâèòà (íàïðèìåð, Ñ — îò ëàò. carbon — äëÿ óãëåðîäà, Í — îò ëàò. hydrogen — äëÿ âîäîðîäà, Fe — îò ëàò. ferrum — äëÿ æåëåçà). Èç ýòèõ çíàêîâ ñêëàäûâàåòñÿ ñâîåîáðàçíûé ÿçûê õèìèè — õèìè÷åñêèå ôîðìóëû, êîòîðûå çàøèôðîâûâàþò ñòðîåíèå âåùåñòâà; õèìè÷åñêèå ðåàêöèè òîæå ïèøóòñÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì õèìè÷åñêèõ ôîðìóë. Ñïåöèàëüíûå ìåæäóíàðîäíûå êîíãðåññû ÈÞÏÀÊ (International Union of Pure and Applied Chemistry) íåîäíîêðàòíî ñîáèðàëèñü â òå÷åíèå âñåãî XX â. äëÿ òîãî, ÷òîáû ïðèâåñòè ê åäèíîìó ìåæäóíàðîäíîìó ñòàíäàðòó õèìè÷åñêèå ôîðìóëû è òåðìèíû. Ïîýòîìó õèìèêàì ðàçíûõ ñòðàí íå îáÿçàòåëüíî èçó÷àòü èíîñòðàííûå ÿçûêè, îíè õîðîøî ïîíèìàþò äðóã äðóãà ñ ïîìîùüþ èíòåðíàöèîíàëüíîãî ÿçûêà õèìèêîâ. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ èçâåñòíî 110 ýëåìåíòîâ. Íåêîòîðûå ýëåìåíòû èçâåñòíû ñ äðåâíèõ âðåìåí (íå â ÷èñòîì âèäå, ñ âîçìîæíûìè ïðèìåñÿìè, — íàïðèìåð, æåëåçî, à òàêæå ëþáèìûå àëõèìèêàìè ðòóòü, ñåðà), åùå äî òîãî, êàê â XVII â. èçâåñòíûé àíãëèéñêèé ó÷åíûé Ðîáåðò Áîéëü äàë ïåðâîå íàó÷íîå îïðåäåëåíèå ïîíÿòèÿ «õèìè÷åñêèé ýëåìåíò». Ñîãëàñíî åãî îïðåäåëåíèþ,

} Ýëåìåíò — ýòî ïðîñòîå òåëî, ïðåäåë õèìè÷åñêîãî ðàçëîæåíèÿ âåùåñòâà, ïåðåõîäÿùåå áåç èçìåíåíèÿ èç ñîñòàâà îäíîãî ñëîæíîãî òåëà â ñîñòàâ äðóãîãî.

Ïðèìåðíî çà 200 ïîñëåäóþùèõ ëåò, ê ìîìåíòó îòêðûòèÿ Ä. È. Ìåíäåëååâûì åãî çíàìåíèòîé Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû ýëåìåíòîâ, ó÷åíûå âëàäåëè çíàíèÿìè î 63 ýëåìåíòàõ. Ñðàâíèòåëüíûé àíàëèç ïîêàçûâàë, ÷òî ìíîãèå ýëåìåíòû îáëàäàþò ïîõîæèìè ôèçè÷åñêèìè è õèìè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè è èõ ìîæíî îáúåäèíÿòü â ãðóïïû, ñîçäàâàÿ òåì ñàìûì êëàññèôèêàöèþ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Íåîáõîäèìîñòü â ïîäîáíîé êëàññèôèêàöèè êàê â óäîáíîì è ýôôåêòèâíîì ìåòîäå ïîçíàíèÿ ñâîéñòâ âåùåñòâà, à ãëàâíîå, ïðåäñêàçàíèÿ ñâîéñòâ èçâåñòíûõ ê òîìó âðåìåíè è åùå íå îòêðûòûõ ýëåìåíòîâ, ñòàëà íàñòîÿòåëüíîé ê ñåðåäèíå XIX â.

98 Ãëàâà 4. Åñòåñòâåííîíàó÷íûå çíàíèÿ î âåùåñòâå Îòêðûòèå â 1869 ã. âåëèêèì ðóññêèì ó÷åíûì Äìèòðèåì Èâàíîâè÷åì Ìåíäåëååâûì Ïåðèîäè÷åñêîãî çàêîíà è ðàçðàáîòêà Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, â êîòîðîé ñóììà çíàíèé îá ýëåìåíòàõ áûëà ïðèâåäåíà â ñòðîéíûé ïîðÿäîê, ïîëíîñòüþ ðåøèëè ýòó çàäà÷ó. Ìåíäåëååâ ñ÷èòàë, ÷òî îñíîâîé êëàññèôèêàöèè õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ÿâëÿþòñÿ èõ àòîìíûå âåñà. Ïåðèîäè÷åñêèé çàêîí â åãî èíòåðïðåòàöèè áûë ñôîðìóëèðîâàí ñëåäóþùèì îáðàçîì: «Ñâîéñòâà ïðîñòûõ òåë, à òàêæå ôîðìû è ñâîéñòâà ñîåäèíåíèé ýëåìåíòîâ íàõîäÿòñÿ â ïåðèîäè÷åñêîé çàâèñèìîñòè îò âåëè÷èíû àòîìíûõ âåñîâ ýëåìåíòîâ». Ìåíäåëååâ íå òîëüêî êëàññèôèöèðîâàë â ñâîåé ñèñòåìå èçâåñòíûå ê òîìó âðåìåíè ýëåìåíòû, íî è ïðåäñêàçàë îòêðûòèå íîâûõ ýëåìåíòîâ, äëÿ êîòîðûõ îí çàðåçåðâèðîâàë îïðåäåëåííûå ìåñòà â ñâîåé Ïåðèîäè÷åñêîé òàáëèöå, ïðè÷åì íå òîëüêî ïðåäñêàçàë îòêðûòèå, íî è îïèñàë ôèçè÷åñêèå è õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà ýòèõ ýëåìåíòîâ. Âñå ïðåäñêàçàííûå Ìåíäåëååâûì ýëåìåíòû áûëè âïîñëåäñòâèè îòêðûòû ðàçíûìè ó÷åíûìè ðàçíûõ ñòðàí â XIX è ÕÕ ââ. Ñðåäè íèõ ïîëîíèé è ðàäèé, îòêðûòûå Ïüåðîì è Ìàðèåé Êþðè, ðàäîí, îòêðûòûé Ýðíñòîì Ðåçåðôîðäîì, è äð. Âñå ïóñòûå ìåñòà â òàáëèöå Ìåíäåëååâà áûëè çàïîëíåíû, è ñåé÷àñ òàáëèöà íàðàùèâàåòñÿ, ïðîäîëæàÿ çàïîëíÿòüñÿ íîâûìè òðàíñóðàíîâûìè ýëåìåíòàìè, êîòîðûå îáðàçóþòñÿ â ðåçóëüòàòå ÿäåðíîãî ñèíòåçà â èñêóññòâåííûõ óñëîâèÿõ öèêëîòðîíîâ, òî åñòü óñêîðèòåëåé ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. Ïåðèîäè÷åñêèé çàêîí è ñèñòåìà Ìåíäåëååâà ïðåäñòàâëÿëè ñîáîé ãåíèàëüíîå ýìïèðè÷åñêîå îáîáùåíèå ôàêòîâ, à èõ ôèçè÷åñêèé ñìûñë äîëãîå âðåìÿ îñòàâàëñÿ íåïîíÿòíûì. Ïðîèñõîäèëî ýòî ïîòîìó, ÷òî ó÷åíûå òîãî âðåìåíè íå èìåëè ïðåäñòàâëåíèÿ î ñëîæíîé ñòðóêòóðå àòîìà. Îòêðûòèå ïðîòîíà, íåéòðîíà, ýëåêòðîíà è äðóãèõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, îòêðûòèå äåëåíèÿ ÿäðà àòîìà, ðàçðàáîòêà êâàíòîâîé ìîäåëè àòîìà Áîðà–Ðåçåðôîðäà è êâàíòîâîé ôèçèêè â öåëîì — âñå ýòî íàó÷íûå ðåàëèè ÕÕ â. Íà áàçå ñîâðåìåííûõ ôóíäàìåíòàëüíûõ ôèçè÷åñêèõ ïðåäñòàâëåíèé ïåðèîäè÷åñêèé çàêîí áûë ñôîðìóëèðîâàí íåñêîëüêî èíà÷å: «Ñâîéñòâà ïðîñòûõ âåùåñòâ, à òàêæå ôîðìû è ñâîéñòâà ñîåäèíåíèé ýëåìåíòîâ íàõîäÿòñÿ â ïåðèîäè÷åñêîé çàâèñèìîñòè îò âåëè÷èíû çàðÿäà ÿäðà àòîìà». Â çàêëþ÷åíèå ñëåäóåò ñêàçàòü îá èçîòîïàõ ýëåìåíòîâ. Êàê ïðàâèëî, èçîòîïû ðàçëè÷íûõ ýëåìåíòîâ íå èìåþò ñîáñòâåííûõ íàçâàíèé, à ïîâòîðÿþò íàçâàíèå ýëåìåíòà; ïðè ýòîì àòîìíàÿ ìàññà äàííîãî èçîòîïà — åãî åäèíñòâåííîå îòëè÷èå îò äðóãèõ èçîòîïîâ ýòîãî æå ýëåìåí-

4.3. Õèìè÷åñêîå ñîåäèíåíèå, õèìè÷åñêàÿ ñâÿçü

99

òà — îòðàæàåòñÿ ñ ïîìîùüþ âåðõíåãî èíäåêñà â õèìè÷åñêîé ôîðìóëå ýëåìåíòà: íàïðèìåð, äëÿ èçîòîïîâ óðàíà — 235U è 238U. Åäèíñòâåííûì èñêëþ÷åíèåì èç ïðàâèë íîìåíêëàòóðû èçîòîïîâ ÿâëÿåòñÿ ýëåìåíò ¹ 1 — âîäîðîä. Âñå òðè èçâåñòíûõ íà íàñòîÿùèé ìîìåíò èçîòîïà âîäîðîäà èìåþò íå òîëüêî ñîáñòâåííûå ñïåöèàëüíûå õèìè÷åñêèå ñèìâîëû, íî è ñîáñòâåííîå íàçâàíèå: 1Í — ïðîòèé, 2D — äåéòåðèé, 3Ò — òðèòèé; ïðè ýòîì ÿäðî ïðîòèÿ — ýòî ïðîñòî îäèí ïðîòîí, ÿäðî äåéòåðèÿ ñîäåðæèò îäèí ïðîòîí è îäèí íåéòðîí, ÿäðî òðèòèÿ — îäèí ïðîòîí è äâà íåéòðîíà. Ñ íàçâàíèÿìè èçîòîïîâ âîäîðîäà òàê èñòîðè÷åñêè ñëîæèëîñü ïîòîìó, ÷òî îòíîñèòåëüíîå ðàçëè÷èå ìàññ èçîòîïîâ âîäîðîäà, âûçâàííîå äîáàâëåíèåì îäíîãî íåéòðîíà, ÿâëÿåòñÿ ìàêñèìàëüíûì ñðåäè âñåõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Âñå èçîòîïû ìîæíî ïîäðàçäåëèòü íà ñòàáèëüíûå (óñòîé÷èâûå), òî åñòü íå ïîäâåðæåííûå ñàìîïðîèçâîëüíîìó ðàñïàäó ÿäåð àòîìîâ íà ÷àñòè (ðàñïàä â òàêîì ñëó÷àå íàçûâàåòñÿ ðàäèîàêòèâíûì), è íåñòàáèëüíûå (íåóñòîé÷èâûå) — ðàäèîàêòèâíûå, òî åñòü ïîäâåðæåííûå ðàäèîàêòèâíîìó ðàñïàäó. Áîëüøèíñòâî øèðîêî ðàñïðîñòðàíåííûõ â ïðèðîäå ýëåìåíòîâ ñîñòîèò èç ñìåñè äâóõ èëè áîëüøåãî ÷èñëà ñòàáèëüíûõ èçîòîïîâ: íàïðèìåð, 16Î, 12Ñ. Èç âñåõ ýëåìåíòîâ íàèáîëüøåå ÷èñëî ñòàáèëüíûõ èçîòîïîâ èìååò îëîâî (10 èçîòîïîâ), à, íàïðèìåð, àëþìèíèé ñóùåñòâóåò â ïðèðîäå â âèäå òîëüêî îäíîãî ñòàáèëüíîãî èçîòîïà — îñòàëüíûå åãî èçâåñòíûå èçîòîïû íåóñòîé÷èâû. ßäðà íåñòàáèëüíûõ èçîòîïîâ ñàìîïðîèçâîëüíî ðàñïàäàþòñÿ, âûäåëÿÿ ïðè ýòîì a-÷àñòèöû (äâàæäû èîíèçîâàííûå àòîìû ãåëèÿ, òî åñòü äâà ïðîòîíà è äâà íåéòðîíà) è b-÷àñòèöû (ýëåêòðîíû) äî òåõ ïîð, ïîêà íå îáðàçóåòñÿ ñòàáèëüíûé èçîòîï äðóãîãî ýëåìåíòà: íàïðèìåð, ðàñïàä 238U (ðàäèîàêòèâíîãî óðàíà) çàâåðøàåòñÿ îáðàçîâàíèåì 206Pb (ñòàáèëüíîãî èçîòîïà ñâèíöà). Ïðè èçó÷åíèè èçîòîïîâ óñòàíîâëåíî, ÷òî îíè íå ðàçëè÷àþòñÿ ïî õèìè÷åñêèì ñâîéñòâàì, êîòîðûå, êàê íàì èçâåñòíî, îïðåäåëÿþòñÿ çàðÿäîì èõ ÿäåð è íå çàâèñÿò îò ìàññû ÿäåð.

4.3. Õèìè÷åñêîå ñîåäèíåíèå, õèìè÷åñêàÿ ñâÿçü Ìíîãîîáðàçèå îáúåêòîâ, èçó÷àåìûõ â ðàìêàõ õèìèè, âîâñå íå èñ÷åðïûâàåòñÿ òîëüêî ýëåìåíòàìè è èçîòîïàìè. Õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû îáúåäèíÿþòñÿ â áîëåå ñëîæíûå ñèñòåìû, íàçûâàåìûå õèìè÷åñêèìè ñîåäèíåíèÿìè. Íà óðîâíå ìèêðîìèðà ýòî îïèñûâàåòñÿ êàê îáðàçîâàíèå èç àòîìîâ áîëåå ñëîæíûõ (ñîñòàâíûõ) ÷àñòèö — ìîëåêóë.

100 Ãëàâà 4. Åñòåñòâåííîíàó÷íûå çíàíèÿ î âåùåñòâå

} Ìîëåêóëà — ýòî ýëåêòðîíåéòðàëüíàÿ íàèìåíüøàÿ ñîâîêóïíîñòü àòîìîâ, îáðàçóþùèõ îïðåäåëåííóþ ñòðóêòóðó ïîñðåäñòâîì òàê íàçûâàåìûõ õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé.

Õèìè÷åñêàÿ ñâÿçü ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îäíî èç ôóíäàìåíòàëüíûõ ôèçè÷åñêèõ âçàèìîäåéñòâèé — ýëåêòðîìàãíèòíîå. Âîçìîæíîñòü âñòóïèòü â õèìè÷åñêóþ ñâÿçü àòîìû ïîëó÷àþò çà ñ÷åò ïîòåðè ñâîåé ýëåêòðîíåéòðàëüíîñòè â ðåçóëüòàòå îòðûâà îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ ýëåêòðîíîâ (ïîëîæèòåëüíûé çàðÿä) èëè ïðèñîåäèíåíèÿ îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ ýëåêòðîíîâ (îòðèöàòåëüíûé çàðÿä). Äàëåå ïðîòèâîïîëîæíî çàðÿæåííûå ÷àñòèöû — èîíû — ïðèòÿãèâàþòñÿ ê äðóãó, íåéòðàëèçóÿ ñâîè çàðÿäû è îáðàçóÿ â èòîãå ìîëåêóëó õèìè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ, îáëàäàþùóþ ñâîéñòâîì ýëåêòðîíåéòðàëüíîñòè. Â äàííîì ïðèìåðå ðàññìîòðåíà òàê íàçûâàåìàÿ èîííàÿ õèìè÷åñêàÿ ñâÿçü, õàðàêòåðèçóþùàÿñÿ íàèâûñøåé ýíåðãèåé ñâÿçè, âîçìîæíîé ñðåäè âñåõ åå òèïîâ. Äðóãèå èçâåñòíûå òèïû õèìè÷åñêîé ñâÿçè — êîâàëåíòíàÿ, äîíîðíî-àêöåïòîðíàÿ è äð. — òàêæå ñâÿçàíû ñ ýëåêòðîìàãíèòíûìè âçàèìîäåéñòâèÿìè; òîëüêî â ýòèõ ñëó÷àÿõ ïðîèñõîäèò íå îòðûâ ýëåêòðîíîâ îò àòîìà, à èõ íåêîòîðîå ñìåùåíèå îò íåéòðàëüíîãî ïîëîæåíèÿ, â ðåçóëüòàòå ÷åãî òàêæå îáðàçóåòñÿ íåêèé çàðÿä.

} Ïðîöåññ îáðàçîâàíèÿ ìîëåêóë èç àòîìîâ íàçûâàåòñÿ õèìè÷åñêîé ðåàêöèåé.

Ïåðèîäè÷åñêàÿ ñèñòåìà ýëåìåíòîâ îïðåäåëÿåò äëÿ êàæäîãî ýëåìåíòà: u u u u

òèï è çàðÿä çàðÿæåííîé ÷àñòèöû (èîíà); òèïû õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, â êîòîðûå ìîãóò âñòóïàòü àòîìû äàííîãî ýëåìåíòà, òî åñòü, ïî ñóòè, õèìè÷åñêèå ôîðìóëû ìîëåêóë; òèïû õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé, êîòîðûå ìîãóò ðåàëèçîâàòüñÿ â òàêèõ ìîëåêóëàõ; òèïû õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé, â êîòîðûå ìîæåò âñòóïàòü äàííûé ýëåìåíò.

Ìîëåêóëû ìîãóò ñîäåðæàòü àòîìû òîëüêî îäíîãî ýëåìåíòà, â ýòîì ñëó÷àå òàêèå âåùåñòâà íàçûâàþòñÿ ïðîñòûìè. Ìíîãî÷èñëåííûå ïðèìåðû — ñóùåñòâîâàíèå ÷èñòûõ ìåòàëëîâ (îñîáåííî õèìè÷åñêè èíåðòíûõ äðàãîöåííûõ ìåòàëëîâ — çîëîòà, ïëàòèíû), èíåðòíûõ ãàçîâ — íåîíà, ðàäîíà è äð. Ó íåêîòîðûõ ïðîñòûõ âåùåñòâ ìîëåêóëû ñîñòîÿò èç äâóõ è áîëåå îäèíàêîâûõ àòîìîâ — ýòî òàê íàçûâàåìûå äâóõàòîìíûå ãàçû, íàïðèìåð êèñëîðîä Î2, ãàëîãåíû — ãàçû ôòîð F2 è õëîð Cl2, æèä-

4.4. Õèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ, åå ñêîðîñòü, êèíåòèêà è êàòàëèç

101

êîñòü áðîì Br2, òâåðäîå âåùåñòâî éîä J2. Ìîëåêóëà èçâåñòíîãî ãàçà îçîíà ñîäåðæèò òðè àòîìà êèñëîðîäà ïî ôîðìóëå Î3, à ìîëåêóëà áåëîãî ôîñôîðà — ÷åòûðå àòîìà ôîñôîðà Ð4. Âåùåñòâà, ìîëåêóëû êîòîðûõ ñîñòîÿò èç àòîìîâ ðàçíûõ ýëåìåíòîâ, íàçûâàþòñÿ ñëîæíûìè âåùåñòâàìè, èëè õèìè÷åñêèìè ñîåäèíåíèÿìè, íàïðèìåð: ñîåäèíåíèÿ ðàçíûõ ýëåìåíòîâ ñ êèñëîðîäîì íàçûâàþòñÿ îêñèäàìè, ñ ôòîðîì — ôòîðèäàìè, ñ õëîðîì — õëîðèäàìè. Âñå õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ îáúåäèíåíû â êëàññû, è íàçâàíèÿ ñîåäèíåíèé ðàçíûõ êëàññîâ îïðåäåëÿåòñÿ ñîãëàñíî ìåæäóíàðîäíûì ñòàíäàðòàì íîìåíêëàòóðû õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé ÈÞÏÀÊ. Òðàäèöèîííî õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ ïîäðàçäåëÿþò íà íåîðãàíè÷åñêèå — ñîåäèíåíèÿ âñåõ ýëåìåíòîâ Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû, è îðãàíè÷åñêèå — ñîåäèíåíèÿ óãëåðîäà è íåêîòîðûõ äðóãèõ ýëåìåíòîâ, â êîòîðûõ àòîìû óãëåðîäà ñîåäèíåíû ìåæäó ñîáîé â öåïè (ñîîòâåòñòâåííî îôîðìèëèñü ôóíäàìåíòàëüíûå íàïðàâëåíèÿ õèìè÷åñêîé íàóêè — íåîðãàíè÷åñêàÿ è îðãàíè÷åñêàÿ õèìèÿ). Âñåãî õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé íà íàñòîÿùèé ìîìåíò èçâåñòíî íåñêîëüêî ìèëëèîíîâ, è èõ êîëè÷åñòâî ïîñòîÿííî ðàñòåò çà ñ÷åò ñèíòåçà íîâûõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ èçâåñòíî 110 ýëåìåíòîâ, à ÷èñëî îáðàçóåìûõ èìè ïðîñòûõ âåùåñòâ — îêîëî 400. Òàêîå ðàçëè÷èå îáúÿñíÿåòñÿ ñïîñîáíîñòüþ íåêîòîðûõ ýëåìåíòîâ ñóùåñòâîâàòü â âèäå ðàçëè÷íûõ ïðîñòûõ âåùåñòâ, îòëè÷àþùèõñÿ êàê ïî õèìè÷åñêèì, òàê è ïî ôèçè÷åñêèì ñâîéñòâàì. Ýòî ÿâëåíèå ïîëó÷èëî íàçâàíèå àëëîòðîïèè, à ñàìè ðàçëè÷íûå âåùåñòâà — àëëîòðîïíûìè ìîäèôèêàöèÿìè. Ñâîéñòâîì îáðàçîâûâàòü àëëîòðîïíûå ìîäèôèêàöèè îáëàäàþò êàê ïðîñòûå âåùåñòâà, íàïðèìåð ðàññìîòðåííûå âûøå ñîåäèíåíèÿ äâóõàòîìíûé êèñëîðîä è òðåõàòîìíûé îçîí (íå ìåíåå èçâåñòíûé ïðèìåð — àëëîòðîïèÿ óãëåðîäà Ñ: óãîëü, àëìàç, ãðàôèò, øóíãèò — õèìè÷åñêàÿ ôîðìóëà âñåõ ïåðå÷èñëåííûõ ñîåäèíåíèé îäíà è òà æå), òàê è ñëîæíûå ñîåäèíåíèÿ, íàïðèìåð ìíîãî÷èñëåííûå àëëîòðîïíûå ôîðìû îêñèäà êðåìíèÿ (ðå÷íîé ïåñîê, ìèíåðàë êâàðö è äð.) è îêñèäà àëþìèíèÿ (ãëèíîçåì è êîðóíä).

4.4. Õèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ, åå ñêîðîñòü, êèíåòèêà è êàòàëèç, áèîêàòàëèçàòîðû Äëÿ óñòàíîâëåíèÿ ñîñòàâà õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé î÷åíü âàæåí çàêîí ïîñòîÿíñòâà èõ ñîñòàâà. Ïîëîæåíèÿ ýòîãî çàêîíà ïîçâîëèëè õèìèêàì

102 Ãëàâà 4. Åñòåñòâåííîíàó÷íûå çíàíèÿ î âåùåñòâå îòäåëÿòü íàñòîÿùèå õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ îò ïðîñòûõ ñìåñåé. Âïåðâûå â èñòîðèè õèìèè ýòîò çàêîí áûë ñôîðìóëèðîâàí ôðàíöóçñêèì õèìèêîì Æ. Ïðóñòîì â íà÷àëå XIX â.:

} Ëþáîå èíäèâèäóàëüíîå õèìè÷åñêîå ñîåäèíåíèå îáëàäàåò ñòðîãî

îïðåäåëåííûì íåèçìåííûì ñîñòàâîì, ïðî÷íûì ïðèòÿæåíèåì ñîñòàâíûõ ÷àñòåé è òåì ñàìûì îòëè÷àåòñÿ îò ñìåñåé.

Òåîðåòè÷åñêè çàêîí ïîñòîÿíñòâà ñîñòàâà îáîñíîâàë àíãëèéñêèé åñòåñòâîèñïûòàòåëü Ä. Äàëüòîí â ñâîåì çíàìåíèòîì çàêîíå êðàòíûõ îòíîøåíèé: «ñîåäèíåíèÿ ñîñòîÿò èç àòîìîâ äâóõ èëè íåñêîëüêèõ ñîåäèíåíèé, îáðàçóþùèõ îïðåäåëåííûå ñî÷åòàíèÿ äðóã ñ äðóãîì». Â åãî ÷åñòü âñå õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ ïîñòîÿííîãî ñîñòàâà (à èõ ïîäàâëÿþùåå áîëüøèíñòâî ñðåäè âåùåñòâ) íàçûâàþò äàëüòîíèäàìè. Çàêîí ïîñòîÿíñòâà ñîñòàâà âåùåñòâà èñïîëüçîâàë è Ä. È. Ìåíäåëååâ ïðè ðàçðàáîòêå ñâîåé ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû — ïîñòîÿíñòâî ñîñòàâà ñîåäèíåíèé, êîòîðûå ìîæåò îáðàçîâûâàòü äàííûé ýëåìåíò, ñëåäóåò èç åãî ïîëîæåíèÿ â ïåðèîäè÷åñêîé òàáëèöå Ìåíäåëååâà. Ïðåäñòàâëåíèå î ñîñòàâå âåùåñòâà — îäíî èç êîíöåïòóàëüíûõ ïîíÿòèé äëÿ õèìèè êàê åñòåñòâåííîé íàóêè. Ïîñòîÿíñòâî ñîñòàâà õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé îáóñëîâëåíî ôèçè÷åñêîé ïðèðîäîé õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé, îáúåäèíÿþùèõ àòîìû â îäíó êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêóþ ñèñòåìó — ìîëåêóëó. Íåîáõîäèìîñòü âûðàáîòêè ñòðîãèõ íàó÷íûõ ïðèíöèïîâ îòíîñèòåëüíî ñîñòàâà âåùåñòâà ïîçâîëèëà õèìèêàì óñïåøíî ðàçâèòü ñòðîãîå íàó÷íîå ïîíÿòèå õèìè÷åñêîé ðåàêöèè êàê ïðîöåññà îáðàçîâàíèÿ íîâûõ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. Â õèìè÷åñêîé ðåàêöèè ó÷àñòâóþò èñõîäíûå âåùåñòâà, êîòîðûå ðåàãèðóþò äðóã ñ äðóãîì è ñ òå÷åíèåì âðåìåíè ïðåâðàùàþòñÿ â íîâûå âåùåñòâà, íàçûâàåìûå ïðîäóêòàìè ðåàêöèè. Èç çàêîíà ïîñòîÿíñòâà ñîñòàâà âåùåñòâà ñëåäóåò ïîñòîÿíñòâî íå òîëüêî ñîñòàâà ìîëåêóë ïðîäóêòîâ ðåàêöèè, íî è ïîñòîÿíñòâî êîëè÷åñòâåííûõ ñîîòíîøåíèé (ìàññîâûõ äîëåé) èñõîäíûõ âåùåñòâ.

} Ñòåõèîìåòðèÿ — ðàçäåë õèìèè, â êîòîðîì ðàññìàòðèâàþòñÿ ìàñ-

ñîâûå èëè îáúåìíûå îòíîøåíèÿ ìåæäó ðåàãèðóþùèìè âåùåñòâàìè. Çàêîíû ñòåõèîìåòðèè òàê æå íåïðåëîæíû, êàê è ëþáûå äðóãèå åñòåñòâåííîíàó÷íûå çàêîíû; êðîìå òîãî, èõ çíàíèå î÷åíü ïîëåçíî äëÿ ïðèêëàäíîé õèìèè, ïîòîìó ÷òî ïîçâîëÿåò êîëè÷åñòâåííî ðàññ÷èòàòü âûõîä õèìè÷åñêîé ðåàêöèè è íåîáõîäèìîå êîëè÷åñòâî èñõîäíûõ âåùåñòâ.


103

Ïðîöåññ ïîëó÷åíèÿ íîâûõ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé ñ ó÷åòîì ñòåõèîìåòðè÷åñêèõ ñîîòíîøåíèé îáû÷íî çàïèñûâàåòñÿ â âèäå óðàâíåíèÿ õèìè÷åñêîé ðåàêöèè, íàïðèìåð: 6HCL + 2HNO3 = 3CL2 + 2NO + 4H2O, ãäå u u u

õèìè÷åñêèå ôîðìóëû ñëåâà îò çíàêà ðàâåíñòâà îáîçíà÷àþò èñõîäíûå âåùåñòâà; õèìè÷åñêèå ôîðìóëû ñïðàâà îò çíàêà ðàâåíñòâà îáîçíà÷àþò ïðîäóêòû ðåàêöèè; öèôðû ïåðåä ôîðìóëàìè õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé ÿâëÿþòñÿ òàê íàçûâàåìûìè ñòåõèîìåòðè÷åñêèìè êîýôôèöèåíòàìè; îíè ðàñêðûâàþò ìàññîâûå (èëè îáúåìíûå) ñîîòíîøåíèÿ âåùåñòâ.

Â óðàâíåíèè õèìè÷åñêîé ðåàêöèè íàøåë ñâîå îòðàæåíèå åùå îäèí ôóíäàìåíòàëüíûé çàêîí åñòåñòâîçíàíèÿ — çàêîí ñîõðàíåíèÿ âåùåñòâà, îòêðûòûé íàøèì ñîîòå÷åñòâåííèêîì Ì. Â. Ëîìîíîñîâûì è íåçàâèñèìî îò íåãî — ôðàíöóçîì À. Ë. Ëàâóàçüå. Èìåííî â ñîîòâåòñòâèè ñ ýòèì çàêîíîì è ïîëó÷àåòñÿ ìàòåìàòè÷åñêîå âûðàæåíèå — óðàâíåíèå: ìàññà äàííîãî ýëåìåíòà ñëåâà îò çíàêà ðàâåíñòâà äîëæíà áûòü ðàâíà ìàññå ýòîãî æå ýëåìåíòà ñïðàâà îò çíàêà ðàâåíñòâà, à ñòåõèîìåòðè÷åñêèå êîýôôèöèåíòû óðàâíèâàþò (íå òîëüêî ìàòåìàòè÷åñêèé, íî è õèìè÷åñêèé òåðìèí!) äàííóþ ðåàêöèþ. Ïðîíèêíîâåíèå ìàòåìàòè÷åñêèõ ïîíÿòèé, âûðàæåíèé, òåðìèíîâ (óðàâíåíèÿ, êîýôôèöèåíòû) â õèìèþ, ñìåøåíèå òåðìèíîëîãèé îçíà÷àåò, ÷òî íà âàæíîì èñòîðè÷åñêîì ýòàïå ôîðìèðîâàíèÿ õèìèè êàê íàóêè (XVIII–XIX ââ.) îíà ðàçâèâàëàñü â ñîîòâåòñòâèè ñ íàó÷íîé ïàðàäèãìîé òîãî âðåìåíè — êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêîé. Ïðèìåíèòåëüíî ê õèìèè ýòà ïàðàäèãìà ìîãëà áû áûòü âûðàæåíà ñëåäóþùèì îáðàçîì: ëþáîé çàêîí ïðèðîäû ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå ìàòåìàòè÷åñêîãî ñîîòíîøåíèÿ, çàïèñûâàåìîãî ñ ó÷àñòèåì õèìè÷åñêèõ ôîðìóë. Åùå îäèí èíòåðåñíûé ñëó÷àé ïðîíèêíîâåíèÿ êëàññè÷åñêîãî íüþòîíîâñêîãî ïîäõîäà â õèìèþ — ïîíÿòèå î ñêîðîñòè õèìè÷åñêîé ðåàêöèè. Ïûòàÿñü ïîëó÷èòü íîâûå õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, ó÷åíûå-õèìèêè ðàçíûõ ýïîõ íåîäíîêðàòíî îòìå÷àëè òîò ôàêò, ÷òî íåêîòîðûå âåùåñòâà ðåàãèðóþò äðóã ñ äðóãîì ìãíîâåííî, ÷àñòî ñî âçðûâîì, à äðóãèå — ìåäëåííî, â òå÷åíèå íåñêîëüêèõ ÷àñîâ (ñóòîê). Ñêîðîñòè ìíîãèõ õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ áûëè óñòàíîâëåíû ýìïèðè÷åñêèì ïóòåì. È äëÿ âû÷èñëåíèÿ ñêîðîñòè õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé áûëî èñïîëüçîâàíî íüþòî-

104 Ãëàâà 4. Åñòåñòâåííîíàó÷íûå çíàíèÿ î âåùåñòâå íîâñêîå ïðåäñòàâëåíèå î âðåìåíè êàê î íå çàâèñÿùåé îò ñâîéñòâ âåùåñòâà è ïðîñòðàíñòâà ïðîñòîé äëèòåëüíîñòè. Ïðîöåññ õèìè÷åñêîé ðåàêöèè ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ïðîöåññ èçìåíåíèÿ êîíöåíòðàöèé íà÷àëüíûõ è êîíå÷íûõ ïðîäóêòîâ ðåàêöèè, è, ñîãëàñíî êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêå, äëÿ ëþáîãî ïðîöåññà èçìåíåíèÿ (äâèæåíèÿ) âî âðåìåíè âñåãäà ìîæíî ðàññ÷èòàòü ñêîðîñòü ýòîãî èçìåíåíèÿ. Ñîâðåìåííûå êâàíòîâûå ïðåäñòàâëåíèÿ î õèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ ðàññìàòðèâàþò õèìè÷åñêóþ ðåàêöèþ êàê ïåðåðàñïðåäåëåíèå ýëåêòðîíîâ ìåæäó ñòàòèñòè÷åñêè âåðîÿòíûìè ýíåðãåòè÷åñêèìè óðîâíÿìè ó÷àñòâóþùèõ ìîëåêóë, ñîçäàíèå ìåæìîëåêóëÿðíûõ ïðîìåæóòî÷íûõ ðåàêöèîííûõ êîìïëåêñîâ è ïîëó÷åíèå íîâûõ ïðîäóêòîâ êàê ýíåðãåòè÷åñêè âûãîäíûõ ñîñòîÿíèé ìîëåêóë. Â ðàìêàõ ýòèõ ïðåäñòàâëåíèé êëàññè÷åñêàÿ ñêîðîñòü ðåàêöèé íå èìååò ñìûñëà, òàê êàê êàæäîå íîâîå ýíåðãåòè÷åñêîå ñîñòîÿíèå ðàññìàòðèâàåòñÿ â ðàìêàõ ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííîãî êîíòèíóóìà è ïåðåáîð ýíåðãåòè÷åñêèõ ñîñòîÿíèé ïðîäîëæàåòñÿ äî äîñòèæåíèÿ íàèáîëåå ýíåðãåòè÷åñêè âûãîäíîãî. Òåì íå ìåíåå êëàññè÷åñêèå ïðåäñòàâëåíèÿ î õèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ àêòèâíî èñïîëüçóþòñÿ â ñîâðåìåííîé õèìèè, îñîáåííî â ïðèêëàäíûõ îáëàñòÿõ õèìèè è â õèìè÷åñêèõ íàóêàõ, ëåæàùèõ «íà ñòûêå» ñ áèîëîãèåé, — áèîõèìèè, ìîëåêóëÿðíîé áèîëîãèè è äð. Çàêîíîìåðíûì ýòàïîì ïðèìåíåíèÿ çíàíèé îá óñëîâèÿõ ïðîòåêàíèÿ õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ñòàëî ðàçâèòèå íàóêè î òîì, êàê ìîæíî îêàçûâàòü íà íèõ âëèÿíèå è èìè óïðàâëÿòü. Òàêàÿ íàóêà ïîëó÷èëà íàçâàíèå õèìè÷åñêîé êèíåòèêè, â êîòîðîì òàêæå íàøëà îòðàæåíèå êëàññè÷åñêàÿ ïàðàäèãìà, âåäü êèíåòèêà — ýòî íàóêà î äâèæåíèè. Íî â êëàññè÷åñêîé êèíåòèêå ñêîðîñòü — âåêòîðíàÿ âåëè÷èíà, òî åñòü èìååò íàïðàâëåíèå. Òî÷íî òàê æå è â õèìè÷åñêîé êèíåòèêå èìååò çíà÷åíèå íàïðàâëåíèå õèìè÷åñêîé ðåàêöèè — ðàçëè÷àþò ðåàêöèþ ïðÿìóþ, òî åñòü òàêóþ, â ðåçóëüòàòå êîòîðîé èç èñõîäíûõ âåùåñòâ ïîëó÷àþòñÿ ïðîäóêòû ðåàêöèè, è ðåàêöèþ îáðàòíóþ, ïðè êîòîðîé ïðîèñõîäèò ðàçëîæåíèå ïðîäóêòîâ ñ ïîëó÷åíèåì èñõîäíûõ âåùåñòâ. Òàê â õèìè÷åñêóþ êèíåòèêó áûëî ââåäåíî ïîíÿòèå î õèìè÷åñêîì ðàâíîâåñèè — ñîñòîÿíèè, êîãäà ñêîðîñòè ïðÿìîé è îáðàòíîé ðåàêöèè ðàâíû ìåæäó ñîáîé. Â ðàìêàõ õèìè÷åñêîé êèíåòèêè áûëî ñäåëàíî íåìàëî ïîëåçíûõ îòêðûòèé, êîòîðûå ïîêàçûâàþò, êàê ìîæíî óâåëè÷èâàòü ñêîðîñòü õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ çà ñ÷åò ïîäáîðà óñëîâèé — ïîâûøåíèÿ òåìïåðàòóðû ðåàêöèè, äàâëåíèÿ (åñëè ðåàêöèÿ ïðîòåêàåò â ãàçîâîé ôàçå), êàê ìîæíî ñäâèíóòü õèìè÷åñêîå ðàâíîâåñèå â ñòîðîíó ïîëó÷åíèÿ ïîëåçíûõ ïðîäóêòîâ ðåàêöèè, íå ñîäåðæàùèõ îñòàòêîâ íåïðîðåàãèðîâàâøèõ èñõîäíûõ ïðîäóêòîâ, è ò. ä.


105

Ýïîõàëüíûì ñòàëî îòêðûòèå âåùåñòâ, êîòîðûå ïðè äîáàâëåíèè ê ðåàêöèîííîé ñìåñè ñïîñîáíû óâåëè÷èòü ñêîðîñòü ðåàêöèè, ïðè ýòîì îñòàâàÿñü íåèçìåííûìè (íå ìåíÿÿ ñâîåãî ñîñòàâà). Ýòè âåùåñòâà ïîëó÷èëè íàçâàíèå êàòàëèçàòîðîâ, òî åñòü óñêîðèòåëåé, à èõ ïðèìåíåíèå — êàòàëèç. Ñåé÷àñ ñëîæíî äàæå ïåðå÷èñëèòü âñå õèìè÷åñêèå ïðîìûøëåííûå ïðîöåññû, ãäå ïðèìåíÿþòñÿ êàòàëèçàòîðû, — ñòîëü âåëèêî èõ ÷èñëî, îñîáåííî â îðãàíè÷åñêîé õèìèè. Èçâåñòíûå ïðèìåðû ïðîìûøëåííîãî êàòàëèçà — êàòàëèòè÷åñêèé êðåêèíã íåôòåïðîäóêòîâ ñ ïîëó÷åíèåì óãëåâîäîðîäîâ, ïðèìåíÿåìûõ â êà÷åñòâà òîïëèâà (áåíçèíû, äèçåëüíîå òîïëèâà è ò. ä.), ïîëó÷åíèå òâåðäîãî çàìåíèòåëÿ ñëèâî÷íîãî ìàñëà — ìàðãàðèíà — èç æèäêèõ ðàñòèòåëüíûõ ìàñåë è ò. ä. Èíòåðåñíî, ÷òî íàðÿäó ñ îãðîìíûì êîëè÷åñòâîì ðåàëèçîâàííûõ ó÷åíûìè óñêîðÿåìûõ èñêóññòâåííûìè êàòàëèçàòîðàìè õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ ñóùåñòâóþò ïðèðîäíûå êàòàëèçàòîðû è ïðèðîäíûå êàòàëèòè÷åñêèå ïðîöåññû. Ïðèìåð ïðèðîäíîãî êàòàëèçà — ïðîöåññ êîððîçèè ìåòàëëè÷åñêîãî æåëåçà, «ðæàâåíèå», òî åñòü åãî îêèñëåíèå â ïðèðîäå ñ îáðàçîâàíèåì îêñèäîâ — ðæàâ÷èíû, ïðîèñõîäèò ïîä äåéñòâèåì êàòàëèçàòîðà âîäû. Â ñâÿçè ñ ýòèì èíòåðåñåí ôàêò ïðèìåíåíèÿ âåùåñòâ, çàìåäëÿþùèõ íåêîòîðûå íåæåëàòåëüíûå õèìè÷åñêèå ïðîöåññû, íàïðèìåð òîò æå ïðîöåññ êîððîçèè ìåòàëëè÷åñêîãî æåëåçà. Ýòè âåùåñòâà íàçûâàþòñÿ èíãèáèòîðû, òî åñòü çàìåäëèòåëè. Ëåãèðóþùèå äîáàâêè ê ñòàëÿì äëÿ çàùèòû èõ îò êîððîçèè (ïîëó÷åíèå íåðæàâåþùèõ ñòàëåé) — âîò ïðèìåð ïðèìåíåíèÿ èíãèáèòîðîâ â ïðîìûøëåííîñòè. Êàê è êàòàëèçàòîðû, èíãèáèòîðû áûâàþò ïðèðîäíîãî ïðîèñõîæäåíèÿ, íàïðèìåð èíãèáèòîðû ãíèåíèÿ — íàòóðàëüíûå êîíñåðâàíòû, êîòîðûå ïðîäóöèðóþòñÿ íåêîòîðûìè ðàñòåíèÿìè. Êàòàëèçàòîðû è èíãèáèòîðû èãðàþò áîëüøóþ ðîëü â áèîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññàõ. Èçâåñòíûå âñåì ôåðìåíòû — áèîêàòàëèçàòîðû, òî åñòü âåùåñòâà, êîòîðûå óñêîðÿþò áèîõèìè÷åñêèå ïðîöåññû âíóòðè îðãàíèçìîâ æèâûõ ñóùåñòâ, ïðè÷åì æèâûå ñóùåñòâà ñàìîñòîÿòåëüíî ñèíòåçèðóþò ýòè ôåðìåíòû â ðàçëè÷íûõ îðãàíàõ è òêàíÿõ. Ôåðìåíòû óïðàâëÿþò âñåìè ïðîöåññàìè ìåòàáîëèçìà ó âñåõ ðàñòåíèé è æèâîòíûõ, ïðè÷åì ÷åì âûøå óðîâåíü îðãàíèçìà, òåì áîëüøåå êîëè÷åñòâî ôåðìåíòîâ èñïîëüçóåòñÿ â íåì. Íà íàñòîÿùèé ìîìåíò íåèçâåñòíî äàæå ïðèáëèçèòåëüíî îáùåå êîëè÷åñòâî ôåðìåíòîâ ÷åëîâå÷åñêîãî îðãàíèçìà, îöåíî÷íîå ÷èñëî — íåñêîëüêî òûñÿ÷. Èíòåðåñíû ôàêòû èñïîëüçîâàíèÿ æèçíåííî âàæíûõ ôåðìåíòîâ, êîòîðûå íå ìîæåò ñèíòåçèðîâàòü ÷åëîâå÷åñêèé îðãàíèçì, è ïîýòîìó èñõîäíûå âåùåñòâà äëÿ âíóòðåííåãî ñèíòåçà ôåðìåíòîâ — òàê íàçûâàåìûå êîôåðìåíòû — îí, êàê ãåòåðîòðîôíûé îðãàíèçì, ïîëó÷àåò èç-

106 Ãëàâà 4. Åñòåñòâåííîíàó÷íûå çíàíèÿ î âåùåñòâå âíå îò ðàñòåíèé è æèâîòíûõ. Ýòî âñåì èçâåñòíûå âèòàìèíû, «âåùåñòâà æèçíè», íåîáõîäèìûå ÷åëîâåêó íà ïðîòÿæåíèè âñåãî åãî æèçíåííîãî öèêëà. Âíóòðè ÷åëîâå÷åñêîãî îðãàíèçìà îíè òðàíñôîðìèðóþòñÿ â ôåðìåíòû. Ñîãëàñíî ïðåäñòàâëåíèÿì ñîâðåìåííîé ýâîëþöèîííîé õèìèè, ðîëü ïðèðîäíûõ êàòàëèçàòîðîâ î÷åíü âàæíà â ïðîöåññàõ ýâîëþöèè íåæèâîé è æèâîé ìàòåðèè.

4.5. Âçàèìîñâÿçü õèìè÷åñêîãî ñòðîåíèÿ è ñòðóêòóðû íåîðãàíè÷åñêèõ è îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. Èçîìåðèÿ è åå âèäû Äëÿ îïèñàíèÿ õèìè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ ÷àñòî áûâàåò âàæíûì çíàíèå íå òîëüêî åãî ñîñòàâà, òî åñòü çàïèñè åãî õèìè÷åñêîé ôîðìóëû, íî è òàê íàçûâàåìîé ñòðóêòóðû. Ãîâîðÿ î ñòðóêòóðå âåùåñòâà, õèìèêè âñåãäà èìåþò â âèäó åãî ìîëåêóëÿðíîå ñòðîåíèå. Ïîä òåðìèíîì «ñòðóêòóðà» ïîäðàçóìåâàåòñÿ ðàñïîëîæåíèå â ïðîñòðàíñòâå àòîìîâ ïðè îáðàçîâàíèè ìîëåêóëû âåùåñòâà. Äëÿ ïîíèìàíèÿ ýòîãî êîíöåïòóàëüíîãî äëÿ õèìèè ïîíÿòèÿ âàæíî ðàññìîòðåòü ìîëåêóëû ñ êâàíòîâûõ ïîçèöèé. Ñîãëàñíî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, ñòðóêòóðà ìîëåêóë — ýòî ïðîñòðàíñòâåííàÿ è ýíåðãåòè÷åñêàÿ óïîðÿäî÷åííîñòü êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêîé ñèñòåìû, ñîñòîÿùåé èç àòîìíûõ ÿäåð è ýëåêòðîíîâ. Ñóòü äåëà â òîì, ÷òî ýëåêòðîíû, ðåàëèçóÿ ñòàòèñòè÷åñêèé íàáîð ñîñòîÿíèé âáëèçè ñîáñòâåííîãî àòîìíîãî ÿäðà ïðè îáðàçîâàíèè õèìè÷åñêîé ñâÿçè, âñòóïàþò âî âçàèìîäåéñòâèå ñ ýëåêòðîíàìè è ÿäðàìè äðóãèõ àòîìîâ è íåêîòîðûå äî ýòîãî ñòàòèñòè÷åñêè äîñòóïíûå «ìåñòà» â ïðîñòðàíñòâå çàíÿòü íå ìîãóò. Îñîáåííîñòè ôóíäàìåíòàëüíîãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ íåñêîëüêèõ çàðÿæåííûõ îáúåêòîâ ìèêðîìèðà ïðèâîäÿò ê òîìó, ÷òî àòîìû â ìîëåêóëàõ îêàçûâàþòñÿ «ëîêàëèçîâàíû» â ñòðîãî îïðåäåëåííûõ «ìåñòàõ», ïîëîæåíèå â ïðîñòðàíñòâå êîòîðûõ ìîæíî ðàññ÷èòàòü ñ ïîìîùüþ ìàòåìàòè÷åñêîãî àïïàðàòà êâàíòîâîé õèìèè. Â ñîâðåìåííîé õèìèè ðàçðàáîòàíà ñèñòåìà íàãëÿäíîãî èçîáðàæåíèÿ ïðîñòðàíñòâåííûõ ñòðóêòóð ìîëåêóë, êîòîðàÿ î÷åíü ïîëåçíà êàê â ïðîöåññå ïîçíàíèÿ ïðèðîäû õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, îñîáåííî â îðãàíè÷åñêîé õèìèè, òàê è äëÿ ðåøåíèÿ ïðàêòè÷åñêèõ çàäà÷ õèìè÷åñêîãî ñèíòåçà ýòèõ ñîåäèíåíèé. Íà÷àëî èçó÷åíèþ ñòðóêòóðû îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé áûëî ïîëîæåíî â òåîðèè ñòðîåíèÿ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, ðàçðàáîòàííîé âåëèêèì ðóññêèì õèìèêîì À. Ì. Áóòëåðîâûì (1860 ã.). Èçó÷åíèåì ïðîñòðàíñòâåííûõ ñòðóêòóð õèìè÷åñêèõ ñîåäè-

4.6. Ýâîëþöèîííàÿ õèìèÿ — îòáîð õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ

107

íåíèé çàíèìàåòñÿ ñîâðåìåííàÿ íàóêà ñòåðåîõèìèÿ, ÿâëÿþùàÿñÿ ïîäðàçäåëîì îðãàíè÷åñêîé õèìèè. Ñ ïîíÿòèåì «ïðîñòðàíñòâåííàÿ ñòðóêòóðà îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé» íåðàçðûâíî ñâÿçàíî îäíî èç èíòåðåñíåéøèõ ÿâëåíèé ïðèðîäû íàøåé ïëàíåòû, àíàëîãè÷íîå ÿâëåíèÿì ðàäèîàêòèâíîé èçîòîïèè ýëåìåíòîâ è àëëîòðîïèè ïðîñòûõ è ñëîæíûõ íåîðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ. Êàê è â óïîìÿíóòûõ ñëó÷àÿõ, îäíîé õèìè÷åñêîé ôîðìóëå îðãàíè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ, òî åñòü îäíîìó ñîñòàâó âåùåñòâà, ñîîòâåòñòâóþò ðàçíûå ñîåäèíåíèÿ ñ ðàçíûìè ôèçè÷åñêèìè èëè õèìè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè, è îñíîâíîå ðàçëè÷èå ìåæäó íèìè çàêëþ÷åíî â ðàçíîé ïðîñòðàíñòâåííîé ñòðóêòóðå ìîëåêóë ýòèõ ñîåäèíåíèé. Ýòî ÿâëåíèå íàçûâàåòñÿ èçîìåðèåé îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. Èçîìåðû îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, íåñìîòðÿ íà òî ÷òî èìåþò îäèíàêîâûå õèìè÷åñêèå ôîðìóëû, íàçûâàþòñÿ ïî-ðàçíîìó, è èõ íàçâàíèÿ òàêæå ñîîòâåòñòâóþò ñòðîãîé íîìåíêëàòóðå õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. Â ñòåðåîõèìèè ðàññìàòðèâàåòñÿ èçîìåðèÿ ðàçíûõ âèäîâ — èçîìåðèÿ ïðåäåëüíûõ óãëåâîäîðîäîâ, öèñ-òðàíñ-èçîìåðèÿ íåïðåäåëüíûõ óãëåâîäîðîäîâ, òàóòîìåðèÿ êèñëîðîäñîäåðæàùèõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé (êåòîíîâ è àëüäåãèäîâ), îïòè÷åñêàÿ èçîìåðèÿ è äèàñòåðåîìåðèÿ ñëîæíûõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. À ÷òî æå íåîðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ? Åñòü ëè â ýòîì êëàññå õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé ïðîáëåìû, ñâÿçàííûå ñ ïðîñòðàíñòâåííîé ñòðóêòóðîé ìîëåêóë? Äà, åñòü. Íåîðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ (íå âñå) â òâåðäîì ñîñòîÿíèè ñïîñîáíû îáðàçîâûâàòü íàäìîëåêóëÿðíûå êîìïëåêñû ïîâòîðÿþùåãîñÿ ñîñòàâà è ñëîæíîé îáúåìíîé ïðîñòðàíñòâåííîé ñòðóêòóðû. Îíè íàçûâàþòñÿ êðèñòàëëàìè. À ñòðóêòóðà êðèñòàëëîâ, õàðàêòåðèçóþùàÿñÿ âûñîêîé ñòåïåíüþ óïîðÿäî÷åííîñòè, íàçûâàåòñÿ êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðîé, èëè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêîé.

4.6. Ýâîëþöèîííàÿ õèìèÿ — îòáîð õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ âî Âñåëåííîé Â XX â. â ñâåòå îáùèõ ýâîëþöèîííûõ ïðåäñòàâëåíèé â åñòåñòâîçíàíèè ðàçâèâàåòñÿ íîâàÿ íàóêà — ýâîëþöèîííàÿ õèìèÿ, íàóêà î ñàìîîðãàíèçàöèè è ñàìîðàçâèòèè õèìè÷åñêèõ ñèñòåì. Â ðàìêàõ ýâîëþöèîííîé õèìèè èçó÷àþòñÿ ïðîöåññû ñàìîïðîèçâîëüíîãî ñèíòåçà íîâûõ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, ÿâëÿþùèõñÿ áîëåå ñëîæíûìè è âûñîêîîðãàíèçîâàííûìè ïðîäóêòàìè ïî ñðàâíåíèþ ñ èñõîäíûìè âåùåñòâàìè.

108 Ãëàâà 4. Åñòåñòâåííîíàó÷íûå çíàíèÿ î âåùåñòâå Íà÷àëî ýòîé íàóêè áûëî ïîëîæåíî ïðè ðàçðàáîòêå òåîðèè áèîõèìè÷åñêîé ýâîëþöèè, îáúÿñíÿþùåé ïðîèñõîæäåíèå æèçíè íà Çåìëå â ðåçóëüòàòå ïðîöåññîâ, ïîä÷èíÿþùèõñÿ ôèçè÷åñêèì è õèìè÷åñêèì çàêîíàì. Ïåðâîé ñòàäèåé áèîõèìè÷åñêîé ýâîëþöèè ñ÷èòàåòñÿ õèìè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ, èëè àáèîãåíåç, êîòîðàÿ, ñîãëàñíî ýòîé òåîðèè, ïðîòåêàëà â òðè ýòàïà. Ïåðâûé ýòàï — ñèíòåç íèçêîìîëåêóëÿðíûõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé èç ãàçîâ ïåðâè÷íîé àòìîñôåðû; âòîðîé ýòàï — ïîëèìåðèçàöèè ìîíîìåðîâ ñ îáðàçîâàíèåì öåïåé áåëêîâ è íóêëåèíîâûõ êèñëîò; òðåòèé ýòàï — îáðàçîâàíèå ôàçîâî-îáîñîáëåííûõ ñèñòåì îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ, îòäåëåííûõ îò âíåøíåé ñðåäû ìåìáðàíàìè. Â ïðîöåññå ðàçâèòèÿ íàøåé ïëàíåòû ïðîèñõîäèë îòáîð õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ â áèîòè÷åñêèõ è àáèîòè÷åñêèõ ñèñòåìàõ. Îñíîâó æèâûõ ñèñòåì ñîñòàâëÿþò òîëüêî 6 ýëåìåíòîâ, ïîëó÷èâøèõ íàçâàíèå îðãàíîãåíîâ: óãëåðîä, âîäîðîä, êèñëîðîä, àçîò, ôîñôîð, ñåðà. Èõ îáùàÿ âåñîâàÿ äîëÿ â îðãàíèçìå ñîñòàâëÿåò áîëåå 97%. Çà íèìè ñëåäóþò 11 ýëåìåíòîâ, êîòîðûå ïðèíèìàþò ó÷àñòèå â ïîñòðîåíèè ìíîãèõ ôèçèîëîãè÷åñêè âàæíûõ êîìïîíåíòîâ áèîñèñòåì: íàòðèé, êàëèé, êàëüöèé, ìàãíèé, æåëåçî, êðåìíèé, àëþìèíèé, õëîð, ìåäü, öèíê, êîáàëüò. Èõ âåñîâàÿ äîëÿ â îðãàíèçìå — 1,6%. Åñòü åùå 20 ýëåìåíòîâ, ó÷àñòâóþùèõ â ïîñòðîåíèè è ôóíêöèîíèðîâàíèè îòäåëüíûõ ñïåöèôè÷åñêèõ áèîñèñòåì, äîëÿ êîòîðûõ ñîñòàâëÿåò 1%. Ó÷àñòèå âñåõ îñòàëüíûõ ýëåìåíòîâ â ïîñòðîåíèè áèîñèñòåì ïðàêòè÷åñêè íå çàôèêñèðîâàíî. È â àáèîòè÷åñêîé ñðåäå åñòü ñâèäåòåëüñòâà îá îòáîðå ýëåìåíòîâ. Áîëåå 99% âñåõ ïðèðîäíûõ ñîåäèíåíèé ñîäåðæàò òå æå 17 ýëåìåíòîâ, íà äîëþ âñåõ îñòàëüíûõ ïðèõîäèòñÿ ìåíåå 1% ñîåäèíåíèé. Åñëè ãîâîðèòü î õèìè÷åñêîé êàðòèíå ìèðà â öåëîì, ó÷èòûâàÿ êàê ïðèðîäíûå, òàê è ñèíòåòè÷åñêèå ïðîäóêòû, òî îêàçûâàåòñÿ, ÷òî â íàñòîÿùåå âðåìÿ èçâåñòíî îêîëî 8 ìëí õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé. Èç íèõ 96% — îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, à íà äîëþ íåîðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé (4%) ïðèõîäèòñÿ âñåãî îêîëî 300 òûñ. ïðîñòûõ è ñëîæíûõ âåùåñòâ. Áîëüøóþ ÷àñòü âåùåñòâà âî Âñåëåííîé ñîñòàâëÿþò âîäîðîä è ãåëèé. Áîëåå òÿæåëûå ýëåìåíòû ñóùåñòâóþò âî Âñåëåííîé â î÷åíü ìàëûõ êîëè÷åñòâàõ: íàïðèìåð, íàøà çâåçäà — Ñîëíöå — ñîäåðæèò íå áîëåå 2% òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ.

4.7. Êîíöåïòóàëüíûå ñèñòåìû õèìè÷åñêèõ çíàíèé Ïîäâîäÿ èòîãè äàííîãî ðàçäåëà, ïîñâÿùåííîãî êîíöåïòóàëüíûì îñíîâàì ñîâðåìåííîé õèìèè, ìû ìîæåì âûäåëèòü â ðàçâèòèè õèìèè êàê


109

åñòåñòâåííîé íàóêè ÷åòûðå êîíöåïòóàëüíûõ ýòàïà, ïðè÷åì êàæäûé íîâûé âîçíèêàë íà îñíîâå ïðåäûäóùåãî è âêëþ÷àë åãî â ñåáÿ â ïðåîáðàçîâàííîì âèäå. 1. Ó÷åíèå î ñîñòàâå âåùåñòâà ñâÿçàíî ñ èññëåäîâàíèåì ðàçëè÷íûõ ñâîéñòâ âåùåñòâ â çàâèñèìîñòè îò èõ õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà, ïîíÿòèåì õèìè÷åñêîãî ýëåìåíòà è õèìè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ. 2. Ñòðóêòóðíàÿ õèìèÿ — ïîëîæåíèå î òîì, ÷òî ñâîéñòâà âåùåñòâ îáóñëîâëèâàþòñÿ íå òîëüêî ñîñòàâîì, íî è ñòðóêòóðîé ìîëåêóë. 3. Ó÷åíèå î õèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ ñâÿçàíî ñ èññëåäîâàíèåì ìåõàíèçìîâ è óñëîâèé ïðîòåêàíèÿ õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, ñ ïîíÿòèåì î êàòàëèçå. 4. Ýâîëþöèîííàÿ õèìèÿ èçó÷àåò ïðîöåññû ñàìîîðãàíèçàöèè õèìè÷åñêèõ ñèñòåì ñ ïîçèöèé ïðåäñòàâëåíèé î âñåîáùåì ýâîëþöèîííîì ïðîöåññå âî Âñåëåííîé è îòáîðå õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ.

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè 1. ×òî òàêîå õèìè÷åñêèé ýëåìåíò, ïðîñòîå âåùåñòâî, õèìè÷åñêîå ñîåäèíåíèå? Â ÷åì ðàçëè÷èå äâóõ ïîñëåäíèõ ïîíÿòèé? 2. Â ÷åì ðàçëè÷èå ôîðìóëèðîâêè Ïåðèîäè÷åñêîãî çàêîíà, äàííîé Ä. È. Ìåíäåëååâûì, è ñîâðåìåííîé èíòåðïðåòàöèè ýòîãî çàêîíà? 3. Ñêîëüêî èçîòîïîâ âîäîðîäà èçâåñòíî â íàñòîÿùåå âðåìÿ? Êàê îíè íàçûâàþòñÿ? Êàêèå ðàçëè÷èÿ â ñòðîåíèè àòîìîâ íàáëþäàþòñÿ ó ðàçíûõ èçîòîïîâ âîäîðîäà? 4. Êàêîå èç ôóíäàìåíòàëüíûõ ôèçè÷åñêèõ âçàèìîäåéñòâèé ðåàëèçóåòñÿ â õèìè÷åñêîé ñâÿçè? 5. ×òî òàêîå àëëîòðîïèÿ? ×åì àëëîòðîïíûå ìîäèôèêàöèè îòëè÷àþòñÿ îò èçîìåðîâ è èçîòîïîâ? Äàòü îïðåäåëåíèå âñåì òåðìèíàì. 6. ×òî òàêîå ñòåõèîìåòðèÿ? Êòî èç ó÷åíûõ îòêðûë çàêîí êðàòíûõ îòíîøåíèé, çàêîí ñîõðàíåíèÿ âåùåñòâà? Êàê íàçûâàþòñÿ â õèìèè âåùåñòâà ïîñòîÿííîãî ñîñòàâà? 7. ×òî òàêîå ïðÿìàÿ è îáðàòíàÿ õèìè÷åñêèå ðåàêöèè? ×òî òàêîå õèìè÷åñêîå ðàâíîâåñèå? Ìîæíî ëè îêàçàòü âëèÿíèå íà âåëè÷èíó ñêîðîñòè è íàïðàâëåíèå õèìè÷åñêîé ðåàêöèè, èçìåíÿÿ åå óñëîâèÿ? 8. Êàê ìîæíî áûëî áû äàòü îïðåäåëåíèå õèìè÷åñêèì ïðîöåññàì ñ òî÷êè çðåíèÿ ïàðàäèãìû åñòåñòâîçíàíèÿ XVIII–XIX ââ. — êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè? Êàê â ðàìêàõ ñîâðåìåííûõ êâàíòîâûõ ïðåä-

110 Ãëàâà 4. Åñòåñòâåííîíàó÷íûå çíàíèÿ î âåùåñòâå ñòàâëåíèé î õèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ ðàññìàòðèâàåòñÿ õèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ? 9. ×òî òàêîå êàòàëèçàòîðû è èíãèáèòîðû õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé? Äàòü îïðåäåëåíèå è ïðèâåñòè ïðèìåðû ïðèðîäíûõ è èñêóññòâåííûõ êàòàëèçàòîðîâ è èíãèáèòîðîâ. 10. Â ÷åì ïðîÿâëÿþòñÿ îñîáåííîñòè ñòðóêòóð îðãàíè÷åñêèõ è íåîðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé? Êàê íàçûâàåòñÿ ðàçäåë õèìèè, èçó÷àþùèé ñòðóêòóðû õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé? 11. Ðàññêàæèòå îá îòáîðå õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ âî Âñåëåííîé. Ïðèâåäèòå ïðèìåðû. 12. Ïåðå÷èñëèòå ýòàïû ôîðìèðîâàíèÿ êîíöåïòóàëüíûõ çíàíèé â ñîâðåìåííîé õèìèè, äàéòå îïðåäåëåíèå êàæäîìó ýòàïó è êðàòêîå ðàçúÿñíåíèå ñóùíîñòè îïèñûâàåìûõ ÿâëåíèé.

Ãëàâà 5 ÍÀÍÎÒÅÕÍÎËÎÃÈÈ

Ïðîùàé, ÕÕ âåê!.. Âåê êâàíòîâî-ðåëÿòèâèñòñêîé ìåõàíèêè è óñêîðèòåëåé ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, ãåíåòèêè è ìîëåêóëÿðíîé áèîëîãèè, êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòîâ è Èíòåðíåòà, íî òàêæå âåê àòîìíîé áîìáû, ãåíîöèäà è ìàñøòàáíûõ òåõíîãåííûõ êàòàñòðîô. ×òî ïîëó÷àåì ìû, ëþäè ÕÕI â., â íàñëåäñòâî îò óøåäøåãî ñòîëåòèÿ? Ìèíóâøèé âåê îçíàìåíîâàëñÿ òîðæåñòâîì åñòåñòâåííûõ íàóê, èõ âûñîêèì àâòîðèòåòîì, îáùåñòâåííûé ïðåñòèæ íàóêè âîîáùå è îáðàçîâàíèÿ áûë ÷ðåçâû÷àéíî âûñîê ïðàêòè÷åñêè âî âñåõ ñòðàíàõ ìèðà, ÷òî áûëî çàêîíîìåðíî ñâÿçàíî ñ óñïåõàìè â ôóíäàìåíòàëüíûõ è ïðèêëàäíûõ íàóêàõ. ×åëîâå÷åñòâî êàê íèêîãäà áëèçêî ïîäîøëî ê ðàçãàäêå òàéí Âñåëåííîé, ïðè ýòîì êîìïåòåíòíûå è íàó÷íî îáîñíîâàííûå ðåøåíèÿ ÷èñòî áûòîâûõ ïðîáëåì ÷åëîâå÷åñòâà ñåðüåçíî óëó÷øèëè óñëîâèÿ åãî îáèòàíèÿ â îêðóæàþùåé ïðèðîäíîé ñðåäå. ÕÕ âåê áûë âîîáùå âåêîì ìàñøòàáîâ, âåêîì óêðóïíåíèÿ è îáúåäèíåíèÿ. Íà ôîíå îáúåäèíåíèÿ ãîñóäàðñòâ, êàïèòàëîâ è ñîçäàíèÿ òðàíñíàöèîíàëüíûõ êîðïîðàöèé áûëî åñòåñòâåííûì è îáúåäèíåíèå óñèëèé ó÷åíûõ ïî ðåøåíèþ àêòóàëüíûõ íàó÷íûõ ïðîáëåì: îòíûíå îíè ðåøàþòñÿ êîëëåêòèâàìè ó÷åíûõ, ãåíèàëüíûå ó÷åíûå-îäèíî÷êè îñòàëèñü â ÕIÕ â. Âî âòîðîé ïîëîâèíå ÕÕ â. áûë äàí ñòàðò ðåàëèçàöèè íåñêîëüêèõ äîëãîâðåìåííûõ íàó÷íûõ ïðîãðàìì, âàæíîñòü êîòîðûõ äëÿ ðàçâèòèÿ íàóêè è äëÿ ÷åëîâå÷åñòâà â öåëîì íå âûçûâàåò ñîìíåíèÿ. Âûïîëíåíèå èõ ïðîäîëæàåòñÿ è â íàñòîÿùåå âðåìÿ, à çàâåðøåíèå ðàáîò ïî íèì (åñëè îíî âîîáùå âîçìîæíî, òàê êàê â ðàìêàõ ýòèõ ïðîãðàìì ñòàâÿòñÿ âñå íîâûå è íîâûå àêòóàëüíûå çàäà÷è) ïëàíèðóåòñÿ â ñåðåäèíå ÕÕI â. Òàêîâîé ÿâëÿåòñÿ ïðîãðàììà èññëåäîâàíèÿ êîñìîñà. Îáúåäèíåíèå óñèëèé íàó÷íûõ êîëëåêòèâîâ ðàçíûõ ñòðàí ìèðà äëÿ èññëåäîâàíèÿ êàê áëèæàéøåãî êîñìîñà, òàê è îòäàëåííûõ óãîëêîâ Âñåëåííîé ïðèâåëî â ðåçóëüòàòå ðåàëèçàöèè ýòîé ïðîãðàììû ê ñîçäàíèþ ìåæäóíàðîäíûõ

112 Ãëàâà 5. Íàíîòåõíîëîãèè êîñìè÷åñêèõ ñòàíöèé, èñïîëüçîâàíèþ íà íèõ íîâåéøåãî îáîðóäîâàíèÿ è ò. ä. Ê òàêèì ïðîãðàììàì îòíîñèòñÿ òàêæå ãðàíäèîçíàÿ ïî çàìûñëó, à òàêæå ïî îáúåìàì äåíåæíûõ âëîæåíèé ìåæäóíàðîäíàÿ ïðîãðàììà «Ãåíîì ÷åëîâåêà», öåëüþ êîòîðîé ÿâëÿåòñÿ ðàñøèôðîâêà ãåííîãî êîäà ÷åëîâåêà (è íå òîëüêî ÷åëîâåêà: ïàðàëëåëüíî ðàçâèâàþòñÿ ïðîãðàììû «Ãåíîìû æèâîòíûõ»). Óñïåøíî ðåàëèçóþòñÿ ìåæäóíàðîäíûå ýêîëîãè÷åñêèå ïðîãðàììû, ìåæäóíàðîäíûå ïðîãðàììû ìîíèòîðèíãà îáúåêòîâ îêðóæàþùåé ñðåäû è ò. ä. Âîò äàëåêî íå ïîëíûé ïåðå÷åíü óñïåøíûõ íàó÷íûõ ïðîåêòîâ, íà÷àòûõ â ïðîøëîì âåêå, â êîòîðûå áûëè âîâëå÷åíû ó÷åíûå ðàçíûõ ñòðàí. Ñëåäóåò, îäíàêî, îòìåòèòü, ÷òî äåëîâûå êðóãè ðàçëè÷íûõ ñòðàí ìèðà, âêëàäûâàþùèå ñðåäñòâà â ðåàëèçàöèþ íàó÷íûõ ïðîãðàìì, èíòåðåñóåò íå ñòîëüêî èäåÿ îáúåäèíåíèÿ ó÷åíûõ, ñêîëüêî áîðüáà çà òåõíè÷åñêîå ëèäåðñòâî â íàèáîëåå äîõîäíûõ îòðàñëÿõ ïðîìûøëåííîñòè, òàêèõ êàê êîìïüþòåðíàÿ òåõíèêà, ñèñòåìû ñâÿçè, àâòîìîáèëåñòðîåíèå, àâèàöèîííàÿ, ìåäèöèíñêàÿ è ôàðìàöåâòè÷åñêàÿ ïðîìûøëåííîñòè. Ïðèìåðîì ñïëàâà íàóêè è òåõíèêè ÿâëÿåòñÿ èíòåðåñíåéøàÿ è ïåðñïåêòèâíåéøàÿ íàó÷íàÿ ïðîãðàììà, âïå÷àòëÿþùèå äîñòèæåíèÿ êîòîðîé óäèâëÿëè ìèð â ïîñëåäíèå äâà äåñÿòèëåòèÿ ÕÕ â. è êîòîðàÿ, ïî ìíåíèþ ìíîãèõ ó÷åíûõ, ïðèâåäåò ê ñëåäóþùåé ïðîìûøëåííîé ðåâîëþöèè. Â íàçâàíèè ýòîé ïðîãðàììû îòðàæåí åå ïðèêëàäíîé õàðàêòåð. Îíà íàçûâàåòñÿ «Ðàçâèòèå íàíîòåõíîëîãèé». ×òî æå ýòî òàêîå — íàíîòåõíîëîãèè? Íàçâàíèå íîâîãî íàïðàâëåíèÿ â íàóêå âîçíèêëî ïðîñòî â ðåçóëüòàòå äîáàâëåíèÿ ê îáùåìó ïîíÿòèþ «òåõíîëîãèÿ» ïðèñòàâêè «íàíî». «Íàíî», òàê æå êàê è «ìèëëè», è «ìèêðî», — ïðèñòàâêè ê âûðàæåíèÿì åäèíèö ëèíåéíûõ ðàçìåðîâ äëÿ ñîçäàíèÿ ïðîèçâîäíûõ ýòèõ åäèíèö â ñèñòåìå ÑÈ, ïðè÷åì â ñòîðîíó óìåíüøåíèÿ ëèíåéíûõ ðàçìåðîâ: íàïðèìåð, 1 ìèëëèìåòð (ìì) îçíà÷àåò îäíó òûñÿ÷íóþ äîëþ ìåòðà (1 ìì = = 10–3 ì), 1 ìèêðîìåòð (äðóãîå íàçâàíèå — ìèêðîí) ñîñòàâëÿåò îäíó ìèëëèîííóþ äîëþ ìåòðà (1 ìêì = 10–6 ì), à 1 íàíîìåòð (íì) îçíà÷àåò îäíó ìèëëèàðäíóþ äîëþ ìåòðà (1 íì = 10–9 ì). Äëÿ íàãëÿäíîñòè ìîæíî óêàçàòü, ÷òî 1 íì ñîñòàâëÿåò îäíó ìèëëèîííóþ äîëþ ìèëëèìåòðà (ïðåäñòàâèì ñåáå ëþáîé èçìåðèòåëü äëèíû ñ äåëåíèÿìè — ëèíåéêè, ðóëåòêè, øòàíãåíöèðêóëè è ò. ï.), è åñëè ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ÷åëîâå÷åñêèé âîëîñ èìååò â ñðåäíåì äèàìåòð 100 ìêì, òî 1 íì ïðèìåðíî â 100 òûñÿ÷ ðàç ìåíüøå åãî òîëùèíû. Èëè åùå ìîæíî ñêàçàòü òàê: âåëè÷èíû, èçìåðÿåìûå â íàíîìåòðàõ, íà 9 ïîðÿäêîâ ìåíüøå âåëè÷èí, ñðàâíèìûõ ïî ðàçìåðàì ñ ÷åëîâå÷åñêèì òåëîì.

Íàíîòåõíîëîãèè

113

Ê íàíîòåõíîëîãèÿì ïðèíÿòî îòíîñèòü ïðîöåññû è îáúåêòû ñ õàðàêòåðíîé äëèíîé îò 1 äî 100 íì. Âåðõíÿÿ ãðàíèöà íàíîîáëàñòè ñîîòâåòñòâóåò ìèíèìàëüíûì ýëåìåíòàì â òàê íàçûâàåìûõ ÁÈÑ (áîëüøèõ èíòåãðàëüíûõ ñõåìàõ), øèðîêî ïðèìåíÿåìûì â ïîëóïðîâîäíèêîâîé è êîìïüþòåðíîé òåõíèêå. ×òî êàñàåòñÿ íèæíåé ãðàíèöû, òî ðàçìåðîì â 1 íì è îêîëî òîãî îáëàäàþò îòäåëüíî âçÿòûå ìîëåêóëû; ïðè ýòîì èíòåðåñíî, ÷òî ðàäèóñ çíàìåíèòîé äâîéíîé ñïèðàëè ìîëåêóëû ÄÍÊ ðàâåí 1 íì, à ìíîãèå âèðóñû èìåþò ðàçìåð ïðèáëèçèòåëüíî 10 íì. Äëÿ ïîíÿòèÿ «íàíîòåõíîëîãèÿ», ïîæàëóé, íå ñóùåñòâóåò èñ÷åðïûâàþùåãî îïðåäåëåíèÿ, íî ïî àíàëîãèè ñ ñóùåñòâóþùèìè íûíå ìèêðîòåõíîëîãèÿìè ñëåäóåò, ÷òî íàíîòåõíîëîãèè, îïåðèðóþùèå âåëè÷èíàìè ïîðÿäêà íàíîìåòðà, èìåþò äåëî ñ íè÷òîæíî ìàëûìè âåëè÷èíàìè, â ñîòíè ðàç ìåíüøèìè äëèíû âîëíû âèäèìîãî ñâåòà è ñîïîñòàâèìûìè ñ ðàçìåðàìè àòîìîâ. Ïîýòîìó ïåðåõîä îò «ìèêðî» ê «íàíî» — ýòî óæå íå êîëè÷åñòâåííûé, à êà÷åñòâåííûé ïåðåõîä, ñêà÷îê îò ìàíèïóëÿöèè âåùåñòâîì ê ìàíèïóëÿöèè îòäåëüíûìè àòîìàìè. Êâàíòîâàÿ ôèçèêà ÕÕ â. ïðè èçó÷åíèè îáúåêòîâ ìèêðîìèðà îïåðèðîâàëà â îñíîâíîì èõ ìàòåìàòè÷åñêèìè ìîäåëÿìè. Òåïåðü ó÷åíûå ìîãóò îïåðèðîâàòü îáúåêòàìè ìèêðîìèðà íåïîñðåäñòâåííî: èñêóññòâåííî ñîçäàâàòü ìèêðîîáúåêòû, ïåðåìåùàòü èõ â ïðîñòðàíñòâå, çàêðåïëÿòü èõ íà ïîâåðõíîñòè, òî åñòü äåéñòâîâàòü òàê, êàê áóäòî ìû èìååì äåëî ñ ïðèâû÷íûìè íàì ìàêðîîáúåêòàìè. Â íàó÷íûõ öåíòðàõ ìèðà ðàçâèòèå íàíîòåõíîëîãèé êàê òåõíîëîãèé èçãîòîâëåíèÿ ñâåðõìèêðîñêîïè÷åñêèõ êîíñòðóêöèé èç ìåëü÷àéøèõ ÷àñòèö ìàòåðèè èäåò â îñíîâíîì ïî òðåì íàïðàâëåíèÿì: èçãîòîâëåíèå ýëåêòðîííûõ ñõåì (â òîì ÷èñëå è îáúåìíûõ) ñ àêòèâíûìè ýëåìåíòàìè, âåëè÷èíîé ïðèìåðíî ñî ñðåäíþþ ìîëåêóëó; ðàçðàáîòêà è èçãîòîâëåíèå íàíîìàøèí, òî åñòü ìåõàíèçìîâ è ðîáîòîâ òàêîãî æå ðàçìåðà; íåïîñðåäñòâåííàÿ ìàíèïóëÿöèÿ àòîìàìè è ìîëåêóëàìè è ñáîðêà èç íèõ âñåãî ñóùåãî. Èìåííî ïîýòîìó îíè ïðåäñòàâëÿþòñÿ âåñüìà ïåðñïåêòèâíûìè äëÿ ïîëó÷åíèÿ íîâûõ êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ïðèáîðîâ, óñòðîéñòâ äëÿ çàïèñè èíôîðìàöèè, öåííûõ ôàðìàöåâòè÷åñêèõ ïðåïàðàòîâ è ò. ä. Íàíîòåõíîëîãèè ìîãóò ïðèâåñòè ìèð ê íîâîé òåõíîëîãè÷åñêîé ðåâîëþöèè è èçìåíèòü ñðåäó îáèòàíèÿ ÷åëîâåêà. Èç ñêàçàííîãî ÿñíî, ÷òî íàíîòåõíîëîãèè îáúåäèíÿþò âñå ñâÿçàííûå íåïîñðåäñòâåííî ñ àòîìàìè è ìîëåêóëàìè òåõíè÷åñêèå ïðîöåññû, îñóùåñòâëÿåìûå è èçó÷àåìûå â ðàçíûõ åñòåñòâåííûõ íàóêàõ. Òåì ñàìûì ïîä÷åðêèâàåòñÿ ìåæäèñöèïëèíàðíûé õàðàêòåð íîâîãî íàïðàâëåíèÿ â åñòåñòâîçíàíèè. Íàðÿäó ñ äðóãèìè ìåæäèñöèïëèíàðíûìè íàó÷-

114 Ãëàâà 5. Íàíîòåõíîëîãèè íûìè íàïðàâëåíèÿìè â åñòåñòâîçíàíèè — ñèíåðãåòèêîé, êèáåðíåòèêîé, ñèñòåìíûì ìåòîäîì — ðàçâèòèå íàíîòåõíîëîãèé ÿâëÿåòñÿ î÷åíü öåííûì íàó÷íûì íàñëåäèåì ÕÕ â., íåêèì ñâÿçóþùèì çâåíîì, îáåñïå÷èâàþùèì ïðååìñòâåííîñòü íàó÷íûõ íàïðàâëåíèé â ñîâðåìåííîì åñòåñòâîçíàíèè. Ïî ìíåíèþ ìíîãèõ èñòî÷íèêîâ ïî èñòîðèè åñòåñòâîçíàíèÿ, íà÷àëî íàíîíàóêè ïîëîæèë â 1959 ã. çíàìåíèòûé àìåðèêàíñêèé ôèçèê, ëàóðåàò Íîáåëåâñêîé ïðåìèè Ðè÷àðä Ô. Ôåéíìàí ïðè ïðî÷òåíèè ëåêöèè ïîä íàçâàíèåì «Âíèçó ïîëíûì-ïîëíî ìåñòà». Â íåé âïåðâûå áûëà ðàññìîòðåíà âîçìîæíîñòü ñîçäàíèÿ âåùåñòâ (à çàòåì, åñòåñòâåííî, îòäåëüíûõ ýëåìåíòîâ, äåòàëåé è öåëûõ óñòðîéñòâ) ñîâåðøåííî íîâûì ñïîñîáîì, à èìåííî «àòîìíîé óêëàäêîé», ïðè êîòîðîé ÷åëîâåê ìàíèïóëèðóåò íóæíûìè àòîìàìè ïîøòó÷íî, ðàñïîëàãàÿ èõ â òðåáóåìîì åìó ïîðÿäêå. Â 1986 ã. àìåðèêàíñêèé ôèçèê Ýðèê Ê. Äðåêñëåð â ñâîåé èçâåñòíîé êíèãå «Ìàøèíû òâîðåíèÿ» ïðåäëîæèë ñîçäàâàòü óñòðîéñòâà, íàçâàííûå èì «ìîëåêóëÿðíûìè ìàøèíàìè», è ðàñêðûë óäèâèòåëüíûå âîçìîæíîñòè, ñâÿçàííûå ñ ðàçâèòèåì íàíîòåõíîëîãèè. Íà÷èíàÿ ñ 1980 ã. â òåõíîëîãèè ïðîèçâîäñòâà òðàíçèñòîðîâ è ëàçåðîâ âñå ÷àùå ñòàëè èñïîëüçîâàòüñÿ èñêóññòâåííî ñîçäàâàåìûå ïëåíêè òîëùèíîé îêîëî 10 íì, ÷òî ïîçâîëÿëî èçãîòàâëèâàòü óñòðîéñòâà ñ íîâûìè, ïîâûøåííûìè òåõíè÷åñêèìè õàðàêòåðèñòèêàìè. Â 1980 ã. â ßïîíèè áûë èçãîòîâëåí ïåðâûé ïîëåâîé òðàíçèñòîð ñ âûñîêîé ïîäâèæíîñòüþ íîñèòåëåé (High Electron Mobility Transisteor, HEMT). Â 1981 ã. ñîòðóäíèêè ôèðìû IÂÌ ñîçäàëè ñêàíèðóþùèé òóííåëüíûé ìèêðîñêîï (ÑÒÌ), ïîçâîëÿâøèé ïîëó÷àòü èçîáðàæåíèå ñ ðàçðåøåíèåì íà óðîâíå ðàçìåðîâ îòäåëüíûõ àòîìîâ. Ýòî ÿâèëîñü èñêëþ÷èòåëüíî âàæíûì íàó÷íûì äîñòèæåíèåì, ïîñêîëüêó èññëåäîâàòåëè âïåðâûå ïîëó÷èëè âîçìîæíîñòü íåïîñðåäñòâåííî íàáëþäàòü è èçó÷àòü ìèð â íàíîìåòðîâîì, àòîìàðíîì ìàñøòàáå. Êàê ðàáîòàåò ÑÒÌ? Ýêñïåðèìåíòàòîð ïîäâîäèò òîí÷àéøèé çîëîòîé ùóï (çîíä, ïðîáíèê) íà ðàññòîÿíèå îêîëî 1 ìêì ê ïîâåðõíîñòè èññëåäóåìîãî îáðàçöà, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ìåæäó çîíäîì è ïîâåðõíîñòüþ âîçíèêàåò ýëåêòðè÷åñêèé òîê, îáóñëîâëåííûé êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêèì òóííåëüíûì ýôôåêòîì, âåëè÷èíà êîòîðîãî ìåíÿåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò ñîñòîÿíèÿ èçó÷àåìîé ïîâåðõíîñòè (íàïðèìåð, èç-çà íàëè÷èÿ íà ïîâåðõíîñòè âïàäèí èëè âûñòóïîâ). Ìåíÿÿ âåëè÷èíó òóííåëüíîãî òîêà èëè, íàîáîðîò, ñîõðàíÿÿ åå ïîñòîÿííîé (çà ñ÷åò ðåãóëèðîâàíèÿ ïîòåíöèàëà çîíäà), ýêñïåðèìåíòàòîð ìîæåò «ñêàíèðîâàòü» ïîâåðõíîñòü è ïîëó÷àòü åå ïðÿìîå «èçîáðàæåíèå», ïîäîáíî òîìó êàê ýëåêòðîííûé ëó÷ ñîçäàåò èçîáðàæåíèå, ñêà-

Íàíîòåõíîëîãèè

115

íèðóÿ ïîâåðõíîñòü ýêðàíà îáû÷íîãî òåëåâèçîðà. Ýòîò ìåòîä ïîçâîëÿåò íå òîëüêî èçó÷àòü àòîìàðíóþ ñòðóêòóðó ïîâåðõíîñòè, íî è ïðîâîäèòü ðàçíîîáðàçíûå è âåñüìà öåííûå ôèçè÷åñêèå ýêñïåðèìåíòû (íàïðèìåð, ìîæíî ïðîâåðÿòü òåîðåòè÷åñêèå ðàñ÷åòû, îòíîñÿùèåñÿ ê èçìåíåíèþ ïîâåðõíîñòè â îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ, è ò. ï.). Ðàáîòàÿ ñî ñêàíèðóþùèì ìèêðîñêîïîì îïèñûâàåìîãî òèïà, ýêñïåðèìåíòàòîðû íåîæèäàííî âûøëè íà ñëåäóþùèé ýòàï ðàçâèòèÿ, à èìåííî ñòàëè ïðîâîäèòü ïðÿìûå òåõíîëîãè÷åñêèå îïåðàöèè íà àòîìàðíîì óðîâíå. Ïðèêëàäûâàÿ ê çîíäó ÑÒÌ ñîîòâåòñòâóþùåå íàïðÿæåíèå, åãî ìîæíî èñïîëüçîâàòü â êà÷åñòâå ñâîåîáðàçíîãî àòîìíîãî «ðåçöà» èëè ãðàâèðîâàëüíîãî èíñòðóìåíòà. Âïåðâûå ýòî óäàëîñü ñäåëàòü â ÑØÀ ñîòðóäíèêàì Àðìàäåíñêîé ëàáîðàòîðèè IMB ïîä ðóêîâîäñòâîì Ä. Ýéãëåðà, êîòîðûå ñóìåëè âûëîæèòü íà ïîâåðõíîñòè ìîíîêðèñòàëëà íèêåëÿ íàçâàíèå ñâîåé ôèðìû èç 35 àòîìîâ êñåíîíà. Ýòî ñòàëî ñâîåîáðàçíûì ðåêîðäîì â ìåòîäàõ ìèíèàòþðèçàöèè çàïèñè «òåêñòà». Ïîçäíåå, â 1991 ã., èç ýòîãî âûðîñëà ìåòîäèêà ïåðåìåùåíèÿ àòîìîâ êñåíîíà ââåðõ-âíèç (îòíîñèòåëüíî ïîâåðõíîñòè ìîíîêðèñòàëëà), íàçâàííàÿ àòîìíûì ïåðåêëþ÷åíèåì (atomic switch). Â öåëîì îïèñàííàÿ òåõíèêà ñîçäàåò ìíîãî âîçìîæíîñòåé êàê äëÿ ìàíèïóëÿöèé íà óðîâíå îòäåëüíûõ àòîìîâ, òàê è äëÿ èçó÷åíèÿ èõ ñòðóêòóð è ïîâåäåíèÿ. ßïîíñêèå ôèðìû è íàó÷íûå îðãàíèçàöèè â ñâîþ î÷åðåäü íà÷àëè ýíåðãè÷íî ðàçâèâàòü ìåòîäèêè â îáëàñòè ìèêðîñêîïèè, â ðåçóëüòàòå ÷åãî çà êîðîòêîå âðåìÿ áûëè ñîçäàíû íîâûå òèïû ñêàíèðóþùèõ òóííåëüíûõ ìèêðîñêîïîâ, à òàêæå ýëåêòðîííûõ ìèêðîñêîïîâ ñ î÷åíü âûñîêèì ðàçðåøåíèåì (ðàçðåøåíèåì îïòè÷åñêîãî ïðèáîðà ôèçèêè íàçûâàþò ðàçìåð íàèìåíüøåé äåòàëè, êîòîðóþ ìîæíî âûäåëèòü íà ïîëó÷àåìîì èçîáðàæåíèè), ïîçâîëÿþùèõ èññëåäîâàòü äâèæåíèå îòäåëüíûõ àòîìîâ è ìîëåêóë. Ýòî ïðèâåëî ê ýíåðãè÷íîìó ðàçâèòèþ ýêñïåðèìåíòàëüíîé òåõíèêè â íàíîìåòðîâîì äèàïàçîíå è çíà÷èòåëüíî ðàñøèðèëî ïðåäñòàâëåíèÿ ó÷åíûõ î ìèêðîìèðå è íàíîîáúåêòàõ. Â 1990 ã. íà÷àëàñü ðåàëèçàöèÿ îãðîìíîãî ìåæäóíàðîäíîãî ïðîåêòà ïî îïðåäåëåíèþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòè óêëàäêè îêîëî 3 ìëðä íóêëåîòèäíûõ îñòàòêîâ â çàïèñè ãåíåòè÷åñêîé èíôîðìàöèè — ïðîåêòà «Ãåíîì ÷åëîâåêà», ñòàâøåãî ÿðêèì ïðîðûâîì â áèîëîãèè è ìåäèöèíå. Ýòîò ïðîåêò îäíîâðåìåííî ÿâëÿåòñÿ èñêëþ÷èòåëüíî âàæíûì äëÿ ðàçâèòèÿ íàíîòåõíîëîãèé, ïîñêîëüêó îòêðûâàåò íîâûå îãðîìíûå âîçìîæíîñòè â èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèÿõ, ïîçâîëÿÿ ïîíÿòü, à çàòåì è èñïîëüçîâàòü ïðèíöèïû îáðàáîòêè èíôîðìàöèè â æèâîé ïðèðîäå (áèîèíôîðìàòèêà). Â 1991 ã. â ßïîíèè íà÷àëà îñóùåñòâëÿòüñÿ ïåðâàÿ ãîñóäàðñòâåííàÿ ïðîãðàììà ïî ðàçâèòèþ òåõíèêè ìàíèïóëèðîâàíèÿ

116 Ãëàâà 5. Íàíîòåõíîëîãèè àòîìàìè è ìîëåêóëàìè (ïðîåêò «Àòîìíàÿ òåõíîëîãèÿ»), êîòîðàÿ ïðèâëåêëà âíèìàíèå èññëåäîâàòåëåé âî ìíîãèõ ñòðàíàõ ìèðà. Ýòî îçíàìåíîâàëî íîâûé ýòàï â ðàçâèòèè íàíîíàóêè è íàíîòåõíîëîãèé: ãîñóäàðñòâî ñòàëî ïîääåðæèâàòü íàïðàâëåíèå, ïðèçíàâ åãî ïðèîðèòåòíîñòü íå òîëüêî äëÿ íàöèîíàëüíîé íàóêè, íî è äëÿ ãîñóäàðñòâà â öåëîì. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ íàíîòåõíîëîãèè âñå áîëüøå è áîëüøå âõîäÿò â íàøó æèçíü. Íàíîòåõíîëîãè÷åñêèé êîíòðîëü èçäåëèé è ìàòåðèàëîâ, áóêâàëüíî íà óðîâíå àòîìîâ, â íåêîòîðûõ îáëàñòÿõ ïðîìûøëåííîñòè ñòàë îáûäåííûì äåëîì. Ðåàëüíûé ïðèìåð — DVD-äèñêè, ïðîèçâîäñòâî êîòîðûõ áûëî áû íåâîçìîæíî áåç íàíîòåõíîëîãè÷åñêîãî êîíòðîëÿ ìàòðèö. Î÷åíü ïîïóëÿðíû â ïðîìûøëåííûõ óñòðîéñòâàõ î÷èñòêè ïèòüåâîé âîäû è ïîëó÷åíèè ñâåðõ÷èñòîé âîäû òàê íàçûâàåìûå íàíîôèëüòðàöèîííûå ìåìáðàííûå ôèëüòðû, ïîçâîëÿþùèå çàäåðæèâàòü ÷àñòèöû ìîëåêóëÿðíîãî ðàçìåðà. Ñòàëè ðåàëüíîñòüþ êâàíòîâûå òî÷êè â òåõíîëîãèè ïîëó÷åíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâ, êîòîðûå ýôôåêòèâíåå èçâåñòíûõ â 1000 ðàç. Ýòîò ñïèñîê ìîæíî ïðîäîëæèòü: u

u

u

u

u

u

u

u

«íàíîòðóáêè» è «íàíîíèòè» («íàíîâîëîêíà»), ñîñòîÿùèå èç 60– 70 ìîëåêóë, êàê íîâîå ñîñòîÿíèå ïîâåðõíîñòè âåùåñòâà è ñîçäàíèå ñâåðõëåãêèõ ìàòåðèàëîâ; íàíîçåðêàëî äëÿ ëàçåðîâ ñî ñâåðõâûñîêîé îòðàæàþùåé ñïîñîáíîñòüþ; àòîìíàÿ èãëà — ñâåðõòîíêàÿ èãëà, ñóæàþùàÿñÿ íà îñòðèå åäâà ëè íå äî åäèíñòâåííîãî àòîìà, êîòîðàÿ êàê àòîìíûé ùóï èçó÷àåò ðåëüåô ïîâåðõíîñòè íà ìîëåêóëÿðíîì óðîâíå; íàíîðîáîòû-ìàíèïóëÿòîðû, ñîçäàþùèå ðàçíûå òèïû ïîâåðõíîñòåé ïóòåì ïåðåíîñà îòäåëüíûõ ìîëåêóë; íàíîãåíåðàòîðû ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà âíóòðè ÷åëîâå÷åñêîãî îðãàíèçìà äëÿ ýëåêòðîïèòàíèÿ èìïëàíòàòîâ; ñâåðõñêîðîñòíîé íàíî-Èíòåðíåò ñ ïîòåíöèàëîì óâåëè÷åíèÿ ñêîðîñòè â ñîòíè ðàç; äèàãíîñòèêà êà÷åñòâà ïèùåâûõ ïðîäóêòîâ ñ ïîìîùüþ íàíîñåíñîðîâ (êâàíòîâûõ òî÷åê) äëÿ âûÿâëåíèÿ îïàñíûõ õèìè÷åñêèõ èëè áèîëîãè÷åñêèõ çàãðÿçíèòåëåé ïèùåâûõ ïðîäóêòîâ; íàíîãðàíóëû, êîòîðûå âíóòðè ÷åëîâå÷åñêîãî òåëà äîñòàâëÿþò ìîëåêóëó ëåêàðñòâåííîãî ïðåïàðàòà íå ïðîñòî ê îðãàíó-ìèøåíè, íî ïðÿìî ê ðåöåïòîðó, êîòîðûé, ïî ñóòè, òàêæå ÿâëÿåòñÿ ìîëåêóëîé è îòâå÷àåò çà ðåàëèçàöèþ ôèçèîëîãè÷åñêîãî ýôôåêòà;

Íàíîòåõíîëîãèè u

u

117

íàíîêîä, òî åñòü ìîëåêóëû àíòèòåë, èììîáèëèçîâàííûå íà ïîâåðõíîñòè íàíîíèòåé äëÿ èäåíòèôèêàöèè àíòèãåíîâ (òî åñòü ÷óæåðîäíûõ âåùåñòâ) ïî èììóííîé ðåàêöèè; íàíî÷àñòèöû êîñìåòè÷åñêîãî êðåìà, ïðîõîäÿùèå ÷åðåç ìåìáðàíû êëåòîê êîæè, äëÿ íàñòîÿùåãî êëåòî÷íîãî ïèòàíèÿ äåðìû —

è ýòî äàëåêî íå ïîëíûé ïåðå÷åíü èñïîëüçîâàíèÿ íàíîòåõíîëîãèé â ìèðå ÕÕI â. ×òî-òî èç âûøåïåðå÷èñëåííîãî óæå ñòàíîâèòñÿ ðåàëüíîñòüþ «íà ãëàçàõ», ïîñêîëüêó ñêîðîñòü òåõíè÷åñêîãî ïðîãðåññà â ñîâðåìåííîì ìèðå îãðîìíà; ÷òî-òî åùå íàõîäèòñÿ â ñòàäèè äîðàáîòêè. Âàæíî, ÷òî óæå ñåé÷àñ âñå ýòî ðàáîòàåò è ïðèíîñèò îãðîìíóþ ïîëüçó. À ïîòåíöèàëüíûå âîçìîæíîñòè íàíîòåõíîëîãèé ïîèñòèíå íå çíàþò ãðàíèö. Õîòåëîñü áû îñîáî ïîä÷åðêíóòü, ÷òî ìû ïîêà íå ìîæåì, êîíå÷íî, îöåíèòü è ïðåäñòàâèòü ñåáå ìàñøòàáû ðàçâèòèÿ è âîçìîæíîñòè ïðèìåíåíèÿ íàíîòåõíîëîãèé â öåëîì, íî êîëè÷åñòâî íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé è çàòðàòû íà íèõ áóäóò ðàñòè ñ êàæäûì ãîäîì, ó÷èòûâàÿ ïåðñïåêòèâíîñòü òåìàòèêè. Èññëåäîâàíèÿ â äàííîì íàïðàâëåíèè âñå âðåìÿ ðàñøèðÿþòñÿ. Â 2004 ã. ÷åëîâå÷åñòâî èñòðàòèëî íà íàíîòåõíîëîãèè $ 8,6 ìëðä. Ïðè÷åì áîëüøå ïîëîâèíû — $ 4,6 ìëðä — ýòî ðàñõîäû ïðàâèòåëüñòâåííûõ îðãàíèçàöèé ðàçíûõ ñòðàí. Â ñâÿçè ñ ýòèì íåîáõîäèìî îòìåòèòü ãîñóäàðñòâåííîå ó÷àñòèå â ïðîåêòàõ ïî íàíîòåõíîëîãèÿì. ßïîíèÿ è ÑØÀ íà÷èíàÿ ñ 90-õ ãã. ÕÕ â. òðàòÿò íà ãîñóäàðñòâåííóþ ïîääåðæêó íàíîïðîåêòîâ ìèëëèàðäû äîëëàðîâ; ñóùåñòâóåò Îáúåäèíåííûé êîìèòåò Åâðîñîþçà ïî íàíîòåõíîëîãèÿì, êîòîðûé òàêæå ñ ýòîãî âðåìåíè àêòèâíî ôèíàíñèðóåò ðàçâèòèå íàíîòåõíîëîãèé êàê îäíî èç ñàìûõ ïðèîðèòåòíûõ íàïðàâëåíèé. Íå îñòàåòñÿ â ñòîðîíå è Ðîññèÿ, êîòîðàÿ âñòóïèëà â áîðüáó çà ìèðîâîå ëèäåðñòâî â îáëàñòè ðàçâèòèÿ íàíîòåõíîëîãèé. Íåêîòîðîå çàïîçäàíèå Ðîññèè â îáëàñòè ðàçâèòèÿ íàíîòåõíîëîãèé èìååò èñòîðè÷åñêèå ïðè÷èíû. Òî, ÷òî îòñòàâàíèå â ýòîé îáëàñòè ìîæåò ïîâëå÷ü íåêîíêóðåíòîñïîñîáíîñòü Ðîññèè â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ òåõíèêè è ïðîìûøëåííîñòè, â êîòîðûõ ðàñòåò óäåëüíûé âåñ íàíîòåõíîëîãèé, è, êàê ñëåäñòâèå, îòñòàâàíèå â ýêîíîìè÷åñêîì ðàçâèòèè â öåëîì, ïîíèìàþò â Ðîññèè íà âûñøåì ãîñóäàðñòâåííîì óðîâíå. Íèæå ïðèâîäèòñÿ âûäåðæêà èç âûñòóïëåíèÿ ïðåçèäåíòà Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè Â. Â. Ïóòèíà ïåðåä Ôåäåðàëüíûì ñîáðàíèåì 26 àïðåëÿ 2007 ã.: Ïåðåä íàìè ñòîèò çàäà÷à ôîðìèðîâàíèÿ íàó÷íî-òåõíîëîãè÷åñêîãî ïîòåíöèàëà, àäåêâàòíîãî ñîâðåìåííûì âûçîâàì ìèðîâîãî òåõíîëîãè÷åñêîãî ðàç-

118 Ãëàâà 5. Íàíîòåõíîëîãèè âèòèÿ. È â ýòîé ñâÿçè õî÷ó îñîáî ïîä÷åðêíóòü íåîáõîäèìîñòü ñîçäàíèÿ ýôôåêòèâíîé ñèñòåìû èññëåäîâàíèé è ðàçðàáîòîê â îáëàñòè íàíîòåõíîëîãèé, îñíîâàííûõ íà àòîìíîì è ìîëåêóëÿðíîì êîíñòðóèðîâàíèè. Ñåãîäíÿ äëÿ áîëüøèíñòâà ëþäåé «íàíîòåõíîëîãèè» — ýòî òàêàÿ æå àáñòðàêöèÿ, êàê è ÿäåðíûå òåõíîëîãèè â 30-å ãã. ïðîøëîãî âåêà. Îäíàêî íàíîòåõíîëîãèè óæå ñòàíîâÿòñÿ êëþ÷åâûì íàïðàâëåíèåì ðàçâèòèÿ ñîâðåìåííîé ïðîìûøëåííîñòè è íàóêè. Íà èõ îñíîâå, â äîëãîñðî÷íîé ïåðñïåêòèâå, ìû â ñîñòîÿíèè îáåñïå÷èòü ïîâûøåíèå êà÷åñòâà æèçíè íàøèõ ëþäåé, íàöèîíàëüíóþ áåçîïàñíîñòü è ïîääåðæàíèå âûñîêèõ òåìïîâ ýêîíîìè÷åñêîãî ðîñòà. Îöåíêè ó÷åíûõ ãîâîðÿò î òîì, ÷òî èçäåëèÿ ñ ïðèìåíåíèåì íàíîòåõíîëîãèé âîéäóò â æèçíü êàæäîãî — áåç ïðåóâåëè÷åíèÿ — ÷åëîâåêà, ïîçâîëÿò ñýêîíîìèòü íåâîçîáíîâëÿåìûå ïðèðîäíûå ðåñóðñû.

Ó÷èòûâàÿ ìàñøòàáíîñòü è óíèêàëüíîñòü ðîññèéñêîãî ïðîåêòà ïî íàíîòåõíîëîãèÿì, ïðåçèäåíò ïðèçâàë ñòðàíû ÑÍÃ ïðèíÿòü ó÷àñòèå â ýòîì îáúåäèíÿþùåì âçàèìîâûãîäíîì è íàïðàâëåííîì â áóäóùåå äåëå. Ïðèäàíèå ïðîåêòó ñòàòóñà ìåæäóíàðîäíîãî ïîâûñèò èíòåðåñ ê ýòîìó ïðîåêòó è áóäåò ñïîñîáñòâîâàòü ðàñïðîñòðàíåíèþ äîñòîâåðíîé è ïîçèòèâíîé èíôîðìàöèè îá ýòîì î÷åíü íåïðîñòîì äëÿ ïîíèìàíèÿ, íî ÷ðåçâû÷àéíî ïåðñïåêòèâíîì íàïðàâëåíèè ðàçâèòèÿ íå òîëüêî îòå÷åñòâåííîé íàóêè, íî è ÷åëîâå÷åñòâà â öåëîì. Îñîáûå çàäà÷è ñòîÿò ïåðåä ïåäàãîãàìè ðîññèéñêèõ øêîë è âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé. Íàñòàëà íåîáõîäèìîñòü äëÿ ðàçðàáîòêè íîâûõ ïðîãðàìì ïî êóðñó êîíöåïöèé ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ, âêëþ÷àþùèõ íàíîíàóêó è íàíîòåõíîëîãèè êàê íåîòúåìëåìîå ìåæäèñöèïëèíàðíîå íàïðàâëåíèå ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ; â ýòèõ ïðîãðàììàõ îñîáåííîå âíèìàíèå ñëåäóåò óäåëèòü óãëóáëåííîìó èçó÷åíèþ ïðîáëåì ìèêðîìèðà, ñ òåì ÷òîáû äîñòèæåíèÿ íàíîòåõíîëîãèé áûëè ïîíÿòíû ñïåöèàëèñòàì ãóìàíèòàðíîãî ïðîôèëÿ. Â çàêëþ÷åíèå ýòîé ãëàâû ïðèâåäåì «íàíîöèòàòó». «Ñëåäóþùàÿ ïðîìûøëåííàÿ ðåâîëþöèÿ» —

äàííàÿ ôðàçà áûëà îòïå÷àòàíà íà ïîâåðõíîñòè, ïëîùàäü êîòîðîé ìåíüøå ïëîùàäè ñå÷åíèÿ ÷åëîâå÷åñêîãî âîëîñà, áóêâàìè øèðèíîé 50 íàíîìåòðîâ.

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè 1. ×òî îçíà÷àåò ïðèñòàâêà «íàíî» ê òåðìèíàì: òåõíîëîãèè, ìåìáðàíû, òðàíçèñòîðû, ñåíñîðû, çåðêàëà è ò. ä.?


119

2. Òîëüêî ëè ñ èçìåíåíèåì ëèíåéíûõ ðàçìåðîâ ñâÿçàí ïåðåõîä îò ìèêðîòåõíîëîãèé ê íàíîòåõíîëîãèÿì? Êàêèå êà÷åñòâåííûå èçìåíåíèÿ îí ïðåäïîëàãàåò? Îáîñíóéòå îòâåò. 3. Ïðèâåäèòå ïðèìåðû èñïîëüçîâàíèÿ íàíîòåõíîëîãèé â ñîâðåìåííîé æèçíè. 4. ßâëÿåòñÿ ëè ðàçâèòèå íàíîòåõíîëîãèé äåëîì ó÷åíûõ-îäèíî÷åê èëè íåáîëüøèõ îòðàñëåâûõ ëàáîðàòîðèé? Ðàññêàæèòå î ìàñøòàáå ïðîãðàììû «Ðàçâèòèå íàíîòåõíîëîãèé».

Ãëàâà 6 ÌÅÃÀÌÈÐ È ÅÃÎ ÑÂÎÉÑÒÂÀ

6.1. Îáùèå ïðåäñòàâëåíèÿ î Âñåëåííîé

Êîñìîñ (îò ãðå÷. hosmos – ìèð) — òåðìèí, èäóùèé èç äðåâíåãðå÷åñêîé ôèëîñîôèè äëÿ îáîçíà÷åíèÿ ìèðà êàê ñòðóêòóðíî îðãàíèçîâàííîãî è óïîðÿäî÷åííîãî öåëîãî. Êîñìîñîì ãðåêè íàçûâàëè Ìèð óïîðÿäî÷åííûé, ïðåêðàñíûé â ñâîåé ãàðìîíèè â îòëè÷èå îò Õàîñà — ïåðâîçäàííîé ñóìÿòèöû. Ñåé÷àñ ïîä êîñìîñîì ïîíèìàþò âñå íàõîäÿùååñÿ çà ïðåäåëàìè àòìîñôåðû Çåìëè. Èíà÷å êîñìîñ íàçûâàþò Âñåëåííîé (ìåñòî âñåëåíèÿ ÷åëîâåêà). Âñåëåííàÿ – îêðóæàþùèé íàñ ìèð, áåñêîíå÷íûé â ïðîñòðàíñòâå, âî âðåìåíè è ïî ìíîãîîáðàçèþ ôîðì çàïîëíÿþùåãî åãî âåùåñòâà è åãî ïðåâðàùåíèé. Âñåëåííóþ â öåëîì èçó÷àåò àñòðîíîìèÿ.

} Àñòðîíîìèÿ (îò ãðå÷. astron — çâåçäà, nomos — íàóêà) — íàóêà î

äâèæåíèè, ñòðîåíèè, âîçíèêíîâåíèè, ðàçâèòèè íåáåñíûõ òåë, èõ ñèñòåì è Âñåëåííîé â öåëîì.

Îñíîâíîé ìåòîä ïîëó÷åíèÿ àñòðîíîìè÷åñêèõ çíàíèé — íàáëþäåíèå, ïîñêîëüêó, çà ðåäêèì èñêëþ÷åíèåì, ýêñïåðèìåíò ïðè èçó÷åíèè Âñåëåííîé íåâîçìîæåí. Ñîâðåìåííàÿ àñòðîíîìèÿ âêëþ÷àåò â ñåáÿ íåñêîëüêî áîëåå óçêèõ íàó÷íûõ äèñöèïëèí — àñòðîôèçèêó, àñòðîõèìèþ, ðàäèîàñòðîíîìèþ è äð. Èíòåíñèâíî ðàçâèâàåòñÿ êîñìîëîãèÿ — ðàçäåë àñòðîíîìèè, òåñíî ñâÿçàííûé ñ ôèçèêîé.

} Êîñìîëîãèÿ (îò ãðå÷. hosmos — ìèð è logos — ó÷åíèå) – îáëàñòü íàóêè, â êîòîðîé èçó÷àþòñÿ Âñåëåííàÿ êàê åäèíîå öåëîå è êîñìè÷åñêèå ñèñòåìû êàê åå ÷àñòè.

Ó÷èòûâàÿ äðåâíåãðå÷åñêîå çíà÷åíèå òåðìèíà «êîñìîñ» — «ïîðÿäîê», «ãàðìîíèÿ», — âàæíî îòìåòèòü, ÷òî êîñìîëîãèÿ îòêðûâàåò óïîðÿäî÷åííîñòü íàøåãî ìèðà è íàöåëåíà íà ïîèñê çàêîíîâ åãî ôóíêöèî-


121

íèðîâàíèÿ. Îòêðûòèå ýòèõ çàêîíîâ è ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé öåëü èçó÷åíèÿ Âñåëåííîé êàê åäèíîãî óïîðÿäî÷åííîãî öåëîãî. Êîñìîëîãèÿ áëèçêî ñîïðèêàñàåòñÿ ñ êîñìîãîíèåé (îò ãðå÷. hosmos — ìèð, gonos — ðîæäåíèå), ðàçäåëîì àñòðîíîìèè, èçó÷àþùèì ïðîèñõîæäåíèå êîñìè÷åñêèõ îáúåêòîâ è ñèñòåì. Âìåñòå ñ òåì ïîäõîä êîñìîëîãèè è êîñìîãîíèè ê èçó÷àåìûì ÿâëåíèÿì ðàçëè÷åí — êîñìîëîãèÿ èçó÷àåò çàêîíîìåðíîñòè âñåé Âñåëåííîé, à êîñìîãîíèÿ ðàññìàòðèâàåò êîíêðåòíûå êîñìè÷åñêèå òåëà è ñèñòåìû. Ìèð åäèí, ãàðìîíè÷åí è îäíîâðåìåííî èìååò ìíîãîóðîâíåâóþ îðãàíèçàöèþ. Âñåëåííàÿ — ýòî ìåãàìèð. Íåò æåñòêîé ãðàíèöû, îäíîçíà÷íî ðàçäåëÿþùåé ìèêðî-, ìàêðî- è ìåãàìèðû. Ïðè íåñîìíåííîì êà÷åñòâåííîì îòëè÷èè îíè âçàèìîñâÿçàíû. Òàê, íàøà Çåìëÿ ïðåäñòàâëÿåò ìàêðîìèð, íî â êà÷åñòâå îäíîé èç ïëàíåò Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû îíà îäíîâðåìåííî âûñòóïàåò è êàê ýëåìåíò ìåãàìèðà. Âñåëåííàÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé óïîðÿäî÷åííóþ ñèñòåìó îòäåëüíûõ âçàèìîñâÿçàííûõ ýëåìåíòîâ ðàçëè÷íîãî ïîðÿäêà. Ýòî íåáåñíûå òåëà (çâåçäû, ïëàíåòû, ñïóòíèêè, àñòåðîèäû, êîìåòû), ïëàíåòíûå ñèñòåìû çâåçä, çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ, ãàëàêòèêè. Çâåçäû — ãèãàíòñêèå ðàñêàëåííûå ñàìîñâåòÿùèåñÿ íåáåñíûå òåëà. Ïëàíåòû — õîëîäíûå íåáåñíûå òåëà, êîòîðûå îáðàùàþòñÿ âîêðóã çâåçäû. Ñïóòíèêè (ïëàíåò) — õîëîäíûå íåáåñíûå òåëà, êîòîðûå îáðàùàþòñÿ âîêðóã ïëàíåò. Íàïðèìåð: Ñîëíöå — ýòî çâåçäà, Çåìëÿ — ýòî ïëàíåòà, Ëóíà — ýòî ñïóòíèê Çåìëè. Íåáåñíûå òåëà, íàõîäÿùèåñÿ â çîíå ñóùåñòâåííîãî äåéñòâèÿ ñèëû òÿãîòåíèÿ çâåçäû, îáðàçóþò åå ïëàíåòíóþ ñèñòåìó. Òàê, Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà (èëè ïëàíåòíàÿ ñèñòåìà) — ñîâîêóïíîñòü íåáåñíûõ òåë – ïëàíåò, èõ ñïóòíèêîâ, àñòåðîèäîâ, êîìåò, îáðàùàþùèõñÿ âîêðóã Ñîëíöà ïîä äåéñòâèåì ñèëû åãî òÿãîòåíèÿ. Â Ñîëíå÷íóþ ñèñòåìó âõîäÿò 9 ïëàíåò, èõ ñïóòíèêè, ñâûøå 100 òûñÿ÷ àñòåðîèäîâ, ìíîæåñòâî êîìåò. Àñòåðîèäû (èëè ìàëûå ïëàíåòû) — íåáîëüøèå õîëîäíûå íåáåñíûå òåëà, âõîäÿùèå â ñîñòàâ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Èìåþò äèàìåòð îò 800 êì äî 1 êì è ìåíåå, îáðàùàþòñÿ âîêðóã Ñîëíöà ïî òåì æå çàêîíàì, ïî êîòîðûì äâèæóòñÿ è áîëüøèå ïëàíåòû. Êîìåòû — íåáåñíûå òåëà, âõîäÿùèå â ñîñòàâ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Èìåþò âèä òóìàííûõ ïÿòíûøåê ñ ÿðêèì ñãóñòêîì â öåíòðå — ÿäðîì. ßäðà êîìåò èìåþò ìàëåíüêèå ðàçìåðû — íåñêîëüêî êèëîìåòðîâ. Ó ÿðêèõ êîìåò ïðè ïðèáëèæåíèè ê Ñîëíöó ïîÿâëÿåòñÿ õâîñò â âèäå ñâåòÿ-

122 Ãëàâà 6. Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà ùåéñÿ ïîëîñû, äëèíà êîòîðîãî ìîæåò äîñòèãàòü äåñÿòêîâ ìèëëèîíîâ êèëîìåòðîâ. Çâåçäû âìåñòå ñ èõ ïëàíåòíûìè ñèñòåìàìè è ìåæçâåçäíîé ñðåäîé îáðàçóþò ãàëàêòèêè. Ãàëàêòèêà — ãèãàíòñêàÿ çâåçäíàÿ ñèñòåìà, íàñ÷èòûâàþùàÿ áîëåå 100 ìëðä çâåçä, îáðàùàþùèõñÿ âîêðóã åå öåíòðà. Âíóòðè ãàëàêòèêè îòìå÷àþò çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ — ãðóïïû çâåçä, ðàçäåëåííûå ìåæäó ñîáîé ìåíüøèì ðàññòîÿíèåì, ÷åì îáû÷íûå ìåæçâåçäíûå ðàññòîÿíèÿ. Çâåçäû â òàêîé ãðóïïå ñâÿçàíû îáùèì äâèæåíèåì â ïðîñòðàíñòâå è èìåþò îáùåå ïðîèñõîæäåíèå. Ãàëàêòèêè îáðàçóþò ìåòàãàëàêòèêó. Ìåòàãàëàêòèêà — ãðàíäèîçíàÿ ñîâîêóïíîñòü îòäåëüíûõ ãàëàêòèê è ñêîïëåíèé ãàëàêòèê. Â ñîâðåìåííîé òðàêòîâêå ïîíÿòèÿ «ìåòàãàëàêòèêà» è «Âñåëåííàÿ» ÷àùå îòîæäåñòâëÿþò. Íî èíîãäà ìåòàãàëàêòèêà òîëêóåòñÿ ëèøü êàê âèäèìàÿ ÷àñòü Âñåëåííîé, ïðè ýòîì Âñåëåííàÿ ñâîäèòñÿ ê áåñêîíå÷íîñòè. Îäíàêî åñëè ïðèíÿòü, ÷òî çà ïðåäåëàìè ìåòàãàëàêòèêè ñóùåñòâóåò êîñìè÷åñêèé âàêóóì, òî òàêóþ ôîðìó ìàòåðèè òðóäíî îòíåñòè ê Âñåëåííîé, ïîòîìó ÷òî òàì íåò óñòîé÷èâûõ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö è àòîìîâ, íåò çâåçä, íåò ãàëàêòèê. Ïîýòîìó äëÿ áåñêîíå÷íîãî ìèðà áîëåå ïîäõîäèò ôèëîñîôñêîå ïîíÿòèå ìàòåðèàëüíîãî ìèðà, ÷àñòüþ êîòîðîãî ÿâëÿåòñÿ Âñåëåííàÿ èëè ìåòàãàëàêòèêà. Ïðè èçó÷åíèè îáúåêòîâ Âñåëåííîé èìåþò äåëî ñî ñâåðõáîëüøèìè ðàññòîÿíèÿìè. Äëÿ óäîáñòâà ïðè èçìåðåíèè òàêèõ ñâåðõáîëüøèõ ðàññòîÿíèé â êîñìîëîãèè èñïîëüçóþò ñïåöèàëüíûå åäèíèöû: u

u

u

Àñòðîíîìè÷åñêàÿ åäèíèöà (à. å.) ñîîòâåòñòâóåò ðàññòîÿíèþ îò Çåìëè äî Ñîëíöà — 150 ìëí êì. Ýòà åäèíèöà, êàê ïðàâèëî, ïðèìåíÿåòñÿ äëÿ îïðåäåëåíèÿ êîñìè÷åñêèõ ðàññòîÿíèé â ïðåäåëàõ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Íàïðèìåð, ðàññòîÿíèå îò Ñîëíöà äî ñàìîé óäàëåííîé îò íåãî ïëàíåòû – Ïëóòîíà — 40 à. å. Ñâåòîâîé ãîä — ðàññòîÿíèå, êîòîðîå ñâåòîâîé ëó÷, äâèæóùèéñÿ ñî ñêîðîñòüþ 300 000 êì/ñ, ïðîõîäèò çà îäèí ãîä, — ~1013 êì; 1 à. å. ðàâíà 8,3 ñâåòîâîé ìèíóòû. Â ñâåòîâûõ ãîäàõ îïðåäåëÿþò ðàññòîÿíèå äî çâåçä è äðóãèõ êîñìè÷åñêèõ îáúåêòîâ, íàõîäÿùèõñÿ çà ïðåäåëàìè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Ïàðñåê (ïê) — ðàññòîÿíèå, ðàâíîå 3,3 ñâåòîâîãî ãîäà. Èñïîëüçóþò äëÿ èçìåðåíèÿ ðàññòîÿíèé âíóòðè çâåçäíûõ ñèñòåì è ìåæäó íèìè.

Ïðè îïðåäåëåíèè ðàññòîÿíèé äî äðóãèõ ãàëàêòèê èñïîëüçóþò åùå áîëåå êðóïíûå åäèíèöû — êèëîïàðñåê (Êïê) — 103 ïê, ìåãàïàðñåê (Ìïê) — 106 ïê. Âñå ñâåäåíèÿ, íàêîïëåííûå ÷åëîâå÷åñòâîì î Âñåëåííîé, — ðåçóëüòàò íàáëþäåíèé. Ïåðâûå àñòðîíîìè÷åñêèå çíàíèÿ áûëè


123

ïîëó÷åíû åùå ìûñëèòåëÿìè äðåâíåãî ìèðà. Àñòðîíîìû ñòðàí Äðåâíåãî Âîñòîêà — Åãèïòà, Âàâèëîíèè, Èíäèè, Êèòàÿ — íàó÷èëèñü ïðåäñêàçûâàòü íàñòóïëåíèÿ çàòìåíèé, ñëåäèëè çà äâèæåíèåì ïëàíåò. Ýòè àñòðîíîìè÷åñêèå çíàíèÿ, íàêîïëåííûå åùå â VII–VI ââ. äî í. ý., çàèìñòâîâàëè äðåâíèå ãðåêè. Â VI â. äî í. ý. âåëèêèé ó÷åíûé è ôèëîñîô Äðåâíåé Ãðåöèè Àðèñòîòåëü ôàêòè÷åñêè âûäâèíóë èäåþ ãåîöåíòðè÷åñêîãî (îò ãðå÷. geo — çåìëÿ) ñòðîåíèÿ Âñåëåííîé. Àðèñòîòåëü ñ÷èòàë, ÷òî Çåìëÿ è âñå íåáåñíûå òåëà øàðîîáðàçíû. Øàðîîáðàçíîñòü Ëóíû îí äîêàçàë, èçó÷àÿ åå ôàçû, à øàðîîáðàçíîñòü Çåìëè îáúÿñíèë õàðàêòåðîì ëóííûõ çàòìåíèé. Íà äèñêå Ëóíû êðàé çåìíîé òåíè âñåãäà êðóãëûé, à ýòî ìîæåò áûòü òîëüêî ïðè óñëîâèè øàðîîáðàçíîñòè Çåìëè. Àðèñòîòåëü ñ÷èòàë Çåìëþ öåíòðîì Âñåëåííîé, êðóïíåéøèì åå òåëîì, âîêðóã êîòîðîãî âðàùàþòñÿ âñå íåáåñíûå òåëà. Âñåëåííàÿ, ïî ìíåíèþ Àðèñòîòåëÿ, èìååò êîíå÷íûå ðàçìåðû, åå êàê áû çàìûêàåò ñôåðà çâåçä. Òàêèì îáðàçîì, ïî Àðèñòîòåëþ, Çåìëÿ — íåïîäâèæíûé öåíòð Âñåëåííîé. Ïîñëå Àðèñòîòåëÿ íåêîòîðûå ó÷åíûå âûñêàçûâàëè ñìåëûå è ïðàâèëüíûå äîãàäêè îá óñòðîéñòâå Âñåëåííîé. Òàê, æèâøèé â III â. äî í. ý. ãðå÷åñêèé àñòðîíîì Àðèñòàðõ Ñàìîññêèé ñ÷èòàë, ÷òî Çåìëÿ îáðàùàåòñÿ âîêðóã Ñîëíöà. Ðàññòîÿíèå äî Ñîëíöà îí îïðåäåëÿë â 600 äèàìåòðîâ Çåìëè. Íà ñàìîì äåëå âû÷èñëåííîå èì ðàññòîÿíèå â 20 ðàç ìåíüøå äåéñòâèòåëüíîãî, íî âî âðåìåíà Àðèñòàðõà Ñàìîññêîãî è îíî êàçàëîñü íåâîîáðàçèìî îãðîìíûì. Îäíàêî ýòî ðàññòîÿíèå ìûñëèòåëü ñ÷èòàë íè÷òîæíûì ïî ñðàâíåíèþ ñ ðàññòîÿíèÿìè îò Çåìëè äî çâåçä. Íî ãåíèàëüíûå ìûñëè Àðèñòàðõà Ñàìîññêîãî íå áûëè ïîíÿòû ñîâðåìåííèêàìè. Âî II â. äî í. ý. îêîí÷àòåëüíî ñôîðìèðîâàëàñü ãåîöåíòðè÷åñêàÿ ñèñòåìà ìèðà. Àëåêñàíäðèéñêèé àñòðîíîì Ïòîëåìåé îáîáùèë ñóùåñòâîâàâøèå äî íåãî ïðåäñòàâëåíèÿ. Ñîãëàñíî ìîäåëè Ïòîëåìåÿ, âîêðóã øàðîîáðàçíîé è íåïîäâèæíîé Çåìëè äâèæóòñÿ Ëóíà, Ìåðêóðèé, Âåíåðà, Ñîëíöå, Ìàðñ, Þïèòåð, Ñàòóðí è íåáî íåïîäâèæíûõ çâåçä. Äâèæåíèå Ëóíû, Ñîëíöà, çâåçä ïðàâèëüíîå êðóãîâîå, à äâèæåíèå ïëàíåò ãîðàçäî ñëîæíåå. Êàæäàÿ èç ïëàíåò, ïî ìíåíèþ Ïòîëåìåÿ, äâèæåòñÿ íå âîêðóã Çåìëè, à âîêðóã íåêîòîðîé òî÷êè. Ýòà òî÷êà, â ñâîþ î÷åðåäü, äâèæåòñÿ ïî îêðóæíîñòè, â öåíòðå êîòîðîé íàõîäèòñÿ Çåìëÿ. Â òå÷åíèå ìíîãèõ ñòîëåòèé ãåîöåíòðè÷åñêàÿ ñèñòåìà ñ÷èòàëàñü åäèíñòâåííî âåðíîé — îíà ñîãëàñîâûâàëàñü ñ áèáëåéñêèì îïèñàíèåì ñîòâîðåíèÿ ìèðà. È òîëüêî â ïåðèîä Âîçðîæäåíèÿ íà÷àëîñü ðàçâèòèå àëüòåðíàòèâíîé ìûñëè.

124 Ãëàâà 6. Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà Ãåëèîöåíòðè÷åñêàÿ ñèñòåìà (îò ãðå÷. helios — ñîëíöå) ñâÿçàíà ñ èìåíåì ïîëüñêîãî ó÷åíîãî Íèêîëàÿ Êîïåðíèêà (XV â.). Îí âîçðîäèë ãèïîòåçó Àðèñòàðõà Ñàìîññêîãî î ñòðîåíèè ìèðà: Çåìëÿ óñòóïèëà ìåñòî öåíòðà Ñîëíöó è îêàçàëàñü òðåòüåé ïî ñ÷åòó ñðåäè âðàùàþùèõñÿ ïî êðóãîâûì îðáèòàì ïëàíåò. Êîïåðíèê ïóòåì ñëîæíûõ ìàòåìàòè÷åñêèõ ðàñ÷åòîâ îáúÿñíèë âèäèìûå ïåðåäâèæåíèÿ ïëàíåò âîêðóã Ñîëíöà. Ó÷åíèå Êîïåðíèêà èìåëî ðåâîëþöèîííîå çíà÷åíèå äëÿ ïîñëåäóþùåãî ðàçâèòèÿ íàóêè. Ïîñëå 30 ëåò óïîðíîãî òðóäà, äîëãèõ ðàçìûøëåíèé è ñëîæíûõ ìàòåìàòè÷åñêèõ ðàñ÷åòîâ ó÷åíûé äîêàçàë, ÷òî Çåìëÿ — òîëüêî îäíà èç ïëàíåò, à âñå ïëàíåòû îáðàùàþòñÿ âîêðóã Ñîëíöà. Ïðè ýòîì çâåçäû Êîïåðíèê ñ÷èòàë íåïîäâèæíûìè. Îí ïîëàãàë, ÷òî Âñåëåííàÿ îãðàíè÷åíà ñôåðîé íåïîäâèæíûõ çâåçä, êîòîðûå ðàñïîëîæåíû íà íåâîîáðàçèìî îãðîìíûõ, íî âñå-òàêè êîíå÷íûõ ðàññòîÿíèÿõ îò íàñ è îò Ñîëíöà. Òàêèì îáðàçîì, â ó÷åíèè Êîïåðíèêà óòâåðæäàëèñü ïðåäñòàâëåíèÿ îá îãðîìíûõ ðàçìåðàõ Âñåëåííîé, íî íå áåñêîíå÷íîñòè åå. Ñìåëî ðàçâèë èäåþ áåñêîíå÷íîñòè Âñåëåííîé âåëèêèé èòàëüÿíñêèé ìûñëèòåëü Äæîðäàíî Áðóíî (XVI â.). Ïî Áðóíî, îãðîìíîå Ñîëíöå — âñåãî òîëüêî îäíà èç çâåçä. Êàæäàÿ çâåçäà — òàêîå æå Ñîëíöå. Çâåçä áåñêîíå÷íîå ìíîæåñòâî, îíè îêðóæåíû ïëàíåòàìè, íà êîòîðûõ ìîæåò áûòü æèçíü. Áðóíî âûñêàçàë äîãàäêè, ÷òî è Ñîëíöå, è çâåçäû âðàùàþòñÿ âîêðóã ñâîèõ îñåé, à â Ñîëíå÷íîé ñèñòåìå, êðîìå èçâåñòíûõ ïëàíåò, ñóùåñòâóþò è äðóãèå, ïîêà åùå íå îòêðûòûå. Ñ èçîáðåòåíèåì òåëåñêîïà èòàëüÿíñêèé ó÷åíûé Ãàëèëåî Ãàëèëåé â ïåðâîé ïîëîâèíå XVII â. ñäåëàë âûäàþùèåñÿ îòêðûòèÿ, êîòîðûå ïîäòâåðäèëè ó÷åíèå Êîïåðíèêà è äîãàäêè Áðóíî. Ãàëèëåé ïðèøåë ê âûâîäó, ÷òî âðàùåíèå ïðèñóùå íå òîëüêî Çåìëå, íî è äðóãèì íåáåñíûì òåëàì. Îáíàðóæèâ ñïóòíèêè ó Þïèòåðà, Ãàëèëåé ïðèøåë òàêæå ê âûâîäó î òîì, ÷òî íå òîëüêî Çåìëÿ è Ñîëíöå ìîãóò áûòü öåíòðàìè îáðàùåíèÿ íåáåñíûõ òåë. Îäíîâðåìåííî ñ Ãàëèëååì âûäàþùèåñÿ îòêðûòèÿ â àñòðîíîìèè ñäåëàë íåìåöêèé ó÷åíûé Èîãàíí Êåïëåð, ñôîðìóëèðîâàâ çàêîíû äâèæåíèÿ òåë â Ñîëíå÷íîé ñèñòåìå. Òàêèì îáðàçîì, ê íà÷àëó XVIII â. áûëè äîñòèãíóòû âûäàþùèåñÿ óñïåõè â àñòðîíîìèè: îòêðûòû ñòðîåíèå Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû è çàêîíû äâèæåíèÿ âõîäÿùèõ â íåå íåáåñíûõ òåë; ñòàëî ÿñíî, ÷òî Ñîëíöå — òîëüêî îäíà èç çâåçä â áåñêîíå÷íîé çâåçäíîé Âñåëåííîé. Äàëüíåéøåå ðàçâèòèå àñòðîíîìèè øëî ïî ïóòè íàêîïëåíèÿ íîâûõ ôàêòîâ è ïîèñêà âàðèàíòîâ èõ îáúÿñíåíèÿ. Çàäà÷åé ñîâðåìåííîé àñòðîíîìèè ÿâëÿåòñÿ íå òîëüêî îáúÿñíåíèå äàííûõ àñòðîíîìè÷åñêèõ íàáëþäåíèé, íî è èçó÷åíèå ýâîëþöèè Âñåëåííîé (îò ëàò. evolution — ðàçâåðòûâàíèå, ðàçâèòèå). Ýòè âîïðîñû ðàñ-


125

ñìàòðèâàåò êîñìîëîãèÿ — íàèáîëåå èíòåíñèâíî ðàçâèâàþùàÿñÿ îáëàñòü àñòðîíîìèè. Èçó÷åíèå ýâîëþöèè Âñåëåííîé îñíîâàíî íà ñëåäóþùåì: u u u

óíèâåðñàëüíûå ôèçè÷åñêèå çàêîíû ñ÷èòàþòñÿ äåéñòâóþùèìè âî âñåé Âñåëåííîé; âûâîäû èç ðåçóëüòàòîâ àñòðîíîìè÷åñêèõ íàáëþäåíèé ïðèçíàþòñÿ ðàñïðîñòðàíèìûìè íà âñþ Âñåëåííóþ; èñòèííûìè ïðèçíàþòñÿ òîëüêî òå âûâîäû, êîòîðûå íå ïðîòèâîðå÷àò âîçìîæíîñòè ñóùåñòâîâàíèÿ ñàìîãî íàáëþäàòåëÿ, òî åñòü ÷åëîâåêà (àíòðîïíûé ïðèíöèï).

Ïðè èçó÷åíèè Âñåëåííîé íåâîçìîæíî ïðîâåñòè ýìïèðè÷åñêóþ ïðîâåðêó ðåçóëüòàòîâ èññëåäîâàíèÿ, ïîýòîìó âûâîäû êîñìîëîãèè íàçûâàþò íå çàêîíàìè, à ìîäåëÿìè ïðîèñõîæäåíèÿ è ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé.

} Ìîäåëü (îò ëàò. modulus — îáðàçåö, íîðìà) — ýòî ñõåìà îïðåäåëåííîãî ôðàãìåíòà ïðèðîäíîé èëè ñîöèàëüíîé ðåàëüíîñòè (îðèãèíàëà), âîçìîæíûé âàðèàíò åãî îáúÿñíåíèÿ. Â ïðîöåññå ðàçâèòèÿ íàóêè ñòàðàÿ ìîäåëü çàìåíÿåòñÿ íîâîé ìîäåëüþ.

Â îñíîâå ñîâðåìåííîé êîñìîëîãèè ëåæèò ýâîëþöèîííûé ïîäõîä ê âîïðîñàì âîçíèêíîâåíèÿ è ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé, â ñîîòâåòñòâèè ñ êîòîðûì ðàçðàáîòàíà ìîäåëü ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé. Êëþ÷åâîé ïðåäïîñûëêîé ñîçäàíèÿ ìîäåëè ýâîëþöèîíèðóþùåé ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé ïîñëóæèëà îáùàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè À. Ýéíøòåéíà (ñì. ãëàâó 3). Îáúåêòîì òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè âûñòóïàþò ôèçè÷åñêèå ñîáûòèÿ. Ôèçè÷åñêèå ñîáûòèÿ õàðàêòåðèçóþò ïîíÿòèÿ ïðîñòðàíñòâà, âðåìåíè, ìàòåðèè, äâèæåíèÿ, êîòîðûå â òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ðàññìàòðèâàþòñÿ â åäèíñòâå. Èñõîäÿ èç åäèíñòâà ìàòåðèè, ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè ñëåäóåò, ÷òî ñ èñ÷åçíîâåíèåì ìàòåðèè èñ÷åçëè áû è ïðîñòðàíñòâî, è âðåìÿ. Òàêèì îáðàçîì, äî îáðàçîâàíèÿ Âñåëåííîé íå áûëî íè ïðîñòðàíñòâà, íè âðåìåíè. Ýéíøòåéí âûâåë ôóíäàìåíòàëüíûå óðàâíåíèÿ, ñâÿçûâàþùèå ðàñïðåäåëåíèå ìàòåðèè ñ ãåîìåòðè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè ïðîñòðàíñòâà, ñ õîäîì âðåìåíè è íà èõ îñíîâå â 1917 ã. ðàçðàáîòàë ñòàòèñòè÷åñêóþ ìîäåëü Âñåëåííîé. Ñîãëàñíî ýòîé ìîäåëè, Âñåëåííàÿ îáëàäàåò ñëåäóþùèìè ñâîéñòâàìè: u u

îäíîðîäíîñòüþ, òî åñòü èìååò îäèíàêîâûå ñâîéñòâà âî âñåõ òî÷êàõ; èçîòðîïíîñòüþ, òî åñòü èìååò îäèíàêîâûå ñâîéñòâà ïî âñåì íàïðàâëåíèÿì.

126 Ãëàâà 6. Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà Èç òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè ñëåäóåò, ÷òî èñêðèâëåííîå ïðîñòðàíñòâî íå ìîæåò áûòü ñòàöèîíàðíûì: îíî äîëæíî èëè ðàñøèðÿòüñÿ, èëè ñóæàòüñÿ. Òàêèì îáðàçîì, Âñåëåííàÿ îáëàäàåò åùå îäíèì ñâîéñòâîì — íåñòàöèîíàðíîñòüþ. Âïåðâûå âûâîä î íåñòàöèîíàðíîñòè Âñåëåííîé ñäåëàë À. À. Ôðèäìàí, ðîññèéñêèé ôèçèê è ìàòåìàòèê, â 1922 ã. Â 1929 ã. àìåðèêàíñêèé àñòðîíîì Ýäâèí Õàááë îòêðûë òàê íàçûâàåìîå êðàñíîå ñìåùåíèå.

} Êðàñíîå ñìåùåíèå — ýòî ïîíèæåíèå ÷àñòîò ýëåêòðîìàãíèòíîãî

èçëó÷åíèÿ: â âèäèìîé ÷àñòè ñïåêòðà ëèíèè ñìåùàþòñÿ ê åãî êðàñíîìó êîíöó.

Ñóùíîñòü ýòîãî ÿâëåíèÿ çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì: ïðè óäàëåíèè îò íàñ êàêîãî-ëèáî èñòî÷íèêà êîëåáàíèé âîñïðèíèìàåìàÿ íàìè ÷àñòîòà êîëåáàíèé óìåíüøàåòñÿ, à äëèíà âîëíû, ñîîòâåòñòâåííî, óâåëè÷èâàåòñÿ, ïîýòîìó ïðè èçëó÷åíèè ïðîèñõîäèò «ïîêðàñíåíèå», òî åñòü ëèíèè ñïåêòðà ñäâèãàþòñÿ â ñòîðîíó áîëåå äëèííûõ êðàñíûõ âîëí. Ý. Õàááë èññëåäîâàë ñïåêòðû äàëüíèõ ãàëàêòèê è óñòàíîâèë, ÷òî èõ ñïåêòðàëüíûå ëèíèè ñìåùåíû â ñòîðîíó êðàñíûõ ëèíèé, ÷òî îçíà÷àåò «ðàçáåãàíèå» ãàëàêòèê. Ïîñëåäóþùèå èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè: ãàëàêòèêè ñ áîëüøîé ñêîðîñòüþ óäàëÿþòñÿ íå òîëüêî îò íàáëþäàòåëÿ, íî è äðóã îò äðóãà. Ïðè ýòîì ñêîðîñòü «ðàçáåãàíèÿ» ãàëàêòèê, èñ÷èñëÿåìàÿ äåñÿòêàìè òûñÿ÷ êèëîìåòðîâ â ñåêóíäó, ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà ðàññòîÿíèþ ìåæäó íèìè. Òàê áûë óñòàíîâëåí ôàêò ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé. Íà îñíîâå ðåçóëüòàòîâ ïðîâåäåííûõ èññëåäîâàíèé Ý. Õàááë ñôîðìóëèðîâàë âàæíûé äëÿ êîñìîëîãèè çàêîí (çàêîí Õàááëà):

} ×åì äàëüøå ãàëàêòèêè îòñòîÿò äðóã îò äðóãà, òåì ñ áîëüøåé ñêîðîñòüþ îíè óäàëÿþòñÿ äðóã îò äðóãà.

Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî Âñåëåííàÿ íåñòàöèîíàðíà: îíà íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè ïîñòîÿííîãî ðàñøèðåíèÿ. Èç ïîëîæåíèÿ î òîì, ÷òî Âñåëåííàÿ â íàñòîÿùåå âðåìÿ íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè ðàñøèðåíèÿ, ó÷åíûå, îïåðèðóÿ ìàòåìàòè÷åñêèìè ìîäåëÿìè, ïðèøëè ê çàêëþ÷åíèþ, ÷òî êîãäà-òî, â äàëåêîì ïðîøëîì, îíà äîëæíà áûëà íàõîäèòüñÿ â ñæàòîì ñîñòîÿíèè. Ðàñ÷åòû ïîêàçàëè, ÷òî 13–15 ìëðä ëåò íàçàä ìàòåðèÿ íàøåé Âñåëåííîé áûëà ñêîíöåíòðèðîâàíà â íåîáû÷àéíî ìàëîì îáúåìå, îêîëî 10–33 ñì3, è èìåëà îãðîìíóþ ïëîòíîñòü — 1093 ã/ñì3 ïðè òåìïåðàòóðå 1027 Ê. Ñëåäîâàòåëüíî, íà÷àëüíîå ñîñòîÿíèå Âñåëåííîé — òàê íàçûâàåìàÿ «ñèíãóëÿðíàÿ òî÷êà» —


127

õàðàêòåðèçóåòñÿ ïðàêòè÷åñêè áåñêîíå÷íûìè ïëîòíîñòüþ è êðèâèçíîé ïðîñòðàíñòâà, ñâåðõâûñîêîé òåìïåðàòóðîé. Ïîëàãàþò, ÷òî íàáëþäàåìàÿ ñåé÷àñ Âñåëåííàÿ âîçíèêëà áëàãîäàðÿ ãèãàíòñêîìó âçðûâó ýòîé èñõîäíîé êîñìè÷åñêîé ìàòåðèè — Áîëüøîìó âçðûâó Âñåëåííîé. Ïðåäñòàâëåíèå î Áîëüøîì âçðûâå ÿâëÿåòñÿ ñîñòàâíîé ÷àñòüþ ìîäåëè ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé. Êîíöåïöèÿ Áîëüøîãî âçðûâà, ëîãè÷íî îáúÿñíÿÿ ìíîãèå ìîìåíòû ýâîëþöèè Âñåëåííîé, íå îòâå÷àåò íà âîïðîñ, èç ÷åãî æå îíà âîçíèêëà. Ýòó çàäà÷ó ðåøàåò òåîðèÿ èíôëÿöèè. Òåîðèÿ èíôëÿöèè, èëè òåîðèÿ ðàçäóâàþùåéñÿ Âñåëåííîé, âîçíèêëà íå â ïðîòèâîâåñ, à â äîïîëíåíèå è ðàçâèòèå êîíöåïöèè Áîëüøîãî âçðûâà. Êàê ñëåäóåò èç ýòîé òåîðèè, Âñåëåííàÿ âîçíèêëà èç íè÷åãî. «Íè÷åãî» â íàó÷íîé òåðìèíîëîãèè íàçûâàåòñÿ âàêóóìîì. Â ñîîòâåòñòâèè ñ ñîâðåìåííûìè íàó÷íûìè ïðåäñòàâëåíèÿìè â âàêóóìå îòñóòñòâóþò ôèçè÷åñêèå ÷àñòèöû, ïîëÿ è âîëíû. Îäíàêî â íåì èìåþòñÿ âèðòóàëüíûå ÷àñòèöû, êîòîðûå ðîæäàþòñÿ çà ñ÷åò ýíåðãèè âàêóóìà è òóò æå èñ÷åçàþò. Êîãäà âàêóóì ïî êàêîé-òî ïðè÷èíå â íåêîòîðîé òî÷êå âîçáóäèëñÿ è âûøåë èç ñîñòîÿíèÿ ðàâíîâåñèÿ, òî âèðòóàëüíûå ÷àñòèöû ñòàëè çàõâàòûâàòü ýíåðãèþ áåç îòäà÷è è ïðåâðàùàòüñÿ â ðåàëüíûå ÷àñòèöû. Ýòîò ïåðèîä çàðîæäåíèÿ Âñåëåííîé è íàçûâàþò ôàçîé ðàçäóâàíèÿ (èëè èíôëÿöèè). Â ôàçå èíôëÿöèè ïðîñòðàíñòâî íàøåé Âñåëåííîé óâåëè÷èâàåòñÿ îò ìèëëèàðäíîé äîëè ðàçìåðà ïðîòîíà äî íåñêîëüêèõ ñàíòèìåòðîâ. Òàêîå ðàñøèðåíèå â 1050 ðàç áîëüøå, ÷åì ïðåäïîëàãàëîñü â êîíöåïöèè Áîëüøîãî âçðûâà. Ê êîíöó ôàçû ðàçäóâàíèÿ Âñåëåííîé îáðàçîâàëîñü îãðîìíîå ìíîæåñòâî ðåàëüíûõ ÷àñòèö âìåñòå ñî ñâÿçàííîé èìè ýíåðãèåé. Ïðè ðàçðóøåíèè âîçáóæäåííîãî âàêóóìà âûñâîáîäèëàñü ãèãàíòñêàÿ ýíåðãèÿ èçëó÷åíèÿ, à íåêàÿ ñóïåðñèëà ñæàëà ÷àñòèöû â ñâåðõïëîòíóþ ìàòåðèþ. Èç-çà íåîáû÷àéíî âûñîêîé òåìïåðàòóðû è îãðîìíîãî äàâëåíèÿ Âñåëåííàÿ ïðîäîëæàëà ðàçäóâàíèå, íî òåïåðü óæå ñ óñêîðåíèåì. Â èòîãå ñâåðõïëîòíàÿ è ñâåðõãîðÿ÷àÿ ìàòåðèÿ âçîðâàëàñü. Â ìîìåíò Áîëüøîãî âçðûâà òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ ïðåâðàùàåòñÿ â ìåõàíè÷åñêóþ è ãðàâèòàöèîííóþ ýíåðãèè ìàññ. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî Âñåëåííàÿ ðîæäàåòñÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíîì ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè. Òàêèì îáðàçîì, îñíîâíàÿ èäåÿ òåîðèè èíôëÿöèè ñîñòîèò â òîì, ÷òî Âñåëåííàÿ íà ðàííèõ ñòàäèÿõ ñâîåãî âîçíèêíîâåíèÿ èìåëà íåóñòîé÷èâîå âàêóóìîïîäîáíîå ñîñòîÿíèå ñ áîëüøîé ïëîòíîñòüþ ýíåðãèè. Ýòà ýíåðãèÿ, êàê è èñõîäíàÿ ìàòåðèÿ, âîçíèêëà èç êâàíòîâîãî âàêóóìà, òî åñòü èç íè÷åãî. Îáúÿñíÿÿ ïðîèñõîæäåíèå Âñåëåííîé èç âîçáóæäåííîãî âàêóóìà, òåîðèÿ èíôëÿöèè ïûòàåòñÿ ðåøèòü îäíó èç îñíîâíûõ ïðî-

128 Ãëàâà 6. Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà áëåì ìèðîçäàíèÿ — ïðîáëåìó âîçíèêíîâåíèÿ âñåãî (Âñåëåííîé) èç íè÷åãî (èç âàêóóìà). Â ñåðåäèíå ÕÕ â. ôîðìóëèðóåòñÿ êîíöåïöèÿ ãîðÿ÷åé Âñåëåííîé. Ñîãëàñíî äàííîé êîíöåïöèè, íà ðàííèõ ýòàïàõ ðàñøèðåíèÿ, âñêîðå ïîñëå Áîëüøîãî âçðûâà, Âñåëåííàÿ áûëà î÷åíü ãîðÿ÷åé: èçëó÷åíèå äîìèíèðîâàëî íàä âåùåñòâîì. Ïðè ðàñøèðåíèè òåìïåðàòóðà ïàäàëà, è ñ íåêîòîðîãî ìîìåíòà ïðîñòðàíñòâî ñòàëî äëÿ èçëó÷åíèÿ ïðàêòè÷åñêè ïðîçðà÷íûì. Èçëó÷åíèå, ñîõðàíèâøååñÿ ñ íà÷àëüíûõ ìîìåíòîâ ýâîëþöèè (ðåëèêòîâîå èçëó÷åíèå), ðàâíîìåðíî çàïîëíÿåò âñþ Âñåëåííóþ äî ñèõ ïîð. Âñëåäñòâèå ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé òåìïåðàòóðà ýòîãî èçëó÷åíèÿ ïðîäîëæàåò ïàäàòü. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ îíà ñîñòàâëÿåò 2,7 Ê1. Îòêðûòèå ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ â 1965 ã. ÿâèëîñü íàáëþäàòåëüíûì îáîñíîâàíèåì êîíöåïöèè ãîðÿ÷åé Âñåëåííîé. Áûëî âûÿâëåíî ôóíäàìåíòàëüíîå ñâîéñòâî Âñåëåííîé — îíà ãîðÿ÷àÿ. Òàêèì îáðàçîì, â ñîîòâåòñòâèè ñ ìîäåëüþ, ðàçðàáîòàííîé íà îñíîâå òåîðèè îòíîñèòåëüíîñòè, ðàñøèðÿþùàÿñÿ Âñåëåííàÿ — îäíîðîäíàÿ, èçîòðîïíàÿ, íåñòàöèîíàðíàÿ è ãîðÿ÷àÿ. Óáåäèòåëüíûìè àðãóìåíòàìè, ïîäòâåðæäàþùèìè îáîñíîâàííîñòü êîñìîëîãè÷åñêîé ìîäåëè ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé, ÿâëÿþòñÿ óñòàíîâëåííûå ôàêòû. Ê ÷èñëó òàêèõ ôàêòîâ îòíîñÿòñÿ ñëåäóþùèå: u u u

ðàñøèðåíèå Âñåëåííîé â ñîîòâåòñòâèè ñ çàêîíîì Õàááëà; îäíîðîäíîñòü ñâåòÿùåéñÿ ìàòåðèè íà ðàññòîÿíèÿõ ïîðÿäêà 100 Ìïê; ñóùåñòâîâàíèå ðåëèêòîâîãî ôîíà èçëó÷åíèÿ ñ òåïëîâûì ñïåêòðîì, ñîîòâåòñòâóþùèì òåìïåðàòóðå 2,7 Ê.

Âîçðàñò Âñåëåííîé, ñîãëàñíî ñîâðåìåííîé êîñìîëîãè÷åñêîé êîíöåïöèè åå ïðîèñõîæäåíèÿ è ðàçâèòèÿ, èñ÷èñëÿåòñÿ ñ íà÷àëà ðàñøèðåíèÿ è îöåíèâàåòñÿ â 13–15 ìëðä ëåò. Ñîâðåìåííàÿ àñòðîíîìèÿ èíòåíñèâíî ðàçâèâàåòñÿ: îòêðûòû íîâûå êîñìè÷åñêèå îáúåêòû, óñòàíîâëåíû ðàíåå íåèçâåñòíûå ôàêòû. Ê ÷èñëó ñðàâíèòåëüíî íåäàâíî îòêðûòûõ êîñìè÷åñêèõ îáúåêòîâ îòíîñÿòñÿ êâàçàðû, íåéòðîííûå çâåçäû, ÷åðíûå äûðû. Êâàçàðû — ìîùíûå èñòî÷íèêè êîñìè÷åñêîãî ðàäèîèçëó÷åíèÿ, êîòîðûå, êàê ïðåäïîëàãàþò, ÿâëÿþòñÿ ñàìûìè ÿðêèìè è äàëåêèìè èç èçâåñòíûõ ñåé÷àñ íåáåñíûõ îáúåêòîâ. 1

Ê — êåëüâèí, åäèíèöà èçìåðåíèÿ òåìïåðàòóðû. Ñîîòíîøåíèå ìåæäó òåìïåðàòóðîé â êåëüâèíàõ (Ò) è òåìïåðàòóðîé, âûðàæåííîé â ãðàäóñàõ Öåëüñèÿ (t°), ñëåäóþùåå: Ò = t° + 273,15.

6.2. Ãàëàêòèêè

129

Íåéòðîííûå çâåçäû — ïðåäïîëàãàåìûå çâåçäû, ñîñòîÿùèå èç íåéòðîíîâ, îáðàçóþùèåñÿ, âåðîÿòíî, â ðåçóëüòàòå âñïûøåê ñâåðõíîâûõ çâåçä. ×åðíûå äûðû (èëè «çàñòûâøèå çâåçäû», «ãðàâèòàöèîííûå ìîãèëû») — îáúåêòû, â êîòîðûå, êàê ïðåäïîëàãàþò, ïðåâðàùàþòñÿ çâåçäû íà çàêëþ÷èòåëüíîé ñòàäèè ñâîåãî ñóùåñòâîâàíèÿ. Ïðîñòðàíñòâî ÷åðíîé äûðû êàê áû âûðâàíî èç ïðîñòðàíñòâà ìåòàãàëàêòèêè: âåùåñòâî è èçëó÷åíèå «ïðîâàëèâàþòñÿ» â íåå è íå ìîãóò «âûéòè» îáðàòíî. Èññëåäîâàíèå ïðåäåëüíî äàëåêèõ ãàëàêòèê ïðèâåëî ê íåîæèäàííîìó îòêðûòèþ, âûçâàâøåìó êàðäèíàëüíûé ïåðåñìîòð ïðåäñòàâëåíèé î äèíàìèêå ðàñøèðåíèÿ Âñåëåííîé è î ðîëè â íåé îáû÷íîé ìàòåðèè. Áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî â íàñòîÿùåå âðåìÿ Âñåëåííàÿ ðàñøèðÿåòñÿ óñêîðåííî. Àãåíò, âûçâàâøèé ýòî óñêîðåíèå, ïîëó÷èë íàçâàíèå òåìíîé ýíåðãèè. Ïðèðîäà òåìíîé ýíåðãèè ïîêà íåèçâåñòíà. Âíîâü óñòàíîâëåííûå ôàêòû èçó÷àþòñÿ ñ ïîçèöèé ýâîëþöèîííîãî ïîäõîäà ê ðåøåíèþ âîïðîñîâ î ïðîèñõîæäåíèè è ðàçâèòèè Âñåëåííîé, ñîãëàñíî êîòîðîìó Âñåëåííàÿ âûñòóïàåò êàê ðåçóëüòàò äèôôåðåíöèàöèè è óñëîæíåíèÿ ôîðì îðãàíèçàöèè ìàòåðèè.


Âñåëåííàÿ îáðàçîâàíà îãðîìíûì êîëè÷åñòâîì ãàëàêòèê. Ãàëàêòèêà (îò ãðå÷. galaktikos — ìîëî÷íûé, ìëå÷íûé) — çâåçäíàÿ ñèñòåìà, â ñâîþ î÷åðåäü îáðàçîâàííàÿ çâåçäàìè ðàçëè÷íûõ òèïîâ, çâåçäíûìè ñêîïëåíèÿìè. Ïîìèìî çâåçä â ñîñòàâ ãàëàêòèê ìîãóò âõîäèòü ãàçîâûå, ïûëåâûå òóìàííîñòè è äð. Ðàçíûì ãàëàêòèêàì ñîîòâåòñòâóþò ðàçëè÷íûå, íî âïîëíå îïðåäåëåííûå ýëåìåíòû. Ñîñòàâ ãàëàêòèê çàâèñèò îò åå âîçðàñòà è óñëîâèé ðàçâèòèÿ. Ïîëàãàþò, ÷òî ñðåäíåå ðàññòîÿíèå ìåæäó ãàëàêòèêàìè 2 ìëí ñâåòîâûõ ëåò, à òèïè÷íàÿ ñêîðîñòü äâèæåíèÿ ãàëàêòèê — îêîëî 1000 êì/ñ. Ñîãëàñíî ðàñ÷åòàì, äëÿ ïðîõîæäåíèÿ ðàññòîÿíèÿ äî áëèæàéøåé ãàëàêòèêè-ñîñåäêè òðåáóåòñÿ îêîëî 1 ìëðä ëåò, è âîçìîæíîñòü ñòîëêíîâåíèÿ ëþáîé ãàëàêòèêè ñ ñåáå ïîäîáíîé ãàëàêòèêîé íå èñêëþ÷åíà. Ãàëàêòèê — ìèëëèàðäû, è â êàæäîé èç íèõ íàñ÷èòûâàþòñÿ ìèëëèàðäû çâåçä. Ïðåäïîëîæåíèÿ î ìíîæåñòâåííîñòè ãàëàêòèê âûñêàçûâàëèñü åùå â ñåðåäèíå VIII â., íî äîêàçàòåëüñòâà èõ ñóùåñòâîâàíèÿ ïîÿâèëèñü òîëüêî â ïåðâîé ÷åòâåðòè XX â. Ãàëàêòèêè îáðàçóþò ìåòàãàëàêòèêó (Âñåëåííóþ), ðàçìåðû êîòîðîé îöåíèâàþòñÿ â 15–20 ìëðä ñâåòîâûõ ëåò, à âîçðàñò — â 13–15 ìëðä ëåò. Íåêîòîðûå ãàëàêòèêè èçëó÷àþò ðà-

130 Ãëàâà 6. Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà äèîâîëíû ñ ïîòðÿñàþùåé ìîùíîñòüþ. Ïðåäïîëàãàþò, ÷òî â íèõ ñóùåñòâóåò ìàãíèòíîå ïîëå, òîðìîçÿùåå äâèæåíèå íàõîäÿùèõñÿ òàì ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, à ýòî âûçûâàåò ðàäèîèçëó÷åíèå. Â 60-õ ãã. ÕÕ â. áûëè îòêðûòû êâàçàðû — êâàçèçâåçäíûå ðàäèîèñòî÷íèêè — ñàìûå ìîùíûå èñòî÷íèêè ðàäèîèçëó÷åíèÿ âî Âñåëåííîé ñî ñâåòèìîñòüþ â ñîòíè ðàç áîëüøåé ñâåòèìîñòè ãàëàêòèê è ðàçìåðàìè â äåñÿòêè ðàç ìåíüøèìè èõ. Ïðèðîäà êâàçàðîâ ïîêà íåÿñíà. Âîçìîæíî, êâàçàðû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ÿäðà íîâûõ ãàëàêòèê, à çíà÷èò, ïðîöåññ îáðàçîâàíèÿ ãàëàêòèê ïðîäîëæàåòñÿ è ïîíûíå. Ãàëàêòèêè èìåþò ñâîé öåíòð (ÿäðî), îíè ðàçëè÷àþòñÿ ïî ôîðìå, â ñîîòâåòñòâèè ñ êîòîðîé èõ êëàññèôèöèðóþò êàê ñïèðàëüíûå, ýëëèïòè÷åñêèå, øàðîâûå, íåïðàâèëüíûå. Âñëåäñòâèå óäàëåííîñòè ãàëàêòèê ñâåò îò âõîäÿùèõ â íèõ ìèëëèàðäîâ çâåçä ñëèâàåòñÿ, ñîçäàâàÿ âïå÷àòëåíèå ñâåòÿùåãîñÿ òóìàííîãî âåùåñòâà, ïîýòîìó ãàëàêòèêè ïîëó÷èëè íàçâàíèå òóìàííîñòåé. Áëèæàéøàÿ ê íàì áîëüøàÿ ãàëàêòèêà — íàáëþäàåìàÿ â ñîçâåçäèè Àíäðîìåäû òóìàííîñòü — Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû. Ýòî ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà, íàõîäÿùàÿñÿ îò íà íàñ ðàññòîÿíèè îêîëî 2 ìëí ñâåòîâûõ ëåò. Îíà áûëà îòêðûòà â 1917 ã. êàê ïåðâûé âíåãàëàêòè÷åñêèé îáúåêò. Â 1923 ã. ïóòåì ñïåêòðàëüíîãî àíàëèçà â ýòîì îáúåêòå áûëè îáíàðóæåíû çâåçäû è òàêèì îáðàçîì äîêàçàíà åãî ïðèíàäëåæíîñòü ê äðóãîé ãàëàêòèêå. Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû èìååò ñïóòíèêè ýëëèïòè÷åñêîé èëè øàðîâèäíîé ôîðìû — áîëåå ìåëêèå ãàëàêòèêè. Åùå îäíà ñïèðàëüíàÿ ãàëàêòèêà íàõîäèòñÿ â ñîçâåçäèè Òðåóãîëüíèêà. Ïî ðàçìåðàì îíà ìåíüøå Òóìàííîñòè Àíäðîìåäû è íå èìååò ñïóòíèêîâ. Ãàëàêòèêè îáðàçóþò ãðóïïû ãàëàêòèê. Òàêèõ ãðóïï âî Âñåëåííîé ìíîæåñòâî, îíè ìîãóò áûòü ìàëûìè è áîëüøèìè. Òàê, îãðîìíîå îáëàêî, íàáëþäàåìîå â ñîçâåçäèè Äåâû, ñîñòîèò èç ñîòåí ãàëàêòèê. Â ñîñòàâ îäíîé èç ãðóïï — Ìåñòíîãî ñêîïëåíèÿ — âõîäÿò ñïèðàëüíûå ãàëàêòèêè âìåñòå ñî ñâîèìè ñïóòíèêàìè: Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû, ãàëàêòèêà â ñîçâåçäèè Òðåóãîëüíèêà è íàøà Ãàëàêòèêà. Íàøà Ãàëàêòèêà — ýòî çâåçäíàÿ ñèñòåìà, â êîòîðóþ âõîäÿò âñå çâåçäû, âèäèìûå â ñîçâåçäèÿõ, è âñå çâåçäû Ìëå÷íîãî Ïóòè, à òàêæå ãàçîâûå è ïûëåâûå òóìàííîñòè. Ïûëåâûå òóìàííîñòè — îáëàêà â ìåæçâåçäíîì ïðîñòðàíñòâå, îáðàçîâàííûå î÷åíü ìåëêîé êîñìè÷åñêîé ïûëüþ. Êîñìè÷åñêàÿ ïûëü ïðåïÿòñòâóåò ïðîõîæäåíèþ ñâåòà îò çâåçä, ïîãëîùàÿ åãî. Â áîëüøåé ñòåïåíè ïîãëîùàåòñÿ êîðîòêîâîëíîâàÿ, ñèíåçåëåíàÿ ÷àñòü ñïåêòðà, ïîýòîìó ñâåò çâåçä ñòàíîâèòñÿ áîëåå æåëòîâàòûì è äàæå êðàñíîâàòûì. Êîñìè÷åñêàÿ ïûëü ÿâëÿåòñÿ ñóùåñòâåííîé


131

ïîìåõîé äëÿ èññëåäîâàíèé, ïîñêîëüêó îíà èñêàæàåò ñâåò çâåçä, îñëàáëÿåò èõ áëåñê, à áîëåå äàëåêèå èç íèõ äåëàåò ñîâñåì íåâèäèìûìè. Ïîëàãàþò, ÷òî â ìàëîé äîëå êîñìè÷åñêàÿ ïûëü îáðàçóåòñÿ îò ñòîëêíîâåíèÿ è ðàçðóøåíèÿ ìåëêèõ òâåðäûõ òåë, íî â ñâîåé îñíîâíîé ìàññå îíà âîçíèêàåò, âåðîÿòíî, âñëåäñòâèå ñãóùåíèÿ ìåæçâåçäíîãî ãàçà. Ìåæçâåçäíûé ãàç áûë îáíàðóæåí ïî ëèíèÿì ïîãëîùåíèÿ â ñïåêòðàõ çâåçä. Â åãî ñîñòàâ âõîäèò ïðåèìóùåñòâåííî âîäîðîä, â ìåíüøåé ñòåïåíè — ãåëèé; ñîäåðæàíèå àçîòà è äðóãèõ ëåãêèõ ãàçîâ íåáîëüøîå. Ìåæçâåçäíûé ãàç â êðàéíå íèçêèõ êîíöåíòðàöèÿõ èìååòñÿ â áîëüøåé ÷àñòè ìåæçâåçäíîãî ïðîñòðàíñòâà, à â îòäåëüíûõ ìåñòàõ îáðàçóåò ñêîïëåíèÿ — ãàçîâûå òóìàííîñòè. Ñ÷èòàþò, ÷òî ãàç â òóìàííîñòÿõ ÷àñòè÷íî ÿâëÿåòñÿ îñòàòêîì òåõ ãàçîâ, èç êîòîðûõ êîãäà-òî âîçíèêëè çâåçäû, à òàêæå âîçíèêàþò è òåïåðü: îí âûáðàñûâàåòñÿ çâåçäàìè. Â ìåñòàõ ñêîïëåíèÿ ãàçà ìîæåò ñîäåðæàòüñÿ çíà÷èòåëüíîå êîëè÷åñòâî êîñìè÷åñêîé ïûëè — ýòî ãàçîâî-ïûëåâûå òóìàííîñòè. Ãàçîâûå è ãàçîâîïûëåâûå òóìàííîñòè áëàãîäàðÿ èõ ñâå÷åíèþ èçó÷àþò ñ ïîìîùüþ àñòðîíîìè÷åñêèõ ïðèáîðîâ. Ñâå÷åíèå ãàçîâ â êðóïíûõ ãàçîâûõ òóìàííîñòÿõ ìîæíî íàáëþäàòü ïîòîìó, ÷òî òîëùèíà èõ îãðîìíà, à îáùàÿ ìàññà ñîñòàâëÿåò îò íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ äî ñîòåí òûñÿ÷ ìàññ Ñîëíöà. Ãàçîâûå òóìàííîñòè áûâàþò ðàçíûõ ðàçìåðîâ è ðàçëè÷íîé, ÷àùå íåïðàâèëüíîé, ôîðìû. Òóìàííîñòè ïðàâèëüíîé, îêðóãëîé ôîðìû — íåáîëüøèå. Èõ íàçûâàþò ïëàíåòàðíûìè. Â îòëè÷èå îò êðóïíûõ ãàçîâûõ òóìàííîñòåé ìàññà ïëàíåòàðíûõ òóìàííîñòåé î÷åíü ìàëà: îíà ñîñòàâëÿåò äåñÿòûå è äàæå ñîòûå äîëè ìàññû Ñîëíöà. Â öåíòðå êàæäîé òàêîé òóìàííîñòè èìååòñÿ ÿäðî — íåáîëüøàÿ çâåçäî÷êà. Ïîëàãàþò, ÷òî ýòî ñàìûå ãîðÿ÷èå èç çâåçä, ïîñêîëüêó èõ èçëó÷åíèå çàñòàâëÿåò ñâåòèòüñÿ ïëàíåòàðíóþ òóìàííîñòü. Ïëàíåòàðíûå òóìàííîñòè îáðàçóþòñÿ èç ãàçîâ, âûäåëÿåìûõ çâåçäîé. Îíè íåäîëãîâå÷íû, ïîñêîëüêó ìåäëåííî, ñî ñêîðîñòüþ íåñêîëüêèõ êèëîìåòðîâ â ñåêóíäó, ðàñøèðÿþòñÿ â ïðîñòðàíñòâå è ñî âðåìåíåì ðàññåèâàþòñÿ. Ñîãëàñíî ðàñ÷åòàì, ïëàíåòàðíûå ãàçîâûå òóìàííîñòè ìîãóò áûòü âèäèìûìè îêîëî 10 òûñ. ëåò. Äâå òóìàííîñòè, íàáëþäàåìûå â þæíîì ïîëóøàðèè íåáà, ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ãàëàêòèêè íåïðàâèëüíîé ôîðìû. Ýòî Áîëüøîå è Ìàëîå Ìàãåëëàíîâû Îáëàêà — ñïóòíèêè íàøåé Ãàëàêòèêè. Ðàññòîÿíèå äî íèõ îöåíèâàåòñÿ â 120 òûñ. ñâåòîâûõ ëåò, à ðàçìåðû ýòèõ ãàëàêòèê ñîñòàâëÿþò 26 è 17 òûñ. ñâåòîâûõ ëåò. Ïî äàííûì èññëåäîâàíèé, îíè ñîñòîÿò èç çâåçä âñåâîçìîæíûõ òèïîâ, à òàêæå èç ãàçîâûõ è ïûëåâûõ òóìàííîñòåé. Â íèõ åñòü ðàññåÿííûå è øàðîâûå çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ. Íàøà Ãà-

132 Ãëàâà 6. Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà ëàêòèêà ïî ôîðìå î÷åíü ïîõîæà íà Òóìàííîñòü Àíäðîìåäû, îáå èìåþò ñïóòíèêè. Ïî ðàçìåðàì íàøà Ãàëàêòèêà íåñêîëüêî ìåíüøå. Íàøà Ãàëàêòèêà íàçûâàåòñÿ Ìëå÷íûé Ïóòü. Ìëå÷íûé Ïóòü îïîÿñûâàåò âñå íåáî êàê ãèãàíòñêàÿ ñâåòÿùàÿñÿ ëåíòà. Ýòî äîâîëüíî áîëüøàÿ ãàëàêòèêà, èìåþùàÿ äèàìåòð îêîëî 100 òûñ. ñâåò. ëåò è âêëþ÷àþùàÿ â ñåáÿ áîëåå 100 ìëðä çâåçä, â òîì ÷èñëå Ñîëíöå. Ïîëíàÿ ìàññà Ãàëàêòèêè ðàâíà 150 ìëðä ñîëíå÷íûõ ìàññ. Áîëåå ÿðêèå, áëèçêèå çâåçäû ðàñïîëîæåíû òåì ãóùå, ÷åì îíè áëèæå ê ñðåäíåé ëèíèè Ìëå÷íîãî Ïóòè. Ñðåäíþþ ëèíèþ Ìëå÷íîãî Ïóòè íàçûâàþò ãàëàêòè÷åñêèì ýêâàòîðîì. Ïëîñêîñòü ãàëàêòè÷åñêîãî ýêâàòîðà — ýòî ïëîñêîñòü ñèììåòðèè íàøåé çâåçäíîé ñèñòåìû. Çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ, çâåçäû, ãàçîâûå òóìàííîñòè, îáëàêà êîñìè÷åñêîé ïûëè — 95% ìàññû Ãàëàêòèêè — ñîñðåäîòî÷åíû â îñíîâíîì â ðàéîíå ýòîé ïëîñêîñòè. Òîëüêî øàðîâûå çâåçäíûå ñêîïëåíèÿ è çâåçäû íåêîòîðûõ òèïîâ íå ïîä÷èíÿþòñÿ ýòîìó çàêîíó: îíè çàïîëíÿþò ñôåðè÷åñêèé îáúåì, êîíöåíòðèðóÿñü ñî âñåõ ñòîðîí ê öåíòðó Ãàëàêòèêè. Íà äîëþ ñôåðè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé ïðèõîäèòñÿ îêîëî 5% âåùåñòâà Ãàëàêòèêè. Òàêèì îáðàçîì, áîëüøàÿ ÷àñòü çâåçä íàøåé Ãàëàêòèêè ñîñðåäîòî÷åíà â ãèãàíòñêîì «äèñêå» òîëùèíîé îêîëî 1500 ñâåòîâûõ ëåò. Íàøà Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà íàõîäèòñÿ î÷åíü áëèçêî ê ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè, â êîòîðîé çâåçäû ðàñïîëîæåíû íàèáîëåå òåñíî. Èç-çà îáëàêîâ ïûëè, îñëàáëÿþùèõ ñâåò äàëåêèõ çâåçä, î÷åíü òðóäíî âûÿñíèòü ïîäðîáíîñòè ñòðîåíèÿ Ãàëàêòèêè. Óñòàíîâëåíî, ÷òî Íàøà Ãàëàêòèêà èìååò ñïèðàëüíîå ñòðîåíèå. Èç åå ÿäðà âûõîäÿò äâå (âîçìîæíî, áîëåå) ñïèðàëüíûå âåòâè. Îíè ñîñòîÿò èç çâåçä, ãàçîâûõ è ïûëåâûõ òóìàííîñòåé è çàêðó÷èâàþòñÿ âîêðóã ÿäðà. Ðàñïîëîæåíèå ñïèðàëüíûõ âåòâåé òî÷íî ïîêà íå âûÿñíåíî, íî Ñîëíöå íàõîäèòñÿ ìåæäó íèìè, à ñàìûå ãîðÿ÷èå è ÿðêèå çâåçäû ãðóïïèðóþòñÿ â çâåçäíûõ îáëàêàõ, íåïîñðåäñòâåííî îáðàçóþùèõ ñïèðàëüíûå âåòâè. Ìíîãî íåÿñíîãî ñâÿçàíî ñ ÿäðîì Ãàëàêòèêè. Åãî ëèíåéíûå ðàçìåðû îöåíèâàþò ïðèáëèçèòåëüíî â 4000 ñâåòîâûõ ëåò. ßäðî ÿâëÿåòñÿ èñòî÷íèêîì î÷åíü ìîùíîãî èçëó÷åíèÿ. Îäíàêî íà çâåçäíîì íåáå ÿäðî Ãàëàêòèêè íå âèäíî, ïîñêîëüêó çàñëîíåíî îáëàêàìè êîñìè÷åñêîé ïûëè, ÷åðåç êîòîðûå åãî ñâåò íå äîõîäèò äî íàñ. ßäðî ìîæíî íàáëþäàòü, òîëüêî ïðèìåíÿÿ îñîáûå ñïîñîáû ôîòîãðàôèðîâàíèÿ. Âîêðóã ÿäðà Ãàëàêòèêè âñå çâåçäû âðàùàþòñÿ ñ ðàçíîé ñêîðîñòüþ. Ñêîðîñòü äâèæåíèÿ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè — îêîëî 250 êì/ñ. Íà îäèí îáîðîò åé òðåáóåòñÿ ïðèìåðíî 200 ìëí ëåò. Ðàññòîÿíèå îò Ñîëíöà äî öåíòðà Ãàëàêòèêè — îêîëî 30 òûñ. ñâåòîâûõ ëåò, à äî åå êðàÿ — íåñêîëüêî ìåíüøå. ×åì áëèæå ê êðàþ Ãàëàêòèêè, òåì ðàçðåæåííåå çâåçäû.

6.3. Çâåçäû

133

Ñâåò âñåõ äàëåêèõ è ñëàáûõ çâåçä ñëèâàåòñÿ äëÿ íàñ â ñïëîøíîå êîëüöî Ìëå÷íîãî Ïóòè. Ïðåäïîëàãàþò, ÷òî âîêðóã ìíîãèõ çâåçä äîëæíû áûòü ïëàíåòíûå ñèñòåìû. Äàæå åñëè òîëüêî íà òûñÿ÷ó çâåçä ïðèõîäèòñÿ îäíà îáèòàåìàÿ ïëàíåòà, òî è òîãäà âî âñåé Ãàëàêòèêå òàêèõ ïëàíåò äîëæíî áûòü 100 ìèëëèîíîâ.

6.3. Çâåçäû

Çâåçäû — ñàìîñâåòÿùèåñÿ íåáåñíûå òåëà, ñîñòîÿùèå èç ðàñêàëåííûõ ãàçîâ. Ñîëíöå – áëèæàéøàÿ ê íàì çâåçäà. Ðàññòîÿíèå îò Çåìëè äî Ñîëíöà — 8,3 ñâåòîâîé ìèíóòû. Ñîñòàâ çâåçä, à òàêæå èõ òåìïåðàòóðó èññëåäóþò ïîñðåäñòâîì ñïåêòðàëüíîãî àíàëèçà. Ñïåêòðàëüíûé àíàëèç — àñòðîôèçè÷åñêèé ìåòîä, èçó÷àþùèé õèìè÷åñêèé ñîñòàâ ñâåòèë ñ ïîìîùüþ èññëåäîâàíèÿ èõ ñïåêòðîâ. Èçó÷åíèå ñïåêòðîâ çâåçä ïîçâîëèëî ñäåëàòü âûâîä î òîì, ÷òî îíè ñîñòîÿò èç àòîìîâ òåõ æå õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, ÷òî è âñå òåëà íà Çåìëå. Â ñîñòàâå çâåçä ïðåîáëàäàþò âîäîðîä (îêîëî 50% ïî ìàññå) è ãåëèé (îêîëî 40%). Àòîìû îñòàëüíûõ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ âñòðå÷àþòñÿ ïî÷òè â òàêîì æå ñîîòíîøåíèè, êàê è íà Çåìëå. Âåùåñòâî çâåçä ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðàñêàëåííûé ãàç. Ñ ó÷åòîì òîãî, ÷òî ìàññà çâåçä ãîðàçäî áîëüøå ìàññû ïëàíåò, ïîíÿòíî, ÷òî ïîäàâëÿþùåå áîëüøèíñòâî âåùåñòâà Âñåëåííîé íàõîäèòñÿ â ñîñòîÿíèè ðàñêàëåííîãî ãàçà. Ïðè ýòîì î÷åíü ìàëàÿ åãî äîëÿ íàõîäèòñÿ â òâåðäîì è æèäêîì ñîñòîÿíèè, à æèâîå âåùåñòâî, äàæå åñëè ó ìíîãèõ çâåçä èìåþòñÿ îáèòàåìûå ïëàíåòû, ñîñòàâëÿåò íè÷òîæíóþ ÷àñòü. Âíóòðåííåå ñòðîåíèå çâåçä ðàññ÷èòûâàåòñÿ, èñõîäÿ èç ñëåäóþùåãî: ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû — ýëåêòðîíû, ïðîòîíû, ôîòîíû è äð. — îäíè è òå æå è â çâåçäàõ, è íà Çåìëå. Ïîýòîìó ïðè èçó÷åíèè âíóòðåííåãî ñòðîåíèÿ çâåçä ïðèìåíÿþò îáùèå çàêîíû ôèçèêè. Ñîãëàñíî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, çâåçäû ñâåòÿò âñëåäñòâèå òîãî, ÷òî â èõ íåäðàõ ïðîèñõîäÿò ÿäåðíûå ðåàêöèè: âîäîðîä ïðåâðàùàåòñÿ â ãåëèé, â ðåçóëüòàòå ÷åãî è îñâîáîæäàåòñÿ àòîìíàÿ ýíåðãèÿ. Ïîñêîëüêó ñîäåðæàíèå àòîìîâ âîäîðîäà â çâåçäàõ âåëèêî, çà ñ÷åò òàêèõ ïðåîáðàçîâàíèé áîëüøèíñòâî çâåçä ìîæåò èçëó÷àòü ýíåðãèþ. Âñëåäñòâèå ïðîèñõîäÿùèõ àòîìíûõ ïðåâðàùåíèé ïîñòåïåííî ìåíÿåòñÿ èõ õèìè÷åñêèé ñîñòàâ, ÷òî ìîæåò ñëóæèòü óêàçàíèåì íà íàïðàâëåíèÿ çâåçäíîé ýâîëþöèè. Âïå÷àòëåíèå î áåñ÷èñëåííîñòè çâåçä, âèäèìûõ íåâîîðóæåííûì ãëàçîì, îøèáî÷íî. Â áåçëóííóþ íî÷ü â ÿñíóþ ïîãîäó íà íåáå âèäíî âñåãî ëèøü 3000 çâåçä. Ìåðöàíèå çâåçä óñèëèâàåò âïå÷àòëåíèå îá èõ

134 Ãëàâà 6. Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà áåñ÷èñëåííîñòè — îäíè è òå æå çâåçäî÷êè êàæóòñÿ òî ÿð÷å, òî ñëàáåå èç-çà òîãî, ÷òî ìåæäó íèìè è íàìè ïðîòåêàþò ñòðóéêè âîçäóõà ðàçëè÷íîé ïëîòíîñòè. Èçó÷åíèå çâåçä áûëî âûçâàíî ïîòðåáíîñòÿìè ìàòåðèàëüíîé æèçíè îáùåñòâà — íåîáõîäèìîñòüþ îðèåíòèðîâàíèÿ ïðè ïóòåøåñòâèÿõ, ñîçäàíèÿ êàëåíäàðÿ, îïðåäåëåíèÿ òî÷íîãî âðåìåíè. Åùå â ãëóáîêîé äðåâíîñòè çâåçäíîå íåáî áûëî ðàçäåëåíî íà ñîçâåçäèÿ. Ñîçâåçäèÿ — ó÷àñòêè, íà êîòîðûå ðàçäåëÿþò çâåçäíîå íåáî ïî ôèãóðàì, îáðàçóåìûì ÿðêèìè çâåçäàìè. Âñåãî íàñ÷èòûâàåòñÿ 88 ñîçâåçäèé, èìè ïîëüçóþòñÿ äëÿ îðèåíòèðîâêè íà çâåçäíîì íåáå. Ïðèíàäëåæíîñòü çâåçäû ê îäíîìó ñîçâåçäèþ — ýòî èõ âèäèìàÿ, èëè ïåðñïåêòèâíàÿ, áëèçîñòü. Íà ñàìîì äåëå çâåçäû, ïðè÷èñëÿåìûå ê îäíîìó ñîçâåçäèþ, íàõîäÿòñÿ íà ñàìûõ ðàçëè÷íûõ ðàññòîÿíèÿõ îò íàñ. Íàáëþäàåìûå íà íåáå çâåçäû õàðàêòåðèçóþòñÿ ðàçëè÷íûì áëåñêîì, èíòåíñèâíîñòü êîòîðîãî îïðåäåëÿåòñÿ çâåçäíîé âåëè÷èíîé. Çâåçäíàÿ âåëè÷èíà — ïðèíÿòàÿ â àñòðîíîìèè åäèíèöà èçìåðåíèÿ âèäèìîãî áëåñêà çâåçä è äðóãèõ íåáåñíûõ òåë. ×åì ñëàáåå ñâåòèòñÿ çâåçäà, òåì áîëüøå ÷èñëî, îáîçíà÷àþùåå åå çâåçäíóþ âåëè÷èíó. Ñàìûå ÿðêèå íàçâàëè çâåçäàìè ïåðâîé âåëè÷èíû. Ñàìûå ñëàáûå èç âèäèìûõ íåâîîðóæåííûì ãëàçîì îòíîñÿò ê çâåçäàì øåñòîé âåëè÷èíû. Çâåçäû ïåðâîé âåëè÷èíû ÿð÷å çâåçä øåñòîé âåëè÷èíû â 100 ðàç. Â áèíîêëü âèäíû çâåçäû âîñüìîé-äåâÿòîé âåëè÷èí, à â òåëåñêîï — åùå áîëåå ñëàáûå. Çâåçä ïåðâîé âåëè÷èíû íà âñåì íåáå îêîëî 20. Çâåçä âòîðîé âåëè÷èíû, òàêèõ, êàê ãëàâíûå çâåçäû ñîçâåçäèÿ Áîëüøîé Ìåäâåäèöû, — îêîëî 70. Âñåãî âèäèìûõ çâåçä, òî åñòü çâåçä øåñòîé âåëè÷èíû è ÿð÷å, îêîëî 6000. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî íàä ãîðèçîíòîì âèäíà òîëüêî ïîëîâèíà âñåãî íåáà, îäíîâðåìåííî íàáëþäàòü ìîæíî ìàêñèìàëüíî îêîëî 3000 çâåçä (ñì. âûøå). Çâåçäíàÿ âåëè÷èíà íå èìååò ïðÿìîãî îòíîøåíèÿ ê äåéñòâèòåëüíîé èíòåíñèâíîñòè èñïóñêàåìîãî çâåçäîé èçëó÷åíèÿ. Èñòèííàÿ ñèëà ñâåòà çâåçäû õàðàêòåðèçóåòñÿ ñâåòèìîñòüþ. Ñâåòèìîñòü îïðåäåëÿåòñÿ êàê îòíîøåíèå ñèëû ñâåòà çâåçäû ê ñèëå ñâåòà Ñîëíöà. Çíàÿ ðàññòîÿíèå äî çâåçäû è åå âèäèìûé áëåñê ñ Çåìëè, âû÷èñëÿþò, êàêèì áûë áû áëåñê çâåçäû, åñëè áû îíà íàõîäèëàñü íà ðàññòîÿíèè Ñîëíöà. Îòíîøåíèå òàêîãî ïðåäïîëàãàåìîãî áëåñêà çâåçäû ê áëåñêó Ñîëíöà õàðàêòåðèçóåò åå ñâåòèìîñòü. Åñëè ñâåòèìîñòü çâåçäû ðàâíà 5, òî ýòî çíà÷èò, ÷òî îíà â 5 ðàç ÿð÷å Ñîëíöà. Åñëè ñâåòèìîñòü îáîçíà÷àåòñÿ 0,2, òî òàêàÿ çâåçäà â 5 ðàç ñëàáåå Ñîëíöà. Íàèáîëüøåé èçâåñòíîé ñâåòèìîñòüþ, â 400 ðàç áîëüøåé ñâåòèìîñòè Ñîëíöà, îáëàäàåò çâåçäà S èç ñîçâåçäèÿ Çîëîòîé Ðûáû.

6.3. Çâåçäû

135

×èñëî çâåçä áîëüøîé ñâåòèìîñòè ñðåäè çâåçä, âèäèìûõ íåâîîðóæåííûì ãëàçîì, íåïðîïîðöèîíàëüíî âåëèêî, òàê êàê òàêèå çâåçäû âèäíû íà áîëüøèõ ðàññòîÿíèÿõ. Íà ñàìîì äåëå çâåçäû áîëüøîé ñâåòèìîñòè â îêðåñòíîñòÿõ Ñîëíöà âñòðå÷àþòñÿ ãîðàçäî ðåæå, à çâåçäû ñ ìåíüøåé ñâåòèìîñòüþ — ÷àùå. Èç 20 áëèæàéøèõ ê íàì çâåçä òîëüêî 3 âèäíû íåâîîðóæåííûì ãëàçîì, à èç 20 çâåçä, êàæóùèõñÿ íàì ÿðêèìè, òîëüêî 3 âõîäÿò â ÷èñëî áëèæàéøèõ. Îñíîâíîé ìåòîä îïðåäåëåíèÿ ðàññòîÿíèé äî çâåçä ñîñòîèò â èçìåðåíèè èõ âèäèìûõ ñìåùåíèé, âûçûâàåìûõ îáðàùåíèåì Çåìëè âîêðóã Ñîëíöà. Ïî ñìåùåíèþ, âåëè÷èíà êîòîðîãî îáðàòíî ïðîïîðöèîíàëüíà ðàññòîÿíèþ, âû÷èñëÿþò è ñàìî ðàññòîÿíèå. Ãîäè÷íûå ñìåùåíèÿ çâåçä ñîñòàâëÿþò îáû÷íî äîëè ìèêðîíîâ, ðåæå — íåñêîëüêî ìèêðîíîâ. Ðàññòîÿíèå äî çâåçä ìîæåò îïðåäåëÿòüñÿ è äðóãèìè ñïîñîáàìè: íàïðèìåð, èñõîäÿ èç ñâåòèìîñòè çâåçäû è åå áëåñêà. Íàáëþäàåìûå ñ Çåìëè çâåçäû ðàçëè÷íîãî öâåòà: ãîëóáîâàòûå, áåëûå, æåëòûå, îðàíæåâûå è êðàñíûå. Öâåò çâåçä ñîîòâåòñòâóåò òåìïåðàòóðå èõ ïîâåðõíîñòè. Ãîëóáîâàòûå çâåçäû ñàìûå ãîðÿ÷èå — òåìïåðàòóðà íà èõ ïîâåðõíîñòè ñîñòàâëÿåò äåñÿòêè òûñÿ÷ ãðàäóñîâ. Òåìïåðàòóðà áåëûõ çâåçä — ïîðÿäêà 103 Ê, æåëòûõ (êàê íàøå Ñîëíöå) — îêîëî 6000 Ê, à êðàñíûõ — 3000 Ê è íèæå. Ïî íàïðàâëåíèþ ê öåíòðó çâåçäû òåìïåðàòóðà ïîâûøàåòñÿ è â öåíòðå äîñòèãàåò ìèëëèîíîâ è äåñÿòêîâ ìèëëèîíîâ ãðàäóñîâ. Â íåäðàõ çâåçä ïðîèñõîäèò ïðåâðàùåíèå âîäîðîäà â ãåëèé, ýòè ðåàêöèè ïîääåðæèâàþò ìîùíîå òåïëîâîå è ñâåòîâîå èçëó÷åíèå çâåçä â òå÷åíèå îãðîìíûõ ïðîìåæóòêîâ âðåìåíè. Áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî íå òîëüêî êîëè÷åñòâî, íî è êà÷åñòâî èçëó÷åíèÿ (öâåò) îïðåäåëÿåòñÿ òåìïåðàòóðîé. Ðàñêàëåííîå òåëî èçëó÷àåò ñâåò âñåõ öâåòîâ (âñåõ äëèí âîëí), íî â çàâèñèìîñòè îò òåìïåðàòóðû íàêàëà ìàêñèìóì èçëó÷åíèÿ ïðèõîäèòñÿ íà ðàçëè÷íûå îáëàñòè ñïåêòðà, âñëåäñòâèå ÷åãî ñóììàðíîå èçëó÷åíèå èìååò òî êðàñíûé, òî áåëûé, òî ãîëóáîâàòûé öâåò. Èçó÷åíèå çâåçäíûõ òåìïåðàòóð ïðîèçâîäÿò íà îñíîâå ñïåêòðàëüíîãî àíàëèçà èëè ïîñðåäñòâîì èçìåðåíèÿ êîëè÷åñòâà òåïëà, ïðèõîäÿùåãî îò íåãî íà Çåìëþ. Çâåçäíûé ìèð ÷ðåçâû÷àéíî ìíîãîîáðàçåí. Ðàçëè÷àþò íåñêîëüêî âèäîâ çâåçä: ýòî ãèãàíòû è êàðëèêè, îäèíî÷íûå, äâîéíûå è êðàòíûå, ïåðåìåííûå è íîâûå. Çâåçäû-ãèãàíòû — îãðîìíûå çâåçäû, â ìèëëèîíû ðàç áîëüøå Ñîëíöà ïî îáúåìó. Òàêèå çâåçäû âñòðå÷àþòñÿ ðåäêî. Ñàìûå áîëüøèå çâåçäû íàçûâàþòñÿ ñâåðõãèãàíòàìè. Òàê, ñâåðõãèãàíò Àíòàðåñ â ñîçâåçäèè Ñêîðïèîíà ïî äèàìåòðó â 450 ðàç áîëüøå Ñîëíöà, à îíî áîëüøå Çåìëè â äèàìåòðå â 109 ðàç. Çâåçäû-êàðëèêè, íàïðîòèâ, èìåþò îòíîñèòåëüíî íåáîëüøèå ðàçìåðû. Â çàâèñèìîñòè îò öâåòà

136 Ãëàâà 6. Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà çâåçäû ðàçëè÷àþò êðàñíûå è áåëûå êàðëèêè. Êðàñíûå êàðëèêè ìåíüøå Ñîëíöà ïî äèàìåòðó ïðèìåðíî â 10 ðàç. Ñ÷èòàþò, ÷òî èìåííî îíè ñîñòàâëÿþò áîëüøóþ ÷àñòü çâåçä. Áåëûå êàðëèêè èìåþò åùå áîëåå ìåëêèå ðàçìåðû è âñòðå÷àþòñÿ ðåäêî. Çâåçäû ñèëüíî ðàçëè÷àþòñÿ ïî ïëîòíîñòè: ÷åì áîëüøå çâåçäà, òåì ìåíüøå åå ïëîòíîñòü. Òàê, ó çâåçä-ãèãàíòîâ ïëîòíîñòü ãàçîâ, èç êîòîðûõ îíè ñîñòîÿò, î÷åíü ìàëà — â ñîòíè òûñÿ÷ ðàç ìåíüøå ïëîòíîñòè âîäû, à ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü áåëûõ êàðëèêîâ â 30 ðàç áîëüøå ïëîòíîñòè âîäû. Ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü Ñîëíöà â 1,4 ðàçà áîëüøå ïëîòíîñòè âîäû. Äâîéíûå çâåçäû — ñèñòåìû, ñîñòîÿùèå èç äâóõ çâåçä, êàæäàÿ èç êîòîðûõ îáðàùàåòñÿ âîêðóã èõ îáùåãî öåíòðà òÿæåñòè. Îáû÷íî áîëåå ÿðêóþ çâåçäó â ïàðå íàçûâàþò ãëàâíîé, à äðóãóþ — åå ñïóòíèêîì. ßð÷àéøàÿ çâåçäà íåáà Ñèðèóñ — äâîéíàÿ. Ñïóòíèê ýòîé çâåçäû — áåëûé êàðëèê — îáðàùàåòñÿ âîêðóã ãëàâíîé çâåçäû çà 50 ëåò è îòñòîèò îò íåå â 20 ðàç äàëüøå, ÷åì Çåìëÿ îò Ñîëíöà. Ñðåäè äâîéíûõ çâåçä ðàçëè÷àþò òàê íàçûâàåìûå ñïåêòðàëüíî-äâîéíûå çâåçäû — òåñíûå ïàðû çâåçä, êîòîðûå íåëüçÿ óâèäåòü ðàçäåëüíî ïðè ïîìîùè ñîâðåìåííûõ îïòè÷åñêèõ ñðåäñòâ. Äâîéñòâåííîñòü èõ îáíàðóæèâàåòñÿ ïî ïåðèîäè÷åñêèì ñìåùåíèÿì ëèíèé â ñïåêòðàõ. Ñèñòåìû, ñîñòîÿùèå èç òðåõ, ÷åòûðåõ èëè áîëåå çâåçä, íàçûâàþòñÿ êðàòíûìè çâåçäàìè. Êðàòíûå çâåçäû âñòðå÷àþòñÿ çíà÷èòåëüíî ðåæå, ÷åì äâîéíûå. Áëèæàéøàÿ ê íàì çâåçäà a-Öåíòàâðà, âèäèìàÿ â Þæíîì ïîëóøàðèè Çåìëè, â äåéñòâèòåëüíîñòè ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñèñòåìó, êîòîðàÿ ñîñòîèò èç äâóõ ãëàâíûõ çâåçä, î÷åíü ñõîäíûõ ñ íàøèì Ñîëíöåì. Ïåðèîä èõ îáðàùåíèÿ ïî÷òè 80 ëåò, à ñðåäíåå âçàèìíîå ðàññòîÿíèå â 23 ðàçà áîëüøå ðàññòîÿíèÿ îò Çåìëè äî Ñîëíöà. Ó ýòèõ äâóõ çâåçä åñòü ñïóòíèê — êðàñíûé êàðëèê. Òàêèì îáðàçîì, a-Öåíòàâðà — òðîéíàÿ çâåçäà. Ïåðåìåííûå çâåçäû — çâåçäû, áëåñê êîòîðûõ ñî âðåìåíåì ìåíÿåòñÿ. Ïàðàëëåëüíî ñ èçìåíåíèåì áëåñêà ìåíÿþòñÿ èõ öâåò è òåìïåðàòóðà, à èíîãäà è ðàçìåðû. Ïðè÷èíîé ïåðåìåííîñòè ìîæåò ÿâëÿòüñÿ ïåðèîäè÷åñêîå çàòìåíèå îäíîé çâåçäû äðóãîé. Íî ãîðàçäî ÷àùå ïðîèñõîäÿò äåéñòâèòåëüíûå èçìåíåíèÿ ðàçìåðîâ è òåìïåðàòóð çâåçä: îíè ñæèìàþòñÿ è ðàñøèðÿòñÿ — ïóëüñèðóþò. Ïðîìåæóòêè ìåæäó ìîìåíòàìè íàèáîëüøåãî ñæàòèÿ èëè ðàñøèðåíèÿ ó îäíèõ ïåðåìåííûõ çâåçä ñîñòàâëÿþò ãîäû, ó äðóãèõ — òîëüêî ÷àñû. Â çàâèñèìîñòè îò õàðàêòåðà èçìåíåíèÿ áëåñêà è ïðè÷èí, åãî âûçûâàþùèõ, ïåðåìåííûå çâåçäû ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà ðàçëè÷íûå òèïû.

6.3. Çâåçäû

137

Çàòìåííûå ïåðåìåííûå çâåçäû — î÷åíü òåñíûå äâîéíûå çâåçäû, ïëîñêîñòü îðáèòû êîòîðûõ ïðîõîäèò ÷åðåç ëó÷ çðåíèÿ. Ïðè îáðàùåíèè âîêðóã îáùåãî öåíòðà òÿæåñòè îáå çâåçäû ïîïåðåìåííî çàêðûâàþò äðóã äðóãà, òàê ÷òî îáùèé áëåñê ñèñòåìû âî âðåìÿ çàòìåíèé îñëàáåâàåò. Äðóãîé ðàçíîâèäíîñòüþ ïåðåìåííûõ çâåçä ÿâëÿþòñÿ öåôåèäû. Èõ òàê íàçûâàþò ïî òèïè÷íîé ïðåäñòàâèòåëüíèöå ýòîãî êëàññà çâåçä çâåçäå d â ñîçâåçäèè Öåôåÿ. Âñå öåôåèäû ÿâëÿþòñÿ çâåçäàìè-ãèãàíòàìè è ñâåðõãèãàíòàìè. Èçìåíåíèå áëåñêà ó íèõ ïðîèñõîäèò ñòðîãî ïåðèîäè÷åñêè. Îòêðûòèå çàâèñèìîñòè ìåæäó ïåðèîäîì èçìåíåíèÿ áëåñêà ó öåôåèä è èõ ñâåòèìîñòüþ äàëî âîçìîæíîñòü îïðåäåëÿòü ðàññòîÿíèå äî î÷åíü äàëåêèõ çâåçäíûõ ñèñòåì, åñëè â íèõ èìåþòñÿ öåôåèäû. Öåôåèäû — ïóëüñèðóþùèå çâåçäû. Ïóëüñèðóåò, ðàñøèðÿÿñü è ñæèìàÿñü, âñå òåëî çâåçäû. Ïðè ñæàòèè åå ïðîèñõîäèò íàãðåâàíèå, à ïðè ðàñøèðåíèè — îõëàæäåíèå. Èçìåíåíèå ðàçìåðà è òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè çâåçäû è âûçûâàåò êîëåáàíèÿ åå èçëó÷åíèÿ. Íîâûå çâåçäû — çâåçäû, èçëó÷åíèå êîòîðûõ âíåçàïíî óâåëè÷èâàåòñÿ â òûñÿ÷è ðàç, à çàòåì ìåäëåííî óìåíüøàåòñÿ. Ýòî íåêîòîðûå êðàñíûå êàðëèêè. Èçìåíåíèÿ, ïðîèñõîäÿùèå â çâåçäå çà âðåìÿ âñïûøêè, ñòîëü âåëèêè, ÷òî çà íåñêîëüêî ñóòîê íåáîëüøàÿ çâåçäà-êàðëèê ïðåâðàùàåòñÿ â ãèãàíòà. Áëåñê åå óâåëè÷èâàåòñÿ áîëåå ÷åì â 10 òûñ. ðàç. Îò íåå îòäåëÿåòñÿ ãàçîâàÿ îáîëî÷êà, êîòîðàÿ, ïðîäîëæàÿ ðàñøèðÿòüñÿ, ðàññåèâàåòñÿ â ïðîñòðàíñòâå. Â íàèáîëüøåì ñâîåì áëåñêå ðàçäóâøàÿñÿ îáîëî÷êà áîëüøå íàøåãî Ñîëíöà ïî äèàìåòðó â ñîòíè ðàç. Íîâàÿ çâåçäà â áîëüøîì áëåñêå îñòàåòñÿ íåäîëãî, îáû÷íî îêîëî ñóòîê, çàòåì åå áëåñê íà÷èíàåò îñëàáåâàòü è çâåçäà âíîâü ñæèìàåòñÿ äî ïðåæíèõ ðàçìåðîâ. Èññëåäîâàíèÿìè óñòàíîâëåíî, ÷òî â íàøåé Ãàëàêòèêå åæåãîäíî ïðîèñõîäèò îêîëî 100 âñïûøåê íîâûõ çâåçä, íî ìû çàìå÷àåì ëèøü áëèæàéøèå èç íèõ. Âñïûøêà íå îçíà÷àåò âîçíèêíîâåíèÿ èëè óíè÷òîæåíèÿ çâåçäû. ×åðåç íåêîòîðûé ïðîìåæóòîê âðåìåíè ýòà æå çâåçäà ìîæåò âñïûõíóòü âíîâü. Âñïûøêè ÿâëÿþòñÿ ñëåäñòâèåì íàðóøåíèÿ óñòîé÷èâîñòè çâåçäû, âûçâàííîãî âíóòðåííèìè ïðè÷èíàìè. Ñóùíîñòü ýòèõ ïðè÷èí ïîêà íå âûÿñíåíà. Èíîãäà â íàøåé è äðóãèõ ãàëàêòèêàõ íàáëþäàþòñÿ âñïûøêè ñâåðõíîâûõ çâåçä. Ïðè òàêèõ âñïûøêàõ çâåçäû èçëó÷àþò ñâåò â ìèëëèîíû è â ñîòíè ìèëëèîíîâ ðàç èíòåíñèâíåå, ÷åì Ñîëíöå. Ñâåðõíîâûå çâåçäû — ÿâëåíèå êðàéíå ðåäêîå. Ïîñëåäíåé ñâåðõíîâîé çâåçäîé, íàáëþäàâøåéñÿ â íàøåé Ãàëàêòèêå, áûëà çâåçäà, êîòîðóþ íàáëþäàë Êåïëåð â 1604 ã. Òàêèì îáðàçîì, äàæå â òàêèõ ãè-

138 Ãëàâà 6. Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà ãàíòñêèõ çâåçäíûõ ñèñòåìàõ, êàê íàøà, âñïûøêà ñâåðõíîâîé çâåçäû áûâàåò îäèí ðàç â íåñêîëüêî ñòîëåòèé. Ñîãëàñíî ðàñ÷åòàì, äîïóñêàþò, ÷òî â ðÿäå ñëó÷àåâ â ðåçóëüòàòå âñïûøêè ñâåðõíîâîé îñòàòîê çâåçäíîé ìàññû êàòàñòðîôè÷åñêè ñæèìàåòñÿ è çâåçäà ïðåâðàùàåòñÿ â áûñòðî âðàùàþùóþñÿ íåéòðîííóþ. Íåéòðîííûå çâåçäû — ïðåäïîëàãàåìûå çâåçäû, ñîñòîÿùèå èç íåéòðîíîâ. Îíè ÷ðåçâû÷àéíî ïëîòíûå è î÷åíü ìàëû — èìåþò â ïîïåðå÷íèêå îêîëî 10 êì. Ðàçëè÷àþò íåâèäèìûå êîñìè÷åñêèå îáúåêòû, êîòîðûå ïîñûëàþò îãðîìíîå íåâèäèìîå ïóëüñèðóþùåå ðàäèîèçëó÷åíèå, — ïóëüñàðû. Ïóëüñàðû — òî÷å÷íûå èñòî÷íèêè ðàäèîèçëó÷åíèÿ, èñïóñêàþùèå èìïóëüñû ñ î÷åíü êîðîòêèì ïåðèîäîì. Âîçìîæíî, ïóëüñàðû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé íåéòðîííûå çâåçäû. Çâåçäû èìåþò îãðîìíûå ðàçëè÷èÿ ïî ðàçìåðó è ïëîòíîñòè. Ìàññû æå çâåçä íå îòëè÷àþòñÿ òàê çíà÷èòåëüíî è êîëåáëþòñÿ â ïðåäåëàõ îò 0,1 äî íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ ñîëíå÷íûõ ìàññ. Îäíàêî íåïîñðåäñòâåííî ìàññû çâåçä ìîãóò áûòü îïðåäåëåíû ëèøü ó äâîéíûõ çâåçä. Èçó÷åíèå ìàññ äâîéíûõ çâåçä ïîêàçàëî, ÷òî ìåæäó ìàññàìè è ñâåòèìîñòüþ çâåçä ñóùåñòâóåò íåêîòîðàÿ çàâèñèìîñòü. Â ñðåäíåì ñâåòèìîñòü áîëüøèíñòâà çâåçä ïðîïîðöèîíàëüíà èõ ìàññå â ñòåïåíè 3,3. Ýòî ñîîòíîøåíèå ïîçâîëÿåò îïðåäåëÿòü ìàññû çâåçä êîñâåííî, ïî èõ ñâåòèìîñòè. Ïðåäïîëàãàþò, ÷òî ìíîãèå çâåçäû îêðóæåíû ïëàíåòàìè. Âñëåäñòâèå äàëüíîñòè ðàññòîÿíèÿ ïîêà åùå íå óäàåòñÿ íåïîñðåäñòâåííî óâèäåòü ïëàíåòû îêîëî äðóãèõ çâåçä äàæå â ñàìûå ìîùíûå òåëåñêîïû. Äëÿ èõ îáíàðóæåíèÿ íåîáõîäèìû òîíêèå ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ, òùàòåëüíûå íàáëþäåíèÿ â òå÷åíèå äåñÿòêîâ ëåò è ñëîæíûå ðàñ÷åòû. Îêîëî íåêîòîðûõ áëèæàéøèõ çâåçä óæå îáíàðóæåíû íåâèäèìûå ñïóòíèêè ìàëîé ìàññû. Èõ âû÷èñëèëè ïî åëå çàìåòíûì äâèæåíèÿì çâåçä ïîä äåéñòâèåì ïðèòÿæåíèÿ èõ íåâèäèìûì ñïóòíèêîì. Ïîêà åùå ñ äîñòîâåðíîñòüþ íå óñòàíîâëåíî, ÿâëÿþòñÿ ëè ýòè ñïóòíèêè ïëàíåòàìè èëè æå êðàéíå ñëàáî ñâåòÿùèìèñÿ ìàëåíüêèìè çâåçäàìè. Îäíàêî åñòü âñå îñíîâàíèÿ ïðåäïîëàãàòü, ÷òî íàøà ïëàíåòíàÿ ñèñòåìà íå ÿâëÿåòñÿ èñêëþ÷èòåëüíûì ÿâëåíèåì â ìèðîâîì ïðîñòðàíñòâå. Íà ïëàíåòàõ, îêðóæàþùèõ äðóãèå çâåçäû, òàêæå âåðîÿòíî ñóùåñòâîâàíèå æèçíè, è Çåìëÿ íå ïðåäñòàâëÿåò â ýòîì îòíîøåíèè èñêëþ÷åíèÿ. Â ðåçóëüòàòå àñòðîíîìè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé äëÿ ìíîæåñòâà çâåçä òî÷íî îïðåäåëåíû ïîëîæåíèå íà íåáå, èõ çâåçäíàÿ âåëè÷èíà, à òàêæå äðóãèå õàðàêòåðèñòèêè. Ïî èìåþùèìñÿ ñâåäåíèÿì ñîñòàâëåíû çâåçäíûå êàòàëîãè, â êîòîðûå çàíåñåíî îêîëî ìèëëèîíà çâåçä. Ïî óñòàíîâëåííûì ïîëîæåíèÿì çâåçä íà íåáå ñîñòàâëÿþòñÿ êàðòû çâåçäíîãî íå-

6.3. Çâåçäû

139

áà. Èçâåñòíî, ÷òî çâåçä ÿð÷å 21-é çâåçäíîé âåëè÷èíû îêîëî 2 ìëðä. Îäíà èç íèõ — Ñîëíöå. Ñîëíöå ïî âñåì ïðèçíàêàì ÿâëÿåòñÿ ðÿäîâîé çâåçäîé. Ïîëàãàþò, ÷òî âîçðàñò Ñîëíöà — 4–5 ìëðä ëåò. Áëèæàéøèå ê Ñîëíöó çâåçäû — a-Öåíòàâðà è Ñèðèóñ. Ñêîðîñòü äâèæåíèÿ Ñîëíöà âîêðóã îñè Ãàëàêòèêè — 250 êì/ñ. Ðàññòîÿíèå îò Çåìëè äî Ñîëíöà 8,3 ñâåòîâîé ìèíóòû èëè 149,6 ìëí êì. Äèàìåòð Ñîëíöà îöåíèâàåòñÿ â 1,4 ìëí êì. Ìàññà Ñîëíöà â 333 òûñ. ðàç áîëüøå ìàññû Çåìëè, à åãî îáúåì áîëüøå çåìíîãî â 1 ìëí 304 òûñ. ðàç. Ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü Ñîëíöà âûøå ïëîòíîñòè âîäû â 1,4 ðàçà. Íî ïëîòíîñòü âåùåñòâà ðàñïðåäåëåíà íåðàâíîìåðíî: âíóòðè Ñîëíöà îíà ÷ðåçâû÷àéíî âûñîêàÿ, à ñíàðóæè – êðàéíå íèçêàÿ, â ñîòíè ðàç ìåíüøàÿ, ÷åì âîçäóõ. Íà îñíîâàíèè ïðîâåäåííûõ èññëåäîâàíèé ñäåëàíû âûâîäû î ñòðîåíèè Ñîëíöà. Ïîëàãàþò, ÷òî Ñîëíöå ñîñòîèò èç íåñêîëüêèõ ñëîåâ – âíóòðåííèõ è âíåøíèõ. Ê âíóòðåííèì ñëîÿì îòíîñÿòñÿ ÿäðî, îáëàñòü ëó÷èñòîãî ïåðåíîñà ýíåðãèè è êîíâåêòèâíàÿ çîíà. Âíåøíèå ñëîè îáðàçóåò àòìîñôåðà. ßäðî íàõîäèòñÿ â öåíòðå Ñîëíöà. Åãî ðàäèóñ ñîñòàâëÿåò 1/3 ñîëíå÷íîãî ðàäèóñà. Â ÿäðå ñîñðåäîòî÷åíà áîëüøàÿ ÷àñòü âåùåñòâà Ñîëíöà. Òåìïåðàòóðà âåùåñòâà â öåíòðå Ñîëíöà ïðåâûøàåò 10 ìëí Ê. Â óñëîâèÿõ ñâåðõäàâëåíèÿ è ñâåðõâûñîêîé òåìïåðàòóðû âåùåñòâî ÿäðà èîíèçèðîâàíî, òî åñòü ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ïëàçìó. ×àñòèöû ïëàçìû íàõîäÿòñÿ â ïîñòîÿííîì äâèæåíèè, ñêîðîñòü êîòîðîãî îãðîìíà. Ïîýòîìó ìåæäó ÷àñòèöàìè íåïðåðûâíî ïðîèñõîäÿò ÿäåðíûå ðåàêöèè, â ðåçóëüòàòå êîòîðûõ èç àòîìîâ âîäîðîäà îáðàçóþòñÿ àòîìû ãåëèÿ è âûäåëÿåòñÿ áîëüøîå êîëè÷åñòâî ýíåðãèè. Íàïðèìåð: 1

Í2 + 1Í1 = 2Íå3

22Íå3 = 2Íå4 + 21Í1 + ýíåðãèÿ. Âîäîðîäíûå ÿäåðíûå ðåàêöèè — èñòî÷íèê ñîëíå÷íîé ýíåðãèè. Çà âðåìÿ ñâîåãî ñóùåñòâîâàíèÿ Ñîëíöå íå èçðàñõîäîâàëî åùå è ïîëîâèíû çàïàñîâ âîäîðîäíîãî ÿäåðíîãî òîïëèâà. Â òå÷åíèå ïî÷òè âñåãî ýòîãî âðåìåíè èçëó÷åíèå Ñîëíöà ïî÷òè òàêîå æå, êàê è òåïåðü. Òàê îíî è áóäåò ñâåòèòü ìèëëèàðäû ëåò, ïîêà â íåäðàõ Ñîëíöà âåñü âîäîðîä íå ïðåâðàòèòñÿ â ãåëèé. Îáëàñòü ëó÷èñòîãî ïåðåíîñà ýíåðãèè ñëåäóåò çà ÿäðîì. Ïîëàãàþò, ÷òî åå òîëùèíà ïðèìåðíî ðàâíà ðàäèóñó ÿäðà. Çäåñü â ðåçóëüòàòå ïîãëîùåíèÿ êâàíòîâ, èõ äðîáëåíèÿ è ïåðåèçëó÷åíèÿ ýíåðãèÿ ïåðåíîñèòñÿ íàðóæó.

140 Ãëàâà 6. Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà Âûøå íàõîäèòñÿ êîíâåêòèâíàÿ çîíà òîëùèíîé ïðèìåðíî 200 òûñ. êì. Òåìïåðàòóðà â êîíâåêòèâíîé çîíå óæå çíà÷èòåëüíî íèæå. Êîíâåêòèâíàÿ çîíà íå ìîæåò ïîëíîñòüþ ïåðåäàòü îãðîìíîå êîëè÷åñòâî ýíåðãèè, ïîýòîìó ñèñòåìàòè÷åñêè ÿäåðíîå âåùåñòâî ïðîðûâàåòñÿ â íàðóæíûå ñëîè òàêèì îáðàçîì, ÷òî êîíâåêöèÿ íà Ñîëíöå íàïîìèíàåò êèïåíèå âîäû. Ýòà çîíà ïåðåõîäèò âî âíåøíèå ñëîè Ñîëíöà — àòìîñôåðó. Ñîëíå÷íàÿ àòìîñôåðà òàêæå ñîñòîèò èç íåñêîëüêèõ ñëîåâ: ôîòîñôåðû, õðîìîñôåðû è êîðîíû. Ôîòîñôåðà — ñàìûé ãëóáîêèé è òîíêèé ñëîé àòìîñôåðû. Çäåñü âîçíèêàåò ïîäàâëÿþùåå êîëè÷åñòâî ñâåòîâûõ è òåïëîâûõ ëó÷åé, ïîñûëàåìûõ â ïðîñòðàíñòâî. Òîëùèíà ôîòîñôåðû 200–300 êì, åå òåìïåðàòóðà îöåíèâàåòñÿ â 6000 Ê. Çà ôîòîñôåðîé ñëåäóåò õðîìîñôåðà — ñëîé ðàñêàëåííûõ ãàçîâ òîëùèíîé 10–20 òûñ. êì. Ïîñêîëüêó â âåðõíèõ ñëîÿõ ñîëíå÷íîé àòìîñôåðû ñâåòîâàÿ ýíåðãèÿ â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè ïåðåõîäèò â òåïëîâóþ, òåìïåðàòóðà õðîìîñôåðû çíà÷èòåëüíî âûøå òåìïåðàòóðû ôîòîñôåðû è îöåíèâàåòñÿ â äåñÿòêè òûñÿ÷ êåëüâèíîâ. Êîðîíà — âíåøíÿÿ ÷àñòü àòìîñôåðû Ñîëíöà. Òåìïåðàòóðà â ýòîé ÷àñòè Ñîëíöà — áîëåå 1 ìëí Ê. Â êîðîíå ïëàçìà î÷åíü ñèëüíî ðàçðåæåíà, ïëîòíîñòü åå â ìèëëèàðäû ðàç ìåíüøå ïëîòíîñòè âîçäóõà. Ïîýòîìó êîðîíà åùå ïðîçðà÷íåå, ÷åì õðîìîñôåðà, è êîëè÷åñòâî èçëó÷àåìîãî åþ ñâåòà î÷åíü ìàëî. ßðêîñòü êîðîíû â ìèëëèîíû ðàç ìåíüøå ÿðêîñòè ôîòîñôåðû. Òåìïåðàòóðà ïî ìåðå óäàëåíèÿ îò ïîâåðõíîñòè Ñîëíöà óìåíüøàåòñÿ. Ñîëíå÷íàÿ êîðîíà èìååò îãðîìíûå ðàçìåðû — áîëåå 200 ðàäèóñîâ Ñîëíöà — è äîñòèãàåò îðáèòû Ìàðñà. Òàêèì îáðàçîì, Çåìëÿ îêàçûâàåòñÿ, îáðàçíî ãîâîðÿ, ïîãðóæåííîé â ñîëíå÷íóþ êîðîíó. Â ýòîé ñâÿçè íà Çåìëþ ïîñòîÿííî âîçäåéñòâóåò òàê íàçûâàåìûé ñîëíå÷íûé âåòåð — ïîòîê çàðÿæåííûõ ÷àñòèö, èñïóñêàåìûõ Ñîëíöåì. Ïðè ñîïðèêîñíîâåíèè ñ àòìîñôåðîé Çåìëè îí îòêëîíÿåòñÿ âåðõíèìè åå ñëîÿìè — èîíîñôåðîé. Õîòÿ âíåøíèå ñëîè ñîëíå÷íîé àòìîñôåðû èìåþò òåìïåðàòóðó áîëåå 1 ìëí Ê, èõ èçëó÷åíèå ñîñòàâëÿåò íè÷òîæíóþ äîëþ îò îáùåé ýíåðãèè, èñïóñêàåìîé Ñîëíöåì. Ïî÷òè âñÿ ýíåðãèÿ èñõîäèò îò ôîòîñôåðû, èìåþùåé òåìïåðàòóðó îêîëî 6000 Ê. Èçó÷åíèå òåìïåðàòóðû â ðàçëè÷íûõ ÷àñòÿõ Ñîëíöà ïðîèçâîäèòñÿ ðàäèîàñòðîíîìè÷åñêèìè ìåòîäàìè. Óñòàíîâëåíî, ÷òî ÷åì âûøå òåìïåðàòóðà òåëà, òåì áîëåå èíòåíñèâíî îíî èçëó÷àåò ðàäèîâîëíû. Äîõîäÿùåå äî íàñ ðàäèîèçëó÷åíèå Ñîëíöà âîçíèêàåò íå â ôîòîñôåðå, à â åãî êîðîíå.

6.4. Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà

141

Ïåðèîäè÷åñêè, ñ öèêëîì â ñðåäíåì îêîëî 11 ëåò, â ñîëíå÷íîé àòìîñôåðå ïîÿâëÿþòñÿ àêòèâíûå îáëàñòè, ÷èñëî êîòîðûõ ðåãóëÿðíî ìåíÿåòñÿ. Î âîçíèêíîâåíèè àêòèâíîé îáëàñòè ñâèäåòåëüñòâóþò ñîëíå÷íûå ïÿòíà, íàáëþäàåìûå â ôîòîñôåðå. Òåìïåðàòóðà ïÿòíà ïðèìåðíî íà 1000 Ê íèæå òåìïåðàòóðû îêðóæàþùåé ôîòîñôåðû. Â àêòèâíîé îáëàñòè ÷àñòî íàáëþäàþòñÿ âñïûøêè, ÿðêîñòü êîòîðûõ âûñîêà. Â ðåçóëüòàòå âñïûøåê îáðàçóþòñÿ íàïðàâëåííûå ïîòîêè î÷åíü áûñòðûõ çàðÿæåííûõ ÷àñòèö è êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé. Äîñòèãàÿ Çåìëè, ýòîò ïîòîê âûçûâàåò çàìåòíûå íåïðàâèëüíûå èçìåíåíèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ Çåìëè — òàê íàçûâàåìûå ìàãíèòíûå áóðè. Ïðè÷èíà ïåðèîäè÷íîñòè ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòè ïîêà íåÿñíà. Ïðåäïîëàãàþò, ÷òî ñòðîåíèå Ñîëíöà è ïðîöåññû, ïðîèñõîäÿùèå â íåì, ìîãóò áûòü òèïè÷íûìè è äëÿ ìíîãèõ äðóãèõ çâåçä.

6.4. Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïðîáëåìà ïðîèñõîæäåíèÿ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû îñòàåòñÿ îòêðûòîé. Ãèïîòåçû åå âîçíèêíîâåíèÿ ñëåäóþùèå: u Ïëàíåòû Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ñôîðìèðîâàëèñü ïóòåì îáúåäèíåíèÿ òâåðäûõ, õîëîäíûõ òåë è ÷àñòèö, âõîäÿùèõ â ñîñòàâ òóìàííîñòè, êîòîðàÿ êîãäà-òî îêðóæàëà Ñîëíöå. u Ñïóòíèêè ïëàíåò îáðàçîâàëèñü èç ðîÿ ÷àñòèö, îêðóæàâøèõ ïëàíåòû. Îðáèòû âñåõ ïëàíåò ÿâëÿþòñÿ ïî÷òè êðóãîâûìè è ëåæàò â îäíîé ïëîñêîñòè, ñîâïàäàþùåé ñ ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñêîñòüþ Ñîëíöà. Îáùàÿ ìàññà âñåõ ïëàíåò Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ñîñòàâëÿåò âñåãî 2% îò ìàññû Ñîëíöà.

Òåîðèè ïðîèñõîæäåíèÿ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû Íåáóëÿðíàÿ ãèïîòåçà Êàíòà—Ëàïëàñà. Ñîãëàñíî åñòåñòâåííîíàó÷íûì âçãëÿäàì ôèëîñîôà È. Êàíòà, îðáèòàëüíîå äâèæåíèå ïëàíåò âîçíèêëî «ïîñëå íåöåíòðàëüíîãî óäàðà ÷àñòèö êàê ìåõàíèçìà âîçíèêíîâåíèÿ ïåðâè÷íîé òóìàííîñòè» (îøèáî÷íîå ïðåäïîëîæåíèå, òàê êàê äâèæåíèå ìîãëî íà÷àòüñÿ òîëüêî ïðè êîñîì óäàðå òóìàííîñòåé). Îí ñ÷èòàë ïðè÷èíàìè, ïðîòèâîäåéñòâóþùèìè ñòðåìëåíèþ ê «ðàâíîâåñèþ», õèìè÷åñêèå ïðîöåññû âíóòðè Çåìëè, êîòîðûå çàâèñÿò îò êîñìè÷åñêèõ ñèë è ïðîÿâëÿþòñÿ â âèäå çåìëåòðÿñåíèé è âóëêàíè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè (1755 ã.).

142 Ãëàâà 6. Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà Ï. Ëàïëàñ — ôðàíöóçñêèé ó÷åíûé-ôèçèê, ðàçäåëÿÿ âçãëÿäû Êàíòà â ýòîò æå ïåðèîä, èñõîäèë èç ïðåäïîëîæåíèÿ î ãîðÿ÷åé ìåäëåííî âðàùàþùåéñÿ òóìàííîñòè, êîòîðàÿ ïî ìåðå îõëàæäåíèÿ ñæèìàëàñü. Ïî çàêîíó ñîõðàíåíèÿ ìîìåíòà èìïóëüñà, ïðè ýòîì ðîñëà ñêîðîñòü âðàùåíèÿ, è öåíòðîáåæíûå ñèëû îòðûâàëè îò íåå êîëüöà. Ìàòåðèÿ â ýòèõ êîëüöàõ ñæèìàëàñü ïîä äåéñòâèåì òÿãîòåíèÿ, ôîðìèðóÿ êîìïàêòíûå òåëà. Ïðèëèâíàÿ, èëè ïëàíåòîçèìàëüíàÿ, ãèïîòåçà. Â ÕÕ â. àìåðèêàíñêèå àñòðîôèçèêè Ò. ×åìáåðëåí è Ô. Ìóëüòîí ðàññìîòðåëè èäåþ âñòðå÷è Ñîëíöà ñî çâåçäîé, âûçâàâøåé ïðèëèâíîé âûáðîñ ñîëíå÷íîãî âåùåñòâà (1906 ã.), èç êîòîðîãî è îáðàçîâàëèñü ïëàíåòû. Ñ. Àððåíèóñ — àìåðèêàíñêèé àñòðîôèçèê, äîïóñòèë è ïðÿìîå ñòîëêíîâåíèå Ñîëíöà ñî çâåçäîé (1913 ã.). Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî â ðåçóëüòàòå ïîÿâèëîñü íåêîå âîëîêíî, ðàñïàâøååñÿ ïðè âðàùåíèè íà ÷àñòè – îñíîâó ïëàíåò. Åùå îäèí àìåðèêàíñêèé àñòðîôèçèê — Äæ. Äæèíñ — ïðåäïîëîæèë (1916 ã.), ÷òî êàêàÿ-òî çâåçäà ïðîøëà íåïîäàëåêó îò Ñîëíöà è âûçâàëà «ïðèëèâíûå âûñòóïû», ïðèíÿâøèå ôîðìó ãàçîâûõ ñòðóé, èç êîòîðûõ è âîçíèêëè ïëàíåòû. Ãèïîòåçà çàõâàòà Ñîëíöåì ìåæçâåçäíîãî ãàçà. Åå ïðåäïîëîæèë øâåäñêèé àñòðîôèçèê Õ. Àëüôåí (1942 ã.). Àòîìû ãàçà èîíèçèðîâàëèñü ïðè ïàäåíèè íà Ñîëíöå è ñòàëè äâèãàòüñÿ ïî îðáèòàì â åãî ìàãíèòíîì ïîëå, ïîñòóïàÿ â îïðåäåëåííûå ó÷àñòêè ýêâàòîðèàëüíîé ïëîñêîñòè. Àêàäåìèê-àñòðîôèçèê Â. Ã. Ôåñåíêîâ (1944 ã.) ïðåäïîëîæèë, ÷òî îáðàçîâàíèå ïëàíåò ñâÿçàíî ñ ïåðåõîäîì îò îäíîãî òèïà ÿäåðíûõ ðåàêöèé â ãëóáèíàõ Ñîëíöà ê äðóãîìó. Àñòðîíîì è ìàòåìàòèê Äæ. Äàðâèí è ìàòåìàòèê À. Ì. Ëÿïóíîâ (40-å ã. ÕÕ â.) ðàññ÷èòàëè íåçàâèñèìî äðóã îò äðóãà ôèãóðû ðàâíîâåñèÿ âðàùàþùåéñÿ æèäêîé íåñæèìàåìîé ìàññû. Ñîãëàñíî âçãëÿäàì Î. Ñòðóâå — àíãëèéñêîãî àñòðîôèçèêà (40-å ãã. ÕÕ â.), áûñòðî âðàùàþùèåñÿ çâåçäû ìîãóò âûáðàñûâàòü âåùåñòâî â ïëîñêîñòè ñâîèõ ýêâàòîðîâ. Â ðåçóëüòàòå ýòîãî îáðàçóþòñÿ ãàçîâûå êîëüöà è îáîëî÷êè, à çâåçäà òåðÿåò ìàññó è ìîìåíò êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ. Êîìåòíàÿ ãèïîòåçà ïðîèñõîæäåíèÿ ïëàíåò Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Ýòó ïîïóëÿðíóþ íûíå ãèïîòåçó ïðåäëîæèë À. À. Ìàðêóøåâè÷ (1992 ã.). Ñâîäèòñÿ îíà ê ñëåäóþùåìó. Â ãàçîïûëåâîé òóìàííîñòè, èìåþùåé âèä äèñêîîáðàçíîãî âðàùàþùåãîñÿ îáëàêà è ñîñòîÿùåé èç ìåëêèõ ïûëåâèäíûõ æåëåçîñèëèêàòíûõ ÷àñòèö è ãàçîâ — âîäû è âîäîðîäà, ïðè ïîíèæåíèè òåìïåðàòóðû ãàçû íàìåðçàëè íà ïûëèíêè, óâåëè÷èâàÿ èõ

6.4. Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà

143

ðàçìåð. Âîçíèêàë ñîñòàâ, ñâîéñòâåííûé ñîñòàâó êîìåò. ×àñòèöû ñòàëêèâàëèñü ìåæäó ñîáîé, áîëüøèå ïî îáúåìó êîíöåíòðèðîâàëèñü â öåíòðå òóìàííîñòè, à ìåíüøèå îòòåñíÿëèñü íà ïåðèôåðèþ, äàâ íà÷àëî ïëàíåòàì. Øëî óêðåïëåíèå è ðàçðàñòàíèå îáðàçóþùèõñÿ òåë — àñòåðîèäîâ, êîìåò, ïëàíåò. Ïðè îáðàçîâàíèè ïëàíåò ïðîèñõîäèëà àêêðåöèÿ (ñòÿæåíèå êîìåòíîé ìàññû), âûäåëÿëàñü òåïëîòà, êîòîðàÿ ðàçîãðåâàëà öåíòð ñãóñòêà äî ðàñïëàâëåííîãî ñîñòîÿíèÿ è ðàññëàèâàëà âîäîðîäíóþ îáîëî÷êó è æåëåçîñèëèêàòíîå ÿäðî, êîòîðîå ïîçæå ðàññëîèëîñü íà æåëåçîíèêåëåâîå ÿäðî è ñèëèêàòíóþ îáîëî÷êó, íå ïîçâîëÿâøóþ ðàññåèâàòüñÿ òåïëîòå â êîñìè÷åñêîì ïðîñòðàíñòâå. Òàê ïëàíåòû ïðèîáðåëè ïî÷òè ñôåðè÷åñêóþ ôîðìó. Ïî ñâîèì ôèçè÷åñêèì õàðàêòåðèñòèêàì ïëàíåòû Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû äåëÿòñÿ íà äâå ãðóïïû: ïëàíåòû çåìíîé ãðóïïû è ãàçîâûå (èëè ïëàíåòû-ãèãàíòû). Ïëàíåòû Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû (çåìíàÿ ãðóïïà). Êðóïíåéøèìè ïîñëå Ñîëíöà îáúåêòàìè Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ÿâëÿþòñÿ ïëàíåòû è èõ ñïóòíèêè. Îáùàÿ ìàññà ïëàíåò ñîñòàâëÿåò 448 ìàññ Çåìëè, à ñïóòíèêîâ — 0,12 ìàññû Çåìëè. Ñóììàðíàÿ ìàññà ïëàíåò è ñïóòíèêîâ ñîñòàâëÿåò ëèøü 1/750 ÷àñòü ìàññû Ñîëíöà. Ïëàíåòû Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû äîñòàòî÷íî ñèëüíî îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà. Áëèæàéøèå ê Ñîëíöó ïëàíåòû — Ìåðêóðèé, Âåíåðà, Çåìëÿ è Ìàðñ — íàçûâàþòñÿ òâåðäûìè ïëàíåòàìè, ïîñêîëüêó èìåþò ïëîòíîñòü, â 4–5 ðàç ïðåâûøàþùóþ ïëîòíîñòü âîäû, è òâåðäóþ ïîâåðõíîñòü. Ïëóòîí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íåñôîðìèðîâàâøóþñÿ òâåðäóþ ïëàíåòó, ïî ñâîèì õàðàêòåðèñòèêàì íàïîìèíàþùóþ ïëàíåòû ïåðâîé ãðóïïû. Êðîìå òîãî, ó Ïëóòîíà åñòü ñïóòíèê Õàðîí, ëèøü â äâà ðàçà ìåíüøèé Ïëóòîíà. Íàêîíåö, ñóùåñòâóþò ïðåäïîëîæåíèÿ î áîëüøîé äåñÿòîé òåìíîé ïëàíåòå. Êàæäóþ èç ïëàíåò ìîæíî îõàðàêòåðèçîâàòü ïî äåâÿòè îñíîâíûì ïàðàìåòðàì. Ýòî ðàññòîÿíèå îò Ñîëíöà, ïåðèîä îáðàùåíèÿ âîêðóã Ñîëíöà, ïåðèîä îáðàùåíèÿ âîêðóã ñâîåé îñè, ñðåäíÿÿ ïëîòíîñòü (ã/ñì3), äèàìåòð ýêâàòîðà â êèëîìåòðàõ, îòíîñèòåëüíàÿ ìàññà (ìàññà Çåìëè ïðèíèìàåòñÿ çà åäèíèöó), òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè, ÷èñëî ñïóòíèêîâ, ïðåîáëàäàíèå ãàçà â àòìîñôåðå. Áëèæàéøåé ê Ñîëíöó ïëàíåòîé ÿâëÿåòñÿ Ìåðêóðèé. Îí ñîñòîèò èç áîëüøîãî æåëåçíîãî ÿäðà, ðàñïëàâëåííîé êàìåíèñòîé ìàíòèè è òâåðäîé êîðû. Ïî âíåøíåìó âèäó Ìåðêóðèé íàïîìèíàåò Ëóíó. Åãî ïîâåðõíîñòü èñïåùðåíà êðàòåðàìè è îãðîìíûìè óñòóïàìè (âûñîòîé äî 3 êì), ñôîðìèðîâàâøèìèñÿ â ðåçóëüòàòå îñòûâàíèÿ è ñæàòèÿ ïîâåðõíîñòè ïëàíåòû. Ñèëà òÿæåñòè íà Ìåðêóðèè â äâà ðàçà ìåíüøå çåìíîé, ïîýòîìó àòìîñôåðà ïðàêòè÷åñêè îòñóòñòâóåò. Íà ïëàíåòå öàðÿò áåçìîëâèå

144 Ãëàâà 6. Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà è ýêñòðåìàëüíûå òåìïåðàòóðû — äî 350° Ñ íà îñâåùåííîé Ñîëíöåì ñòîðîíå ïëàíåòû è äî –170° Ñ íà íî÷íîé ñòîðîíå. Âåíåðà ïî ðàçìåðàì, ìàññå è ïëîòíîñòè ñõîäíà ñ Çåìëåé. Îäíàêî îíà èìååò î÷åíü ïëîòíóþ àòìîñôåðó, ïðîïóñêàþùóþ ñîëíå÷íîå èçëó÷åíèå è íå âûïóñêàþùóþ åãî îáðàòíî. Ïîýòîìó íà Âåíåðå äåéñòâóåò ïàðíèêîâûé ýôôåêò, êîòîðûé ñåé÷àñ îòìå÷àåòñÿ è íà Çåìëå. Â ðåçóëüòàòå ýòîãî ýôôåêòà òåìïåðàòóðà ïîâåðõíîñòè Âåíåðû ñîñòàâëÿåò 400– 500° Ñ. Ïîâåðõíîñòü Âåíåðû ñèÿåò òàê ÿðêî, ÷òî Âåíåðà çàíèìàåò òðåòüå ìåñòî ïî ÿðêîñòè (ïîñëå Ñîëíöà è Ëóíû) ñðåäè âñåõ âèäèìûõ ñ Çåìëè îáúåêòîâ. Áëèæàéøåå ê Çåìëå íåáåñíîå òåëî — åå ñïóòíèê Ëóíà. Ëóíà èìååò íåáîëüøîå ÿäðî èç æåëåçà è ñåðû, îêðóæåííîå ïîëóðàñïëàâëåííîé àñòåíîñôåðîé. Íàä àñòåíîñôåðîé ðàñïîëîæåíà ëèòîñôåðà (òâåðäàÿ êàìåííàÿ îáîëî÷êà), è íàä íåé — êîðà èç ìèíåðàëîâ, áîãàòûõ êàëüöèåì è àëþìèíèåì. Ïîâåðõíîñòü Ëóíû èçðûòà êðàòåðàìè, èìååò îãðîìíûå ðàâíèíû (ìîðÿ) è ãîðû. Ïëàíåòû Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû (ãàçîâûå). Âòîðàÿ ÷åòâåðêà ïëàíåò (Þïèòåð, Ñàòóðí, Óðàí, Íåïòóí) — ãàçîîáðàçíûå, áîëüøèå, ñ ïëîòíîñòüþ 0,7–1,7 ã/ñì3 (òî åñòü ÷óòü ìåíüøå èëè ÷óòü áîëüøå ïëîòíîñòè âîäû). Þïèòåð ÿâëÿåòñÿ êðóïíåéøåé ïëàíåòîé Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Âìåñòå ñî ñâîèìè 16 ñïóòíèêàìè îí ñîñòàâëÿåò Ñîëíå÷íóþ ñèñòåìó â ìèíèàòþðå. Ìàññà Þïèòåðà â òðè ðàçà ïðåâîñõîäèò ìàññó âñåõ îñòàëüíûõ ïëàíåò Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Â öåíòðå Þïèòåðà íàõîäèòñÿ íåáîëüøîå êàìåííîå ÿäðî. Åãî îêðóæàåò âíà÷àëå ñëîé ìåòàëëè÷åñêîãî âîäîðîäà, ïî ñâîéñòâàì íàïîìèíàþùåãî æèäêèé ìåòàëë, çàòåì ñëîé æèäêîãî âîäîðîäà. Ïëîòíàÿ àòìîñôåðà Þïèòåðà ñîñòîèò èç âîäîðîäà, ãåëèÿ, ìåòàíà è àììèàêà è ïî òîëùèíå â 8–10 ðàç ïðåâîñõîäèò çåìíóþ àòìîñôåðó. Åñëè ïîïûòàòüñÿ âûñàäèòüñÿ íà Þïèòåð, òî êîñìè÷åñêèé àïïàðàò áóäåò äîëãî òîíóòü â àòìîñôåðå, îäíàêî ïîñàäêè òàê è íå ïðîèçîéäåò. Èç 16 ñïóòíèêîâ Þïèòåðà íàèáîëåå èçâåñòíû ÷åòûðå, îòêðûòûå åùå Ãàëèëååì. Ýòî Èî, Åâðîïà, Ãàíèìåä è Êàëëèñòî. Èî ïî ðàçìåðàì ÷óòü áîëüøå Ëóíû. Ìîùíûå ïðèëèâíûå ñèëû Þïèòåðà ðàçîãðåâàþò ÿäðî Èî, è íà ýòîì ñïóòíèêå èäåò àêòèâíàÿ âóëêàíè÷åñêàÿ äåÿòåëüíîñòü. Ñàòóðí èçâåñòåí ñâîèìè êîëüöàìè. Â íà÷àëå 1980-õ ãã. ñ ïîìîùüþ êîñìè÷åñêîãî çîíäà «Âîÿäæåð» áûëî âûÿñíåíî, ÷òî êîëüöà Ñàòóðíà ñîñòîÿò èç îãðîìíîãî êîëè÷åñòâà êóñêîâ ëüäà ðàçëè÷íîãî ðàçìåðà — îò ïûëèíîê äî ãëûá. Ïîìèìî êîëåö ó Ñàòóðíà åñòü 17 ñïóòíèêîâ, èç êîòîðûõ Òèòàí èìååò ñàìóþ ïëîòíóþ àòìîñôåðó. Ó Ñàòóðíà ñàìàÿ íèç-


145

êàÿ ïëîòíîñòü ñðåäè ïëàíåò Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. Åãî íåáîëüøîå ÿäðî èç ëüäà è êàìíÿ îêðóæåíî ñëîÿìè ìåòàëëè÷åñêîãî è æèäêîãî âîäîðîäà. Â àòìîñôåðå Ñàòóðíà áóøóþò âåòðû, ñêîðîñòü êîòîðûõ äîñòèãàåò 1800 êì/÷. Óðàí, Íåïòóí è Ïëóòîí óäàëåíû íàñòîëüêî, ÷òî äîñòîâåðíîé èíôîðìàöèè îá èõ ñîñòàâå íå óäàâàëîñü ïîëó÷èòü äî 1986 ã. Â 1986 ã. êîñìè÷åñêèé çîíä «Âîÿäæåð-2» ïåðåäàë ôîòîãðàôèè Óðàíà è Íåïòóíà, ïî êîòîðûì áûëè óñòàíîâëåíû ñîñòàâ àòìîñôåðû è íàëè÷èå âèõðåé, à òàêæå îáíàðóæåíû ñïóòíèêè ýòèõ ïëàíåò. Êîìåòû, àñòåðîèäû, ìåòåîðíîå âåùåñòâî. Ïîìèìî 9 êðóïíûõ ñïóòíèêîâ (ïëàíåò) Ñîëíöå èìååò ìíîæåñòâî ìåëêèõ ñïóòíèêîâ, íàçûâàåìûõ àñòåðîèäàìè. Áîëüøèíñòâî èç íèõ íàõîäèòñÿ â ïîÿñå àñòåðîèäîâ, ìåæäó îðáèòàìè Ìàðñà è Þïèòåðà. Åñòü òàêæå ãðóïïà àñòåðîèäîâ (Òðîÿíöû è Ãðåêè), äâèæóùàÿñÿ âäîëü îðáèòû Þïèòåðà, è äðóãèå ãðóïïû. Âñåãî â àñòðîíîìè÷åñêèõ êàòàëîãàõ çàôèêñèðîâàíî áîëåå 6000 ìàëûõ ïëàíåò. Ïîìèìî àñòåðîèäîâ, äâèæóùèõñÿ ïî îðáèòàì, ïîäîáíûì îðáèòàì ïëàíåò, Ñîëíå÷íóþ ñèñòåìó ïåðåñåêàþò êîìåòû. Îðáèòû êîìåò îäíèì êðàåì ïðèáëèæåíû ê Ñîëíöó, äðóãèì óäàëåíû îò íåãî, èíîãäà íà î÷åíü çíà÷èòåëüíûå ðàññòîÿíèÿ. Íàïðèìåð, óäàëåííûé êðàé îðáèòû êîìåòû Ýíêå ñ ïåðèîäîì îáðàùåíèÿ 3,3 ãîäà íå äîñòèãàåò îðáèòû Þïèòåðà. Îðáèòà êîìåòû Ãàëëåÿ ñ ïåðèîäîì îáðàùåíèÿ 76 ëåò íå äîñòèãàåò îðáèòû Ïëóòîíà. Îðáèòà êîìåòû Êîãîóòåêà ñ ïåðèîäîì îáðàùåíèÿ 75 000 ëåò âûõîäèò äàëåêî çà ïðåäåëû îðáèòû Ïëóòîíà. Ïî ñîâðåìåííûì ãèïîòåçàì, êîìåòû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé îãðîìíûå ãëûáû èç ëüäà è êàìíÿ, êîòîðûå èñïàðÿþòñÿ ïðè ïîäõîäå ê Ñîëíöó è îáðàçóþò ãàçîâûé è ïûëåâîé õâîñòû, íàïðàâëåííûå îò Ñîëíöà. Ñî âðåìåíåì êîìåòû ðàññûïàþòñÿ, îñòàâëÿÿ ïîñëå ñåáÿ îáëàêà ïûëè. Åæåãîäíî â àâãóñòå Çåìëÿ ïðîõîäèò ÷åðåç ïîëîñó ïûëè, îñòàâøóþñÿ îò êîìåòû Ñâèôòà-Òóòëÿ, è â ýòè ïåðèîäû ìîæíî íàáëþäàòü ìåòåîðèòíûå äîæäè, íàçûâàåìûå Ïåðñåèäàìè. Çåìëþ åæåñåêóíäíî áîìáàðäèðóþò òûñÿ÷è ìåòåîðèòîâ — îáëîìêîâ êîñìè÷åñêèõ òåë. Îäíàêî áîëüøèíñòâî èç íèõ ñãîðàåò â àòìîñôåðå, íå äîñòèãàÿ ïîâåðõíîñòè Çåìëè. Êðóïíûå ìåòåîðèòû ìîãóò âçðûâàòüñÿ, îñòàâëÿÿ êðàòåðû íà çåìíîé ïîâåðõíîñòè.

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè 1. ×òî èçó÷àþò àñòðîíîìèÿ, êîñìîëîãèÿ, êîñìîãîíèÿ? 2. Êàêèå åäèíèöû èçìåðåíèÿ ðàññòîÿíèé èñïîëüçóþòñÿ â àñòðîíîìèè?

146 Ãëàâà 6. Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà 3. Â ÷åì ñóùíîñòü êîñìîëîãè÷åñêîé ìîäåëè ðàñøèðÿþùåéñÿ Âñåëåííîé? 4. Êàê, ïðåäïîëîæèòåëüíî, ïðîèçîøåë Áîëüøîé Âçðûâ Âñåëåííîé? 5. Êàêîâî ñðåäíåå ðàññòîÿíèå ìåæäó ãàëàêòèêàìè? 6. ×òî òàêîå êâàçàðû? 7. Êàê êëàññèôèöèðóþòñÿ ãàëàêòèêè? Êàêîâî ñòðîåíèå íàøåé Ãàëàêòèêè? 8. Êàêîâ õèìè÷åñêèé ñîñòàâ çâåçä è êàêèì îáðàçîì îí îïðåäåëÿåòñÿ? 9. Êàê õàðàêòåðèçóåòñÿ èíòåíñèâíîñòü áëåñêà çâåçä? 10. Íà êàêèå âèäû êëàññèôèöèðóþòñÿ çâåçäû? 11. Êàêîâî ñòðîåíèå Ñîëíöà? 12. Êàêèå ïðîöåññû ÿâëÿþòñÿ èñòî÷íèêîì ñîëíå÷íîé ýíåðãèè? 13. Îõàðàêòåðèçóéòå ãèïîòåçû âîçíèêíîâåíèÿ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. 14. Äàéòå îáùóþ õàðàêòåðèñòèêó ïëàíåòàì Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû.

Ãëàâà 7 ÏËÀÍÅÒÀ ÇÅÌËß

7.1. Ôîðìà è ðàçìåðû Çåìëè Çåìëÿ ÿâëÿåòñÿ îáúåêòîì èçó÷åíèÿ ìíîãèõ íàóê: îò ãåîëîãèè è òåêòîíèêè äî ôèëîñîôèè è êóëüòóðû. Â ñîâîêóïíîñòè ýòèõ íàóê âûäåëÿþòñÿ îòðàñëåâûå íàóêè, èçó÷àþùèå îòäåëüíûå ÷àñòè âåðòèêàëüíîé è ãîðèçîíòàëüíîé ñòðóêòóðû Çåìëè, è ñèñòåìíûå íàóêè, ñèíòåçèðóþùèå âñþ ñîâîêóïíîñòü çíàíèé î Çåìëå äëÿ ðåøåíèÿ òåîðåòè÷åñêèõ èëè ïðèêëàäíûõ ïðîáëåì. Ñðåäè îòðàñëåâûõ íàóê îñîáîå ðàçâèòèå ïîëó÷èëè ãåîëîãèÿ (íàóêà î ëèòîñôåðå), ãèäðîëîãèÿ (íàóêà î ãèäðîñôåðå), êëèìàòîëîãèÿ (íàóêà îá àòìîñôåðå), ãåîôèçèêà (íàóêà, èçó÷àþùàÿ Çåìëþ êàê ôèçè÷åñêîå òåëî), ãåîõèìèÿ (íàóêà, èçó÷àþùàÿ åñòåñòâåííûå õèìè÷åñêèå ïðîöåññû, ïðîòåêàþùèå â ïðåäåëàõ Çåìëè), ãåîìîðôîëîãèÿ (íàóêà, èçó÷àþùàÿ ðåëüåô Çåìëè), ïî÷âîâåäåíèå (íàóêà, èçó÷àþùàÿ ïî÷âû íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè), áèîãåîãðàôèÿ (íàóêà, èçó÷àþùàÿ ðàñïðåäåëåíèå æèâîãî âåùåñòâà íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè). Ê ñèñòåìíûì íàóêàì îòíîñèòñÿ ãåîãðàôèÿ, ñèíòåçèðóþùàÿ çíàíèÿ îòðàñëåâûõ íàóê ïðèìåíèòåëüíî ê ïîâåðõíîñòè Çåìëè. Ïðè ýòîì ôèçè÷åñêàÿ ãåîãðàôèÿ èçó÷àåò åñòåñòâåííûå ïðèðîäíûå êîìïëåêñû, ôîðìèðóþùèåñÿ íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè â ðåçóëüòàòå âçàèìîäåéñòâèÿ áèîòè÷åñêèõ è àáèîòè÷åñêèõ ôàêòîðîâ, à ñîöèàëüíî-ýêîíîìè÷åñêàÿ ãåîãðàôèÿ èçó÷àåò ñîöèàëüíî-ýêîíîìè÷åñêèå êîìïëåêñû, ôîðìèðóþùèåñÿ íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè â ðåçóëüòàòå îñâîåíèÿ ÷åëîâåêîì åå òåððèòîðèé. Â IV â. äî í. ý. äðåâíåãðå÷åñêèé ó÷åíûé Àðèñòîòåëü çàìåòèë, ÷òî òåíü îò Çåìëè íà Ëóíå, íàáëþäàåìàÿ âî âðåìÿ ëóííûõ çàòìåíèé, âñåãäà èìååò îäèíàêîâóþ êðóãëóþ ôîðìó. Îí ïðåäïîëîæèë, ÷òî Çåìëÿ, êàê Ëóíà è Ñîëíöå, ÿâëÿåòñÿ øàðîîáðàçíûì òåëîì. Ýòî íàáëþäåíèå áûëî î÷åíü âàæíûì äëÿ ðàçâèòèÿ ÷åëîâå÷åñêîé ìûñëè.

148 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ Íî Çåìëÿ — íå èäåàëüíûé øàð, îíà ñïëþñíóòà ó ïîëþñîâ è ðàñøèðåíà ê ýêâàòîðó. Òàêîå ãåîìåòðè÷åñêîå òåëî íàçûâàåòñÿ ñôåðîèäîì, èëè ýëëèïñîèäîì âðàùåíèÿ. Îäíàêî èñòèííàÿ ôîðìà Çåìëè ñëîæíåå èç-çà íåîäíîðîäíîãî ñòðîåíèÿ íåäð. Èçâåñòíûé ó÷åíûé Â. È. Âåðíàäñêèé íàçâàë òàêóþ ôîðìó ãåîèä («çåìëåïîäîáíûé»). Ãåîèä — ýòî ôèãóðà, ïîâåðõíîñòü êîòîðîé âñþäó ïåðïåíäèêóëÿðíà íàïðàâëåíèþ ñèëû òÿæåñòè. Ïîâåðõíîñòü ãåîèäà ñîâïàäàåò ñ óðîâíåì Ìèðîâîãî îêåàíà è ñîîáùàþùèõñÿ ñ íèì ìîðåé ïðè íåêîòîðîì ñðåäíåì óðîâíå âîäû, îòñóòñòâèè òå÷åíèé, âîëí, ïðèëèâîâ è äð. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ñ ïîìîùüþ êîñìè÷åñêèõ ìåòîäîâ èññëåäîâàíèÿ ó÷åíûå ñ äîñòàòî÷íîé ñòåïåíüþ òî÷íîñòè ìîãóò ñîñòàâèòü ìîäåëü ïîâåðõíîñòè Çåìëè, êîòîðóþ ïî ôîðìå èíîãäà ñðàâíèâàþò ñ îáêóñàííûì ÿáëîêîì, ïîä÷åðêèâàÿ ïðè ýòîì íåîäíîðîäíîñòü åå ïîâåðõíîñòè. Ïîëÿðíûé ðàäèóñ Çåìëè ñîñòàâëÿåò 6357 êì, à ýêâàòîðèàëüíûé — 6378 êì, òî åñòü áîëüøå ïîëÿðíîãî íà 21 êì (ðèñ. 7.1).

Ðèñ. 7.1. Ôîðìà è ðàçìåðû Çåìëè

} Çåìíàÿ îñü — ýòî âîîáðàæàåìàÿ ïðÿìàÿ, ïðîõîäÿùàÿ ÷åðåç öåíòð Çåìëè. Äâå òî÷êè, ÷åðåç êîòîðûå ïðîõîäèò îñü Çåìëè, íàçûâàþòñÿ ïîëþñàìè. Èõ äâà — Ñåâåðíûé è Þæíûé.

7.2. Êîñìè÷åñêèå ðèòìû

149

Íà îäèíàêîâîì ðàññòîÿíèè îò ïîëþñîâ ïðîõîäèò âîîáðàæàåìàÿ ëèíèÿ — ýêâàòîð. Ê ñåâåðó îò ýêâàòîðà — Ñåâåðíîå ïîëóøàðèå, ê þãó — Þæíîå. Äëèíà ýêâàòîðà ñîñòàâëÿåò íåìíîãèì áîëåå 40 000 êì.

7.2. Êîñìè÷åñêèå ðèòìû Æèçíü ïðèðîäû è ÷åëîâåêà ïîä÷èíåíà êîñìè÷åñêèì ðèòìàì. Â îñíîâå ñìåíû äíÿ è íî÷è, ëåòà è çèìû, õîðîøèõ è ïëîõèõ ëåò ëåæàò êîñìè÷åñêèå ïðîöåññû, ñâÿçàííûå ñ äâèæåíèåì êîñìè÷åñêèõ òåë îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà. Òàê, ñìåíà äíÿ è íî÷è îáóñëîâëåíà âðàùåíèåì Çåìëè âîêðóã ñâîåé îñè, ìåñÿ÷íûé è íåäåëüíûé ðèòìû îáóñëîâëåíû îáðàùåíèåì Ëóíû âîêðóã Çåìëè, ÷åðåäîâàíèå ñåçîíîâ ãîäà ñâÿçàíî ñ îáðàùåíèåì Çåìëè âîêðóã Ñîëíöà (ïðèáëèæåíèåì è óäàëåíèåì îò Ñîëíöà), ÷åðåäîâàíèå õîðîøèõ è ïëîõèõ ëåò — ñ ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòüþ. Ñ ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòüþ ñâÿçûâàþò òðè âèäà ðèòìîâ: 11-ëåòíèé ðèòì, 22–23-ëåòíèé ðèòì, 80–90-ëåòíèé ðèòì. Îáðàùåíèå Çåìëè âìåñòå ñî âñåé Ñîëíå÷íîé ñèñòåìîé âîêðóã öåíòðà Ãàëàêòèêè çà 220–250 ìëí ëåò îïðåäåëÿåò ãåîëîãè÷åñêóþ ðèòìèêó, òî åñòü ñìåíó ãåîëîãè÷åñêèõ ýïîõ. Ïîñêîëüêó ñóùåñòâóþò åùå ãðàâèòàöèîííûå ñâÿçè ìåæäó ïëàíåòàìè, äâèæåíèå êîìåò è ìíîãèå äðóãèå âçàèìîäåéñòâèÿ, êîëè÷åñòâî êîñìè÷åñêèõ ðèòìîâ ìîæåò áûòü âåñüìà çíà÷èòåëüíûì. ßñíî, ÷òî âñå îíè òàê èëè èíà÷å îêàçûâàþò âîçäåéñòâèå íà íåæèâóþ ïðèðîäó, æèâóþ ïðèðîäó è ÷åëîâåêà. Íàèáîëåå î÷åâèäíûì ðèòìîì ÿâëÿåòñÿ ñìåíà äíÿ è íî÷è. Æèâîòíûé è ðàñòèòåëüíûé ìèðû îáÿçàíû ïðèñïîñàáëèâàòüñÿ ê ýòîìó ðèòìó äëÿ óñïåøíîé æèçíåäåÿòåëüíîñòè. Ëþäè, íàáëþäàÿ çà Ñîëíöåì, çàìåòèëè, ÷òî ÷åðåç îïðåäåëåííîå âðåìÿ ïîâòîðÿåòñÿ âîñõîä è çàõîä Ñîëíöà.

} Ïðîìåæóòîê âðåìåíè ìåæäó äâóìÿ âîñõîäàìè (èëè çàõîäàìè) íàçûâàåòñÿ ñóòêàìè.

Ñîëíöå ïîñòîÿííî îñâåùàåò Çåìëþ, îäíàêî âî âðåìÿ ñâîåãî äâèæåíèÿ Çåìëÿ ïîâîðà÷èâàåòñÿ ê Ñîëíöó òî îäíîé ñòîðîíîé, òî äðóãîé. Íà îñâåùåííîé Ñîëíöåì ñòîðîíå áûâàåò äåíü, íà ïðîòèâîïîëîæíîé — â ýòî âðåìÿ íî÷ü. Çåìëÿ ñîâåðøàåò ïîëíûé îáîðîò âîêðóã ñâîåé îñè ñ çàïàäà íà âîñòîê çà 24 ÷àñà, òî åñòü çà ñóòêè. Â ðàçíûõ ìåñòàõ çåìíîãî øàðà, ðàñïî-

150 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ ëîæåííûõ íà ðàçíûõ ìåðèäèàíàõ, òî åñòü èìåþùèõ ðàçíóþ äîëãîòó, â îäèí è òîò æå ìîìåíò ÷àñû ïîêàçûâàþò ðàçíîå âðåìÿ ñóòîê. Íî íà îäíîì è òîì æå ìåðèäèàíå â êàæäîé åãî òî÷êå îò Ñåâåðíîãî ïîëþñà äî Þæíîãî âðåìÿ ñóòîê îêàçûâàåòñÿ îäíèì è òåì æå. Ýòî âðåìÿ íàçûâàåòñÿ ìåñòíûì. Íî ïîëüçîâàòüñÿ ìåñòíûì âðåìåíåì íåóäîáíî, ýòî ìåøàåò ïðè îñóùåñòâëåíèè ñâÿçåé ìåæäó ðàçíûìè ñòðàíàìè è ìåæäó ÷àñòÿìè íàøåé îãðîìíîé ïî ïðîòÿæåííîñòè ñ çàïàäà íà âîñòîê ñòðàíû. Ïîýòîìó àñòðîíîìû ðàçðàáîòàëè è ïðåäëîæèëè ââåñòè ñèñòåìó ïîÿñíîãî âðåìåíè. Äëÿ óäîáñòâà îòñ÷åòà âðåìåíè ðåøåíèåì Ìåæäóíàðîäíîãî êîíãðåññà ïîâåðõíîñòü Çåìëè ðàçäåëèëè ìåðèäèàíàìè íà 24 ÷àñîâûõ ïîÿñà, êàæäûé èç íèõ âêëþ÷àåò â ñåáÿ 15° äîëãîòû (Çåìëÿ çà 1 ÷àñ ïîâîðà÷èâàåòñÿ íà 15°). Âðåìÿ êàæäîãî ÷àñîâîãî ïîÿñà îòëè÷àåòñÿ îò ïîñëåäóþùåãî íà 1 ÷àñ. Íóìåðàöèÿ ïîÿñîâ îò 0 äî 23 âåäåòñÿ ñ çàïàäà íà âîñòîê îò Ãðèíâè÷ñêîãî ìåðèäèàíà. Âî âñåõ ïóíêòàõ, íàõîäÿùèõñÿ â ïðåäåëàõ îäíîãî ïîÿñà, â äàííûé ìîìåíò ñ÷èòàåòñÿ îäíî è òî æå âðåìÿ. Ìîñêâà íàõîäèòñÿ âî 2-ì ÷àñîâîì ïîÿñå. Âî ìíîãèõ ñòðàíàõ ìèðà îñóùåñòâëÿåòñÿ ïåðåõîä íà äåêðåòíîå âðåìÿ (îò ëàò. decretum — óêàç, ïîñòàíîâëåíèå) — ïîÿñíîå âðåìÿ, ïåðåâåäåííîå âïåðåä èëè íàçàä íà 1 ÷àñ ñ öåëüþ íàèáîëåå ðàöèîíàëüíîãî èñïîëüçîâàíèÿ ñâåòëîé ÷àñòè ñóòîê (ëåòíåå èëè çèìíåå âðåìÿ). Â Ðîññèè ïîÿñíîå âðåìÿ îòëè÷àåòñÿ îò äåêðåòíîãî íà 1 ÷àñ. Ïîýòîìó Ìîñêâà, íàõîäÿñü âî 2-ì ÷àñîâîì ïîÿñå, ïðàêòè÷åñêè æèâåò ïî âðåìåíè 3-ãî ÷àñîâîãî ïîÿñà. Òàêèì îáðàçîì, êîãäà â Ìîñêâå 13 ÷àñîâ (ìîñêîâñêîå âðåìÿ), òî â Ïàðèæå — 11 ÷àñîâ (ñðåäíååâðîïåéñêîå âðåìÿ), â Ëîíäîíå — 10 ÷àñîâ (Ãðèíâè÷ñêîå âðåìÿ) (ðèñ. 7.2). Ñêîðîñòü äâèæåíèÿ ïëàíåò âîêðóã Ñîëíöà çàâèñèò â ïåðâóþ î÷åðåäü îò ïîëîæåíèÿ èõ îðáèò. ×åì äàëüøå íàõîäèòñÿ ïëàíåòà îò Ñîëíöà, òåì áîëüøå åå îðáèòà, òåì äëèííåå åå ãîä. Íàïðèìåð, ãîä íà Þïèòåðå ïðîäîëæàåòñÿ ïî÷òè 12 çåìíûõ ëåò, íà Ñàòóðíå — ïî÷òè 30. Ñàìàÿ äàëåêàÿ ïëàíåòà Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû Ïëóòîí äåëàåò îäèí îáîðîò âîêðóã Ñîëíöà çà 248 çåìíûõ ëåò. Çåìëÿ — òðåòüÿ ïî ñ÷åòó ïëàíåòà â Ñîëíå÷íîé ñèñòåìå. Îíà ñîâåðøàåò îäèí îáîðîò âîêðóã Ñîëíöà çà 365 äíåé 6 ÷àñîâ 9 ìèíóò è 9 ñåêóíä. Äëÿ óäîáñòâà ñ÷èòàþò, ÷òî â ãîäó 365 äíåé, à ÷åðåç êàæäûå ÷åòûðå ãîäà, êîãäà èç øåñòè ÷àñîâ «íàêîïÿòñÿ» 24 ÷àñà, â ãîäó áûâàåò 366 äíåé. Ýòîò ãîä íàçûâàåòñÿ âèñîêîñíûì, à îäèí äåíü ïðèáàâëÿåòñÿ ê ôåâðàëþ. Ïóòü Çåìëè âîêðóã Ñîëíöà — çåìíàÿ îðáèòà — èìååò ôîðìó ýëëèïñà. Ñðåäíåå ðàññòîÿíèå îò Çåìëè äî Ñîëíöà 149,6 ìëí êì. Îñü âðàùåíèÿ Çåìëè íàêëîíåíà ê ïëîñêîñòè çåìíîé îðáèòû ïîä óãëîì 66,5°.

Ðèñ. 7.2. ×àñîâûå ïîÿñà Çåìëè


151

152 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ Áëàãîäàðÿ îáðàùåíèþ Çåìëè âîêðóã Ñîëíöà è ïîñòîÿííîìó íàêëîíó çåìíîé îñè íà íàøåé ïëàíåòå ñìåíÿþòñÿ âðåìåíà ãîäà è ñóùåñòâóþò ïîÿñà îñâåùåííîñòè. Íàáëþäåíèÿ ïîêàçûâàþò, ÷òî â íàøó ýïîõó ïîëîæåíèå ïëàíåòû â Ñîëíå÷íîé ñèñòåìå ïðàêòè÷åñêè íå ìåíÿëîñü è çåìíîé ãîä — âåëè÷èíà äîñòàòî÷íî ïîñòîÿííàÿ. Ñìåíà âðåìåí ãîäà. Íà ðèñ. 7.3 ïîêàçàíî ãîäîâîå äâèæåíèå Çåìëè âîêðóã Ñîëíöà â ðàçíîå âðåìÿ ãîäà. Ëåòîì Ñåâåðíîå ïîëóøàðèå êàê áû ïîâåðíóòî ê Ñîëíöó, à çèìîé — íàîáîðîò. 23 ñåíòÿáðÿ è 21 ìàðòà — äíè îñåííåãî è âåñåííåãî ðàâíîäåíñòâèÿ, êîãäà Ñîëíöå îäèíàêîâî îñâåùàåò îáà ïîëóøàðèÿ Çåìëè. Â ýòîò äåíü è â Ñåâåðíîì è â Þæíîì ïîëóøàðèè äåíü ðàâåí íî÷è. 22 äåêàáðÿ — äåíü çèìíåãî ñîëíöåñòîÿíèÿ: ñàìûé êîðîòêèé äåíü è ñàìàÿ äëèííàÿ íî÷ü â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè. Çåìëÿ îáðàùåíà ê Ñîëíöó ñâîèì Þæíûì ïîëóøàðèåì. Òàì ëåòî. Ó íàñ çèìà.

Ðèñ. 7.3. Ñõåìà ãîäîâîãî äâèæåíèÿ Çåìëè âîêðóã Ñîëíöà

} Òðîïèêè (îò ãðå÷. tropikos — êðóã ïîâîðîòà) — ãåîãðàôè÷åñêèå ïàðàëëåëè 23°27’ øèðîòû, íà êîòîðûõ îäèí ðàç â ãîä, â îäèí èç äíåé ñîëíöåñòîÿíèÿ, ïîëóäåííîå ñîëíöå áûâàåò â çåíèòå.

22 äåêàáðÿ, â äåíü çèìíåãî ñîëíöåñòîÿíèÿ, Ñîëíöå íàõîäèòñÿ â ïîëäåíü â çåíèòå äëÿ ìåñò, ëåæàùèõ â Þæíîì òðîïèêå (òðîïèê Êîçåðîãà). 22 èþíÿ — äåíü ëåòíåãî ñîëíöåñòîÿíèÿ, êîãäà ñàìûé äëèííûé äåíü è ñàìàÿ êîðîòêàÿ íî÷ü â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè. Â ýòîò äåíü Ñîëíöå â çåíèòå íàáëþäàþò æèòåëè ìåñò, ðàñïîëîæåííûõ â Ñåâåðíîì òðîïèêå


153

(òðîïèê Ðàêà). Â Þæíîì ïîëóøàðèè â ýòî âðåìÿ çèìà, â Ñåâåðíîì — ëåòî.

} Ïîëÿðíûå êðóãè — ãåîãðàôè÷åñêèå ïàðàëëåëè 66°33’ øèðîòû, íà êîòîðûõ â îäèí èç äíåé ñîëíöåñòîÿíèÿ íàáëþäàåòñÿ ïîëÿðíûé äåíü, à â äðóãîé — ïîëÿðíàÿ íî÷ü. Îíè ÿâëÿþòñÿ ãðàíèöàìè çîí ïîëÿðíûõ íî÷åé è ïîëÿðíûõ äíåé.

Ïîëÿðíàÿ íî÷ü ìîæåò äëèòüñÿ â ïîëÿðíûõ ïîÿñàõ îò 1 ñóòîê íà øèðîòå Ñåâåðíîãî èëè Þæíîãî ïîëÿðíûõ êðóãîâ äî 178 ñóòîê íà Ñåâåðíîì èëè Þæíîì ïîëþñàõ. Âî âðåìÿ ïîëÿðíîé íî÷è Ñîëíöå íå ïîÿâëÿåòñÿ íàä ãîðèçîíòîì. Â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè íà øèðîòå Ñåâåðíîãî ïîëÿðíîãî êðóãà ýòîò ïåðèîä íà÷èíàåòñÿ 22 äåêàáðÿ, à â áîëåå âûñîêèõ øèðîòàõ — ðàíüøå è äëèòñÿ äîëüøå. Ïîëÿðíûé äåíü — ýòî ïåðèîä, êîãäà Ñîëíöå íå ñïóñêàåòñÿ çà ãîðèçîíò. ×åì äàëüøå îò Ïîëÿðíîãî êðóãà ê ïîëþñó, òåì äëèííåå ïîëÿðíûé äåíü. Íà øèðîòå Ïîëÿðíîãî êðóãà îí äëèòñÿ 1 ñóòêè, à íà ïîëþñå — 189 ñóòîê. Â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè íà øèðîòå Ñåâåðíîãî ïîëÿðíîãî êðóãà ïîëÿðíûé äåíü íà÷èíàåòñÿ 22 èþíÿ, à â áîëåå âûñîêèõ øèðîòàõ — ðàíüøå è äëèòñÿ äîëüøå. Àíàëîãè÷íîå ÿâëåíèå èìååò ìåñòî â Þæíîì ïîëóøàðèè, íî â äðóãîå ïîëóãîäèå. Êàëåíäàðíûå ñèñòåìû. Íà îñíîâå êîñìè÷åñêîé ðèòìèêè ñîçäàíû ðàçëè÷íûå êàëåíäàðíûå ñèñòåìû. Èçâåñòíû âèçàíòèéñêèé è èóäåéñêèé êàëåíäàðè, âåäóùèå îòñ÷åò îò ìèôè÷åñêîãî ñîòâîðåíèÿ ìèðà (01.09.5508 ã. äî í. ý.), äðåâíåãðå÷åñêèé (íà÷àëî îòñ÷åòà — ïåðâûå Îëèìïèéñêèå èãðû — 01.07.776 ã. äî í. ý.), õðèñòèàíñêèé (îò äàòû ðîæäåíèÿ Õðèñòà — 01.01.01 ã. í. ý.), ìóñóëüìàíñêèé (áåãñòâî Ìóõàììåäà èç Ìåêêè — 16.07.622 ã. í. ý.). Äðåâíååãèïåòñêèé êàëåíäàðü (ñîëíå÷íûé) áàçèðîâàëñÿ íà íåñêîëüêèõ êîñìè÷åñêèõ è ïðèðîäíûõ ðèòìàõ. Òàê, ãëàâíûé öèêë (ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ 1460 ëåò) íà÷èíàëñÿ ñ âîñõîäà çâåçäû Ñèðèóñ. Ãîä ñîñòîÿë èç 12 ìåñÿöåâ ïî 30 äíåé, 5 äíåé ïðèáàâëÿëèñü ê ïîñëåäíåìó ìåñÿöó â êîíöå êàæäîãî ãîäà. 12 ìåñÿöåâ ðàñïðåäåëÿëèñü ïî òðåì ñåçîíàì: ñåçîíó ïîëîâîäüÿ (ðåêè Íèë), äëèâøåìóñÿ ñ ñåðåäèíû èþëÿ äî ñåðåäèíû íîÿáðÿ; ñåçîíó âîñõîäîâ (ñ ñåðåäèíû íîÿáðÿ äî ñåðåäèíû ìàðòà); ñåçîíó çàñóõè. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ âî âñåõ öèâèëèçîâàííûõ ñòðàíàõ èñïîëüçóåòñÿ ãðèãîðèàíñêèé êàëåíäàðü. Ýòî ñîëíå÷íûé êàëåíäàðü, ðàçðàáîòàííûé âðà÷îì è ìàòåìàòèêîì Ë. Ëèëèî è ââåäåííûé ïàïîé ðèìñêèì Ãðèãîðè-

154 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ åì ÕIII â 1582 ã. Ñðåäíÿÿ ïðîäîëæèòåëüíîñòü ãîäà â ýòîì êàëåíäàðå — 365,2425 ñóòîê, ÷òî äàåò îøèáêó â îäíè ñóòêè çà 3300 ëåò. Ñ 5 îêòÿáðÿ 1582 ãîäà (ñ 15 îêòÿáðÿ ïî ãðèãîðèàíñêîìó êàëåíäàðþ) ðàñõîæäåíèå ìåæäó ñòàðûì (þëèàíñêèì) è íîâûì ñòèëåì ñîñòàâëÿëî 10 ñóòîê, à ñ ìàðòà 1900 ã. — óæå 13 ñóòîê. Â Ðîññèè ãðèãîðèàíñêèé êàëåíäàðü ââåäåí 1 ôåâðàëÿ 1918 ã. (14 ôåâðàëÿ ïî ãðèãîðèàíñêîìó êàëåíäàðþ). Âî ìíîãèõ ìóñóëüìàíñêèõ ñòðàíàõ ïðèíÿò ëóííûé êàëåíäàðü, áàçèðóþùèéñÿ íà ñìåíå ôàç Ëóíû, — íîâîëóíèå; íàðîæäàþùàÿñÿ Ëóíà (ñåðï ïîâåðíóò ðîæêàìè âëåâî); íåïîëíàÿ Ëóíà; ïîëíîëóíèå; ñíîâà íåïîëíàÿ Ëóíà; óáûâàþùàÿ Ëóíà (ñåðï ïîâåðíóò ðîæêàìè âïðàâî). Ïåðèîä ìåæäó äâóìÿ íîâîëóíèÿìè (29,5 ñóòîê) — ëóííûé ìåñÿö. Â êàëåíäàðíîì ìåñÿöå ëóííîãî êàëåíäàðÿ ÷åðåäóþòñÿ 29 è 30 äíåé. 12 êàëåíäàðíûõ ìåñÿöåâ ñîñòàâëÿþò ëóííûé ãîä ïðîäîëæèòåëüíîñòüþ 354 ñóòîê, òî åñòü êîðî÷å ñîëíå÷íîãî íà 11 ñóòîê. Íà÷àëî ëóííîãî ãîäà îòîäâèãàåòñÿ íà âñå áîëåå ðàííèå äàòû ñîëíå÷íîãî êàëåíäàðÿ.

7.3. Çîíàëüíûå êîìïëåêñû Íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè ìîæíî âûäåëèòü 11 çîíàëüíûõ êîìïëåêñîâ ñ ãðàíèöàìè, ïðèáëèçèòåëüíî ïàðàëëåëüíûìè ýêâàòîðó. Íà ôîðìèðîâàíèå çîí âëèÿþò òðè îñíîâíûå ïðè÷èíû: ïîëîæåíèå Çåìëè ïî îòíîøåíèþ ê Ñîëíöó, îñîáåííîñòè ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ òåïëà è âëàãè ïî ïîâåðõíîñòè Çåìëè ñ âîçäóøíûìè è îêåàíè÷åñêèìè òå÷åíèÿìè è êîíôèãóðàöèÿ îêåàíîâ è êîíòèíåíòîâ. Íåðàâíîìåðíàÿ îñâåùåííîñòü çåìíîé ïîâåðõíîñòè ñîëíå÷íûìè ëó÷àìè ÿâëÿåòñÿ ãëàâíîé ïðè÷èíîé îáðàçîâàíèÿ çîí. Îíà çàâèñèò îò óãëà ïàäåíèÿ ñîëíå÷íûõ ëó÷åé è äëèòåëüíîñòè îñâåùåíèÿ òåððèòîðèè. Òàêèì îáðàçîì, ãëîáàëüíàÿ ñèñòåìà ðàáîòàåò êàê òåïëîâàÿ ìàøèíà, ïðèíèìàÿ ñîëíå÷íîå èçëó÷åíèå, ïðåîáðàçóÿ åãî â òåïëî è ïåðåðàñïðåäåëÿÿ òåïëî ïî âñåé ïîâåðõíîñòè Çåìëè. Ïîñêîëüêó Çåìëÿ âðàùàåòñÿ íå òîëüêî âîêðóã Ñîëíöà, íî è âîêðóã ñâîåé îñè, ïîòîêè âîçäóõà â òðîïîñôåðå è îêåàíè÷åñêèå òå÷åíèÿ ïðèîáðåòàþò ìîìåíò âðàùåíèÿ è ôîðìèðóþò âåðòèêàëüíûå (ïåðïåíäèêóëÿðíûå ïîâåðõíîñòè Çåìëè) è ãîðèçîíòàëüíûå (ïàðàëëåëüíûå ïîâåðõíîñòè Çåìëè) êðóãîâîðîòû. Íà ôîðìèðîâàíèå çîí âëèÿåò òàêæå êîíôèãóðàöèÿ êîíòèíåíòîâ è îêåàíîâ. Â îêåàíàõ çîíû ðàçìåùåíû áîëåå ðàâíîìåðíî, ïîñêîëüêó âîäà âûñòóïàåò êàê äîñòàòî÷íî îäíîðîäíàÿ ñóáñòàíöèÿ, âûðàâíèâàþùàÿ òåìïåðàòóðíûå ðàçëè÷èÿ. Íà êîíòèíåíòàõ ãðàíèöû çîí çàâèñÿò îò ðåëüåôà ìåñòíîñòè è óäàëåííîñòè ó÷àñòêîâ îò îêåàíîâ. Íàïðèìåð,

7.4. Êîìïëåêñíûå ïðèðîäíûå çîíû

155

â ãîðíûõ ðàéîíàõ îòìå÷àåòñÿ òàê íàçûâàåìàÿ âåðòèêàëüíàÿ çîíàëüíîñòü, ðàñïðîñòðàíÿþùàÿñÿ è íà ïðèìûêàþùèå òåððèòîðèè (êàê â Ñåâåðíîé è Þæíîé Àìåðèêå), à çíà÷èòåëüíîå óäàëåíèå ó÷àñòêîâ îò îêåàíîâ ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ âíóòðèñóòî÷íûõ è ìåæñåçîííûõ òåìïåðàòóðíûõ êîíòðàñòîâ (óñèëåíèå «êîíòèíåíòàëüíîãî» êëèìàòà). Ïîìèìî ðàñïðåäåëåíèÿ òåïëà îãðîìíîå çíà÷åíèå äëÿ æèâîé ïðèðîäû è ÷åëîâåêà èìååò ðàñïðåäåëåíèå âëàãè. Îíî ïîä÷èíÿåòñÿ òåì æå çîíàëüíûì çàêîíîìåðíîñòÿì, îäíàêî èìååò ñâîè ïðè÷èíû è îñîáåííîñòè. Íàñûùåíèå âîçäóõà âîäÿíûì ïàðîì ïðîèñõîäèò â æàðêîì ïîÿñå (ýêâàòîð è òðîïèêè) íàä âîäíîé ïîâåðõíîñòüþ. Îäíàêî âûïàäåíèå îñàäêîâ, îáåñïå÷èâàþùèõ ãëàâíûé èñòî÷íèê âëàãè äëÿ ôëîðû è ôàóíû, çàâèñèò îò óñëîâèé êîíäåíñàöèè âîäÿíîãî ïàðà. Ýòè óñëîâèÿ ñóùåñòâóþò ïðè âîñõîäÿùèõ ïîòîêàõ íàñûùåííîãî âîäÿíûìè ïàðàìè òåïëîãî âîçäóõà, îñòûâàþùåãî ïðè ïîäúåìå (óñëîâèÿ ýêâàòîðà, íàâåòðåííûõ ñêëîíîâ ãîð, àòìîñôåðíûõ ôðîíòîâ â óìåðåííûõ øèðîòàõ è äð.). Îáùèì ïðàâèëîì ÿâëÿåòñÿ îáèëüíîå âûïàäåíèå îñàäêîâ â ðàéîíàõ ñ íèçêèì àòìîñôåðíûì äàâëåíèåì (âîñõîäÿùèå ïîòîêè âîçäóõà) è íåáîëüøîå êîëè÷åñòâî îñàäêîâ â ðàéîíå ñ âûñîêèì äàâëåíèåì.

7.4. Êîìïëåêñíûå ïðèðîäíûå çîíû Íàëîæåíèå ïðèðîäíûõ ïîÿñîâ äðóã íà äðóãà è ïðèâîäèò ê ôîðìèðîâàíèþ êîìïëåêñíûõ ïðèðîäíûõ çîí, îòëè÷àþùèõñÿ ñî÷åòàíèåì òåìïåðàòóðíûõ óñëîâèé (æàðêèé, óìåðåííûé, õîëîäíûé) è âëàæíîñòè, èëè êëèìàòè÷åñêèõ çîí. Â òîì ñëó÷àå, êîãäà êîëè÷åñòâî îñàäêîâ ïðåâûøàåò èõ èñïàðåíèå, ôîðìèðóåòñÿ ãóìèäíàÿ (âëàæíàÿ) çîíà. Êîãäà êîëè÷åñòâî îñàäêîâ ïðèìåðíî ðàâíî èñïàðåíèþ, ôîðìèðóåòñÿ ðàâíîâåñíàÿ çîíà, è, íàêîíåö, â ñëó÷àå ïðåâûøåíèÿ èñïàðåíèÿ íàä îñàäêàìè ôîðìèðóåòñÿ àðèäíàÿ (ñóõàÿ) çîíà. Îò ýêâàòîðó ê ïîëþñó îíè èäóò â ñëåäóþùåì ïîðÿäêå. 1. Òðîïè÷åñêèé ïîÿñ ëåæèò ìåæäó òðîïèêàìè, ïî îáå ñòîðîíû îò ýêâàòîðà, è çàíèìàåò îêîëî 40% çåìíîé ïîâåðõíîñòè (â ýòîì ïîÿñå Ñîëíöå ïî îäíîìó ðàçó â ãîä (â äíè ñîëíöåñòîÿíèÿ) áûâàåò â çåíèòå íàä êàæäûì èç òðîïèêîâ). 1) æàðêàÿ âëàæíàÿ çîíà (èçáûòîê òåïëà è âëàãè) — îò 0° äî 10° ñ. ø. è þ. ø.;

156 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ 2) æàðêàÿ ðàâíîâåñíàÿ çîíà (èçáûòîê òåïëà, ðàâíîâåñèå âëàãè) — îò 10° äî 20° ñ. ø. è þ. ø.; 3) æàðêàÿ àðèäíàÿ çîíà (èçáûòîê òåïëà, äåôèöèò âëàãè) — îò 20° äî 40° ñ. ø. è þ. ø. 2. Äâà óìåðåííûõ ïîÿñà (Ñåâåðíûé è Þæíûé) ðàñïîëîæåíû ìåæäó òðîïèêàìè è ïîëÿðíûìè êðóãàìè. Ñîëíöå â íèõ íèêîãäà íå áûâàåò â çåíèòå. Â òå÷åíèå ñóòîê îáÿçàòåëüíî ïðîèñõîäèò ñìåíà äíÿ è íî÷è, ïðè÷åì ïðîäîëæèòåëüíîñòü èõ çàâèñèò îò øèðîòû è âðåìåíè ãîäà. ×åòêî âûðàæåíû ÷åòûðå âðåìåíè ãîäà. Óìåðåííûå ïîÿñà çàíèìàþò 52% çåìíîé ïîâåðõíîñòè: 1) óìåðåííàÿ ðàâíîâåñíàÿ çîíà (ðàâíîâåñèå òåïëà è âëàãè) — îò 40° äî 50° ñ. ø. è þ. ø.; 2) óìåðåííàÿ ãóìèäíàÿ çîíà (ðàâíîâåñèå òåïëà, èçáûòîê âëàãè) — îò 50° äî 70° ñ. ø. è þ. ø. 3. Äâà ïîëÿðíûõ ïîÿñà (Ñåâåðíûé è Þæíûé) — ê ñåâåðó îò Ñåâåðíîãî ïîëÿðíîãî êðóãà è ê þãó îò Þæíîãî ïîëÿðíîãî êðóãà — õàðàêòåðèçóþòñÿ íàëè÷èåì ïîëÿðíûõ äíåé è íî÷åé. Èõ ïëîùàäü — 8% çåìíîé ïîâåðõíîñòè: ïîëÿðíàÿ çîíà (íåõâàòêà òåïëà, èçáûòîê ïî÷âåííîé âëàãè è ñóõîé âîçäóõ) — îò 70° äî 90° ñ. ø. è þ. ø. Ïîñêîëüêó æàðêàÿ âëàæíàÿ çîíà ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ïî îáå ñòîðîíû îò ýêâàòîðà, à îñòàëüíûå ïÿòü çîí ðàñïîëîæåíû ñèììåòðè÷íî â Ñåâåðíîì è Þæíîì ïîëóøàðèÿõ, îáùåå êîëè÷åñòâî çîíàëüíûõ ñòðóêòóð ñîñòàâëÿåò 11. Ê íèì íåîáõîäèìî äîáàâèòü ãîðíûå ðàéîíû, ãäå çîíàëüíîñòü ñîîòâåòñòâóåò íå òîëüêî øèðîòíîìó ïîëîæåíèþ òåððèòîðèè, íî è âûñîòå ãîð, ýêñïîçèöèè ñêëîíîâ è íàâåòðåííîìó (ïîäâåòðåííîìó) ïîëîæåíèþ ñêëîíîâ è õðåáòîâ. Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî ãðàíèöû çîí íåóñòîé÷èâû. Â çàâèñèìîñòè îò èçìåíåíèÿ êîñìè÷åñêèõ ôàêòîðîâ, à òàêæå äèíàìèêè ïîäñèñòåì íåæèâîé è æèâîé ïðèðîäû ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóð è âëàãè íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè ìåíÿåòñÿ è ãðàíèöû çîí òðàíñôîðìèðóþòñÿ. Â äàëåêîì ïðîøëîì èçâåñòíû ïåðèîäû, êîãäà áîëüøóþ ÷àñòü ñóøè çàíèìàëè âëàæíûå ëåñà (350 ìëí ëåò íàçàä) èëè îáøèðíûå ïóñòûíè (280 ìëí ëåò íàçàä). Äàæå â ïåðèîä ñóùåñòâîâàíèÿ ÷åëîâåêà íà Çåìëå (4 ìëí ëåò) ãðàíèöû çîí ðåçêî èçìåíÿëèñü â ñâÿçè ñ êðóïíûìè ìàòåðèêîâûìè îëåäåíåíèÿìè. Èçìåíåíèÿ ãðàíèö ïðèðîäíûõ çîí îêàçàëè ïðîãðåññèâíîå âëèÿíèå íà äðåâíåãî ÷åëîâåêà, êîòîðûé áûë âûíóæäåí ïðèñïîñàáëèâàòüñÿ ê èçìåíåíèÿì êëèìàòà

7.5. Ïîíÿòèå î ëèòîñôåðå

157

è ýêîñèñòåì, èñïîëüçîâàòü ïåùåðû, îãîíü, øêóðû, îðóäèÿ òðóäà, îäîìàøíèâàòü æèâîòíûõ è ðàñòåíèÿ è ò. ä. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ íà èçìåíåíèå ãðàíèö âëèÿþò íå òîëüêî êîñìè÷åñêèå ôàêòîðû èëè ïðîöåññû â íåæèâîé ïðèðîäå, íî ãëàâíûì îáðàçîì õîçÿéñòâåííàÿ äåÿòåëüíîñòü îáùåñòâà. Òàê, ïîòåïëåíèå êëèìàòà ñìåùàåò ãðàíèöû âñåõ çîí ê Ñåâåðíîìó è Þæíîìó ïîëþñàì, à âûðóáêà ëåñîâ è ñåëüñêîõîçÿéñòâåííîå èñïîëüçîâàíèå ðàâíîâåñíîé çîíû ïðèâîäèò ê ðàñøèðåíèþ àðèäíîé çîíû ñî ñêîðîñòüþ äî 24 êì2 â ÷àñ, èëè 21 ìëí ãà â ãîä. Ðåçóëüòàòîì ïðîöåññà îïóñòûíèâàíèÿ ìîæåò ñòàòü ðàñøèðåíèå àðèäíîé çîíû ñ 50 ìëí êì2 äî 80 ìëí êì2, ÷òî ñîñòàâèò 62% âñåé ñóøè, ïðèãîäíîé äëÿ ñóùåñòâîâàíèÿ îáùåñòâà.

7.5. Ïîíÿòèå î ëèòîñôåðå Âíóòðåííåå ñòðîåíèå Çåìëè. Çåìëÿ ñîñòîèò èç çåìíîé êîðû, ìàíòèè è ÿäðà. Ëèòîñôåðà (îò ãðå÷. lithos — êàìåíü è sphaire — øàð) — ýòî âåðõíÿÿ òâåðäàÿ îáîëî÷êà Çåìëè, âêëþ÷àþùàÿ çåìíóþ êîðó è âåðõíþþ ÷àñòü ìàíòèè. Ëèòîñôåðà ñîñòàâëÿåò â ñðåäíåì îò 70 äî 250 êì (ðèñ. 7.4).

Ðèñ. 7.4. Âíóòðåííåå ñòðîåíèå Çåìëè

Çåìíàÿ êîðà — âåðõíÿÿ ÷àñòü ëèòîñôåðû — íå âåçäå èìååò îäèíàêîâóþ òîëùèíó. Ðàçëè÷àþò äâà îñíîâíûõ òèïà çåìíîé êîðû: ìàòåðèêîâûé è îêåàíè÷åñêèé (ðèñ. 7.5). Ïîä îêåàíàìè íèæíÿÿ ãðàíèöà çåìíîé êîðû óõîäèò íà ãëóáèíó 5– 10 êì, ïîä ðàâíèíàìè — íà 35–45 êì, à ïîä ãîðíûìè ìàññèâàìè — äî 70 êì. Ñëîè çåìíîé êîðû ñîñòîÿò èç ãîðíûõ ïîðîä è ìèíåðàëîâ.

Ðèñ. 7.5. Ñòðîåíèå çåìíîé êîðû ìàòåðèêîâ è îêåàíîâ (ïî Â. Ì. Ìóðàòîâó)

158 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ

7.5. Ïîíÿòèå î ëèòîñôåðå

159

} Ìèíåðàë — ïðèðîäíîå òåëî, ïðèáëèçèòåëüíî îäíîðîäíîå ïî õèìè÷åñêîìó ñîñòàâó è ôèçè÷åñêèì ñâîéñòâàì, îáðàçóþùååñÿ â ðåçóëüòàòå ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â ãëóáèíàõ è íà ïîâåðõíîñòè ëèòîñôåðû. Ýòî ñîñòàâíàÿ ÷àñòü ãîðíûõ ïîðîä (Çåìëè è íåêîòîðûõ äðóãèõ ïëàíåò), ðóä è ìåòåîðèòîâ.

} Ãîðíàÿ ïîðîäà — ïðèðîäíàÿ ñîâîêóïíîñòü ìèíåðàëîâ áîëåå èëè

ìåíåå ïîñòîÿííîãî ìèíåðàëîãè÷åñêîãî ñîñòàâà, îáðàçóþùàÿ ñàìîñòîÿòåëüíîå òåëî â çåìíîé êîðå.

Ïî ïðîèñõîæäåíèþ ãîðíûå ïîðîäû äåëÿòñÿ íà òðè ãðóïïû: ìàãìàòè÷åñêèå, ìåòàìîðôè÷åñêèå è îñàäî÷íûå. Ìàãìàòè÷åñêèå è ìåòàìîðôè÷åñêèå ãîðíûå ïîðîäû ñëàãàþò 90% îáúåìà çåìíîé êîðû, îñòàëüíûå 10% ïðèõîäÿòñÿ íà äîëþ îñàäî÷íûõ, êîòîðûå çàíèìàþò 75% çåìíîé ïîâåðõíîñòè. Ìàãìàòè÷åñêèå ãîðíûå ïîðîäû îáðàçóþòñÿ â ðåçóëüòàòå çàñòûâàíèÿ ìàãìû, ïîäíèìàþùåéñÿ èç ñèëüíî ðàçîãðåòûõ ãëóáèí Çåìëè. Â ñëó÷àå, êîãäà ìàãìà ìåäëåííî îñòûâàåò íà áîëüøîé ãëóáèíå, îáðàçóþòñÿ èíòðóçèâíûå (èëè ãëóáèííûå) ãîðíûå ïîðîäû, èìåþùèå êðèñòàëëè÷åñêóþ ñòðóêòóðó (ãðàíèò, ñåëåíèò, äóíèò). Ïðè áûñòðîì îñòûâàíèè ìàãìû, èçëèâøåéñÿ íà ïîâåðõíîñòü, îáðàçóþòñÿ ýôôóçèâíûå (èëè èçëèâøèåñÿ) ãîðíûå ïîðîäû (áàçàëüò, àíäåçèò). Îñàäî÷íûå ãîðíûå ïîðîäû, â îòëè÷èå îò ìàãìàòè÷åñêèõ, îáðàçóþòñÿ òîëüêî íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè è ôîðìèðóþòñÿ ïîä âîçäåéñòâèåì âíåøíèõ ñèë. Ïî ïðîèñõîæäåíèþ âûäåëÿþò íåîðãàíè÷åñêèå (îáëîìî÷íûå è õåìîãåííûå) è îðãàíè÷åñêèå îñàäî÷íûå ïîðîäû. Îáëîìî÷íûå ãîðíûå ïîðîäû îáðàçîâàëèñü â ðåçóëüòàòå âûâåòðèâàíèÿ, ïåðåîòëîæåíèÿ âîäîé, ëüäîì èëè âåòðîì ïðîäóêòîâ ðàçðóøåíèÿ ðàíåå âîçíèêøèõ ãîðíûõ ïîðîä. Ê íèì îòíîñÿòñÿ ïåñîê, ãëèíà, âàëóííûé ñóãëèíîê. Õåìîãåííûå ãîðíûå ïîðîäû ôîðìèðóþòñÿ â ðåçóëüòàòå îñàæäåíèÿ èç âîäû ìîðåé è îçåð ðàñòâîðåííûõ â íåé âåùåñòâ. Ïðèìåð òàêîé ïîðîäû — êàìåííàÿ ñîëü. Îðãàíè÷åñêèå ïîðîäû îáðàçóþòñÿ â ðåçóëüòàòå íàêîïëåíèÿ îñòàíêîâ æèâîòíûõ è ðàñòåíèé, êàê ïðàâèëî, íà äíå îêåàíîâ, ìîðåé è îçåð. Òàêîé ïîðîäîé ÿâëÿåòñÿ èçâåñòíÿê (â ÷àñòíîñòè, åãî ðàçíîâèäíîñòü — ðàêóøå÷íèê), ìåë, à òàêæå ãîðþ÷èå ïîëåçíûå èñêîïàåìûå. Êàê îñàäî÷íûå, òàê è ìàãìàòè÷åñêèå ãîðíûå ïîðîäû ïðè ïîãðóæåíèè íà áîëüøèå ãëóáèíû ïîä âëèÿíèåì ïîâûøåííîãî äàâëåíèÿ è âûñîêèõ òåìïåðàòóð ïîäâåðãàþòñÿ çíà÷èòåëüíûì èçìåíåíèÿì — ìåòàìîðôèçìó, ïðåâðàùàÿñü â ìåòàìîðôè÷åñêèå ãîðíûå ïîðîäû. Òàê, íà-

160 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ ïðèìåð, èçâåñòíÿê ïðåîáðàçóåòñÿ â ìðàìîð, ïåñ÷àíèê — â êâàðöèò, ãðàíèò — â ãíåéñ. Ìàíòèÿ Çåìëè. Ïîä çåìíîé êîðîé, áëèæå ê öåíòðó Çåìëè, ðàñïîëàãàåòñÿ ñëîé òîëùèíîé ïî÷òè 3000 êì, íàçûâàåìûé ìàíòèåé (ñì. ðèñ. 7.5). Âíóòðè ìàíòèè, íà ãëóáèíå 100–250 êì ïîä êîíòèíåíòàìè è 50–100 êì ïîä îêåàíàìè, íàõîäèòñÿ ñëîé ïîâûøåííîé ïëàñòè÷íîñòè âåùåñòâà, òàê íàçûâàåìàÿ àñòåíîñôåðà. Ó÷åíûå ïðåäïîëàãàþò, ÷òî ìàíòèÿ ñîñòîèò èç ìàãíèÿ, æåëåçà è êðåìíèÿ è èìååò î÷åíü âûñîêóþ òåìïåðàòóðó — äî 2000 °Ñ. Óñòàíîâëåíî, ÷òî òåìïåðàòóðà ãîðíûõ ïîðîä ñ ãëóáèíîé âîçðàñòàåò: â ñðåäíåì íà 1 °Ñ íà êàæäûå 33 ì â ãëóáü Çåìëè. Óâåëè÷åíèå òåìïåðàòóðû ïðîèñõîäèò ãëàâíûì îáðàçîì çà ñ÷åò ðàñïàäà ðàäèîàêòèâíûõ ýëåìåíòîâ, âõîäÿùèõ â ñîñòàâ çåìíîãî ÿäðà. ßäðî Çåìëè — ïîêà çàãàäêà äëÿ íàóêè. Ñ îïðåäåëåííîé äîñòîâåðíîñòüþ ìîæíî ãîâîðèòü ëèøü î åãî ðàäèóñå — 3500 êì è òåìïåðàòóðå — îêîëî 4000 °Ñ. Ìíîãèå ó÷åíûå ñ÷èòàþò íå ñëó÷àéíûì òîò ôàêò, ÷òî ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè ÿäðà — 148,7 ìëí êì2 — êàê áû óðàâíîâåøèâàåòñÿ ïëîùàäüþ ïîâåðõíîñòè ñóøè Çåìëè — 149 ìëí êì2, ñîçäàâàÿ áàëàíñ åå âíóòðåííèõ è âíåøíèõ ñèë.

7.6. Ãåîëîãè÷åñêîå ëåòîñ÷èñëåíèå Ãåîëîãè÷åñêèå ïðîöåññû äëÿòñÿ äîñòàòî÷íî äîëãî. ×òîáû ðåàëüíî ïðåäñòàâëÿòü ìàñøòàáû âðåìåíè, òðåáóþùèåñÿ äëÿ èçìåíåíèÿ ëèêà Çåìëè, íóæíî çíàòü èñòîðèþ Çåìëè ñ ìîìåíòà åå âîçíèêíîâåíèÿ êàê ïëàíåòû, òî åñòü çà 5 ìëðä ëåò. Âûäåëåíèå ðàçëè÷íûõ ýòàïîâ è ïåðèîäîâ â æèçíè Çåìëè îñíîâàíî íà ïîñëåäîâàòåëüíîñòè íàêîïëåíèÿ îñàäî÷íûõ ãîðíûõ ïîðîä. Åñëè èõ çàëåãàíèå íå íàðóøåíî, òî êàæäûé âåðõíèé ñëîé ìîëîæå íèæíåãî. Ó÷åíûå ðàçäåëèëè îòëîæåíèÿ íà ïÿòü ãðóïï. Âðåìÿ, â òå÷åíèå êîòîðîãî íàêàïëèâàëàñü êàæäàÿ ãðóïïà ïîðîä, íàçâàíî ýðîé. Íàçâàíèå ýðû îòðàæàåò îòíîñèòåëüíîå âðåìÿ: àðõåéñêàÿ (äðåâíåéøàÿ), ïðîòåðîçîéñêàÿ (ðàííÿÿ), ïàëåîçîéñêàÿ (äðåâíÿÿ), ìåçîçîéñêàÿ (ñðåäíÿÿ) è êàéíîçîéñêàÿ (íîâàÿ). Ïîñëåäíèå òðè ýðû ðàçäåëåíû íà ïåðèîäû, ïîñêîëüêó â îòëîæåíèÿõ ýòèõ âðåìåí îñòàòêè æèâîòíûõ è ðàñòåíèé ñîõðàíèëèñü ëó÷øå è â áîëüøåì êîëè÷åñòâå. Â êàæäîé ýðå ïðîèñõîäèëè ñîáûòèÿ, îêàçàâøèå âîçäåéñòâèå íà ñîâðåìåííûé ðåëüåô. Ýòî îñîáûå ýïîõè àêòèâèçàöèè ãîðîîáðàçîâàòåëüíûõ ïðîöåññîâ — ñêëàä÷àòîñòè.

7.6. Ãåîëîãè÷åñêîå ëåòîñ÷èñëåíèå

161

Ïðåäñòàâëåííóþ ìåæäóíàðîäíóþ ãåîõðîíîëîãè÷åñêóþ øêàëó ñëåäóåò ÷èòàòü ñíèçó ââåðõ (òàáë. 7.1). Òàáëèöà 7.1

Ãåîõðîíîëîãè÷åñêàÿ øêàëà Ýðû (ïðîäîë- Ïåðèîäû (ïðîÃëàâíåéøèå ñîáûòèÿ èñòîæèòåëüíîñòü äîëæèòåëüíîñòü ðèè Çåìëè â ìëí ëåò) â ìëí ëåò)

Êàéíîçîéñêàÿ — 70 ìëí ëåò

×åòâåðòè÷íûé — 2 ìëí ëåò (Q)

Îáùåå ïîäíÿòèå ñóøè. Íåîäíîêðàòíûå ïîêðîâíûå îëåäåíåíèÿ, îñîáåííî â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè. Ïîÿâëåíèå ÷åëîâåêà

Õàðàêòåðíûå ïîëåçíûå èñêîïàåìûå, îáðàçîâàâøèåñÿ â äàííîå âðåìÿ

Òîðô, ðîññûïíûå ìåñòîðîæäåíèÿ çîëîòà, àëìàçîâ, äðàãîöåííûõ êàìíåé

Íåîãåíîâûé — Âîçíèêíîâåíèå ìîëîäûõ Áóðûå óãëè, íåôòü, ÿíòàðü 25 ìëí ëåò (N) ãîð â îáëàñòÿõ àëüïèéñêîé ñêëàä÷àòîñòè. Îìîëîæåíèå ãîð â îáëàñòÿõ âñåõ äðåâíèõ ñêëàä÷àòîñòåé. Ãîñïîäñòâî öâåòêîâûõ ðàñòåíèé Ïàëåîãåíîâûé — 41 ìëí ëåò (Ð)

Ðàçðóøåíèå ãîð ìåçîçîé- Ôîñôîðèòû, áóñêîé ñêëàä÷àòîñòè. Øè- ðûå óãëè, áîêñèòû ðîêîå ðàçâèòèå öâåòêîâûõ ðàñòåíèé, ïòèö, ìëåêîïèòàþùèõ

ÌåçîçîéÌåëîâîé — Âîçíèêíîâåíèå ìîëîäûõ Íåôòü, ãîðþ÷èå ñêàÿ — 70 ìëí ëåò (Ê) ãîð â îáëàñòÿõ ìåçîçîé- ñëàíöû, ìåë, 165 ìëí ëåò ñêîé ñêëàä÷àòîñòè. Âû- óãîëü, ôîñôîðèòû ìèðàíèå ãèãàíòñêèõ ïðåñìûêàþùèõñÿ (äèíîçàâðîâ). Ðàçâèòèå ïòèö è ìëåêîïèòàþùèõ Þðñêèé — 50 ìëí ëåò (J)

Îáðàçîâàíèå ñîâðåìåííûõ îêåàíîâ. Æàðêèé è âëàæíûé êëèìàò íà áîëüøåé ÷àñòè ñóøè. Ðàñöâåò ãèãàíòñêèõ ïðåñìûêàþùèõñÿ (äèíîçàâðîâ). Ãîñïîäñòâî ãîëîñåìåííûõ ðàñòåíèé

Êàìåííûå óãëè, íåôòü, ôîñôîðèòû

162 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ Òàáëèöà 7.1 (ïðîäîëæåíèå) Ýðû (ïðîäîë- Ïåðèîäû (ïðîÃëàâíåéøèå ñîáûòèÿ èñòîæèòåëüíîñòü äîëæèòåëüíîñòü ðèè Çåìëè â ìëí ëåò) â ìëí ëåò)


Òðèàñîâûé — Íàèáîëüøåå çà âñþ èñòî- Êàìåííûå ñîëè 40 ìëí ëåò (Ò) ðèþ Çåìëè îòñòóïàíèå ìîðÿ è ïîäíÿòèå ñóøè. Ðàçðóøåíèå ãîð êàëåäîíñêîé è ãåðöèíñêîé ñêëàä÷àòîñòåé. Îáøèðíûå ïóñòûíè. Ïåðâûå ìëåêîïèòàþùèå ÏàëåîçîéÏåðìñêèé — Âîçíèêíîâåíèå ìîëîäûõ Êàìåííûå è êàñêàÿ — 45 ìëí ëåò (Ð) ñêëàä÷àòûõ ãîð â îáëàñ- ëèéíûå ñîëè, ãèï330 ìëí ëåò òÿõ ãåðöèíñêîé ñêëàä÷à- ñû òîñòè. Ñóõîé êëèìàò íà áîëüøåé ÷àñòè ñóøè. Ïîÿâëåíèå ãîëîñåìåííûõ ðàñòåíèé ÊàìåííîóãîÆàðêèé è âëàæíûé êëè- Êàìåííûé óãîëü, ëüíûé — ìàò íà áîëüøåé ÷àñòè ñó- íåôòü 65 ìëí ëåò (Ñ) øè. Øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå áîëîòèñòûõ íèçìåííîñòåé â ïðèáðåæíûõ ðàéîíàõ. Ëåñà èç äðåâîâèäíûõ ïàïîðîòíèêîâ. Ïåðâûå ïðåñìûêàþùèåñÿ, ðàñöâåò çåìíîâîäíûõ Äåâîíñêèé — Æàðêèé êëèìàò íà áîëü- Ñîëè, íåôòü 55 ìëí ëåò (Ð) øåé ÷àñòè ñóøè. Ïåðâûå ïóñòûíè. Ïîÿâëåíèå çåìíîâîäíûõ. Ìíîãî÷èñëåííûå ðûáû ÑèëóðèéÂîçíèêíîâåíèå ìîëîäûõ ñêèé — 35 ìëí ñêëàä÷àòûõ ãîð â îáëàñëåò (S) òÿõ êàëåäîíñêîé ñêëàä÷àòîñòè. Ïåðâûå íàçåìíûå ðàñòåíèÿ (ïëàóíû è ïàïîðîòíèêè)

7.7. Ðåëüåôîîáðàçóþùèå ïðîöåññû

Ýðû (ïðîäîë- Ïåðèîäû (ïðîÃëàâíåéøèå ñîáûòèÿ èñòîæèòåëüíîñòü äîëæèòåëüíîñòü ðèè Çåìëè â ìëí ëåò) â ìëí ëåò)

163


ÎðäîâèêÓìåíüøåíèå ïëîùàäè ñêèé — ìîðñêèõ áàññåéíîâ. Ïî60 ìëí ëåò (O) ÿâëåíèå ïåðâûõ íàçåìíûõ áåñïîçâîíî÷íûõ Êåìáðèéñêèé — 70 ìëí ëåò

Âîçíèêíîâåíèå ìîëîäûõ Êàìåííàÿ ñîëü, ãîð â îáëàñòÿõ áàéêàëü- ãèïñ, ôîñôîðèòû ñêîé ñêëàä÷àòîñòè. Çàòîïëåíèå îáøèðíûõ ïðîñòðàíñòâ ìîðÿìè. Ðàñöâåò ìîðñêèõ áåñïîçâîíî÷íûõ æèâîòíûõ

Ïðîòåðîçîéñêàÿ — 600 ìëí ëåò

Æåëåçíûå ðóäû, Íà÷àëî áàéêàëüñêîé ñêëàä÷àòîñòè. Ìîùíûé ñëþäà, ãðàôèò âóëêàíèçì. Ðàçâèòèå áàêòåðèé è ñèíå-çåëåíûõ âîäîðîñëåé

Àðõåéñêàÿ — 900 ìëí ëåò

Ôîðìèðîâàíèå ìàòåðè- Ðóäû êîâîé çåìíîé êîðû. Íàïðÿæåííàÿ âóëêàíè÷åñêàÿ äåÿòåëüíîñòü. Âðåìÿ ïðèìèòèâíûõ îäíîêëåòî÷íûõ áàêòåðèé

7.7. Ðåëüåôîîáðàçóþùèå ïðîöåññû } Ðåëüåô — ýòî ñîâîêóïíîñòü íåðîâíîñòåé çåìíîé ïîâåðõíîñòè ðàçíîãî ìàñøòàáà, íàçûâàåìûõ ôîðìàìè ðåëüåôà.

Ðåëüåô ôîðìèðóåòñÿ â ðåçóëüòàòå âîçäåéñòâèÿ íà ëèòîñôåðó âíóòðåííèõ (ýíäîãåííûõ) è âíåøíèõ (ýêçîãåííûõ) ïðîöåññîâ. Ñîãëàñíî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, ëèòîñôåðà ñîñòîèò èç æåñòêèõ ïîäâèæíûõ ïëèò, ïåðåìåùàþùèõñÿ ïî ïëàñòè÷íîé ìàíòèè. Ãðàíèöû ìåæäó ïëèòàìè ìîãóò áûòü òðåõ òèïîâ: îêåàíè÷åñêèå õðåáòû (âäîëü êîòîðûõ íà ïîâåðõíîñòü ïîäíèìàåòñÿ âåùåñòâî ìàíòèè è ôîðìèðóåòñÿ íîâîå ìîðñêîå äíî), æåëîáà (âäîëü êîòîðûõ êðàåâûå ÷àñòè ïëèò ðàçðóøàþòñÿ, îïóñêàÿñü â ìàíòèþ) è òðàíñôîðìíûå ðàçëîìû

164 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ (îáðàçóþùèåñÿ â ðåçóëüòàòå ñêîëüæåíèÿ îäíîé ïëèòû âäîëü äðóãîé). Òàê, ãðàíèöà ìåæäó Àôðèêàíñêîé è Àìåðèêàíñêîé ïëèòàìè ïðîõîäèò ïî îêåàíè÷åñêîìó õðåáòó, ìåæäó Àíòàðêòè÷åñêîé è Àìåðèêàíñêîé ïëèòàìè — ïî æàëîáó, à ìåæäó Òèõîîêåàíñêîé è Àìåðèêàíñêîé ïëèòàìè — ïî òðàíñôîðìíûì ðàçëîìàì. Âî âòîðîé ïîëîâèíå XX â. ðàçâåðíóëèñü îáøèðíûå èññëåäîâàíèÿ äíà Ìèðîâîãî îêåàíà, â ðåçóëüòàòå êîòîðûõ ïîÿâèëèñü ñîâåðøåííî íîâûå ïðåäñòàâëåíèÿ î ðàçâèòèè îêåàíîâ è ìàòåðèêîâ, îñíîâàííûå íà âçãëÿäàõ íåìåöêîãî ó÷åíîãî ïåðâîé ïîëîâèíû XX â. À. Âåãåíåðà. Â îñíîâó íîâîé òåîðèè ëèòîñôåðíûõ ïëèò ïîëîæåíî ïðåäñòàâëåíèå, ÷òî âñÿ ëèòîñôåðà ðàçäåëåíà óçêèìè àêòèâíûìè çîíàìè — ãëóáèííûìè ðàçëîìàìè — íà îòäåëüíûå æåñòêèå ïëèòû, ïëàâàþùèå â ïëàñòè÷íîì ñëîå âåðõíåé ìàíòèè. Âíóòðåííèå (ýíäîãåííûå) ïðîöåññû. Âíóòðåííèå ãåîëîãè÷åñêèå ïðîöåññû îáóñëîâëèâàþò ðàçëè÷íûå òåêòîíè÷åñêèå äâèæåíèÿ, òî åñòü âåðòèêàëüíûå è ãîðèçîíòàëüíûå ïåðåìåùåíèÿ îòäåëüíûõ ó÷àñòêîâ çåìíîé êîðû. Ñ íèìè ñâÿçàíî îáðàçîâàíèå íàèáîëåå çíà÷èòåëüíûõ íåðîâíîñòåé çåìíîé ïîâåðõíîñòè, åå íåïðåðûâíîå èçìåíåíèå. Èñòî÷íèêîì âíóòðåííèõ ïðîöåññîâ ÿâëÿåòñÿ òåïëî, îáðàçóþùååñÿ ïðè ðàäèîàêòèâíîì ðàñïàäå ýëåìåíòîâ, âõîäÿùèõ â ñîñòàâ ÿäðà Çåìëè. Äâèæåíèå ïëèò ïðèâîäèò ê èçìåíåíèÿì êîíôèãóðàöèè ìàòåðèêîâ è îêåàíîâ è èõ ïîëîæåíèÿ íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè. Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî 500–200 ìëí ëåò íàçàä âñå ìàòåðèêè áûëè îáúåäèíåíû â îäèí, òàê íàçûâàåìóþ Ïàíãåþ (â ïåðåâîäå ñ ãðå÷åñêîãî «âñÿ Çåìëÿ»). Â ïîñëåäóþùèå 70 ìëí ëåò Ïàíãåÿ ðàñêîëîëàñü íà äâà ìàòåðèêà: Ëàâðàçèþ, âêëþ÷àâøóþ Ñåâåðíóþ Àìåðèêó è Åâðàçèþ (áåç Èíäèéñêîãî è Àðàâèéñêîãî ñóáêîíòèíåíòîâ) è Ãîíäâàíó (âñÿ îñòàëüíàÿ ñóøà). Ïîñëåäóþùåå ïåðåäâèæåíèå ïëèò ïðèâåëî ê ñáëèæåíèþ Ñåâåðíîé è Þæíîé Àìåðèêè, ðàçäåëåíèþ Àâñòðàëèè è Àíòàðêòèäû, ïåðåìåùåíèþ Àðàâèéñêîãî è Èíäèéñêîãî ñóáêîíòèíåíòîâ ê Åâðàçèè, ïðè÷åì â çîíå ñòîëêíîâåíèÿ Åâðàçèè ñ ïîñëåäíèì âîçíèêëè ñàìûå âûñîêèå ãîðû íà ïëàíåòå (Ãèìàëàè). Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ñóùåñòâóåò øåñòü ìàòåðèêîâ: Åâðàçèÿ (53,4 ìëí êì2), Àôðèêà (30,3 ìëí êì2), Ñåâåðíàÿ Àìåðèêà (24,2 ìëí êì2), Þæíàÿ Àìåðèêà (18,2 ìëí êì2), Àâñòðàëèÿ (7,7 ìëí êì2) è Àíòàðêòèäà (14 ìëí êì2). Ïî ïðåîáëàäàþùåìó íàïðàâëåíèþ âûäåëÿþò äâà òèïà òåêòîíè÷åñêèõ äâèæåíèé: âåðòèêàëüíûå è ãîðèçîíòàëüíûå. Îáà òèïà äâèæåíèé ìîãóò ïðîõîäèòü êàê ñàìîñòîÿòåëüíî, òàê è âî âçàèìîñâÿçè äðóã ñ äðóãîì. ×àñòî îäèí òèï äâèæåíèÿ ïîðîæäàåò äðóãîé. Ïðîÿâëÿþòñÿ îíè íå òîëüêî â ïåðåìåùåíèè êðóïíûõ áëîêîâ çåìíîé êîðû â âåðòèêàëüíîì


165

èëè ãîðèçîíòàëüíîì íàïðàâëåíèÿõ, íî è â îáðàçîâàíèè ñêëàä÷àòûõ è ðàçðûâíûõ íàðóøåíèé ðàçíîãî ìàñøòàáà. Ñêëàäêè — âîëíîîáðàçíûå èçãèáû ïëàñòîâ çåìíîé êîðû, ñîçäàííûå ñîâìåñòíûì äåéñòâèåì âåðòèêàëüíûõ è ãîðèçîíòàëüíûõ äâèæåíèé â çåìíîé êîðå. Ñêëàäêà, ïëàñòû êîòîðîé âûãíóòû êâåðõó, íàçûâàåòñÿ àíòèêëèíàëüíîé ñêëàäêîé, èëè àíòèêëèíàëüþ. Ñêëàäêà, ïëàñòû êîòîðîé ïðîãíóòû êíèçó, íàçûâàåòñÿ ñèíêëèíàëüíîé ñêëàäêîé, èëè ñèíêëèíàëüþ. Ñèíêëèíàëè è àíòèêëèíàëè — äâå îñíîâíûå ôîðìû ñêëàäîê. Íåáîëüøèå è îòíîñèòåëüíî ïðîñòûå ïî ñòðîåíèþ ñêëàäêè âûðàæàþòñÿ â ðåëüåôå íåâûñîêèìè êîìïàêòíûìè õðåáòàìè (íàïðèìåð, Ñóíæåíñêèé õðåáåò ñåâåðíîãî ñêëîíà Áîëüøîãî Êàâêàçà). Áîëåå êðóïíûå è ñëîæíûå ïî ñòðîåíèþ ñêëàä÷àòûå ñòðóêòóðû ïðåäñòàâëåíû â ðåëüåôå êðóïíûìè ãîðíûìè õðåáòàìè è ðàçäåëÿþùèìè èõ ïîíèæåíèÿìè (Ãëàâíûé è Áîêîâîé õðåáòû Áîëüøîãî Êàâêàçà). Åùå áîëåå êðóïíûå ñêëàä÷àòûå ñîîðóæåíèÿ, ñîñòîÿùèå èç ìíîæåñòâà àíòèêëèíàëåé è ñèíêëèíàëåé, îáðàçóþò ìåãàôîðìû ðåëüåôà òèïà ãîðíîé ñòðàíû, íàïðèìåð ãîðû Êàâêàçà, Óðàëà è ò. ä. Ýòè ãîðû íàçûâàþò ñêëàä÷àòûìè. Ðàçðûâíûå íàðóøåíèÿ (ðàçëîìû) — ýòî ðàçëè÷íûå íàðóøåíèÿ ñïëîøíîñòè ãîðíûõ ïîðîä, ÷àñòî ñîïðîâîæäàþùèåñÿ ïåðåìåùåíèåì ðàçîðâàííûõ ÷àñòåé îòíîñèòåëüíî äðóã äðóãà. Ïðîñòåéøèì âèäîì ðàçðûâîâ ÿâëÿþòñÿ åäèíè÷íûå áîëåå èëè ìåíåå ãëóáîêèå òðåùèíû. Íàèáîëåå êðóïíûå ðàçðûâíûå íàðóøåíèÿ, ðàñïðîñòðàíÿþùèåñÿ íà çíà÷èòåëüíóþ äëèíó è øèðèíó, íàçûâàþò ãëóáèííûìè ðàçëîìàìè. Â çàâèñèìîñòè îò òîãî, êàê ïåðåìåùàëèñü ðàçîðâàííûå áëîêè â âåðòèêàëüíîì íàïðàâëåíèè, âûäåëÿþò ñáðîñû è íàäâèãè (ðèñ. 7.6).

Ðèñ. 7.6. à — ñáðîñ; á — íàäâèã

Ñîâîêóïíîñòè ñáðîñîâ è íàäâèãîâ ñîñòàâëÿþò ãîðñòû è ãðàáåíû (ðèñ. 7.7).


Ðèñ. 7.7. à — ãîðñò; á — ãðàáåí

Â çàâèñèìîñòè îò ðàçìåðîâ îíè îáðàçóþò îòäåëüíûå ãîðíûå õðåáòû (íàïðèìåð, ñòîëîâûå ãîðû â Åâðîïå) èëè ãîðíûå ñèñòåìû è ñòðàíû (íàïðèìåð, Àëòàé, Òÿíü-Øàíü). Â ýòèõ ãîðàõ íàðÿäó ñ ãðàáåíàìè è ãîðñòàìè âñòðå÷àþòñÿ è ñêëàä÷àòûå ìàññèâû, ïîýòîìó èõ ñëåäóåò îòíîñèòü ê ñêëàä÷àòî-ãëûáîâûì ãîðàì. Â ñëó÷àå, êîãäà ïåðåìåùåíèå áëîêîâ ãîðíûõ ïîðîä áûëî íå òîëüêî â âåðòèêàëüíîì íàïðàâëåíèè, íî è â ãîðèçîíòàëüíîì, îáðàçóþòñÿ ñäâèãè. Â çîíàõ ðàçäâèæåíèÿ ëèòîñôåðíûõ ïëèò — çîíàõ ñðåäèííî-îêåàíè÷åñêèõ õðåáòîâ — ðîæäàåòñÿ íîâàÿ îêåàíè÷åñêàÿ çåìíàÿ êîðà. Â çîíàõ ñòîëêíîâåíèÿ ëèòîñôåðíûõ ïëèò — çîíàõ îñòðîâíûõ äóã è ñîïðÿæåííûõ ñ íèìè ãëóáîêîâîäíûõ æåëîáîâ — ïðîèñõîäèò «ïîäíûðèâàíèå» îäíîé ïëèòû (÷àùå ñ îêåàíè÷åñêîé çåìíîé êîðîé) ïîä äðóãóþ (÷àùå ñ ìàòåðèêîâûì èëè ïåðåõîäíûì òèïîì çåìíîé êîðû). Â ðåçóëüòàòå òàêîãî «ïîäíûðèâàíèÿ» êðàé ïëèòû ïðîãèáàåòñÿ è îáðàçóåòñÿ ãëóáîêîâîäíûé æåëîá. ßðêèì ïðèìåðîì òàêèõ äóã ÿâëÿþòñÿ Êóðèëüñêèå è ßïîíñêèå îñòðîâà, ðÿäîì ñ êîòîðûìè ðàñïîëàãàþòñÿ ñîîòâåòñòâóþùèå ãëóáîêîâîäíûå æåëîáà. Ãðàíèöû ëèòîñôåðíûõ ïëèò êàê â ìåñòàõ èõ ðàçðûâà, òàê è â ìåñòàõ ñòîëêíîâåíèÿ — ýòî ïîäâèæíûå ó÷àñòêè çåìíîé êîðû, íà êîòîðûõ íàõîäèòñÿ áîëüøèíñòâî äåéñòâóþùèõ âóëêàíîâ, ãäå ÷àñòû çåìëåòðÿñåíèÿ. Ýòè ó÷àñòêè, ÿâëÿþùèåñÿ îáëàñòÿìè íîâîé ñêëàä÷àòîñòè, îáðàçóþò ñåéñìè÷åñêèå ïîÿñà Çåìëè. ×åì äàëüøå îò ãðàíèö ïîäâèæíûõ ó÷àñòêîâ ê öåíòðó ïëèòû, òåì áîëåå óñòîé÷èâûìè ñòàíîâÿòñÿ ó÷àñòêè çåìíîé êîðû. Ìîñêâà, íàïðèìåð, íàõîäèòñÿ â öåíòðå Åâðàçèéñêîé ïëèòû, è åå òåððèòîðèÿ ñ÷èòàåòñÿ âïîëíå óñòîé÷èâîé.

} Âóëêàíèçì — ñîâîêóïíîñòü ïðîöåññîâ è ÿâëåíèé, âûçâàííûõ âíåäðåíèåì ìàãìû â çåìíóþ êîðó è èçëèÿíèåì åå íà ïîâåðõíîñòü.


167

Èç ãëóáèííûõ ìàãìàòè÷åñêèõ î÷àãîâ èçâåðãàþòñÿ íà çåìëþ ëàâà, ãîðÿ÷èå ãàçû, ïàðû âîäû è îáëîìêè ãîðíûõ ïîðîä.

Â çàâèñèìîñòè îò óñëîâèé è ïóòåé ïðîíèêíîâåíèÿ ìàãìû íà ïîâåðõíîñòü ðàçëè÷àþò òðè òèïà âóëêàíè÷åñêèõ èçâåðæåíèé. Ïëîùàäíûå èçâåðæåíèÿ ïðèâåëè ê îáðàçîâàíèþ îáøèðíûõ ëàâîâûõ ïëàòî. Íàèáîëåå êðóïíûå èç íèõ — ýòî ïëàòî Äåêàí íà ïîëóîñòðîâå Èíäîñòàí è Êîëóìáèéñêîå ïëàòî. Òðåùèííûå èçâåðæåíèÿ ïðîèñõîäÿò ïî òðåùèíàì èíîãäà áîëüøîé ïðîòÿæåííîñòè. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ âóëêàíèçì ýòîãî òèïà ïðîÿâëÿåòñÿ â Èñëàíäèè è íà äíå îêåàíîâ â ðàéîíå ñðåäèííûõ îêåàíè÷åñêèõ õðåáòîâ. Èçâåðæåíèÿ öåíòðàëüíîãî òèïà ñâÿçàíû ñ îïðåäåëåííûìè ó÷àñòêàìè, êàê ïðàâèëî, íà ïåðåñå÷åíèè äâóõ ðàçëîìîâ, è ïðîèñõîäÿò ïî ñðàâíèòåëüíî óçêîìó êàíàëó, êîòîðûé íàçûâàåòñÿ æåðëîì. Ýòî íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûé òèï. Âóëêàíû, îáðàçóþùèåñÿ ïðè òàêèõ èçâåðæåíèÿõ, íàçûâàþòñÿ ñëîèñòûìè, èëè ñòðàòîâóëêàíàìè. Îíè èìåþò âèä êîíóñîîáðàçíîé ãîðû, íà âåðøèíå êîòîðîé íàõîäèòñÿ ÷àøåîáðàçíîå óãëóáëåíèå — êðàòåð. Ïðèìåðû òàêèõ âóëêàíîâ: Êèëèìàíäæàðî â Àôðèêå, Êëþ÷åâñêàÿ ñîïêà, Ôóäçèÿìà, Ýòíà, Ãåêëà â Åâðàçèè. Òèõîîêåàíñêîå «îãíåííîå êîëüöî». Îêîëî äâóõ òðåòåé âóëêàíîâ Çåìëè ñîñðåäîòî÷åíî íà îñòðîâàõ è áåðåãàõ Òèõîãî îêåàíà. Ñàìûå ìîùíûå èçâåðæåíèÿ âóëêàíîâ è çåìëåòðÿñåíèÿ èìåëè ìåñòî èìåííî â ýòîì ðåãèîíå: Ñàí-Ôðàíöèñêî (1906), Òîêèî (1923), ×èëè (1960), Ìåõèêî (1985). Îñòðîâ Ñàõàëèí, ïîëóîñòðîâ Êàì÷àòêà è Êóðèëüñêèå îñòðîâà, íàõîäÿùèåñÿ íà ñàìîì âîñòîêå íàøåé ñòðàíû, — çâåíüÿ ýòîãî êîëüöà. Âñåãî íà Êàì÷àòêå íàñ÷èòûâàåòñÿ 130 ïîòóõøèõ âóëêàíîâ è 36 äåéñòâóþùèõ. Ñàìûé áîëüøîé âóëêàí — Êëþ÷åâñêàÿ ñîïêà. Íà Êóðèëüñêèõ îñòðîâàõ 39 âóëêàíîâ. Äëÿ ýòèõ ìåñò õàðàêòåðíû ðàçðóøèòåëüíûå çåìëåòðÿñåíèÿ, à äëÿ îêðóæàþùèõ ìîðåé — ìîðåòðÿñåíèÿ, òàéôóíû, âóëêàíû è öóíàìè. Öóíàìè â ïåðåâîäå ñ ÿïîíñêîãî — «âîëíà â áóõòå». Ýòî âîëíû ãèãàíòñêèõ ðàçìåðîâ, ïîðîæäåííûå èçâåðæåíèÿìè ïîäâîäíûõ âóëêàíîâ, çåìëåòðÿñåíèåì èëè ìîðåòðÿñåíèåì. Â îòêðûòîì îêåàíå îíè ïî÷òè íåçàìåòíû äëÿ ñóäîâ. Íî êîãäà ïóòü öóíàìè ïðåãðàæäàåò ìàòåðèê è îñòðîâà, âîëíà îáðóøèâàåòñÿ íà ñóøó ñ âûñîòû, äîñòèãàþùåé 20 ìåòðîâ. Ãîðÿ÷èå èñòî÷íèêè è ãåéçåðû òîæå ñâÿçàíû ñ âóëêàíèçìîì. Íà Êàì÷àòêå â çíàìåíèòîé Äîëèíå ãåéçåðîâ äåéñòâóåò 22 êðóïíûõ ãåéçåðà.

168 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ Çåìëåòðÿñåíèÿ òàêæå ÿâëÿþòñÿ ïðîÿâëåíèåì ýíäîãåííûõ çåìíûõ ïðîöåññîâ è ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé âíåçàïíûå ïîäçåìíûå óäàðû, ñîòðÿñåíèÿ è ñìåùåíèÿ ïëàñòîâ è áëîêîâ çåìíîé êîðû. Íà ñåéñìè÷åñêèõ ñòàíöèÿõ ó÷åíûå èññëåäóþò ýòè ãðîçíûå ÿâëåíèÿ ïðèðîäû, ïîëüçóÿñü ñïåöèàëüíûìè ïðèáîðàìè, èùóò ñïîñîáû èõ ïðåäñêàçàíèÿ. Îäèí èç òàêèõ ïðèáîðîâ — ñåéñìîãðàô — áûë èçîáðåòåí â íà÷àëå XX â. ðóññêèì ó÷åíûì Á. Â. Ãîëèöûíûì. Íàçâàíèå ïðèáîðà ïðîèçîøëî îò ãðå÷åñêèõ ñëîâ seismós — «êîëåáàíèå», graphÜ — «ïèøó». Îíî îòðàæàåò åãî íàçíà÷åíèå — çàïèñûâàòü êîëåáàíèÿ Çåìëè. Çåìëåòðÿñåíèÿ ìîãóò áûòü ðàçíîé ñèëû. Ó÷åíûå äîãîâîðèëèñü îïðåäåëÿòü ýòó ñèëó ïî ìåæäóíàðîäíîé 12-áàëëüíîé øêàëå Ìåðêàëëè è 9-áàëëüíîé øêàëå Ðèõòåðà ñ ó÷åòîì âîçäåéñòâèÿ çåìëåòðÿñåíèÿ íà ÷åëîâåêà è ñòåïåíè ïîâðåæäåíèÿ çäàíèé è èçìåíåíèé ðåëüåôà Çåìëè (òàáë. 7.2). Òàáëèöà 7.2

Îïèñàíèå ðàçðóøåíèé âî âðåìÿ çåìëåòðÿñåíèÿ è èõ ñîîòâåòñòâèå áàëëàì ïî øêàëàì Ìåðêàëëè è Ðèõòåðà Îïèñàíèå ðàçðóøåíèé âî âðåìÿ çåìëåòðÿñåíèÿ è âîçäåéñòâèå åãî íà ÷åëîâåêà

Øêàëà Ìåðêàëëè

Øêàëà Ðèõòåðà

Íå îùóùàåòñÿ ëþäüìè

1

—

Îùóùàåòñÿ ëþäüìè íà âåðõíèõ ýòàæàõ çäàíèÿ

2

2

Îùóùàåòñÿ â çäàíèÿõ: ïîäâåøåííûå ïðåäìåòû ðàñêà÷èâàþòñÿ

3

2,5–3

Äâèãàþòñÿ äâåðè è îêíà, ïîçâàíèâàþò ñòåêëà

4

3,5

Îùóùàåòñÿ ñíàðóæè, ïîÿâëÿåòñÿ ðÿáü íà ïîâåðõíîñòè æèäêîñòè

5

4–4,5

Èäóùèå ëþäè îùóùàþò ïîòåðþ ðàâíîâåñèÿ; ðàçáèâàþòñÿ ñòåêëà, ðàñòðåñêèâàåòñÿ øòóêàòóðêà

6

5

×åëîâåêó òðóäíî óñòîÿòü íà íîãàõ; ëîìàåòñÿ ìåáåëü, íà÷èíàþò ðàçðóøàòüñÿ íèçêîêà÷åñòâåííûå ñòðîåíèÿ

7

5,5–6

×àñòè÷íîå ðàçðóøåíèå ñòðîåíèé, ïàäåíèå òðóá, êàðíèçîâ, ïàìÿòíèêîâ è ò. ä.; ïîÿâëåíèå òðåùèí â çåìëå

8

6–6,5

Ñåðüåçíûå ðàçðóøåíèÿ ñòðîåíèé, ðàçðûâ òðóáîïðîâîäîâ ïîä çåìëåé, çíà÷èòåëüíûå òðåùèíû â çåìëå

9

7

Ðàçðóøåíèå áîëüøåé ÷àñòè ñòðîåíèé, áîëüøèå îïîëçíè, êîëåè íåçíà÷èòåëüíî îòêëîíÿþòñÿ

10

7,5–8


169

Îïèñàíèå ðàçðóøåíèé âî âðåìÿ çåìëåòðÿñåíèÿ è âîçäåéñòâèå åãî íà ÷åëîâåêà

Øêàëà Ìåðêàëëè

Øêàëà Ðèõòåðà

Êîëåè ñèëüíî îòêëîíÿþòñÿ, çäàíèÿ ïðàêòè÷åñêè ðàçðóøåíû, ïîäçåìíûå òðóáîïðîâîäû ïîëíîñòüþ âûõîäÿò èç ñòðîÿ

11

8–8,5

Ïî÷òè ïîëíîå ðàçðóøåíèå ñòðîåíèé, äâèæåíèå áîëüøèõ ìàññ ñêàëüíûõ ïîðîä

12

9

Çåìëåòðÿñåíèÿ ñîïðîâîæäàþòñÿ ïîäçåìíûìè òîë÷êàìè, ñëåäóþùèìè îäèí çà äðóãèì. Ìåñòî, ãäå â íåäðàõ çåìíîé êîðû ïðîèñõîäèò òîë÷îê, íîñèò íàçâàíèå ãèïîöåíòðà. Ìåñòî íà çåìíîé ïîâåðõíîñòè, ðàñïîëîæåííîå íàä ãèïîöåíòðîì, íàçûâàåòñÿ ýïèöåíòðîì çåìëåòðÿñåíèÿ. Çåìëåòðÿñåíèÿ âûçûâàþò îáðàçîâàíèå òðåùèí íà çåìíîé ïîâåðõíîñòè, ñìåùåíèå, îïóñêàíèå èëè ïîäíÿòèå îòäåëüíûõ áëîêîâ, îïîëçíè; íàíîñÿò óùåðá õîçÿéñòâó è ïðèâîäÿò ê ãèáåëè ëþäåé. Âíåøíèå (ýêçîãåííûå) ïðîöåññû. Íà çåìíóþ ïîâåðõíîñòü ïîñòîÿííî âîçäåéñòâóþò è ðàçëè÷íûå âíåøíèå ñèëû. Ê íèì îòíîñÿòñÿ âûâåòðèâàíèå, äåéñòâèå âåòðà è ïåðåìåùàþùàÿ äåÿòåëüíîñòü òåêó÷åé âîäû. Âûâåòðèâàíèå — ýòî ñîâîêóïíîñòü åñòåñòâåííûõ ïðîöåññîâ, ïðèâîäÿùèõ ê ðàçðóøåíèþ ãîðíûõ ïîðîä. Ðàçëè÷àþò âûâåòðèâàíèå ôèçè÷åñêîå, ÿâëÿþùååñÿ ðåçóëüòàòîì íåîäèíàêîâîãî ðàñøèðåíèÿ è ñæàòèÿ ÷àñòèö ïîðîäû ïðè ñóòî÷íûõ è ñåçîííûõ èçìåíåíèÿõ òåìïåðàòóðû, è õèìè÷åñêîå — ïîä äåéñòâèåì õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé (êèñëîðîäà, ñîëåé, êèñëîò, ùåëî÷åé), ñîäåðæàùèõñÿ â ïðèðîäíîé ñðåäå (âîäå, ïî÷âå, âîçäóõå). Àêòèâíîå ó÷àñòèå â âûâåòðèâàíèè ïðèíèìàþò æèâûå îðãàíèçìû, ïðåæäå âñåãî ðàñòåíèÿ ñ èõ ðàçâèòîé êîðíåâîé ñèñòåìîé. Ðàçðóøåííûå è ðàçìåëü÷åííûå ãîðíûå ïîðîäû ïîäâåðãàþòñÿ ñíîñó (äåíóäàöèè) è îòêëàäûâàþòñÿ (àêêóìóëèðóþòñÿ) â ïîíèæåíèÿõ ðåëüåôà, ïðèâîäÿ ê åãî âûðàâíèâàíèþ. Äåéñòâèå òåêó÷åé âîäû ïðîÿâëÿåòñÿ íà çåìíîì øàðå ïîâñåìåñòíî: îíà ïðèâîäèò ê îáùåìó ïîíèæåíèþ ïîâåðõíîñòè çà ñ÷åò ñìûâà ïî÷âû è ðàçðûõëåííûõ ïîðîä è îáðàçóåò òàê íàçûâàåìûå ýðîçèîííûå ôîðìû ðåëüåôà (îâðàãè, ðå÷íûå äîëèíû, áàëêè). Â äðóãèõ ìåñòàõ âûíîñèìûé ìàòåðèàë îòêëàäûâàåòñÿ, îáðàçóÿ íîâûå àêêóìóëÿòèâíûå ôîðìû ðåëüåôà (êîíóñû âûíîñà ðåê è ðó÷üåâ). Äåéñòâèå âåòðà âûðàæàåòñÿ â ïåðåìåùåíèè ðûõëûõ îòëîæåíèé è îáðàçîâàíèè ñïåöèôè÷åñêèõ íåïðî÷íûõ ôîðì ðåëüåôà â òåõ ìåñòíîñòÿõ, ãäå ïðåîáëàäàþò íåñâÿçàííûå ðûõëûå ïîðîäû, òî åñòü â êàìåíèñòûõ èëè ïåñ÷àíûõ ïóñòûíÿõ, íà ïåñ÷àíûõ ïîáåðåæüÿõ îêåàíîâ è ìî-

170 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ ðåé. Ê ýîëîâûì ôîðìàì ðåëüåôà îòíîñÿòñÿ áàðõàíû, äþíû, ïðè÷óäëèâûå âûâåòðåííûå ñêàëû, ñëîæåííûå íåïðî÷íûìè ãîðíûìè ïîðîäàìè. Âíóòðåííèå è âíåøíèå ïðîöåññû íàõîäÿòñÿ â ïîñòîÿííîì âçàèìîäåéñòâèè, â ðåçóëüòàòå ÷åãî è ôîðìèðóåòñÿ ðåëüåô çåìíîé ïîâåðõíîñòè.

7.8. Îñíîâíûå ôîðìû ðåëüåôà Çåìëè Ìàòåðèêè è îêåàíû — îñíîâíûå ôîðìû ðåëüåôà Çåìëè. Èõ îáðàçîâàíèå îáóñëîâëåíî òåêòîíè÷åñêèìè, êîñìè÷åñêèìè è ïëàíåòàðíûìè ïðîöåññàìè.

} Ìàòåðèê — ýòî êðóïíåéøèé ìàññèâ çåìíîé êîðû, êîòîðûé èìååò òðåõñëîéíîå ñòðîåíèå. Áîëüøàÿ ÷àñòü åãî ïîâåðõíîñòè âûñòóïàåò íàä óðîâíåì Ìèðîâîãî îêåàíà. Â ñîâðåìåííóþ ãåîëîãè÷åñêóþ ýïîõó ñóùåñòâóåò 6 ìàòåðèêîâ: Åâðàçèÿ, Àôðèêà, Ñåâåðíàÿ Àìåðèêà, Þæíàÿ Àìåðèêà, Àâñòðàëèÿ, Àíòàðêòèäà.

} Ìèðîâîé îêåàí — íåïðåðûâíàÿ âîäíàÿ îáîëî÷êà Çåìëè, îêðóæàþùàÿ ìàòåðèêè è îáëàäàþùàÿ îáùíîñòüþ ñîëåâîãî ñîñòàâà. Ìèðîâîé îêåàí äåëèòñÿ ìàòåðèêàìè íà 4 îêåàíà: Òèõèé, Àòëàíòè÷åñêèé, Èíäèéñêèé è Ñåâåðíûé Ëåäîâèòûé.

Ïîâåðõíîñòü Çåìëè ñîñòàâëÿåò 510 ìëí. êì2. Íà äîëþ ñóøè ïðèõîäèòñÿ âñåãî 29% ïëîùàäè Çåìëè. Âñå îñòàëüíîå — Ìèðîâîé îêåàí, òî åñòü 71% . Ãîðû è ðàâíèíû, òàê æå êàê ìàòåðèêè è îêåàíû, ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûìè ôîðìàìè ðåëüåôà Çåìëè. Ãîðû îáðàçóþòñÿ â ðåçóëüòàòå òåêòîíè÷åñêèõ ïîäíÿòèé, à ðàâíèíû — â ðåçóëüòàòå ðàçðóøåíèÿ ãîð. Ðàâíèíû — îáøèðíûå ó÷àñòêè ñ îòíîñèòåëüíî ðîâíîé ïîâåðõíîñòüþ. Îíè ðàçëè÷àþòñÿ ïî âûñîòå. Ïðèìåðîì íèçìåííîñòè (îò 0 äî 200 ì íàä óðîâíåì ìîðÿ) ìîæåò ñëóæèòü Àìàçîíñêàÿ íèçìåííîñòü — ñàìàÿ áîëüøàÿ íà Çåìëå, à òàêæå Èíäî-Ãàíãñêàÿ íèçìåííîñòü. Áûâàåò, ÷òî íèçìåííîñòè ðàñïîëàãàþòñÿ íèæå óðîâíÿ ìîðÿ, — ýòî âïàäèíû. Ïðèêàñïèéñêàÿ íèçìåííîñòü ðàñïîëîæåíà íà 28 ì íèæå óðîâíÿ ìîðÿ. Ïðèìåðîì ñîáñòâåííî ðàâíèíû ìîæåò ñëóæèòü êðóïíåéøàÿ Âîñòî÷íî-Åâðîïåéñêàÿ ðàâíèíà. Íà âûñîòàõ 200–500 ì íàä óðîâíåì ìîðÿ ðàñïîëàãàþòñÿ âîçâûøåííîñòè. Íàïðèìåð, Ñðåäíåðóññêàÿ, Ïðèâîëæñêàÿ, à âûøå 500 ì — ïëîñêîãîðüÿ è íàãîðüÿ. Êðóïíåéøèìè èç íèõ ÿâëÿþòñÿ Ñðåäíåñèáèðñêîå,

7.8. Îñíîâíûå ôîðìû ðåëüåôà Çåìëè

171

Áðàçèëüñêîå, Äåêàí, Ãâèàíñêîå, Âîñòî÷íî-Àôðèêàíñêîå, Áîëüøîé Áàññåéí, Àðàâèéñêîå. Ãîðû — ó÷àñòêè çåìíîé ïîâåðõíîñòè, çíà÷èòåëüíî ïðèïîäíÿòûå íàä óðîâíåì ìîðÿ íà âûñîòó áîëåå 500 ì è ñèëüíî ðàñ÷ëåíåííûå. Ãîðû ñ÷èòàþòñÿ íèçêèìè, åñëè èõ âûñîòà — îò 500 äî 1000 ì; ñðåäíèìè — îò 1000 äî 2000 ì è âûñîêèìè — ñâûøå 2000 ì. Ñàìàÿ âûñîêàÿ ãîðíàÿ âåðøèíà íà Çåìëå — ãîðà Äæîìîëóíãìà (Ýâåðåñò) â Ãèìàëàÿõ èìååò âûñîòó 8848 ì. Îïðåäåëèòü âûñîòó ãîð ìîæíî ïî ôèçè÷åñêîé êàðòå, ïîëüçóÿñü øêàëîé âûñîò. Ðàçìåðû ôîðì ðåëüåôà îòðàæàþò îñîáåííîñòè èõ ïðîèñõîæäåíèÿ. Òàê, íàèáîëåå êðóïíûå ôîðìû ðåëüåôà — òåêòîíè÷åñêèå — îáðàçîâàëèñü â ðåçóëüòàòå ïðåîáëàäàþùåãî âëèÿíèÿ âíóòðåííèõ ñèë Çåìëè. Ôîðìû ñðåäíèõ è ìåëêèõ ìàñøòàáîâ îáðàçîâàëèñü ïðè ïðåèìóùåñòâåííîì ó÷àñòèè âíåøíèõ ñèë (ýðîçèîííûå ôîðìû). Ãîðû ðàçëè÷àþòñÿ íå òîëüêî ïî âûñîòå, íî è ïî ôîðìå (òàáë. 7.3). Ãðóïïà ãîð, âûòÿíóòûõ öåïî÷êîé, íîñèò íàçâàíèå ãîðíûé õðåáåò. Òàêóþ ôîðìó èìåþò, íàïðèìåð, ãîðû Êàâêàçà. Âûäåëÿþò ãîðíûå ïîÿñà, íàïðèìåð Àëúïèéñêî-Ãèìàëàéñêèé, è ãîðíûå ñòðàíû, íàïðèìåð Ïàìèð. Ãîðû è ðàâíèíû ðàñïîëîæåíû êàê íà ìàòåðèêàõ, òàê è â îêåàíàõ. Òàáëèöà 7.3

Êëàññèôèêàöèÿ ôîðì ðåëüåôà ïî èõ ðàçìåðàì Ôîðìû ðåëüåôà Ðàçìåðû

Êðóïíåéøèå (ìåãàðåëüåô)

Êðóïíûå (ìàêðîðåëüåô)

Ñðåäíèå (ìåçîðåëüåô)

Ìåëêèå (ìèêðîðåëüåô)

Ãîðèçîíòàëüíûå

Äåñÿòêè è ñîò- Ñîòíè è òûñÿ- Ñîòíè è òûñÿ- Ìåòðû è ñîòíè òûñÿ÷ êâàä- ÷è êâàäðàòíûõ ÷è êâàäðàòíûõ íè êâàäðàòíûõ êèëîìåòðîâ ìåòðîâ ðàòíûõ êèëî- êèëîìåòðîâ ìåòðîâ

Âåðòèêàëüíûå

Ñîòíè è òûñÿ- Ñîòíè è òûñÿ- Ìåòðû è äå÷è ìåòðîâ ÷è ìåòðîâ ñÿòêè ìåòðîâ

Ïðèìåðû Íàãîðüÿ, ãîðôîðì íûå ñòðàíû, îáøèðíûå âîçâûøåííîñòè è íèçìåííîñòè

Ìåòðû, ðåæå äåñÿòêè ìåòðîâ

Õîëìû, îâðà- Áóãðû, êóðãàÃîðíûå õðåáòû, îòäåëüíûå ãè, áàëêè, áàð- íû, ïðîìîèíû, ãîðû, áîëüøèå õàííûå öåïè ðûòâèíû ðå÷íûå äîëèíû, ìåæãîðíûå âïàäèíû


7.9. Ìèíåðàëüíûå ðåñóðñû ëèòîñôåðû Ëþäè åùå â äðåâíîñòè íàó÷èëèñü ïðèìåíÿòü äëÿ ñâîèõ íóæä íåêîòîðûå èç ýòèõ ðåñóðñîâ, ÷òî íàøëî ñâîå âûðàæåíèå â íàçâàíèÿõ èñòîðè÷åñêèõ ïåðèîäîâ ðàçâèòèÿ ÷åëîâå÷åñòâà: «êàìåííûé âåê», «áðîíçîâûé âåê», «æåëåçíûé âåê». Â íàøè äíè èñïîëüçóþòñÿ áîëåå 200 ðàçëè÷íûõ âèäîâ ìèíåðàëüíûõ ðåñóðñîâ. Ïî îáðàçíîìó âûðàæåíèþ àêàäåìèêà À. Å. Ôåðñìàíà (1883–1945), íûíå ê íîãàì ÷åëîâå÷åñòâà ñëîæåíà âñÿ ïåðèîäè÷åñêàÿ ñèñòåìà Ìåíäåëååâà. Ïîëåçíûå èñêîïàåìûå — ýòî ìèíåðàëüíûå îáðàçîâàíèÿ çåìíîé êîðû, êîòîðûå ìîãóò ýôôåêòèâíî èñïîëüçîâàòüñÿ â õîçÿéñòâå, ñêîïëåíèÿ ïîëåçíûõ èñêîïàåìûõ îáðàçóþò ìåñòîðîæäåíèÿ, à ïðè áîëüøèõ ïëîùàäÿõ ðàñïðîñòðàíåíèÿ — áàññåéíû. Ðàñïðîñòðàíåíèå ïîëåçíûõ èñêîïàåìûõ â çåìíîé êîðå ïîä÷èíÿåòñÿ ãåîëîãè÷åñêèì (òåêòîíè÷åñêèì) çàêîíîìåðíîñòÿì (òàáë. 7.4). Òîïëèâíûå ïîëåçíûå èñêîïàåìûå èìåþò îñàäî÷íîå ïðîèñõîæäåíèå è îáû÷íî ñîïóòñòâóþò ÷åõëó äðåâíèõ ïëàòôîðì è èõ âíóòðåííèì è êðàåâûì ïðîãèáàì. Òàê ÷òî íàçâàíèå «áàññåéí» îòðàæàåò èõ ïðîèñõîæäåíèå äîâîëüíî òî÷íî — «ìîðñêîé áàññåéí». Íà çåìíîì øàðå èçâåñòíî áîëåå 3,6 òûñ. óãîëüíûõ áàññåéíîâ è ìåñòîðîæäåíèé, êîòîðûå â ñîâîêóïíîñòè çàíèìàþò 15% òåððèòîðèè çåìíîé ñóøè. Îñíîâíàÿ ÷àñòü ðåñóðñîâ óãëÿ ïðèõîäèòñÿ íà Àçèþ, Ñåâåðíóþ Àìåðèêó è Åâðîïó è ñêîíöåíòðèðîâàíà â äåñÿòè êðóïíåéøèõ áàññåéíàõ Êèòàÿ, ÑØÀ, Ðîññèè, Èíäèè, Ãåðìàíèè. Íåôòåãàçîíîñíûõ áàññåéíîâ ðàçâåäàíî áîëåå 600, ðàçðàáàòûâàåòñÿ 450. Îáùåå ÷èñëî íåôòÿíûõ ìåñòîðîæäåíèé äîñòèãàåò 35 òûñ. Îñíîâíûå çàïàñû íàõîäÿòñÿ â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè è ÿâëÿþòñÿ îòëîæåíèÿìè ìåçîçîÿ. Ãëàâíàÿ ÷àñòü ýòèõ çàïàñîâ òàêæå ñêîíöåíòðèðîâàíà â íåáîëüøîì ÷èñëå êðóïíåéøèõ áàññåéíîâ Ñàóäîâñêîé Àðàâèè, ÑØÀ, Ðîññèè, Èðàíà. Ðóäíûå ïîëåçíûå èñêîïàåìûå îáû÷íî ïðèóðî÷åíû ê ôóíäàìåíòàì (ùèòàì) äðåâíèõ ïëàòôîðì, à òàêæå ê ñêëàä÷àòûì îáëàñòÿì. Â òàêèõ îáëàñòÿõ îíè íåðåäêî îáðàçóþò îãðîìíûå ïî ïðîòÿæåííîñòè ðóäíûå (ìåòàëëîãåíè÷åñêèå) ïîÿñà, ñâÿçàííûå ñâîèì ïðîèñõîæäåíèåì ñ ãëóáèííûìè ðàçëîìàìè â çåìíîé êîðå. Ðåñóðñû ãåîòåðìàëüíîé ýíåðãèè îñîáåííî âåëèêè â ñòðàíàõ è ðàéîíàõ ñ ïîâûøåííîé ñåéñìè÷åñêîé è âóëêàíè÷åñêîé àêòèâíîñòüþ (Èñëàíäèÿ, Èòàëèÿ, Íîâàÿ Çåëàíäèÿ, Ôèëèïïèíû, Ìåêñèêà, Êàì÷àòêà è Ñåâåðíûé Êàâêàç â Ðîññèè, Êàëèôîðíèÿ â ÑØÀ).

7.9. Ìèíåðàëüíûå ðåñóðñû ëèòîñôåðû

173

Äëÿ õîçÿéñòâåííîãî îñâîåíèÿ íàèáîëåå âûãîäíû òåððèòîðèàëüíûå ñî÷åòàíèÿ (ñêîïëåíèÿ) ïîëåçíûõ èñêîïàåìûõ, êîòîðûå îáëåã÷àþò êîìïëåêñíóþ ïåðåðàáîòêó ñûðüÿ. Äîáû÷à ìèíåðàëüíûõ ðåñóðñîâ çàêðûòûì (øàõòíûì) ñïîñîáîì â ìèðîâûõ ìàñøòàáàõ âåäåòñÿ â çàðóáåæíîé Åâðîïå, Åâðîïåéñêîé ÷àñòè Ðîññèè, ÑØÀ, ãäå ìíîãèå ìåñòîðîæäåíèÿ è áàññåéíû, íàõîäÿùèåñÿ â âåðõíèõ ñëîÿõ çåìíîé êîðû, óæå ñèëüíî âûðàáîòàíû. Åñëè ïîëåçíûå èñêîïàåìûå çàëåãàþò íà ãëóáèíå 20–30 ì, âûãîäíåå ñíÿòü áóëüäîçåðîì âåðõíèé ñëîé ãîðíîé ïîðîäû è âåñòè äîáû÷ó îòêðûòûì ñïîñîáîì. Îòêðûòûì ñïîñîáîì äîáûâàþò, íàïðèìåð, æåëåçíóþ ðóäó â ðàéîíå Êóðñêà, óãîëü íà íåêîòîðûõ ìåñòîðîæäåíèÿõ Ñèáèðè. Ïî çàïàñàì è äîáû÷å ìíîãèõ ìèíåðàëüíûõ áîãàòñòâ Ðîññèÿ çàíèìàåò îäíî èç ïåðâûõ ìåñò â ìèðå (ãàç, óãîëü, íåôòü, æåëåçíàÿ ðóäà, àëìàçû). Â òàáë. 7.4 ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü ìåæäó ñòðîåíèåì çåìíîé êîðû, ðåëüåôîì è ðàçìåùåíèåì ïîëåçíûõ èñêîïàåìûõ. Òàáëèöà 7.4

Çàëåæè ïîëåçíûõ èñêîïàåìûõ â çàâèñèìîñòè îò ñòðîåíèÿ è âîçâðàòà ó÷àñòêà çåìíîé êîðû è ôîðì ðåëüåôà Ôîðìû Ñòðîåíèå è âîçðàñò ðåëüåôà ó÷àñòêà çåìíîé êîðû

Ðàâíèíû

Ùèòû àðõåéñêîïðîòåðîçîéñêèõ ïëàòôîðì

Õàðàêòåðíûå ïîëåçíûå èñêîïàåìûå

Ïðèìåðû

Îáèëüíûå ìåñòîðîæäå- Óêðàèíñêèé ùèò, íèÿ æåëåçíûõ ðóä Áàëòèéñêèé ùèò Ðóññêîé ïëàòôîðìû

Ïëèòû äðåâíèõ Íåôòü, ãàç, êàìåííûé Çàïàäíî-Ñèáèðïëàòôîðì, ÷åõîë êî- óãîëü, ñòðîèòåëüíûå ìà- ñêàÿ íèçìåííîñòü, òîðûõ ñôîðìèðîâàë- òåðèàëû Ðóññêàÿ ðàâíèíà ñÿ â ïàëåîçîéñêîå è ìåçîçîéñêîå âðåìÿ Ãîðû

Ìîëîäûå ñêëàä÷àÏîëèìåòàëëè÷åñêèå ðó- Êàâêàç, Àëüïû òûå ãîðû àëüïèéñêî- äû, ñòðîèòåëüíûå ìàòåãî âîçðàñòà ðèàëû Ðàçðóøåííûå ñêëàä÷àòî-ãëûáîâûå ãîðû ìåçîçîéñêîé, ãåðöèíñêîé è êàëåäîíñêîé ñêëàä÷àòîñòåé

Êàçàõñêèé ìåëêîÑàìûå áîãàòûå ïîëåçñîïî÷íèê íûìè èñêîïàåìûìè ñòðóêòóðû: ðóäû ÷åðíûõ (æåëåçî, ìàðãàíåö) è öâåòíûõ (õðîì, ìåäü, íèêåëü, óðàí, ðòóòü) ìåòàëëîâ, ðîññûïè çîëîòà, ïëàòèíû, àëìàçîâ

174 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ Òàáëèöà 7.4 (ïðîäîëæåíèå) Ôîðìû Ñòðîåíèå è âîçðàñò ðåëüåôà ó÷àñòêà çåìíîé êîðû

Îìîëîæåííûå ãîðû ìåçîçîéñêîé è ïàëåîçîéñêîé ñêëàä÷àòîñòåé Ìàòåðè- Êðàåâûå ïðîãèáû êîâàÿ îòìåëü (øåëüô) Çàòîïëåííàÿ ÷àñòü ïëèò, ïëàòôîðì Äíî îêåàíà

Õàðàêòåðíûå ïîëåçíûå èñêîïàåìûå

Ïðèìåðû

Ðóäû ÷åðíûõ è öâåòíûõ Óðàë, Àïïàëà÷è, ãîðû Öåíòðàëüìåòàëëîâ, êîðåííûå è ðîññûïíûå ìåñòîðîæäå- íîé Åâðîïû íèÿ çîëîòà, ïëàòèíû è àëìàçîâ Íåôòü, ãàç

Ìåêñèêàíñêèé çàëèâ

Íåôòü, ãàç

Ïåðñèäñêèé çàëèâ

Àáèññàëüíûå ðàâíè- Æåëåçî-ìàðãàíöåâûå íû êîíêðåöèè

Äíî Ñåâåðíîãî ìîðÿ

7.10. Ãèäðîñôåðà

Ãèäðîñôåðà (îò ãðå÷. hydro — âîäà è sphaira — øàð) — âîäíàÿ îáîëî÷êà Çåìëè, ïðåäñòàâëÿþùàÿ ñîáîé ñîâîêóïíîñòü îêåàíîâ, ìîðåé è êîíòèíåíòàëüíûõ âîäíûõ áàññåéíîâ — ðåê, îçåð, áîëîò è äð., ïîäçåìíûõ âîä, ëåäíèêîâ è ñíåæíûõ ïîêðîâîâ. Ïîëàãàþò, ÷òî âîäíàÿ îáîëî÷êà Çåìëè îáðàçîâàëàñü â ðàííåì àðõåå, òî åñòü ïðèìåðíî 3800 ìëí ëåò íàçàä. Â ýòîò ïåðèîä èñòîðèè Çåìëè íà íàøåé ïëàíåòå óñòàíîâèëàñü òåìïåðàòóðà, ïðè êîòîðîé âîäà ìîãëà íàõîäèòüñÿ â çíà÷èòåëüíîé ìåðå â æèäêîì àãðåãàòíîì ñîñòîÿíèè. Âîäà êàê âåùåñòâî îáëàäàåò óíèêàëüíûìè ñâîéñòâàìè, ê ÷èñëó êîòîðûõ îòíîñÿòñÿ ñëåäóþùèå: u u u

u

ñïîñîáíîñòü ê ðàñòâîðåíèþ î÷åíü ìíîãèõ âåùåñòâ; âûñîêàÿ òåïëîåìêîñòü; íàõîæäåíèå â æèäêîì ñîñòîÿíèè â èíòåðâàëå òåìïåðàòóð îò 0 äî 100 °Ñ; áîëüøàÿ ëåãêîñòü âîäû â òâåðäîì ñîñòîÿíèè (ëüäà), íåæåëè â æèäêîì.

Óíèêàëüíûå ñâîéñòâà âîäû ïîçâîëèëè åé èãðàòü âàæíóþ ðîëü â ýâîëþöèîííûõ ïðîöåññàõ, ïðîèñõîäÿùèõ â ïîâåðõíîñòíûõ ñëîÿõ çåìíîé êîðû, â êðóãîâîðîòå âåùåñòâà â ïðèðîäå è ÿâëÿòüñÿ óñëîâèåì âîçíèêíîâåíèÿ è ðàçâèòèÿ æèçíè íà Çåìëå. Âîäà íà÷èíàåò âûïîëíÿòü ñâîè


175

ãåîëîãè÷åñêèå è áèîëîãè÷åñêèå ôóíêöèè â èñòîðèè Çåìëè ïîñëå âîçíèêíîâåíèÿ ãèäðîñôåðû. Ãèäðîñôåðó ñîñòàâëÿþò ïîâåðõíîñòíûå âîäû è ïîäçåìíûå âîäû. Ïîâåðõíîñòíûå âîäû ãèäðîñôåðû ïîêðûâàþò 70,8% çåìíîé ïîâåðõíîñòè. Èõ ñóììàðíûé îáúåì äîñòèãàåò 1370,3 ìëí êì3, ÷òî ñîñòàâëÿåò 1/800 îáùåãî îáúåìà ïëàíåòû, à ìàññà îöåíèâàåòñÿ â 1,4 ´ 1018 ò. Ê ÷èñëó ïîâåðõíîñòíûõ âîä, òî åñòü âîä, ïîêðûâàþùèõ ñóøó, îòíîñÿò Ìèðîâîé îêåàí, êîíòèíåíòàëüíûå âîäíûå áàññåéíû è ìàòåðèêîâûå ëüäû. Ìèðîâîé îêåàí âêëþ÷àåò â ñåáÿ âñå ìîðÿ è îêåàíû Çåìëè. Ìîðÿ è îêåàíû ïîêðûâàþò 3/4 ïîâåðõíîñòè ñóøè, èëè 361,1 ìëí êì2. Â Ìèðîâîì îêåàíå ñîñðåäîòî÷åíà îñíîâíàÿ ìàññà ïîâåðõíîñòíûõ âîä — 98%. Ìèðîâîé îêåàí óñëîâíî ðàçäåëåí íà ÷åòûðå îêåàíà: Àòëàíòè÷åñêèé, Òèõèé, Èíäèéñêèé è Ñåâåðíûé Ëåäîâèòûé. Ïîëàãàþò, ÷òî ñîâðåìåííûé óðîâåíü îêåàíà óñòàíîâèëñÿ îêîëî 7000 ëåò íàçàä. Ïî äàííûì ãåîëîãè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé, êîëåáàíèÿ óðîâíÿ îêåàíà çà ïîñëåäíèå 200 ìëí ëåò íå ïðåâûøàëè 100 ì. Âîäà â Ìèðîâîì îêåàíå ñîëåíàÿ. Ñðåäíåå ñîäåðæàíèå ñîëåé ñîñòàâëÿåò îêîëî 3,5% ïî ìàññå, èëè 35 ã/ë. Èõ êà÷åñòâåííûé ñîñòàâ ñëåäóþùèé: èç êàòèîíîâ ïðåîáëàäàþò Na+, Mg2+, K+, Ca2+, èç àíèîíîâ — Cl–, SO42–, Br–, CO32–, F–. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ñîëåâîé ñîñòàâ Ìèðîâîãî îêåàíà îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì ñ ïàëåîçîéñêîé ýðû — âðåìåíè íà÷àëà ðàçâèòèÿ æèçíè íà ñóøå, òî åñòü ïðèìåðíî â òå÷åíèå 400 ìëí ëåò. Êîíòèíåíòàëüíûå âîäíûå áàññåéíû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ðåêè, îçåðà, áîëîòà, âîäîõðàíèëèùà. Èõ âîäû ñîñòàâëÿþò 0,35% îò îáùåé ìàññû ïîâåðõíîñòíûõ âîä ãèäðîñôåðû. Íåêîòîðûå êîíòèíåíòàëüíûå âîäîåìû — îçåðà — ñîäåðæàò ñîëåíóþ âîäó. Ýòè îçåðà èìåþò ëèáî âóëêàíè÷åñêîå ïðîèñõîæäåíèå, ëèáî ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé èçîëèðîâàííûå îñòàòêè äðåâíèõ ìîðåé, ëèáî îáðàçîâàíû â ðàéîíå ìîùíûõ îòëîæåíèé ðàñòâîðèìûõ ñîëåé. Îäíàêî â îñíîâíîì êîíòèíåíòàëüíûå âîäîåìû ïðåñíûå. Ïðåñíàÿ âîäà îòêðûòûõ âîäîåìîâ òàêæå ñîäåðæèò ðàñòâîðèìûå ñîëè, íî â íåáîëüøîì êîëè÷åñòâå. Â çàâèñèìîñòè îò ñîäåðæàíèÿ ðàñòâîðåííûõ ñîëåé ïðåñíóþ âîäó ðàçäåëÿþò íà ìÿãêóþ è æåñòêóþ. ×åì ìåíüøå â âîäå ðàñòâîðåíî ñîëåé, òåì îíà ìÿã÷å. Ñàìàÿ æåñòêàÿ ïðåñíàÿ âîäà ñîäåðæèò ñîëåé íå áîëåå 0,005% ïî ìàññå, èëè 0,5 ã/ë. Ìàòåðèêîâûå ëüäû ñîñòàâëÿþò 1,65% îò îáùåé ìàññû ïîâåðõíîñòíûõ âîä ãèäðîñôåðû, 99% ëüäà íàõîäèòñÿ â Àíòàðêòèäå è Ãðåíëàíäèè. Îáùàÿ ìàññà ñíåãà è ëüäà íà Çåìëå îöåíèâàåòñÿ â 0,0004% ìàññû íàøåé ïëàíåòû. Ýòîãî äîñòàòî÷íî äëÿ òîãî, ÷òîáû ïîêðûòü âñþ ïîâåðõ-

176 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ íîñòü ïëàíåòû ñëîåì ëüäà òîëùèíîé 53 ì. Ñîãëàñíî ðàñ÷åòàì, åñëè ýòà ìàññà ðàñòàåò, òî óðîâåíü îêåàíà ïîäíèìåòñÿ íà 64 ì. Õèìè÷åñêèé ñîñòàâ ïîâåðõíîñòíûõ âîä ãèäðîñôåðû ïðèáëèçèòåëüíî ðàâåí ñðåäíåìó ñîñòàâó ìîðñêîé âîäû. Èç õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ïî ìàññå ïðåîáëàäàþò êèñëîðîä (85,8%) è âîäîðîä (10,7%). Ïîâåðõíîñòíûå âîäû ñîäåðæàò çíà÷èòåëüíîå êîëè÷åñòâî õëîðà (1,9%) è íàòðèÿ (1,1%). Îòìå÷àåòñÿ ñóùåñòâåííî áîëåå âûñîêîå, ÷åì â çåìíîé êîðå, ñîäåðæàíèå ñåðû è áðîìà. Ïîäçåìíûå âîäû ãèäðîñôåðû ñîäåðæàò îñíîâíîé çàïàñ ïðåñíîé âîäû. Ïðåäïîëàãàþò, ÷òî ñóììàðíûé îáúåì ïîäçåìíûõ âîä ïðèìåðíî 28,5 ìëðä êì3. Ýòî ïî÷òè â 15 ðàç áîëüøå, ÷åì â Ìèðîâîì îêåàíå. Ñ÷èòàþò, ÷òî èìåííî ïîäçåìíûå âîäû ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûì ðåçåðâóàðîì, ïîïîëíÿþùèì âñå ïîâåðõíîñòíûå âîäîåìû. Ïîäçåìíàÿ ãèäðîñôåðà ìîæåò áûòü ðàçäåëåíà íà ïÿòü çîí. Êðèîçîíà. Îáëàñòü ëüäîâ. Çîíà îõâàòûâàåò ïîëÿðíûå ðàéîíû. Òîëùèíà åå îöåíèâàåòñÿ â ïðåäåëàõ 1 êì. Çîíà æèäêîé âîäû. Îõâàòûâàåò ïðàêòè÷åñêè âñþ çåìíóþ êîðó. Çîíà ïàðîîáðàçíîé âîäû îãðàíè÷èâàåòñÿ ãëóáèíîé äî 160 êì. Ïîëàãàþò, ÷òî âîäà â ýòîé çîíå èìååò òåìïåðàòóðó îò 450 °Ñ äî 700 °Ñ è íàõîäèòñÿ ïîä äàâëåíèåì äî 5 ÃÏà1. Íèæå, íà ãëóáèíàõ äî 270 êì, ðàñïîëàãàåòñÿ çîíà ìîíîìåðíûõ ìîëåêóë âîäû. Îíà îõâàòûâàåò ñëîè âîäû ñ äèàïàçîíîì òåìïåðàòóð îò 700 °Ñ äî 1000 °Ñ è äàâëåíèåì äî 10 ÃÏà. Çîíà ïëîòíîé âîäû ïðîñòèðàåòñÿ, ïðåäïîëîæèòåëüíî, äî ãëóáèí â 3000 êì è îïîÿñûâàåò âñþ ìàíòèþ Çåìëè. Òåìïåðàòóðó âîäû â ýòîé çîíå îöåíèâàþò â ïðîìåæóòêå îò 1000° äî 4000 °Ñ, à äàâëåíèå — äî 120 ÃÏà. Âîäà ïðè òàêèõ óñëîâèÿõ ïîëíîñòüþ èîíèçèðîâàíà. Ãèäðîñôåðà Çåìëè âûïîëíÿåò âàæíûå ôóíêöèè: îíà ðåãóëèðóåò òåìïåðàòóðó ïëàíåòû, îáåñïå÷èâàåò êðóãîâîðîò âåùåñòâ, ÿâëÿåòñÿ ñîñòàâíîé ÷àñòüþ áèîñôåðû. Íåïîñðåäñòâåííîå âîçäåéñòâèå íà ðåãóëÿöèþ òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòíûõ ñëîåâ Çåìëè ãèäðîñôåðà îêàçûâàåò áëàãîäàðÿ îäíîìó èç âàæíûõ ñâîéñòâ âîäû — áîëüøîé òåïëîåìêîñòè. Ïî ýòîé ïðè÷èíå ïîâåðõíîñòíûå âîäû àêêóìóëèðóþò ñîëíå÷íóþ ýíåðãèþ, à çàòåì ìåäëåííî åå îòäàþò â îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî. Âûðàâíèâàíèå òåìïåðàòóðû íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè ïðîèñõîäèò èñêëþ÷èòåëüíî áëàãîäàðÿ êðóãîâîðîòó âîäû. Êðîìå òîãî, ñíåã è ëåä èìåþò î÷åíü âûñîêóþ îòðàæàþùóþ 1

ÃÏà — ãèãàïàñêàëü. Ïàñêàëü (Ïà) — åäèíèöà èçìåðåíèÿ äàâëåíèÿ. 1 Ïà ~10–5 àòì. 1 ÃÏà = 109 Ïà.


177

ñïîñîáíîñòü: îíà ïðåâûøàåò ñðåäíþþ äëÿ çåìíîé ïîâåðõíîñòè íà 30%. Ïîýòîìó íà ïîëþñàõ ðàçíîñòü ìåæäó ïîãëîùåííîé è èçëó÷åííîé ýíåðãèåé âñåãäà îòðèöàòåëüíà, òî åñòü ïîãëîùåííàÿ ïîâåðõíîñòüþ ýíåðãèÿ ìåíüøå èñïóùåííîé. Òàê ïðîèñõîäèò òåðìîðåãóëÿöèÿ ïëàíåòû. Îáåñïå÷åíèå êðóãîâîðîòà âåùåñòâ — äðóãàÿ âàæíåéøàÿ ôóíêöèÿ ãèäðîñôåðû. Ãèäðîñôåðà íàõîäèòñÿ â ïîñòîÿííîì âçàèìîäåéñòâèè ñ àòìîñôåðîé, çåìíîé êîðîé è áèîñôåðîé. Âîäà ãèäðîñôåðû ðàñòâîðÿåò â ñåáå âîçäóõ, êîíöåíòðèðóÿ ïðè ýòîì êèñëîðîä, èñïîëüçóåìûé â äàëüíåéøåì âîäíûìè æèâûìè îðãàíèçìàìè. Íàõîäÿùèéñÿ â âîçäóõå óãëåêèñëûé ãàç, îáðàçóþùèéñÿ ïðåèìóùåñòâåííî â ðåçóëüòàòå äûõàíèÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ, ñæèãàíèÿ òîïëèâà è èçâåðæåíèÿ âóëêàíîâ, îáëàäàåò âûñîêîé ðàñòâîðèìîñòüþ â âîäå è àêêóìóëèðóåòñÿ â ãèäðîñôåðå. Ãèäðîñôåðà ðàñòâîðÿåò â ñåáå òàêæå òÿæåëûå èíåðòíûå ãàçû — êñåíîí è êðèïòîí, ñîäåðæàíèå êîòîðûõ â âîäå âûøå, ÷åì â âîçäóõå. Âîäû ãèäðîñôåðû, èñïàðÿÿñü, ïîñòóïàþò â àòìîñôåðó è âûïàäàþò â âèäå îñàäêîâ, êîòîðûå ïðîíèêàþò â ãîðíûå ïîðîäû, ðàçðóøàÿ èõ. Òàê âîäà ó÷àñòâóåò â ïðîöåññàõ âûâåòðèâàíèÿ ãîðíûõ ïîðîä. Îáëîìêè ãîðíûõ ïîðîä ñíîñÿòñÿ òåêó÷èìè âîäàìè â ðåêè, à çàòåì â ìîðÿ è îêåàíû èëè â çàìêíóòûå êîíòèíåíòàëüíûå âîäîåìû è ïîñòåïåííî îòëàãàþòñÿ íà äíå. Ýòè îòëîæåíèÿ âïîñëåäñòâèè ïðåâðàùàþòñÿ â îñàäî÷íûå ãîðíûå ïîðîäû. Ïîëàãàþò, ÷òî ãëàâíûå êàòèîíû ìîðñêîé âîäû — êàòèîíû íàòðèÿ, ìàãíèÿ, êàëèÿ, êàëüöèÿ — îáðàçîâàëèñü â ðåçóëüòàòå âûâåòðèâàíèÿ ãîðíûõ ïîðîä è ïîñëåäóþùåãî âûíîñà ïðîäóêòîâ âûâåòðèâàíèÿ ðåêàìè â ìîðå. Âàæíåéøèå àíèîíû ìîðñêîé âîäû — àíèîíû õëîðà, áðîìà, ôòîðà, ñóëüôàò-èîí è êàðáîíàò-èîí, âåðîÿòíî, ïðîèñõîäÿò èç àòìîñôåðû è ñâÿçàíû ñ âóëêàíè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòüþ. ×àñòü ðàñòâîðèìûõ ñîëåé ñèñòåìàòè÷åñêè âûâîäèòñÿ èç ñîñòàâà ãèäðîñôåðû ïîñðåäñòâîì èõ îñàæäåíèÿ. Íàïðèìåð, ïðè âçàèìîäåéñòâèè ðàñòâîðåííûõ â âîäå êàðáîíàò-èîíîâ ñ êàòèîíàìè êàëüöèÿ è ìàãíèÿ îáðàçóþòñÿ íåðàñòâîðèìûå ñîëè, êîòîðûå îïóñêàþòñÿ íà äíî â âèäå êàðáîíàòíûõ îñàäî÷íûõ ãîðíûõ ïîðîä. Â îñàæäåíèè íåêîòîðûõ ñîëåé áîëüøóþ ðîëü èãðàþò îðãàíèçìû, íàñåëÿþùèå ãèäðîñôåðó. Îíè èçâëåêàþò èç ìîðñêîé âîäû îòäåëüíûå êàòèîíû è àíèîíû, êîíöåíòðèðóÿ èõ â ñâîèõ ñêåëåòàõ è ðàêîâèíàõ â âèäå êàðáîíàòîâ, ñèëèêàòîâ, ôîñôàòîâ è äðóãèõ ñîåäèíåíèé. Ïîñëå ñìåðòè îðãàíèçìîâ èõ òâåðäûå îáîëî÷êè íàêàïëèâàþòñÿ íà ìîðñêîì äíå è îáðàçóþò ìîùíûå òîëùè èçâåñòíÿêîâ, ôîñôîðèòîâ è ðàçëè÷íûõ êðåìíèñòûõ ïîðîä. Ïîäàâëÿþùàÿ ÷àñòü îñàäî÷íûõ ãîðíûõ ïîðîä è òàêèå öåííûå ïîëåçíûå

178 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ èñêîïàåìûå, êàê íåôòü, óãîëü, áîêñèòû, ðàçíîîáðàçíûå ñîëè è ò. ä., îáðàçîâàëèñü â ïðîøëûå ãåîëîãè÷åñêèå ïåðèîäû â ðàçëè÷íûõ âîäîåìàõ ãèäðîñôåðû. Óñòàíîâëåíî, ÷òî äàæå ñàìûå äðåâíèå ãîðíûå ïîðîäû, àáñîëþòíûé âîçðàñò êîòîðûõ äîñòèãàåò îêîëî 1,8 ìëðä ëåò, ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñèëüíî èçìåíèâøèåñÿ îñàäêè, îáðàçîâàííûå â âîäíîé ñðåäå. Âîäà èñïîëüçóåòñÿ òàêæå â ïðîöåññå ôîòîñèíòåçà, â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî îáðàçóåòñÿ îðãàíè÷åñêîå âåùåñòâî è êèñëîðîä. Â ãèäðîñôåðå ïðèìåðíî îêîëî 3500 ìëí ëåò íàçàä çàðîäèëàñü æèçíü íà Çåìëå. Ýâîëþöèÿ îðãàíèçìîâ ïðîäîëæàëàñü èñêëþ÷èòåëüíî â âîäíîé ñðåäå âïëîòü äî íà÷àëà ïàëåîçîéñêîé ýðû, êîãäà ïðèìåðíî 400 ìëí ëåò íàçàä íà÷àëîñü ïîñòåïåííîå ïåðåñåëåíèå æèâîòíûõ è ðàñòèòåëüíûõ îðãàíèçìîâ íà ñóøó. Â ýòîé ñâÿçè ãèäðîñôåðó ðàññìàòðèâàþò êàê êîìïîíåíò áèîñôåðû (áèîñôåðà — ñôåðà æèçíè, îáëàñòü îáèòàíèÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ). Æèâûå îðãàíèçìû ðàñïðîñòðàíåíû â ãèäðîñôåðå êðàéíå íåðàâíîìåðíî. Êîëè÷åñòâî è ìíîãîîáðàçèå æèâûõ îðãàíèçìîâ â îòäåëüíûõ ó÷àñòêàõ ïîâåðõíîñòíûõ âîä îïðåäåëÿåòñÿ ìíîãèìè ïðè÷èíàìè, â òîì ÷èñëå êîìïëåêñîì ôàêòîðîâ âíåøíåé ñðåäû: òåìïåðàòóðîé, ñîëåíîñòüþ âîäû, îñâåùåííîñòüþ, äàâëåíèåì. Ñ óâåëè÷åíèåì ãëóáèíû îãðàíè÷èâàþùåå äåéñòâèå îñâåùåííîñòè è äàâëåíèÿ âîçðàñòàåò: êîëè÷åñòâî ïîñòóïàþùåãî ñâåòà ðåçêî óìåíüøàåòñÿ, à äàâëåíèå, íàîáîðîò, ñòàíîâèòñÿ î÷åíü âûñîêèì. Òàê, â ìîðÿõ è îêåàíàõ çàñåëåíû â îñíîâíîì ëèòîðàëüíûå çîíû, òî åñòü çîíû íå ãëóáæå 200 ì, íàèáîëåå ïðîãðåâàåìûå ñîëíå÷íûìè ëó÷àìè. Õàðàêòåðèçóÿ ôóíêöèè ãèäðîñôåðû íà íàøåé ïëàíåòå, Â. È. Âåðíàäñêèé îòìå÷àë: «Âîäà îïðåäåëÿåò è ñîçäàåò âñþ áèîñôåðó. Îíà ñîçäàåò îñíîâíûå ÷åðòû çåìíîé êîðû, âïëîòü äî ìàãìàòè÷åñêîé îáîëî÷êè».

7.11. Àòìîñôåðà

Àòìîñôåðà (îò ãðå÷. atmos — ïàð, èñïàðåíèå è sphaira — øàð) — îáîëî÷êà Çåìëè, ñîñòîÿùàÿ èç âîçäóõà. Â ñîñòàâ âîçäóõà âõîäèò ðÿä ãàçîâ è âçâåøåííûå â íèõ ÷àñòèöû òâåðäûõ è æèäêèõ ïðèìåñåé — àýðîçîëåé. Ìàññà àòìîñôåðû îöåíèâàåòñÿ â 5,157 ´ 1015 ò. Ñòîëá âîçäóõà îêàçûâàåò äàâëåíèå íà ïîâåðõíîñòü Çåìëè: ñðåäíåå àòìîñôåðíîå äàâëåíèå íà óðîâíå ìîðÿ — 1013,25 ãÏà, èëè 760 ìì ðò. ñò. Äàâëåíèå âåëè÷èíîé 760 ìì ðò. ñò. ïðèðàâíåíî ê âíåñèñòåìíîé åäèíèöå äàâëåíèÿ — 1 àòìîñôåðå (1 àòì.). Ñðåäíÿÿ


179

òåìïåðàòóðà âîçäóõà ó ïîâåðõíîñòè Çåìëè — 15 °Ñ, ïðè ýòîì òåìïåðàòóðà èçìåíÿåòñÿ ïðèìåðíî îò 57 °Ñ â ñóáòðîïè÷åñêèõ ïóñòûíÿõ äî –89 °Ñ â Àíòàðêòèäå. Àòìîñôåðà íåîäíîðîäíà. Ðàçëè÷àþò ñëåäóþùèå ñëîè àòìîñôåðû: òðîïîñôåðó, ñòðàòîñôåðó, ìåçîñôåðó, òåðìîñôåðó è ýêçîñôåðó, êîòîðûå îòëè÷àþòñÿ ïî îñîáåííîñòÿì ðàñïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðû, ïëîòíîñòè âîçäóõà è íåêîòîðûì äðóãèì ïàðàìåòðàì. Ó÷àñòêè àòìîñôåðû, çàíèìàþùèå ïðîìåæóòî÷íîå ïîëîæåíèå ìåæäó ýòèìè ñëîÿìè, ñîîòâåòñòâåííî íàçûâàþò òðîïîïàóçîé, ñòðàòîïàóçîé è ìåçîïàóçîé. Òðîïîñôåðà — íèæíèé ñëîé àòìîñôåðû âûñîòîé îò 8–10 êì â ïîëÿðíûõ øèðîòàõ è äî 16–18 êì â òðîïèêàõ. Òðîïîñôåðà õàðàêòåðèçóåòñÿ ïàäåíèåì òåìïåðàòóðû âîçäóõà ñ âûñîòîé — ñ óäàëåíèåì îò ïîâåðõíîñòè Çåìëè íà êàæäûé êèëîìåòð òåìïåðàòóðà óìåíüøàåòñÿ ïðèìåðíî íà 6 °Ñ. Ïëîòíîñòü âîçäóõà áûñòðî óáûâàåò. Â òðîïîñôåðå ñîñðåäîòî÷åíî îêîëî 80% âñåé ìàññû àòìîñôåðû. Ñòðàòîñôåðà ðàñïîëàãàåòñÿ íà âûñîòàõ â ñðåäíåì îò 10–15 êì äî 50–55 êì îò ïîâåðõíîñòè Çåìëè. Ñòðàòîñôåðà õàðàêòåðèçóåòñÿ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû ñ âûñîòîé. Âîçðàñòàíèå òåìïåðàòóðû ïðîèñõîäèò ïî ïðè÷èíå ïîãëîùåíèÿ îçîíîì, íàõîäÿùèìñÿ â ýòîì ñëîå àòìîñôåðû, êîðîòêîâîëíîâîé ðàäèàöèè Ñîëíöà, ïðåæäå âñåãî ÓÔ (óëüòðàôèîëåòîâûõ) ëó÷åé. Ïðè ýòîì â íèæíåé ÷àñòè ñòðàòîñôåðû äî óðîâíÿ îêîëî 20 êì òåìïåðàòóðà ìàëî ìåíÿåòñÿ ñ âûñîòîé è ìîæåò äàæå íåçíà÷èòåëüíî óìåíüøàòüñÿ. Âûøå òåìïåðàòóðà íà÷èíàåò âîçðàñòàòü — ñíà÷àëà ìåäëåííî, à ñ óðîâíÿ 34–36 êì íàìíîãî áûñòðåå. Â âåðõíåé ÷àñòè ñòðàòîñôåðû íà âûñîòå 50–55 êì òåìïåðàòóðà äîñòèãàåò 260– 270 Ê. Ìåçîñôåðà — ñëîé àòìîñôåðû, ðàñïîëîæåííûé íà âûñîòàõ 55–85 êì. Â ìåçîñôåðå òåìïåðàòóðà âîçäóõà ñ óâåëè÷åíèåì âûñîòû óìåíüøàåòñÿ — ïðèìåðíî ñ 270 Ê íà íèæíåé ãðàíèöå äî 200 Ê íà âåðõíåé ãðàíèöå. Òåðìîñôåðà ïðîñòèðàåòñÿ íà âûñîòàõ ïðèìåðíî îò 85 êì äî 250 êì îò ïîâåðõíîñòè Çåìëè è õàðàêòåðèçóåòñÿ áûñòðûì ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû âîçäóõà, äîñòèãàþùåé íà âûñîòå 250 êì 800–1200 Ê. Ïîâûøåíèå òåìïåðàòóðû ïðîèñõîäèò âñëåäñòâèå ïîãëîùåíèÿ ýòèì ñëîåì àòìîñôåðû êîðïóñêóëÿðíîé è ðåíòãåíîâñêîé ðàäèàöèè Ñîëíöà; çäåñü òîðìîçÿòñÿ è ñãîðàþò ìåòåîðû. Òàêèì îáðàçîì, òåðìîñôåðà âûïîëíÿåò ôóíêöèþ çàùèòíîãî ñëîÿ Çåìëè. Âûøå òðîïîñôåðû íàõîäèòñÿ ýêçîñôåðà, âåðõíÿÿ ãðàíèöà êîòîðîé óñëîâíà è îòìå÷àåòñÿ âûñîòîé ïðèìåðíî 1000 êì íàä ïîâåðõíîñòüþ Çåìëè. Èç ýêçîñôåðû àòìîñôåðíûå ãàçû ðàññåèâàþòñÿ â ìèðîâîå ïðî-

180 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ ñòðàíñòâî. Òàê ïðîèñõîäèò ïîñòåïåííûé ïåðåõîä îò àòìîñôåðû ê ìåæïëàíåòíîìó ïðîñòðàíñòâó. Àòìîñôåðíûé âîçäóõ âáëèçè ïîâåðõíîñòè Çåìëè ñîñòîèò èç ðàçëè÷íûõ ãàçîâ, ïðåèìóùåñòâåííî èç àçîòà (78,1% ïî îáúåìó) è êèñëîðîäà (20,9% ïî îáúåìó). Â ñîñòàâ âîçäóõà â íåáîëüøîì êîëè÷åñòâå òàêæå âõîäÿò ñëåäóþùèå ãàçû: àðãîí, óãëåêèñëûé ãàç, ãåëèé, îçîí, ðàäîí, âîäÿíîé ïàð. Êðîìå òîãî, âîçäóõ ìîæåò ñîäåðæàòü ðàçëè÷íûå ïåðåìåííûå êîìïîíåíòû: îêñèäû àçîòà, àììèàê è äð. Ïîìèìî ãàçîâ â ñîñòàâ âîçäóõà âõîäèò àòìîñôåðíûé àýðîçîëü, êîòîðûé ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé âçâåøåííûå â âîçäóõå î÷åíü ìåëêèå òâåðäûå è æèäêèå ÷àñòèöû. Àýðîçîëü îáðàçóåòñÿ â ïðîöåññå æèçíåäåÿòåëüíîñòè îðãàíèçìîâ, õîçÿéñòâåííîé äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà, âóëêàíè÷åñêèõ èçâåðæåíèé, ïîäúåìà ïûëè ñ ïîâåðõíîñòè ïëàíåòû è èç êîñìè÷åñêîé ïûëè, ïîïàäàþùåé â âåðõíèå ñëîè àòìîñôåðû. Ñîñòàâ àòìîñôåðíîãî âîçäóõà äî âûñîòû ïîðÿäêà 100 êì â öåëîì ïîñòîÿíåí âî âðåìåíè è îäíîðîäåí â ðàçíûõ ðàéîíàõ Çåìëè. Ïðè ýòîì ñîäåðæàíèå ïåðåìåííûõ ãàçîîáðàçíûõ êîìïîíåíòîâ è àýðîçîëåé íåîäèíàêîâî. Âûøå 100–110 êì ïðîèñõîäèò ÷àñòè÷íûé ðàñïàä ìîëåêóë êèñëîðîäà, óãëåêèñëîãî ãàçà è âîäû. Íà âûñîòå îêîëî 1000 êì íà÷èíàþò ïðåîáëàäàòü ëåãêèå ãàçû — ãåëèé è âîäîðîä, à åùå âûøå àòìîñôåðà Çåìëè ïîñòåïåííî ïåðåõîäèò â ìåæïëàíåòíûé ãàç. Âîäÿíîé ïàð — âàæíàÿ ñîñòàâíàÿ ÷àñòü âîçäóõà. Îí ïîñòóïàåò â àòìîñôåðó ïðè èñïàðåíèè ñ ïîâåðõíîñòè âîäû è âëàæíîé ïî÷âû, à òàêæå ïóòåì òðàíñïèðàöèè ðàñòåíèÿìè. Îòíîñèòåëüíîå ñîäåðæàíèå âîäÿíîãî ïàðà â âîçäóõå ìåíÿåòñÿ ó çåìíîé ïîâåðõíîñòè îò 2,6% â òðîïèêàõ äî 0,2% â ïîëÿðíûõ øèðîòàõ. Ñ óäàëåíèåì îò ïîâåðõíîñòè Çåìëè êîëè÷åñòâî âîäÿíîãî ïàðà â àòìîñôåðíîì âîçäóõå áûñòðî ïàäàåò, è óæå íà âûñîòå 1,5–2 êì óáûâàåò íàïîëîâèíó. Â òðîïîñôåðå ââèäó ïîíèæåíèÿ òåìïåðàòóðû âîäÿíîé ïàð êîíäåíñèðóåòñÿ. Ïðè êîíäåíñàöèè âîäÿíîãî ïàðà îáðàçóþòñÿ îáëàêà, èç êîòîðûõ âûïàäàþò àòìîñôåðíûå îñàäêè â âèäå äîæäÿ, ñíåãà, ãðàäà. Êîëè÷åñòâî îñàäêîâ, âûïàâøèõ íà Çåìëþ, ðàâíî êîëè÷åñòâó èñïàðèâøåéñÿ ñ ïîâåðõíîñòè Çåìëè âîäû. Èçáûòîê âîäÿíîãî ïàðà íàä îêåàíàìè ïåðåíîñèòñÿ íà êîíòèíåíòû âîçäóøíûìè ïîòîêàìè. Êîëè÷åñòâî âîäÿíîãî ïàðà, ïåðåíîñèìîãî â àòìîñôåðå ñ îêåàíà íà êîíòèíåíòû, ðàâíî îáúåìó ñòîêà ðåê, âïàäàþùèõ â îêåàíû. Îçîí ñîñðåäîòî÷åí íà 90% â ñòðàòîñôåðå, îñòàëüíàÿ åãî ÷àñòü íàõîäèòñÿ â òðîïîñôåðå. Îçîí ïîãëîùàåò ÓÔ-ðàäèàöèþ Ñîëíöà, êîòîðàÿ íåãàòèâíî âîçäåéñòâóåò íà æèâûå îðãàíèçìû. Ðàéîíû ñ ïîíèæåííûì ñîäåðæàíèåì îçîíà â àòìîñôåðå íàçûâàþò îçîíîâûìè äûðàìè.


181

Íàèáîëüøèå êîëåáàíèÿ òîëùèíû îçîíîâîãî ñëîÿ íàáëþäàþòñÿ â âûñîêèõ øèðîòàõ, ïîýòîìó âåðîÿòíîñòü âîçíèêíîâåíèÿ îçîíîâûõ äûð â ðàéîíàõ, áëèçêèõ ê ïîëþñàì, âûøå, ÷åì ó ýêâàòîðà. Óãëåêèñëûé ãàç ïîñòóïàåò â àòìîñôåðó â çíà÷èòåëüíîì êîëè÷åñòâå. Îí ïîñòîÿííî âûäåëÿåòñÿ â ðåçóëüòàòå äûõàíèÿ îðãàíèçìîâ, ãîðåíèÿ, èçâåðæåíèÿ âóëêàíîâ è äðóãèõ ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ íà Çåìëå. Îäíàêî ñîäåðæàíèå óãëåêèñëîãî ãàçà â âîçäóõå ìàëî, ïîñêîëüêó îñíîâíàÿ åãî ìàññà ðàñòâîðÿåòñÿ â âîäàõ ãèäðîñôåðû. Òåì íå ìåíåå îòìå÷àåòñÿ, ÷òî çà ïîñëåäíèå 200 ëåò ñîäåðæàíèå óãëåêèñëîãî ãàçà â àòìîñôåðå óâåëè÷èëîñü íà 35%. Ïðè÷èíà òàêîãî ñóùåñòâåííîãî óâåëè÷åíèÿ — àêòèâíàÿ õîçÿéñòâåííàÿ äåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà. Ãëàâíûì èñòî÷íèêîì òåïëà äëÿ àòìîñôåðû ÿâëÿåòñÿ ïîâåðõíîñòü Çåìëè. Àòìîñôåðíûé âîçäóõ äîñòàòî÷íî õîðîøî ïðîïóñêàåò ê çåìíîé ïîâåðõíîñòè ñîëíå÷íûå ëó÷è. Ïîñòóïàþùàÿ íà Çåìëþ ñîëíå÷íàÿ ðàäèàöèÿ ÷àñòè÷íî ïîãëîùàåòñÿ àòìîñôåðîé – ãëàâíûì îáðàçîì, âîäÿíûì ïàðîì è îçîíîì, íî ïîäàâëÿþùàÿ åå ÷àñòü äîñòèãàåò çåìíîé ïîâåðõíîñòè. Ñóììàðíàÿ ñîëíå÷íàÿ ðàäèàöèÿ, äîñòèãàþùàÿ ïîâåðõíîñòè Çåìëè, ÷àñòè÷íî îòðàæàåòñÿ îò íåå. Âåëè÷èíà îòðàæåíèÿ çàâèñèò îò îòðàæàþùåé ñïîñîáíîñòè êîíêðåòíîãî ó÷àñòêà çåìíîé ïîâåðõíîñòè, òàê íàçûâàåìîãî àëüáåäî. Ñðåäíåå àëüáåäî Çåìëè — îêîëî 30%, ïðè ýòîì ðàçíèöà ìåæäó âåëè÷èíîé àëüáåäî îò 7–9% äëÿ ÷åðíîçåìà äî 90% äëÿ ñâåæåâûïàâøåãî ñíåãà. Íàãðåâàÿñü, çåìíàÿ ïîâåðõíîñòü âûäåëÿåò òåïëîâûå ëó÷è â àòìîñôåðó è íàãðåâàåò åå íèæíèå ñëîè. Ïîìèìî îñíîâíîãî èñòî÷íèêà òåïëîâîé ýíåðãèè àòìîñôåðû — òåïëîòû çåìíîé ïîâåðõíîñòè, òåïëî â àòìîñôåðó ïîñòóïàåò â ðåçóëüòàòå êîíäåíñàöèè âîäÿíîãî ïàðà, à òàêæå ïóòåì ïîãëîùåíèÿ ïðÿìîé ñîëíå÷íîé ðàäèàöèè. Íåîäèíàêîâûé ðàçîãðåâ àòìîñôåðû â ðàçíûõ îáëàñòÿõ Çåìëè âûçûâàåò íåîäèíàêîâîå ðàñïðåäåëåíèå äàâëåíèÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê ïåðåìåùåíèþ âîçäóøíûõ ìàññ âäîëü ïîâåðõíîñòè Çåìëè. Âîçäóøíûå ìàññû ïåðåìåùàþòñÿ èç îáëàñòåé ñ âûñîêèì äàâëåíèåì â îáëàñòè ñ íèçêèì äàâëåíèåì. Òàêîå äâèæåíèå âîçäóøíûõ ìàññ íàçûâàþò âåòðîì. Ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ ñêîðîñòü âåòðà ìîæåò áûòü î÷åíü áîëüøîé, äî 30 ì/ñ è áîëåå (áîëåå 30 ì/ñ — óæå óðàãàí). Ñîñòîÿíèå íèæíåãî ñëîÿ àòìîñôåðû â äàííîì ìåñòå è â äàííîå âðåìÿ íàçûâàþò ïîãîäîé. Ïîãîäà õàðàêòåðèçóåòñÿ òåìïåðàòóðîé âîçäóõà, îñàäêàìè, ñèëîé è íàïðàâëåíèåì âåòðà, îáëà÷íîñòüþ, âëàæíîñòüþ âîçäóõà è àòìîñôåðíûì äàâëåíèåì. Ïîãîäà îïðåäåëÿåòñÿ óñëîâèÿìè öèðêóëÿöèè àòìîñôåðû è ãåîãðàôè÷åñêèì ïîëîæåíèåì ìåñòíîñòè. Îíà íàèáîëåå óñòîé÷èâà â òðîïèêàõ è íàèáîëåå èçìåí÷èâà â ñðåäíèõ è âû-

182 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ ñîêèõ øèðîòàõ. Õàðàêòåð ïîãîäû, åå ñåçîííàÿ äèíàìèêà çàâèñÿò îò êëèìàòà íà äàííîé òåððèòîðèè. Ïîä êëèìàòîì ïîíèìàþòñÿ íàèáîëåå ÷àñòî ïîâòîðÿþùèåñÿ äëÿ äàííîé ìåñòíîñòè îñîáåííîñòè ïîãîäû, ñîõðàíÿþùèåñÿ íà ïðîòÿæåíèè äëèòåëüíîãî âðåìåíè. Ýòî óñðåäíåííûå çà 100 ëåò õàðàêòåðèñòèêè — òåìïåðàòóðà, äàâëåíèå, êîëè÷åñòâî îñàäêîâ è äð. Ïîíÿòèå êëèìàòà (îò ãðå÷. klima — íàêëîí) âîçíèêëî åùå â Äðåâíåé Ãðåöèè. Óæå òîãäà ïîíèìàëè, ÷òî ïîãîäíûå óñëîâèÿ çàâèñÿò îò óãëà, ïîä êîòîðûì ñîëíå÷íûå ëó÷è ïàäàþò íà ïîâåðõíîñòü Çåìëè. Âåäóùèì óñëîâèåì óñòàíîâëåíèÿ îïðåäåëåííîãî êëèìàòà íà äàííîé òåððèòîðèè ÿâëÿåòñÿ êîëè÷åñòâî ýíåðãèè, ïðèõîäÿùåéñÿ íà åäèíèöó ïëîùàäè. Îíî çàâèñèò îò ñóììàðíîé ñîëíå÷íîé ðàäèàöèè, ïàäàþùåé íà çåìíóþ ïîâåðõíîñòü, è îò àëüáåäî ýòîé ïîâåðõíîñòè. Òàê, â ðàéîíå ýêâàòîðà è ó ïîëþñîâ òåìïåðàòóðà ìàëî ìåíÿåòñÿ â òå÷åíèå ãîäà, à â ñóáòðîïè÷åñêèõ îáëàñòÿõ è â ñðåäíèõ øèðîòàõ ãîäîâàÿ àìïëèòóäà òåìïåðàòóð ìîæåò äîñòèãàòü 65 °Ñ. Îñíîâíûìè êëèìàòîîáðàçóþùèìè ïðîöåññàìè ÿâëÿþòñÿ òåïëîîáìåí, âëàãîîáìåí è öèðêóëÿöèÿ àòìîñôåðû. Âñå ýòè ïðîöåññû èìåþò îäèí èñòî÷íèê ýíåðãèè — Ñîëíöå. Àòìîñôåðà ÿâëÿåòñÿ íåïðåìåííûì óñëîâèåì äëÿ âñåõ ôîðì æèçíè. Íàèáîëüøåå çíà÷åíèå äëÿ æèçíåäåÿòåëüíîñòè îðãàíèçìîâ èìåþò ñëåäóþùèå ãàçû, âõîäÿùèå â ñîñòàâ âîçäóõà: êèñëîðîä, àçîò, âîäÿíîé ïàð, óãëåêèñëûé ãàç, îçîí. Êèñëîðîä íåîáõîäèì äëÿ äûõàíèÿ ïîäàâëÿþùåìó áîëüøèíñòâó æèâûõ îðãàíèçìîâ. Àçîò, óñâàèâàåìûé èç âîçäóõà íåêîòîðûìè ìèêðîîðãàíèçìàìè, íåîáõîäèì äëÿ ìèíåðàëüíîãî ïèòàíèÿ ðàñòåíèé. Âîäÿíîé ïàð, êîíäåíñèðóÿñü è âûïàäàÿ â âèäå îñàäêîâ, ÿâëÿåòñÿ èñòî÷íèêîì âîäû íà ñóøå. Óãëåêèñëûé ãàç — èñõîäíîå âåùåñòâî äëÿ ïðîöåññà ôîòîñèíòåçà. Îçîí ïîãëîùàåò âðåäíîå äëÿ îðãàíèçìîâ æåñòêîå ÓÔ-èçëó÷åíèå. Ïðåäïîëàãàþò, ÷òî ñîâðåìåííàÿ àòìîñôåðà èìååò âòîðè÷íîå ïðîèñõîæäåíèå: îíà îáðàçîâàëàñü ïîñëå çàâåðøåíèÿ îáðàçîâàíèÿ ïëàíåòû îêîëî 4,5 ìëðä ëåò íàçàä èç ãàçîâ, âûäåëÿåìûõ òâåðäûìè îáîëî÷êàìè Çåìëè. Â òå÷åíèå ãåîëîãè÷åñêîé èñòîðèè Çåìëè àòìîñôåðà ïîä âëèÿíèåì ðàçëè÷íûõ ôàêòîðîâ ïðåòåðïåâàëà çíà÷èòåëüíûå èçìåíåíèÿ ñâîåãî ñîñòàâà. Ðàçâèòèå àòìîñôåðû çàâèñèò îò ãåîëîãè÷åñêèõ è ãåîõèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ íà Çåìëå. Ïîñëå âîçíèêíîâåíèÿ æèçíè íà íàøåé ïëàíåòå, òî åñòü ïðèìåðíî 3,5 ìëðä ëåò íàçàä, íà ðàçâèòèå àòìîñôåðû íà÷àëè îêàçûâàòü ñóùåñòâåííîå âëèÿíèå è æèâûå îðãàíèçìû. Çíà÷èòåëüíàÿ ÷àñòü ãàçîâ — àçîò, óãëåêèñëûé ãàç, âîäÿíîé ïàð — âîçíèêëà â ðåçóëüòàòå èçâåðæåíèÿ âóëêàíîâ. Êèñëîðîä ïîÿâèëñÿ îêîëî

7. 12. Îáùèå ïðåäñòàâëåíèÿ î ãåîãðàôè÷åñêîé îáîëî÷êå

183

2 ìëðä ëåò íàçàä êàê ðåçóëüòàò äåÿòåëüíîñòè ôîòîñèíòåçèðóþùèõ îðãàíèçìîâ, ïåðâîíà÷àëüíî çàðîäèâøèõñÿ â ïîâåðõíîñòíûõ âîäàõ îêåàíà. Â òå÷åíèå ïîñëåäíåãî âðåìåíè ïðîèñõîäÿò çàìåòíûå èçìåíåíèÿ â àòìîñôåðå, ñâÿçàííûå ñ àêòèâíîé õîçÿéñòâåííîé äåÿòåëüíîñòüþ ÷åëîâåêà. Òàê, ñîãëàñíî íàáëþäåíèÿì, çà ïîñëåäíèå 200 ëåò ïðîèçîøåë ñóùåñòâåííûé ðîñò êîíöåíòðàöèè ïàðíèêîâûõ ãàçîâ: ñîäåðæàíèå óãëåêèñëîãî ãàçà âîçðîñëî â 1,35 ðàçà, ìåòàíà — â 2,5 ðàçà. Çíà÷èòåëüíî óâåëè÷èëîñü ñîäåðæàíèå ìíîãèõ äðóãèõ ïåðåìåííûõ êîìïîíåíòîâ â ñîñòàâå âîçäóõà. Ïðîèñõîäÿùèå èçìåíåíèÿ ñîñòîÿíèÿ àòìîñôåðû — óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè ïàðíèêîâûõ ãàçîâ, îçîíîâûå äûðû, çàãðÿçíåíèå âîçäóõà — ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ãëîáàëüíûå ýêîëîãè÷åñêèå ïðîáëåìû ñîâðåìåííîñòè.

7. 12. Îáùèå ïðåäñòàâëåíèÿ î ãåîãðàôè÷åñêîé îáîëî÷êå Â. Â. Äîêó÷àåâ, îòêðûâøèé çàêîí ãåîãðàôè÷åñêîé çîíàëüíîñòè, îòìå÷àë, ÷òî â ïðèðîäå ãàðìîíè÷íî âçàèìîäåéñòâóþò äðóã ñ äðóãîì øåñòü ïðèðîäíûõ êîìïîíåíòîâ: çåìíàÿ êîðà ëèòîñôåðû, âîçäóõ àòìîñôåðû, âîäà ãèäðîñôåðû, ðàñòèòåëüíûé è æèâîòíûé ìèð áèîñôåðû, à òàêæå ïî÷âà ïîñòîÿííî îáìåíèâàþòñÿ ìåæäó ñîáîé âåùåñòâîì è ýíåðãèåé. Îáìåí âåùåñòâîì ïðîèñõîäèò ïîñòîÿííî, è ïðèìåðîâ òàêèõ ìîæíî ïðèâåñòè ìíîæåñòâî: u u u u u u u u

âîäà ðàñòâîðÿåò ìèíåðàëû è ãîðíûå ïîðîäû; âîäà ãèäðîñôåðû ÿâëÿåòñÿ ÷àñòüþ æèâûõ îðãàíèçìîâ áèîñôåðû; âîäà â âèäå ïàðà ïîñòîÿííî ïðèñóòñòâóåò â íèæíåì ñëîå àòìîñôåðû Çåìëè; ìèíåðàëû è ãîðíûå ïîðîäû ëèòîñôåðû âñåãäà íàõîäÿòñÿ â æèâûõ îðãàíèçìàõ, â àòìîñôåðå (ïûëü, ïåñîê), â âîäå; óãëåêèñëûé ãàç âîçäóõà ðàñòâîðÿåòñÿ â âîäå; îðãàíèçìû áèîñôåðû — ðàñòåíèÿ — óñâàèâàþò óãëåêèñëûé ãàç, âûäåëÿÿ êèñëîðîä; íàêàïëèâàÿñü íà äíå îêåàíîâ, îñòàíêè îðãàíèçìîâ áèîñôåðû îáðàçóþò òîëùè îñàäî÷íûõ ïîðîä ëèòîñôåðû; êèñëîðîä â àòìîñôåðå è ãèäðîñôåðå ÿâëÿåòñÿ ãëàâíûì èñòî÷íèêîì æèçíè îðãàíèçìîâ áèîñôåðû.

184 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ Âñå ïðîöåññû íà Çåìëå ïðîèñõîäÿò áëàãîäàðÿ ýíåðãèè Ñîëíöà è âíóòðåííåé ýíåðãèè Çåìëè. Â êàæäîì èç ïðèâåäåííûõ âûøå ïðèìåðîâ ïðåäïîëàãàåòñÿ è îáìåí ýíåðãèåé. Òàê, ýíåðãèÿ ðàñòåíèé áèîñôåðû, ïîòðåáëÿåìàÿ æèâîòíûìè, ñîçäàåò ýíåðãèþ æèâîòíîãî ìèðà. Âå÷íûå ëüäû ãèäðîñôåðû îõëàæäàþò àòìîñôåðó è ãèäðîñôåðó. Áëàãîäàðÿ ýòèì ïðîöåññàì â ïðèðîäíîì êîìïëåêñå ñîõðàíÿåòñÿ îïðåäåëåííîå ðàâíîâåñèå ìåæäó âñåìè ïðèðîäíûìè êîìïîíåíòàìè. Áëàãîäàðÿ ýòèì ïðîöåññàì ïðèðîäà èìååò óäèâèòåëüíóþ ñïîñîáíîñòü ê ñàìîâîññòàíîâëåíèþ, ñàìîî÷èùåíèþ, ñàìîðåãóëÿöèè. Åñëè â ïðèðîäíîì êîìïëåêñå ìåíÿåòñÿ îäèí êàêîé-íèáóäü êîìïîíåíò, òî âñå äðóãèå ìåíÿþòñÿ òîæå, ïðè ýòîì ñòàðàÿñü âîññòàíîâèòü ñâîå ðàâíîâåñèå. Ñòðåìëåíèå ê ñàìîâîññòàíîâëåíèþ — îäíî èç ãëàâíûõ ñâîéñòâ ïðèðîäû.

} Ãåîãðàôè÷åñêàÿ îáîëî÷êà — ýòî öåëîñòíàÿ è íåïðåðûâíàÿ îáîëî÷êà Çåìëè, ñðåäà äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà, â ïðåäåëàõ êîòîðîé ñîïðèêàñàþòñÿ, âçàèìíî ïðîíèêàþò äðóã â äðóãà è âçàèìîäåéñòâóþò íèæíèå ñëîè àòìîñôåðû, ïîâåðõíîñòíûå òîëùè ëèòîñôåðû, âñÿ ãèäðîñôåðà è áèîñôåðà. Ìåæäó ýòèìè ÷àñòÿìè ïðîèñõîäèò íåïðåðûâíûé îáìåí âåùåñòâîì è ýíåðãèåé. Òàêèì îáðàçîì, ãåîãðàôè÷åñêàÿ îáîëî÷êà — ýòî ïëàíåòàðíûé, îõâàòûâàþùèé âñþ ïîâåðõíîñòü Çåìëè, ïðèðîäíûé êîìïëåêñ.

Ñóììàðíàÿ òîëùèíà ãåîãðàôè÷åñêîé îáîëî÷êè — íåñêîëüêî äåñÿòêîâ êèëîìåòðîâ. Îñíîâíûì èñòî÷íèêîì ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ â ãåîãðàôè÷åñêîé îáîëî÷êå, ñëóæèò ýíåðãèÿ Ñîëíöà. Åå íåðàâíîìåðíîå ïîñòóïëåíèå è ðàñïðåäåëåíèå ïî øàðîîáðàçíîé ïîâåðõíîñòè Çåìëè ïðèâîäèò ê îãðîìíîé ïðîñòðàíñòâåííîé äèôôåðåíöèàöèè ïðèðîäíûõ óñëîâèé â ãåîãðàôè÷åñêîé îáîëî÷êå, â ðåçóëüòàòå ÷åãî åå ìîæíî ðàçäåëèòü íà áîëåå ìåëêèå ïðèðîäíûå êîìïëåêñû, ñðåäè êîòîðûõ åñòü ñõîäíûå (îäíîðîäíûå) è ñîâåðøåííî ðàçëè÷íûå. Íàèáîëåå êðóïíûå çîíàëüíûå ïîäðàçäåëåíèÿ ãåîãðàôè÷åñêîé îáîëî÷êè — ãåîãðàôè÷åñêèå (ïðèðîäíûå) ïîÿñà Çåìëè, ïðîòÿãèâàþùèåñÿ â øèðîòíîì èëè ñóáøèðîòíîì íàïðàâëåíèè. Îíè ñîâïàäàþò ñ êëèìàòè÷åñêèìè ïîÿñàìè è èìåþò òå æå íàçâàíèÿ, òàê êàê âûäåëÿþòñÿ ïî òåìïåðàòóðíûì óñëîâèÿì è ïðåîáëàäàþùèì âîçäóøíûì ìàññàì. Îäíàêî ïðèðîäíûå êîìïëåêñû ãåîãðàôè÷åñêèõ ïîÿñîâ òàêæå íåîäíîðîäíû. Íàèáîëåå çíà÷èòåëüíûå èçìåíåíèÿ â ïðèðîäíûõ óñëîâèÿõ âûçâàíû äåëåíèåì ïîâåðõíîñòè Çåìëè íà ìàòåðèêè è îêåàíû. Ðàçëè÷íîå ñî÷åòàíèå òåïëà è âëàãè â ïðèáðåæíûõ è âíóòðåííèõ ÷àñòÿõ ìàòåðèêîâ ÿâëÿåòñÿ ïðè÷èíîé îáðàçîâàíèÿ â ãåîãðàôè÷åñêèõ ïîÿñàõ

7. 12. Îáùèå ïðåäñòàâëåíèÿ î ãåîãðàôè÷åñêîé îáîëî÷êå

185

ïðèðîäíûõ çîí — ïðèðîäíûõ êîìïëåêñîâ ìåíåå êðóïíûõ ðàçìåðîâ, êîòîðûå â ñâîþ î÷åðåäü ìîæíî ïîäðàçäåëèòü íà ïîäçîíû è äðóãèå áîëåå ìåëêèå ïðèðîäíûå êîìïëåêñû, íàïðèìåð ëàíäøàôòû. Ëàíäøàôò (îò íåì. Land — çåìëÿ è schaft — âçàèìîñâÿçàííûé) — ïðèðîäíûé ãåîãðàôè÷åñêèé êîìïëåêñ, â êîòîðîì âñå îñíîâíûå êîìïîíåíòû (ðåëüåô, êëèìàò, âîäû, ïî÷âû, ðàñòèòåëüíîñòü è æèâîé ìèð) íàõîäÿòñÿ â ñëîæíîì âçàèìäåéñòâèè è âçàèìîîáóñëîâëåííîñòè, îáðàçóÿ åäèíóþ íåðàçðûâíóþ ñèñòåìó. Ìíîãèìè ó÷åíûìè ëàíäøàôò ðàññìàòðèâàåòñÿ â êà÷åñòâå îñíîâíîé åäèíèöû â èåðàðõèè ïðèðîäíî-òåððèòîðèàëüíûõ êîìïëåêñîâ. Îñîáåííîñòè ðàçëè÷íûõ ëàíäøàôòîâ ôîðìèðóþòñÿ ïîä âîçäåéñòâèåì êàê çîíàëüíûõ, òàê è àçîíàëüíûõ ôàêòîðîâ. Ê çîíàëüíûì îòíîñÿò êëèìàò, âîäó, ïî÷âû, ðàñòèòåëüíûé è æèâîòíûé ìèð; ê àçîíàëüíûì — ðåëüåô, ãåîëîãè÷åñêîå ñòðîåíèå, ãîðíûå ïîðîäû. Åùå îäíî âàæíîå ïîëîæåíèå â ñîâðåìåííûõ êîíöåïöèÿõ ãåîãðàôèè çàíèìàåò ïîíÿòèå ãåîãðàôè÷åñêàÿ ñðåäà, êîòîðàÿ âîçíèêëà â ðåçóëüòàòå äëèòåëüíîé ýâîëþöèè ãåîãðàôè÷åñêîé îáîëî÷êè ïîä âëèÿíèåì àíòðîïîãåííîãî âîçäåéñòâèÿ, ñîçäàíèÿ òàê íàçûâàåìîé «âòîðè÷íîé ïðèðîäû», òî åñòü ãîðîäîâ, çàâîäîâ, êàíàëîâ, òðàíñïîðòíûõ ìàãèñòðàëåé è äð.

} Ãåîãðàôè÷åñêàÿ ñðåäà — ýòî ÷àñòü ïðèðîäû Çåìëè, ñ êîòîðîé ÷åëîâå÷åñêîå îáùåñòâî íåïîñðåäñòâåííî âçàèìîäåéñòâóåò â ñâîåé æèçíè è ïðîèçâîäñòâåííîé äåÿòåëüíîñòè íà äàííîì ýòàïå èñòîðè÷åñêîãî ðàçâèòèÿ.

Â ïîñëåäíåå âðåìÿ íàðÿäó ñ ïîíÿòèåì î ãåîãðàôè÷åñêîé ñðåäå â íàó÷íûé îáèõîä âîøëî òàêæå ïîíÿòèå îá îêðóæàþùåé ïðèðîäíîé ñðåäå (èëè îêðóæàþùåé ñðåäå). Îêðóæàþùàÿ ñðåäà — íåîáõîäèìîå óñëîâèå æèçíè è äåÿòåëüíîñòè îáùåñòâà. Îíà ñëóæèò ñðåäîé åãî îáèòàíèÿ, âàæíåéøèì èñòî÷íèêîì ðåñóðñîâ, îêàçûâàåò áîëüøîå âëèÿíèå íà äóõîâíûé ìèð ëþäåé. Ïðèðîäíîå îêðóæåíèå âñåãäà áûëî èñòî÷íèêîì ñóùåñòâîâàíèÿ ÷åëîâåêà. Îäíàêî âçàèìîäåéñòâèå ÷åëîâåêà è ïðèðîäû ìåíÿëîñü â ðàçíûå èñòîðè÷åñêèå ýïîõè. Äâà ìèëëèîíà ëåò íàçàä ïåðâîáûòíûå ëþäè âñå íåîáõîäèìîå äëÿ æèçíè íàõîäèëè â ïðèðîäíîì îêðóæåíèè, çàíèìàÿñü îõîòîé è ñîáèðàòåëüñòâîì: ëþäè îõîòèëèñü íà æèâîòíûõ è ïòèö, ëîâèëè ðûáó, âûêàïûâàëè êîðíè è ëóêîâèöû ðàñòåíèé, ñîáèðàëè ÿãîäû, ãðèáû, ëè÷èíêè íàñåêîìûõ, îïóñòîøàëè ïòè÷üè ãíåçäà, çàáèðàëè ìåä ó ï÷åë, âûëàâëè-

186 Ãëàâà 7. Ïëàíåòà Çåìëÿ âàëè ìîëëþñêîâ è ðàêîîáðàçíûõ íà ìîðñêîì ïîáåðåæüå, êî÷óÿ â ïîèñêàõ ïèùè ñ ìåñòà íà ìåñòî. Íåêîòîðûå èíäèéñêèå ïëåìåíà Ñåâåðíîé è Þæíîé Àìåðèêè, áóøìåíû Àôðèêè, àáîðèãåíû Àâñòðàëèè äî ñèõ ïîð æèâóò ñîáèðàòåëüñòâîì. Ïîÿâëåíèå è ðàçâèòèå çåìëåäåëèÿ 7 òûñ. ëåò íàçàä ïîëîæèëî íà÷àëî ìàññîâîé âûðóáêå ëåñîâ íà Çåìëå. Ïî îöåíêàì ó÷åíûõ, ê ìîìåíòó ïîÿâëåíèÿ ÷åëîâåêà íà Çåìëå ëåñà çàíèìàëè 60% åå ïîâåðõíîñòè, à ñåé÷àñ — òîëüêî 30%. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ íåòðîíóòûå ÷åëîâåêîì ëåñà ñîõðàíèëèñü â òàéãå Ðîññèè, Êàíàäû, à òàêæå â òðîïè÷åñêèõ ëåñàõ Àìàçîíèè. Â íàèáîëüøåé ñòåïåíè ëåñà ñâåäåíû â Åâðàçèè è Ñåâåðíîé Àìåðèêå. Ïî ìåðå ðàñøèðåíèÿ ïàõîòíûõ çåìåëü è ïàñòáèù áûñòðûìè òåìïàìè âûðóáàþòñÿ òðîïè÷åñêèå ëåñà Àôðèêè, Þãî-Âîñòî÷íîé Àçèè, Àìàçîíèè. Äðåâåñèíà ïîâñåìåñòíî èñïîëüçóåòñÿ â êà÷åñòâå äåøåâîãî òîïëèâà. Ïàñòáèùíûå çåìëè íàèáîëåå ñèëüíî ïîäâåðæåíû îïóñòûíèâàíèþ. Ýòîò ïðîöåññ õàðàêòåðåí äëÿ âñåõ ìàòåðèêîâ Çåìëè. Ïî îöåíêàì ñïåöèàëèñòîâ, ÷åëîâåê ðàäèêàëüíî èçìåíèë è îñâîèë 56% òåððèòîðèè ñóøè, ïðè÷åì ýòî íàèáîëåå áëàãîïðèÿòíûå äëÿ æèçíè ðàéîíû. Ïðèðîäó íåêîòîðûõ ãåîãðàôè÷åñêèõ çîí Çåìëè ìîæíî íàáëþäàòü òîëüêî â çàïîâåäíèêàõ. Ê íèì îòíîñÿòñÿ â ïåðâóþ î÷åðåäü ñåâåðîàìåðèêàíñêèå ïðåðèè è åâðîïåéñêèå ñòåïè. Îíè ïîëíîñòüþ îñâîåíû ÷åëîâåêîì. Ó÷åíûå-ãåîãðàôû ïðåäëîæèëè êëàññèôèöèðîâàòü ãåîãðàôè÷åñêèå çîíû ïî ñòåïåíè èõ ïðåîáðàçîâàíèÿ ÷åëîâåêîì; íåèçìåíåííûå (àðêòè÷åñêèå ïóñòûíè), ñëàáî èçìåíåííûå (òóíäðà, ëåñîòóíäðà, ñåâåðíàÿ òàéãà, ïîëóïóñòûíè è ïóñòûíè), ñèëüíî èçìåíåííûå (ñìåøàííûå è øèðîêîëèñòâåííûå ëåñà, þæíàÿ òàéãà), ïðåîáðàçîâàííûå (ëåñîñòåïè, ñòåïè). Â ëàíäøàôòîâåäåíèè, â çàâèñèìîñòè îò ñòåïåíè àíòðîïîãåííîãî âîçäåéñòâèÿ, âûäåëÿþò ïåðâè÷íûå ïðèðîäíûå ëàíäøàôòû, êîòîðûå îáðàçîâàíû äåéñòâèåì ëèøü ïðèðîäíûõ ôàêòîðîâ; ïðèðîäíî-àíòðîïîãåííûå ëàíäøàôòû, êîòîðûå îáðàçîâàíû äåéñòâèåì êàê ïðèðîäíûõ, òàê è àíòðîïîãåííûõ ôàêòîðîâ; è àíòðîïîãåííûå ëàíäøàôòû, ñóùåñòâîâàíèå êîòîðûõ ïîääåðæèâàåòñÿ ëèøü çà ñ÷åò äåÿòåëüíîñòè ëþäåé.

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè 1. ×åìó ðàâåí ðàäèóñ Çåìëè? Íàñêîëüêî ýêâàòîðèàëüíûé ðàäèóñ Çåìëè äëèííåå ïîëÿðíîãî? 2. Êàê íàçûâàåòñÿ îáîëî÷êà Çåìëè, ñîñòîÿùàÿ èç çåìíîé êîðû è âåðõíåé ÷àñòè ìàíòèè?


187

3. Íàçîâèòå òðè ñëîÿ, ñîñòàâëÿþùèå ìàòåðèêîâóþ çåìíóþ êîðó. 4. Íàçîâèòå äðåâíèå ïëàòôîðìû, ëåæàùèå â îñíîâàíèè ìàòåðèêîâ Àôðèêà, Ñåâåðíàÿ Àìåðèêà, Þæíàÿ Àìåðèêà. 5. Äàéòå îïðåäåëåíèå òåêòîíè÷åñêèõ ñòðóêòóð: ïëèòà, ïëàòôîðìà, ùèò, ôóíäàìåíò, îñàäî÷íûé ÷åõîë. 6. Ïåðå÷èñëèòå âàæíåéøèå ôóíêöèè ãèäðîñôåðû Çåìëè. Êàêèì îáðàçîì âîäà îñóùåñòâëÿåò òåðìîðåãóëÿöèþ ïëàíåòû? 7. Êàêîâà ðîëü ãèäðîñôåðû â êðóãîâîðîòå âåùåñòâ â ïðèðîäå? 8. Íà êàêèå îòäåëüíûå çîíû äåëèòñÿ àòìîñôåðà? Êàêîâû ïðèíöèïû ýòîãî äåëåíèÿ? 9. Êàêîâ ñîñòàâ àòìîñôåðû? 10. Â ÷åì ðàçíèöà ìåæäó êëèìàòîì è ïîãîäîé? 11. Â ÷åì çàêëþ÷àåòñÿ ãèïîòåçà âîçíèêíîâåíèÿ àòìîñôåðû?

Ãëàâà 8 ÆÈÂÀß ÌÀÒÅÐÈß

8.1. Ýëåêòðîìàãíèòíûå âçàèìîäåéñòâèÿ êàê îïðåäåëÿþùèå õèìè÷åñêèé è áèîëîãè÷åñêèé óðîâåíü îðãàíèçàöèè ìàòåðèè Æèâîå âåùåñòâî, êàê è âñÿ ìàòåðèÿ Âñåëåííîé, ñîñòîèò èç àòîìîâ è ìîëåêóë, äëÿ êîòîðûõ óæå èçâåñòíû îïðåäåëåííûå çàêîíû ïîâåäåíèÿ, â òîì ÷èñëå íà êâàíòîâî-ìîëåêóëÿðíîì óðîâíå. Â ýòîì ñìûñëå ïðè íàó÷íîì ïîçíàíèè æèâîãî ïðåäñòàâëÿåòñÿ âïîëíå âîçìîæíûì ïðèìåíåíèå ôèçè÷åñêèõ ïðåäñòàâëåíèé è ìîäåëåé ïî èññëåäîâàíèþ ðàçâèòèÿ ïðèðîäû è çàêîíîìåðíîñòåé ïðîöåññîâ, ïðîõîäÿùèõ â æèâîì îðãàíèçìå. Ïî ýòîìó ïîâîäó ñîâåòñêèé ôèçèêîõèìèê è áèîôèçèê Ì. Â. Âîëüêåíøòåéí ïèñàë: «Â áèîëîãèè êàê â íàóêå î æèâîì âîçìîæíû òîëüêî äâà ïóòè: ëèáî ïðèçíàòü íåâîçìîæíûì îáúÿñíåíèå æèçíè íà îñíîâå ôèçèêè è õèìèè, ëèáî òàêîå îáúÿñíåíèå âîçìîæíî è åãî íàäî íàéòè, â òîì ÷èñëå íà îñíîâå îáùèõ çàêîíîìåðíîñòåé, õàðàêòåðèçóþùèõ ñòðîåíèå è ïðèðîäó ìàòåðèè, âåùåñòâà è ïîëÿ». Ïî ìíåíèþ ìíîãèõ èññëåäîâàòåëåé, èçó÷åíèå ïðîáëåì ãåíåòè÷åñêîãî êîäà, ìîëåêóëÿðíîé ïðèðîäû íàñëåäñòâåííîñòè è ò. ä. íà çàêëþ÷èòåëüíîì ýòàïå ñâîäèòñÿ ê êâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêîìó îáúÿñíåíèþ âñåõ ýòèõ ÿâëåíèé. Â ñâÿçè ñ ýòèì ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî àòîìíî-ìîëåêóëÿðíîå òîëêîâàíèå áîëüøèíñòâà ÿâëåíèé æèâîãî íà ñåãîäíÿøíèé äåíü ïðåäñòàâëÿåòñÿ íàèáîëåå âåðíûì. Âåðîÿòíî, ÷òî æèâîé è íåæèâîé ïðèðîäîé óïðàâëÿþò îäíè çàêîíû, îäíàêî ìåõàíèçì èõ ïðîÿâëåíèÿ ðàçíûé, ÷òî ïîäòâåðæäàåòñÿ ñèíåðãåòèêîé êàê íàóêîé î íåðàâíîâåñíûõ ñèñòåìàõ è ñàìîîðãàíèçàöèè. Ñóùåñòâîâàíèå ôèçè÷åñêèõ ïîëåé ðàçíîé ïðèðîäû â æèâûõ îðãàíèçìàõ ïðåäñòàâëÿåò çíà÷èòåëüíûé èíòåðåñ. Ýòî ñâÿçàíî ñ îäíîé ñòîðîíû ñ ðàñêðûòèåì ñóùíîñòè ôèçèêè æèâîãî, à ñ äðóãîé — ñ âçàèìîäåé-

8.1. Ýëåêòðîìàãíèòíûå âçàèìîäåéñòâèÿ

189

ñòâèåì ïîëåé æèâûõ îðãàíèçìîâ ñ ïîëÿìè îêðóæàþùåé ïðèðîäíîé ñðåäû, îáóñëîâëåííûìè ãëàâíûì îáðàçîì ãåëèî- è ãåîôèçè÷åñêèìè ôàêòîðàìè. Ýòè âçàèìîäåéñòâèÿ îáåñïå÷èâàþò æèâîìó îðãàíèçìó íåîáõîäèìûé åìó îáúåì èíôîðìàöèè â ïðîöåññå æèçíåäåÿòåëüíîñòè. Ôóíêöèîíèðîâàíèå âñåõ ñèñòåì æèâîãî îðãàíèçìà äèíàìè÷íî îòðàæàåòñÿ â ìîçàèêå ôèçè÷åñêèõ ïîëåé è èçëó÷åíèé, èñõîäÿùèõ èç íåãî, êîòîðûå, â ñâîþ î÷åðåäü, çàâèñÿò îò ïàðàìåòðè÷åñêèõ èçìåíåíèé åñòåñòâåííûõ ôîíîâûõ ïîëåé è èçëó÷åíèé, îêðóæàþùèõ æèâîé îðãàíèçì. Èäåíòèôèêàöèÿ ïîëåé è èçëó÷åíèé, íàïðèìåð, ÷åëîâå÷åñêîãî îðãàíèçìà ñåé÷àñ øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ â ìåäèöèíå äëÿ îïðåäåëåíèÿ äèíàìèêè ðàçëè÷íûõ ôèçèîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ è âûÿâëåíèÿ «íåïîëàäîê» â ôóíêöèîíèðîâàíèè îïðåäåëåííûõ îðãàíîâ. Ïîýòîìó ôèçè÷åñêèå ïîëÿ è èçëó÷åíèÿ æèâîãî îðãàíèçìà êàê áû åñòü ñâîåîáðàçíîå «òàáëî» åãî ôèçèîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ. Íàïðèìåð, ÷åëîâå÷åñêèé îðãàíèçì ñïîñîáåí ïðîäóöèðîâàòü èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå (ÈÊ) è èçëó÷åíèÿ ñâåðõâûñîêîé ÷àñòîòû (ÑÂ×), ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîëÿ (ÝÌÏ) è èçëó÷åíèÿ (ÝÌÈ) è ò. ä. Ïî ñóùåñòâó, æèâîé îðãàíèçì îêðóæåí áèîïîëåì, ïîä êîòîðûì ñëåäóåò ïîíèìàòü ïðèñóùóþ åìó ñîâîêóïíîñòü ôèçè÷åñêèõ ïîëåé. Ýëåêòðîìàãíèòíîå âçàèìîäåéñòâèå îáóñëîâëèâàåòñÿ ýëåêòðè÷åñêèìè è ìàãíèòíûìè çàðÿäàìè. Ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä âñåãäà ñâÿçàí ñ ýëåìåíòàðíûìè ÷àñòèöàìè. Ìàãíèòíûå ñèëû ïîðîæäàþòñÿ äâèæåíèåì ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ, òî åñòü ýëåêòðè÷åñêèìè òîêàìè. Ñîãëàñíî çàêîíó Êóëîíà, ñèëà ýëåêòðè÷åñêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ áóäåò ñèëîé ïðèòÿæåíèÿ èëè îòòàëêèâàíèÿ â çàâèñèìîñòè îò çíàêîâ âçàèìîäåéñòâóþùèõ çàðÿäîâ. Âèäèìûé ñâåò, ÿâëÿþùèéñÿ îñíîâîé ñóùåñòâîâàíèÿ çåëåíûõ ðàñòåíèé, ñèíòåçèðóþùèõ îðãàíè÷åñêîå âåùåñòâî íà Çåìëå, äà è âñåãî æèâîãî, ÿâëÿåòñÿ ýëåêòðîìàãíèòíûì èçëó÷åíèåì îïðåäåëåííîãî äèàïàçîíà ÷àñòîò. Ñîãëàñíî òåîðèè ñîâåòñêîãî áèîõèìèêà À. È. Îïàðèíà ýëåêòðîìàãíèòíûå èçëó÷åíèÿ Ñîëíöà è ýëåêòðè÷åñêèõ ðàçðÿäîâ ÿâèëèñü ýíåðãåòè÷åñêîé îñíîâîé àáèîãåííîãî ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè. Èìåííî ñ èõ ïîìîùüþ ïðîèñõîäèë ïðîöåññ îáðàçîâàíèÿ áèîìîëåêóë: àìèíîêèñëîò, íóêëèîòèäîâ, ïîëèñàõàðèäîâ, áåëêîâûõ êîìïëåêñîâ, à çàòåì êëåòêè êàê ãëàâíîé ñòðóêòóðû æèâîãî. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîëÿ è ýëåêòðîìàãíèòíûå èçëó÷åíèÿ ÿâëÿþòñÿ îñíîâíûìè âèäàìè èçëó÷åíèÿ äëÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ. Ïî÷òè âñå íîñèòåëè èíôîðìàöèè, âîñïðèíèìàåìûå íàøèìè îðãàíàìè ÷óâñòâ, èìåþò ýëåêòðîìàãíèòíóþ ïðèðîäó. Ýëåêòðîìàãíèòíûå âçàèìîäåéñòâèÿ õàðàêòåðèçóþò ñòðóêòóðó è ïîâåäåíèå àòîìîâ, îòâå÷àþò çà ñâÿçè

190 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ ìåæäó ìîëåêóëàìè ðàçëè÷íûõ âåùåñòâ, òàêèì îáðàçîì îïðåäåëÿÿ õèìè÷åñêèå è áèîëîãè÷åñêèå ÿâëåíèÿ. Ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîëÿ è èçëó÷åíèÿ â æèâîì îðãàíèçìå ñâÿçàíû ñ âîçíèêíîâåíèåì, äâèæåíèåì è âçàèìîäåéñòâèåì ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ â ïðîöåññå åãî îíòîãåíåçà. Íà êëåòî÷íîì óðîâíå îíè âîçíèêàþò ïðè ðàáîòå ìèòîõîíäðèé, íà îðãàííîì è îðãàíèçìåííîì óðîâíÿõ — ïðè ðàáîòå ñåðäöà è òîêå êðîâè â ñîñóäàõ, ïðè íåðâíûõ è ìûøå÷íûõ ñîêðàùåíèÿõ. Ýëåêòðè÷åñêèå ÿâëåíèÿ â æèâîì îðãàíèçìå õàðàêòåðèçóþòñÿ îïðåäåëåííûìè ïîñëåäîâàòåëüíîñòÿìè ýëåêòðè÷åñêèõ èìïóëüñîâ è ðèòìàìè îïðåäåëåííîé õàðàêòåðèñòèêè, ïîñêîëüêó â êàæäîì îðãàíå âûðàáàòûâàþòñÿ ñâîè îïðåäåëåííûå, ñïåöèôè÷åñêèå ýëåêòðîêîëåáàòåëüíûå ïðîöåññû. Ðèòìè÷íîñòü è ÷àñòîòà êîëåáàíèé ýòèõ ïðîöåññîâ çàâèñÿò îò ñòåïåíè àêòèâíîñòè îðãàíèçìà (ñîí, áåã, ñèëüíûé ñòðåññ è ò. ä.). Â ñâîþ î÷åðåäü, àêòèâíîñòü ôèçèîëîãè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ îðãàíèçìà (íàïðèìåð, ÷åëîâåêà) è åãî ðàáîòîñïîñîáíîñòü òàêæå çàâèñÿò îò áèîðèòìîâ è ïåðèîäè÷åñêè ìåíÿþòñÿ ñîîáðàçíî âðåìåíè ñóòîê. Áèîëîãè÷åñêèå ðèòìû êàê ñëåäñòâèå ýâîëþöèîííîãî ïðîöåññà ïðîÿâëÿþòñÿ íà âñåõ óðîâíÿõ îðãàíèçàöèè æèâîé ìàòåðèè, íà÷èíàÿ ñ êëåòîê è çàêàí÷èâàÿ áèîñôåðîé. Ðèòìè÷íîñòü íà óðîâíå êëåòîê æèâîãî îðãàíèçìà îïðåäåëÿåòñÿ áèîõèìè÷åñêèìè êîëåáàòåëüíûìè ïðîöåññàìè, ñâÿçàííûìè ñ äâèæåíèåì èîíîâ, íåîáõîäèìûõ äëÿ æèçíåäåÿòåëüíîñòè êëåòêè (Ê+, Ñà2+ è äð.), êàê âîâíóòðü êëåòêè, òàê è èç íåå. Äîêàçàíî, ÷òî îáùèì ðåãóëÿòîðîì âíóòðèêëåòî÷íûõ ïðîöåññîâ ÿâëÿþòñÿ èîíû êàëüöèÿ. Èìåííî îíè è èõ êîíöåíòðàöèÿ îáåñïå÷èâàþò áèîëîãè÷åñêèå ðèòìû êëåòîê. Ðèòìè÷íîñòü íà óðîâíå ðàñòèòåëüíûõ îðãàíèçìîâ ïðîÿâëÿåòñÿ â ãîäîâîì èçìåíåíèè òåìïîâ ðîñòà, ñóòî÷íîì äâèæåíèè ëèñòüåâ; íà óðîâíå æèâîòíûõ îðãàíèçìîâ â òåìïàõ äâèãàòåëüíîé àêòèâíîñòè, â êîëåáàíèÿõ òåìïåðàòóðû, ôóíêöèîíèðîâàíèè îðãàíîâ âíóòðåííåé ñåêðåöèè, ñèíòåçà ãîðìîíîâ, áåëêîâ, ïîëîâîé àêòèâíîñòè è ò. ä. Àìåðèêàíñêèé ìàòåìàòèê è êèáåðíåòèê Í. Âèíåð ïèñàë, ÷òî «èìåííî ðèòìû ãîëîâíîãî ìîçãà îáúÿñíÿþò ñïîñîáíîñòü ÷óâñòâîâàòü âðåìÿ». ×åì ñëîæíåå ñèñòåìà, òåì îíà îáëàäàåò áîëüøèì êîëè÷åñòâîì áèîðèòìîâ. Áèîðèòìû îïðåäåëÿþò áèîëîãè÷åñêîå âðåìÿ è ñâîéñòâåííû íåðàâíîâåñíûì ñàìîîðãàíèçóþùèìñÿ æèâûì ñèñòåìàì. Èíòåíñèâíîñòü ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â ìåìáðàíå è, ñëåäîâàòåëüíî, â ñàìîé êëåòêå îïðåäåëÿåòñÿ âåëè÷èíîé ìåìáðàííîãî ïîòåíöèàëà. Ýòî çíà÷èò, ÷òî ýíåðãèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ â ìåìáðàíàõ, ïîäîáíî êîíäåíñàòîðàì, èãðàåò âàæíóþ ðîëü â ïîääåðæàíèè óñòîé÷è-

8.2. Ñèììåòðèÿ è àñèììåòðèÿ â ïðèðîäå

191

âîãî/íåóñòîé÷èâîãî ðàâíîâåñèÿ è ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê ðåçåðâ ñâîáîäíîé ýíåðãèè. Ýòà ýíåðãèÿ, íàðÿäó ñ ýíåðãèåé ÀÒÔ (àäåíîçèíòðèôîñôàò) è ïåðåêèñíîãî îêèñëåíèÿ ëèïèäîâ íåîáõîäèìà æèâîìó îðãàíèçìó äëÿ ôóíêöèîíèðîâàíèÿ è ðàçâèòèÿ. Áèîõèìè÷åñêèå ðåàêöèè â æèâîì îðãàíèçìå îáóñëîâëåíû áèîëîãè÷åñêèì òîêîì, âîçíèêàþùèì ïðè äâèæåíèè ýëåêòðîíîâ è, â îñíîâíîì, èîíîâ. Ïðè ýòîì âîçðàñòàåò ðîëü ïîëÿðèçàöèè êëåòîê è áèîïîëèìåðíûõ ìîëåêóë, ðîëü ñòðóêòóðû âîäû â ïðîöåññàõ ìåòàáîëèçìà. Èçìåíåíèÿ ýëåêòðè÷åñêèõ ñâîéñòâ îðãàíèçìîâ ñâÿçàíî ñ ïåðåðàñïðåäåëåíèåì â íèõ ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ ïðè èõ äâèæåíèè. Ýòî æå ïðîèñõîäèò è â ïîòîêå êðîâè. Êðîâè ñâîéñòâåííû ýëåêòðîïðîâîäíîñòü è ìàãíåòèçì. Ïðè åå äâèæåíèè ïî ñîñóäàì âîçíèêàþò ýëåêòðîäèíàìè÷åñêèå, ýëåêòðîìàãíèòíûå è ãèäðîäèíàìè÷åñêèå âçàèìîäåéñòâèÿ ñî ñòåíêàìè ñîñóäîâ. Ñëåäîâàòåëüíî, ýëåêòðîìàãíèòíûå âçàèìîäåéñòâèÿ ÿâëÿþòñÿ àòðèáóòîì ñóùåñòâîâàíèÿ æèâîé ìàòåðèè íà ëþáîì óðîâíå åå îðãàíèçàöèè. Æèâûå îðãàíèçìû áóêâàëüíî ïëàâàþò â ìîðå âñåâîçìîæíûõ ôèçè÷åñêèõ ïîëåé — êàê âíóòðåííèõ, âûðàáàòûâàåìûõ ñàìèìè îðãàíèçìàìè, òàê è âíåøíèõ.

8.2. Ñèììåòðèÿ è àñèììåòðèÿ â ïðèðîäå Ñèììåòðèÿ è àñèììåòðèÿ ÿâëÿþòñÿ îáúåêòèâíûìè ñâîéñòâàìè ïðèðîäû, îäíèìè èç ôóíäàìåíòàëüíûõ â ñîâðåìåííîì åñòåñòâîçíàíèè. Ñèììåòðèÿ è àñèììåòðèÿ èìåþò óíèâåðñàëüíûé, îáùèé õàðàêòåð êàê ñâîéñòâî ìàòåðèàëüíîãî ìèðà. Ñèììåòðèÿ (îò ãðå÷. symmetria — ñîðàçìåðíîñòü, ïîðÿäîê, ãàðìîíèÿ) ÿâëÿåòñÿ âñåîáùèì ñâîéñòâîì ïðèðîäû. Ïðåäñòàâëåíèå î ñèììåòðèè ó ÷åëîâåêà ñêëàäûâàëîñü òûñÿ÷åëåòèÿìè. Òåðìèí «ñèììåòðèÿ» ôèãóðèðóåò â ïðåäñòàâëåíèÿõ ÷åëîâåêà êàê ýëåìåíò ÷åãî-òî «ïðàâèëüíîãî», ïðåêðàñíîãî è ñîâåðøåííîãî. Â ñâîèõ ðàçäóìüÿõ íàä êàðòèíîé ìèðîçäàíèÿ ÷åëîâåê îïðåäåëÿë ñèììåòðèþ êàê ìàãè÷åñêîå êà÷åñòâî ïðèðîäû, åå öåëåñîîáðàçíîñòü, ñîâåðøåíñòâî è ñòàðàëñÿ îòðàçèòü ýòè ñâîéñòâà â ìóçûêå, ïîýçèè, àðõèòåêòóðå. Â îïðåäåëåííîé ìåðå ñèììåòðèÿ âûðàæàåò ñòåïåíü óïîðÿäî÷åííîñòè ñèñòåìû. Â ñâÿçè ñ ýòèì èìååòñÿ òåñíàÿ êîððåëÿöèîííàÿ ñâÿçü ýíòðîïèè êàê ìåðû íåóïîðÿäî÷åííîñòè ñ ñèììåòðèåé: ÷åì âûøå ñòåïåíü îðãàíèçîâàííîñòè âåùåñòâà, òåì âûøå ñèììåòðèÿ è íèæå ýíòðîïèÿ. Ñòåïåíü ñèììåòðèè ïðèðîäíûõ ñèñòåì îòðàæàåòñÿ â ñèììåòðèè ìàòåìàòè÷åñêèõ óðàâíåíèé, çàêîíîâ, îòîáðàæàþùèõ èõ ñîñòîÿíèå, â íå-

192 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ èçìåííîñòè êàêèõ-ëèáî èõ ñâîéñòâ ïî îòíîøåíèþ ê ïðåîáðàçîâàíèÿì ñèììåòðèè. Ñèììåòðèÿ — ýòî ïîíÿòèå, îòðàæàþùåå ñóùåñòâóþùèé â ïðèðîäå ïîðÿäîê, ïðîïîðöèîíàëüíîñòü è ñîðàçìåðíîñòü ìåæäó ýëåìåíòàìè êàêîé-ëèáî ñèñòåìû èëè îáúåêòà ïðèðîäû, óïîðÿäî÷åííîñòü, ðàâíîâåñèå ñèñòåìû, óñòîé÷èâîñòü, òî åñòü íåêèé ýëåìåíò ãàðìîíèè. Àñèììåòðèÿ — ïîíÿòèå, ïðîòèâîïîëîæíîå ñèììåòðèè, îòðàæàþùåå ðàçóïîðÿäî÷åíèå ñèñòåìû, íàðóøåíèå ðàâíîâåñèÿ, ÷òî ñâÿçàíî ñ èçìåíåíèåì è ðàçâèòèåì ñèñòåìû. Èç îïðåäåëåíèé ñèììåòðèè è àñèììåòðèè ñëåäóåò, ÷òî ðàçâèâàþùàÿñÿ äèíàìè÷åñêàÿ ñèñòåìà äîëæíà áûòü îáÿçàòåëüíî íåñèììåòðè÷íîé è íåðàâíîâåñíîé. Ñîâðåìåííîå åñòåñòâîçíàíèå ïðåäñòàâëåíî öåëîé èåðàðõèåé ñèììåòðèé, êîòîðàÿ îòðàæàåò ñâîéñòâà èåðàðõèè óðîâíåé îðãàíèçàöèè ìàòåðèè. Âûäåëÿþò ðàçëè÷íûå ôîðìû ñèììåòðèé: êàëèáðîâî÷íûå, ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííûå, èçîòîïè÷åñêèå, ïåðåñòàíîâî÷íûå, çåðêàëüíûå è ò. ä. Âñå ýòè âèäû ñèììåòðèé ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà âíåøíèå è âíóòðåííèå. Âíóòðåííþþ ñèììåòðèþ íåâîçìîæíî íàáëþäàòü, îíà ñêðûòà â ìàòåìàòè÷åñêèõ óðàâíåíèÿõ è çàêîíàõ, âûðàæàþùèõ ñîñòîÿíèå èññëåäóåìîé ñèñòåìû. Ïðèìåð òîìó — óðàâíåíèå Ìàêñâåëëà, îïèñûâàþùåå âçàèìîñâÿçü ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ÿâëåíèé, èëè òåîðèÿ ãðàâèòàöèè Ýéíøòåéíà, ñâÿçûâàþùàÿ ñâîéñòâà ïðîñòðàíñòâà, âðåìåíè è òÿãîòåíèÿ. Âíåøíÿÿ ñèììåòðèÿ (ïðîñòðàíñòâåííàÿ èëè ãåîìåòðè÷åñêàÿ) ïðåäñòàâëåíà â ïðèðîäå áîëüøèì ìíîãîîáðàçèåì. Ýòî ñèììåòðèÿ êðèñòàëëîâ, ìîëåêóë, æèâûõ îðãàíèçìîâ. Äëÿ ÷åãî íóæíà ñèììåòðèÿ æèâîìó è êàê îíà âîçíèêëà? Æèâûå îðãàíèçìû ôîðìèðîâàëè ñâîþ ñèììåòðèþ â ïðîöåññå ýâîëþöèè. Çàðîäèâøèåñÿ â âîäàõ îêåàíà, ïåðâûå æèâûå îðãàíèçìû èìåëè ïðàâèëüíóþ ñôåðè÷åñêóþ ôîðìó. Âíåäðåíèå îðãàíèçìîâ â äðóãèå ñðåäû çàñòàâëÿëî èõ àäàïòèðîâàòüñÿ ê íîâûì ñïåöèôè÷åñêèì óñëîâèÿì. Îäèí èç ñïîñîáîâ òàêîé àäàïòàöèè — ñèììåòðèÿ íà óðîâíå ôèçè÷åñêîé ôîðìû. Ñèììåòðè÷íîå ðàñïîëîæåíèå ÷àñòåé îðãàíîâ òåëà îáåñïå÷èâàåò æèâûì îðãàíèçìàì ðàâíîâåñèå ïðè äâèæåíèè è ôóíêöèîíèðîâàíèè, æèçíåñòîéêîñòü è àäàïòàöèþ. Äîâîëüíî ñèììåòðè÷íû âíåøíèå ôîðìû êðóïíûõ æèâîòíûõ, ÷åëîâåêà. Ðàñòèòåëüíûé ìèð îðãàíèçìîâ òàêæå íàäåëåí ñèììåòðèåé, ÷òî ñâÿçàíî ñ áîðüáîé çà ñâåò, ôèçè÷åñêîé óñòîé÷èâîñòüþ ê ïîëåãàíèþ (çàêîí âñåìèðíîãî òÿãîòåíèÿ). Íàïðèìåð, êîíóñîîáðàçíàÿ êðîíà åëè èìååò ñòðîãî âåðòèêàëüíóþ îñü

8.2. Ñèììåòðèÿ è àñèììåòðèÿ â ïðèðîäå

193

ñèììåòðèè — âåðòèêàëüíûé ñòâîë, óòîëùåííûé êíèçó äëÿ óñòîé÷èâîñòè. Îòäåëüíûå âåòâè ñèììåòðè÷íî ðàñïîëîæåíû ïî îòíîøåíèþ ê ñòâîëó, à ôîðìà êîíóñà ñïîñîáñòâóåò ðàöèîíàëüíîìó èñïîëüçîâàíèþ êðîíîé ñâåòîâîãî ïîòîêà ñîëíå÷íîé ýíåðãèè, óâåëè÷èâàåò óñòîé÷èâîñòü. Òàêèì îáðàçîì, áëàãîäàðÿ ïðèòÿæåíèþ è çàêîíàì åñòåñòâåííîãî îòáîðà åëü âûãëÿäèò ýñòåòè÷åñêè êðàñèâî è «ïîñòðîåíà» ðàöèîíàëüíî. Âíåøíÿÿ ñèììåòðèÿ íàñåêîìûõ è æèâîòíûõ ïîìîãàåò èì äåðæàòü ðàâíîâåñèå ïðè äâèæåíèè, èçâëåêàòü ìàêñèìóì ýíåðãèè èç îêðóæàþùåé ñðåäû è ðàöèîíàëüíî åå èñïîëüçîâàòü. Â ôèçè÷åñêèõ è õèìè÷åñêèõ ñèñòåìàõ ñèììåòðèÿ ïðèîáðåòàåò åùå áîëåå ãëóáîêèé ñìûñë. Òàê, íàèáîëåå óñòîé÷èâû ìîëåêóëû, îáëàäàþùèå âûñîêîé ñèììåòðèåé (èíåðòíûå ãàçû). Ñèììåòðèÿ ìîëåêóë îïðåäåëÿåò õàðàêòåð ìîëåêóëÿðíûõ ñïåêòðîâ. Âûñîêàÿ ñèììåòðèÿ õàðàêòåðíà äëÿ êðèñòàëëîâ. Êðèñòàëëû — ýòî ñèììåòðè÷íûå òåëà, èõ ñòðóêòóðà îïðåäåëÿåòñÿ ïåðèîäè÷åñêèì ïîâòîðåíèåì â òðåõ èçìåðåíèÿõ ýëåìåíòàðíîãî àòîìíîãî ìîòèâà. Àñèììåòðèÿ òàêæå øèðîêî ðàñïðîñòðàíåíà â ìèðå. Âíóòðåííåå ðàñïîëîæåíèå îòäåëüíûõ îðãàíîâ â æèâûõ îðãàíèçìàõ ÷àñòî àñèììåòðè÷íî. Íàïðèìåð, ñåðäöå ðàñïîëîæåíî ñëåâà ó ÷åëîâåêà, ïå÷åíü — ñïðàâà è ò. ä. Ë. Ïàñòåð, ôðàíöóçñêèé ìèêðîáèîëîã è èììóíîëîã, âûäåëèë ëåâûå è ïðàâûå êðèñòàëëû âèííîé êèñëîòû. Ìîëåêóëà ÄÍÊ àñèììåòðè÷íà — åå ñïèðàëü âñåãäà çàêðó÷åíà âïðàâî. Âñå àìèíîêèñëîòû è áåëêè, âõîäÿùèå â ñîñòàâ æèâûõ îðãàíèçìîâ, ñïîñîáíû îòêëîíÿòü ïîëÿðèçîâàííûé ëó÷ ñâåòà âëåâî. Â îòëè÷èå îò ìîëåêóë íåæèâîé ïðèðîäû, ãäå ëåâûå è ïðàâûå ìîëåêóëû âñòðå÷àþòñÿ ÷àñòî, òî åñòü íîñÿò â îñíîâíîì ñèììåòðè÷íûé õàðàêòåð, ìîëåêóëû îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ õàðàêòåðèçóþòñÿ ÿðêî âûðàæåííîé àñèììåòðèåé. Ïðèäàâàÿ áîëüøîå çíà÷åíèå àñèììåòðèè æèâîãî, Â. È. Âåðíàäñêèé ïðåäïîëàãàë, ÷òî èìåííî çäåñü ïðîõîäèò òîíêàÿ ãðàíèöà ìåæäó õèìèåé æèâîãî è íåæèâîãî. Ë. Ïàñòåð òàêæå, îñíîâûâàÿñü íà ýòèõ ïðèçíàêàõ, ïðîâåë ãðàíèöó ìåæäó æèâûì è íåæèâûì. Ñëåäóåò òàêæå îòìåòèòü, ÷òî æèâûå îðãàíèçìû (ðàñòåíèÿ) â ïðîöåññå æèçíåäåÿòåëüíîñòè ïîãëîùàþò èç îêðóæàþùåé ñðåäû (ïî÷âû) â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ ìèíåðàëüíîé ïèùè, ìîëåêóëû êîòîðîé ñèììåòðè÷íû è â ñâîåì îðãàíèçìå ïðåâðàùàþò èõ â àñèììåòðè÷íûå îðãàíè÷åñêèå âåùåñòâà: êðàõìàë, áåëêè ãëþêîçó è ò. ä. Ñèììåòðèÿ ìîëåêóë ïèùåâûõ âåùåñòâ æèâîãî îðãàíèçìà ñîãëàñóåòñÿ ñ ñèììåòðèåé ìîëåêóë ñàìîãî îðãàíèçìà. Â ïðîòèâíîì ñëó÷àå ïèùà áóäåò íåñîâìåñòèìîé (ÿäîâèòîé).

194 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ Ñòðóêòóðà êîìïîíåíòîâ êëåòêè òàêæå àñèììåòðè÷íà, ÷òî èìååò áîëüøîå çíà÷åíèå äëÿ åå îáìåíà âåùåñòâ, ýíåðãåòè÷åñêîé îáåñïå÷åííîñòè, à òàêæå ñïîñîáñòâóåò áîëåå âûñîêîé ñêîðîñòè ïðîòåêàíèÿ áèîõèìè÷åñêèõ ðåàêöèé. Ñèììåòðèÿ è àñèììåòðèÿ — ýòî äâå ïîëÿðíûå õàðàêòåðèñòèêè îáúåêòèâíîãî ìèðà. Ôàêòè÷åñêè â ïðèðîäå íåò ÷èñòîé (àáñîëþòíîé) ñèììåòðèè èëè àñèììåòðèè. Ýòè êàòåãîðèè — ïðîòèâîïîëîæíîñòè, êîòîðûå âñåãäà íàõîäÿòñÿ â åäèíñòâå è áîðüáå. Òàì, ãäå îñëàáåâàåò ñèììåòðèÿ, âîçðàñòàåò àñèììåòðèÿ, è íàîáîðîò. Íà ðàçíûõ óðîâíÿõ ðàçâèòèÿ ìàòåðèè åé ñâîéñòâåííà òî ñèììåòðèÿ, òî àñèììåòðèÿ. Îäíàêî ýòè äâå òåíäåíöèè åäèíû, à èõ áîðüáà íîñèò àáñîëþòíûé õàðàêòåð. Ýòè êàòåãîðèè òåñíî ñâÿçàíû ñ ïîíÿòèÿìè óñòîé÷èâîñòè è íåóñòîé÷èâîñòè ñèñòåì, ïîðÿäêà è áåñïîðÿäêà, îðãàíèçàöèè è äåçîðãàíèçàöèè, îòðàæàþùèìè ñâîéñòâà ñèñòåì è äèíàìèêó ðàçâèòèÿ, à òàêæå âçàèìîñâÿçü ìåæäó äèíàìè÷åñêèìè è ñòàòè÷åñêèìè çàêîíàìè. Ïîëàãàÿ, ÷òî ðàâíîâåñèå åñòü ñîñòîÿíèå ïîêîÿ è ñèììåòðèè, à àñèììåòðèÿ ïðèâîäèò ê äâèæåíèþ è íåðàâíîâåñíîìó ñîñòîÿíèþ, ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî ïîíÿòèå ðàâíîâåñèÿ èãðàåò â áèîëîãèè íå ìåíåå âàæíóþ ðîëü, ÷åì â ôèçèêå. Ïðèíöèï óñòîé÷èâîñòè òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ æèâûõ ñèñòåì õàðàêòåðèçóåò ñïåöèôèêó áèîëîãè÷åñêîé ôîðìû äâèæåíèÿ ìàòåðèè. Èìåííî óñòîé÷èâîå äèíàìè÷åñêîå ðàâíîâåñèå (àñèììåòðèÿ) ÿâëÿåòñÿ êëþ÷åâûì ïðèíöèïîì ïîñòàíîâêè è ðåøåíèÿ ïðîáëåìû ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè.

8.3. Ñàìîîðãàíèçàöèÿ ïðèðîäû (ïîíÿòèå ñèíåðãåòèêè) Ñëó÷àéíûå îòêëîíåíèÿ ïàðàìåòðîâ ñèñòåìû îò ðàâíîâåñèÿ (ôëóêòóàöèè) èãðàþò î÷åíü âàæíóþ ðîëü â ôóíêöèîíèðîâàíèè è ñóùåñòâîâàíèè ñèñòåìû. Îäèí èç äâóõ òèïîâ ñëó÷àéíîñòåé èìååò íàïðàâëåííûé, ñîçèäàòåëüíûé è ýâîëþöèîííûé õàðàêòåð, à âòîðîé ñîçäàåò íåîïðåäåëåííîñòü è èãðàåò äåñòðóêòèâíóþ ðîëü, îòñåêàÿ âñå òî ëèøíåå è íåíóæíîå, ÷òî íå óêëàäûâàåòñÿ â ðàìêè ôóíäàìåíòàëüíûõ çàêîíîâ è ïðèíöèïîâ áûòèÿ. Âñëåäñòâèå òàêîãî ñîâìåñòíîãî äåéñòâèÿ âîçíèêàåò íåóñòîé÷èâîñòü â ñèñòåìå, êîòîðàÿ ìîæåò ñëóæèòü òîë÷êîì ê âîçíèêíîâåíèþ èç áåñïîðÿäêà (õàîñà) îïðåäåëåííûõ íîâûõ ñòðóêòóð. Ïîñëåäíèå ïðè áëàãîïðèÿòíûõ óñëîâèÿõ ïåðåõîäÿò âî âñå áîëåå óñòîé÷èâûå è óïîðÿäî÷åííûå àòòðàêòîðû (îò ëàò. attractio — ïðèòÿæåíèå). Â äàëüíåéøåì èõ ñàìîïðîèçâîëüíîå (ñïîíòàííîå) îáðàçîâàíèå èäåò çà ñ÷åò

8.3. Ñàìîîðãàíèçàöèÿ ïðèðîäû (ïîíÿòèå ñèíåðãåòèêè)

195

âíóòðåííåé ïåðåñòðîéêè ñàìîé ñèñòåìû è ñîãëàñîâàííîãî êîîïåðàòèâíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ âñåõ åå ÷àñòåé è ýëåìåíòîâ â ñîîòâåòñòâèè ñ òðåáîâàíèÿìè îêðóæàþùåé ñðåäû. Ñàìîóïîðÿäî÷èâàíèå ñèñòåìû âñåãäà ñâÿçàíî ñî ñíèæåíèåì ýíòðîïèè â íåé. Ñëó÷àéíîñòü è äåçîðãàíèçàöèÿ íà àòîìíî-ìîëåêóëÿðíîì óðîâíå çäåñü âûñòóïàþò â êà÷åñòâå ñîçèäàþùåé ñèëû, êîòîðàÿ óïîðÿäî÷èâàåò ñîñòîÿíèå ñèñòåìû óæå íà ìàêðîóðîâíå è îáúåäèíÿåò åå ýëåìåíòû â åäèíîå öåëîå. Ýòî ÿâëåíèå ïîëó÷èëî íàçâàíèå ñàìîîðãàíèçàöèè. Ñëåäîâàòåëüíî, ñàìîîðãàíèçàöèÿ — ýòî ïðîöåññ ñïîíòàííîãî âîçíèêíîâåíèÿ ïîðÿäêà è îðãàíèçàöèè èç áåñïîðÿäêà (õàîñà) â îòêðûòûõ íåðàâíîâåñíûõ ñèñòåìàõ. Çà ñ÷åò ðîñòà ôëóêòóàöèé ïðè ïîãëîùåíèè ýíåðãèè èç îêðóæàþùåé ñðåäû ñèñòåìà äîñòèãàåò íåêîòîðîãî êðèòè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ è ïåðåõîäèò â íîâîå óñòîé÷èâîå ñîñòîÿíèå ñ áîëåå âûñîêèì óðîâíåì ñëîæíîñòè è ïîðÿäêà ïî ñðàâíåíèþ ñ ïðåäûäóùèì. Òàêèì îáðàçîì, âîçíèêàþùàÿ èç õàîñà óïîðÿäî÷åííàÿ ñòðóêòóðà (àòòðàêòîð) ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì êîíêóðåíöèè ìíîæåñòâà âñåâîçìîæíûõ ñîñòîÿíèé, çàëîæåííûõ â ñèñòåìå. Â ðåçóëüòàòå êîíêóðåíöèè èäåò ñàìîïðîèçâîëüíûé îòáîð íàèáîëåå àäàïòèâíîé â ñëîæèâøèõñÿ óñëîâèÿõ ñòðóêòóðû. Íà òàêîé êîíöåïöèè ïîñòðîåíà ìîäåëü óíèâåðñàëüíîãî ýâîëþöèîíèçìà, ãäå äàðâèíñêîå ó÷åíèå îá èçìåí÷èâîñòè, íàñëåäñòâåííîñòè è åñòåñòâåííîì îòáîðå ïîëó÷èëî ôóíäàìåíòàëüíîå ìåòîäîëîãè÷åñêîå îáîñíîâàíèå. Èçìåí÷èâîñòü îêðóæàþùåãî ìèðà îáóñëîâëèâàåòñÿ ñëó÷àéíîñòüþ è íåîïðåäåëåííîñòüþ êàê ôóíäàìåíòàëüíûì ñâîéñòâîì ìàòåðèè. Íàñëåäñòâåííîñòü, îò êîòîðîé çàâèñèò íàñòîÿùåå è áóäóùåå, îïðåäåëÿåòñÿ ïðîøëûì. Ñòåïåíü çàâèñèìîñòè îò ïðîøëîãî îïðåäåëÿåòñÿ «ïàìÿòüþ» ñèñòåìû, êîòîðàÿ òåîðåòè÷åñêè ìîæåò ïðèíèìàòü çíà÷åíèÿ â äèàïàçîíå îò íóëÿ (õàîòè÷åñêèå îáðàçîâàíèÿ) äî ìàêñèìàëüíî áåñêîíå÷íîé âåëè÷èíû (æåñòêèå ïðè÷èííî îáóñëîâëåííûå ñèñòåìû). Îäíàêî ðåàëüíûå ñèñòåìû èìåþò íåêîòîðûé íåáîëüøîé äèàïàçîí «ïàìÿòè», îïðåäåëÿåìûé óðîâíåì èõ îðãàíèçàöèè. Èçìåí÷èâîñòü äàåò âîçìîæíîñòü ïîÿâèòüñÿ ìíîãîîáðàçèþ ðàçëè÷íûõ âàðèàíòîâ ðàçâèòèÿ ñèñòåì, íî íàñëåäñòâåííîñòü çíà÷èòåëüíî îãðàíè÷èâàåò èõ ÷èñëî. Îíà îòáèðàåò òîëüêî æèçíåííûå, íàèáîëåå öåëåñîîáðàçíûå è óñòîé÷èâûå â ñëîæèâøåéñÿ îáñòàíîâêå ñòðóêòóðû, óñòðàíÿÿ ïðè ýòîì âñå íåæèçíåííûå è íåóñòîé÷èâûå. Ïðîøåäøèå îòáîð è ïåðåäàþùèåñÿ ïî íàñëåäñòâó æèçíåííûå ñòðóêòóðû ïîñòåïåííî ïîä âëèÿíèåì âàæíûõ ôàêòîðîâ íàêàïëèâàþò îïðåäåëåííûå êîëè÷åñòâåííûå èçìåíåíèÿ, ÷òî îñëàáëÿåò èõ äèíàìè÷åñêóþ óñòîé÷èâîñòü (ãîìåîñòàç). Ýòè êîëè÷åñòâåííûå èçìåíåíèÿ ìîãóò ïåðåéòè â êà÷åñòâåííûå ïóòåì ñêà÷êà. Ïðè ýòîì ñèñòåìà íà íåêîòîðîå

196 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ âðåìÿ îêàçûâàåòñÿ â íåóñòîé÷èâîì, ôëóêòóàöèîííîì ñîñòîÿíèè, òåðÿåò «íàñëåäñòâåííóþ ïàìÿòü». Õàðàêòåð åå ïîñëåäóþùåãî ðàçâèòèÿ áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ ñëó÷àéíûìè, íåïðåäâèäåííûìè ôàêòîðàìè, äåéñòâóþùèìè â ýòî âðåìÿ íà ñèñòåìó. Ïðè ýòîì ó ñèñòåìû äëÿ âûõîäà èç ôëóêòóàöèè åñòü òîëüêî äâà ïóòè: ëèáî äåãðàäàöèÿ è ðàçðóøåíèå, ëèáî ñàìîîðãàíèçàöèÿ, óñëîæíåíèå è ýâîëþöèÿ. Ïîäîáíûé ñöåíàðèé ðàçâèòèÿ ìàòåðèè èäåò íà âñåõ åå ñòðóêòóðíûõ óðîâíÿõ êàê ÷åðåäà ñìåíÿþùèõ äðóã äðóãà ïîñòîÿííûõ èçìåíåíèé. Òàêèì îáðàçîì, ïîðÿäîê è áåñïîðÿäîê, îðãàíèçàöèÿ è äåçîðãàíèçàöèÿ âûñòóïàþò êàê äèàëåêòè÷åñêîå åäèíñòâî, èõ âçàèìîäåéñòâèå ïîääåðæèâàåò ñàìîðàçâèòèå ñèñòåìû. Îäíàêî ñàìûì òðóäíûì ïîëîæåíèåì ñàìîîðãàíèçàöèè ÿâëÿþòñÿ âîïðîñû, êàê ïîëó÷àåòñÿ, ÷òî ñèñòåìà ñàìîïðîèçâîëüíî ïåðåõîäèò èç ñîñòîÿíèÿ õàîñà êàê íàèáîëåå âåðîÿòíîãî ñ ýíåðãåòè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ â ñîñòîÿíèå ïîðÿäêà, ìåíåå âåðîÿòíîãî è ìåíåå âûãîäíîãî (êàê òðåáóþùåãî áîëåå âûñîêîé ýíåðãèè); êàê è áëàãîäàðÿ ÷åìó ïðîèñõîäèò åå ñàìîîðãàíèçàöèÿ (ñàìîóïîðÿäî÷åíèå). Ïîêà åùå â ñîâðåìåííîé íàóêå íà ýòè âîïðîñû îòâåòà íåò. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â íàó÷íîì ìèðå è â íàó÷íîé ëèòåðàòóðå îäíè àâòîðû èñïîëüçóþò òåðìèí «ñàìîîðãàíèçàöèÿ», à äðóãèå — «ñèíåðãåòèêà» (îò ãðå÷. synergeia — ñîòðóäíè÷åñòâî, ñîäðóæåñòâî). Ôàêòè÷åñêèå çíà÷åíèÿ ñëîâ «ñàìîîðãàíèçàöèÿ» è «ñèíåðãåòèêà» ñóùåñòâåííî ðàçëè÷àþòñÿ, íî èõ êîíöåïòóàëüíûé ñìûñë îäèíàêîâ. Ñèíåðãåòèêà — îáëàñòü íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé êîëëåêòèâíîãî ïîâåäåíèÿ ÷àñòåé ñëîæíûõ ñèñòåì, ñâÿçàííûõ ñ íåóñòîé÷èâîñòÿìè è êàñàþùèõñÿ ïðîöåññîâ ñàìîîðãàíèçàöèè. Ñèíåðãåòèêà — ýòî òåîðèÿ ñàìîîðãàíèçàöèè ñèñòåì ðàçëè÷íîé ïðèðîäû, ïðåäìåòîì êîòîðîé îíè ÿâëÿþòñÿ. Ñàìà èäåÿ ñàìîîðãàíèçàöèè (ñèíåðãåòèêè) èìåëà ìåñòî åùå â êëàññè÷åñêîé íàóêå XVIII–XIX ââ. Ýòî êîñìîãîíè÷åñêàÿ ãèïîòåçà Êàíòà— Ëàïëàñà, òåîðèÿ ýâîëþöèè ×. Äàðâèíà, òåîðèÿ ïîâåäåíèÿ òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ñèñòåì Ìàêñâåëëà–Áîëüöìàíà. Îäíàêî ëèøü òîëüêî â 70-å ãã. XX â., êîãäà áûëè íàêîïëåíû áîëüøîé òåîðåòè÷åñêèé ìàòåðèàë è ïðàêòè÷åñêèé îïûò, ïîÿâèëàñü âîçìîæíîñòü äåòàëüíîãî èññëåäîâàíèÿ îòêðûòûõ, íåðàâíîâåñíûõ ñèñòåì, àíàëèçà è îïèñàíèÿ ìåõàíèçìîâ è çàêîíîìåðíîñòåé èõ ðàçâèòèÿ. Îñíîâíûå ïîëîæåíèÿ òåîðèè ñèíåðãåòèêè ðàçðàáîòàíû â òðóäàõ Ã. Õàêåíà, Ã. Íèêîëèñà, È. Ïðèãîæèíà â 70-õ ãã. XX â. Ñàì òåðìèí «ñèíåðãåòèêà» â íàó÷íûé îáèõîä ââåë Ã. Õàêåí, íåìåöêèé ôèçèê, ïðîôåññîð Øòóòãàðòñêîãî óíèâåðñèòåòà. Áîëüøóþ ðîëü â ñòàíîâëåíèè òåîðèè ñàìîîðãàíèçàöèè ñûãðàëè ðàáîòû íàøèõ ñîîòå÷åñòâåííèêîâ: Â. Âåðíàäñêîãî, Á. Áåëîóñîâà, Â. Æàáîòèíñêîãî, À. Ðó-

8.4. Îñíîâíûå ñâîéñòâà ñàìîîðãàíèçóþùèõñÿ ñèñòåì

197

äåíêî, Þ. Êëèìàíòîâè÷à, À. Êîëìîãîðîâà. Ñîâðåìåííîå åñòåñòâîçíàíèå èäåò ïî ïóòè òåîðåòè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ñëîæíåéøèõ ïðèðîäíûõ ñèñòåì, ñïîñîáíûõ ê ñàìîðàçâèòèþ è ñàìîîðãàíèçàöèè. Íà èäåÿõ ñèíåðãåòèêè ñôîðìèðîâàëîñü ñîâðåìåííîå ìèðîïîíèìàíèå. Ïðèðîäà ñêâîçü ïðèçìó ñèíåðãåòèêè ïðåäñòàåò êàê ðàçâèâàþùàÿñÿ, íåëèíåéíàÿ, îòêðûòàÿ ñëîæíîîðãàíèçîâàííàÿ èåðàðõè÷åñêàÿ ñèñòåìà. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî â ïðèðîäå è îáùåñòâå ñóùåñòâóåò îãðîìíîå êîëè÷åñòâî ðåàëüíûõ ñèñòåì, êîòîðûå ïîä÷èíÿþòñÿ çàêîíàì ñèíåðãåòèêè, íåîáõîäèìî ïîíÿòü, ÷òî ñîçäàíèå ñèíåðãåòè÷åñêîé êàðòèíû ìèðà ïî ñóòè ñâîåé ÿâëÿåòñÿ íàó÷íîé ðåâîëþöèåé, ïî ñâîåìó ñòàòóñó ñðàâíèìîé ñ îòêðûòèåì ñòðîåíèÿ àòîìà, ñîçäàíèåì ãåíåòèêè è êèáåðíåòèêè. Èäåè ñèíåðãåòèêè ñòàëè îñíîâîé äëÿ ñáëèæåíèÿ òðàäèöèîííîé åâðîïåéñêîé ìûñëè îá óðîâíÿõ îðãàíèçàöèè ìàòåðèè ñ èäåÿìè äðåâíåé âîñòî÷íîé ôèëîñîôèè î ãëîáàëüíîé âçàèìîñâÿçè è âçàèìîçàâèñèìîñòè âñåãî ñóùåãî, î âçàèìîäåéñòâèè ïîòåíöèàëüíîãî è ðåàëüíîãî.

8.4. Îñíîâíûå ñâîéñòâà ñàìîîðãàíèçóþùèõñÿ ñèñòåì Îòêðûòûå ñèñòåìû Îñíîâíûì ïîíÿòèåì òåðìîäèíàìèêè ÿâëÿåòñÿ ïîíÿòèå ýíòðîïèè êàê ìåðû ñïîñîáíîñòè òåïëîòû ê ïðåâðàùåíèþ. Ýíòðîïèÿ õàðàêòåðèçóåò ìåðó âíóòðåííåé íåóïîðÿäî÷åííîñòè ñèñòåìû. Îíà ñâîéñòâåííà èçîëèðîâàííûì, òî åñòü çàêðûòûì ñèñòåìàì, íàõîäÿùèìñÿ â òåïëîâîì ðàâíîâåñèè ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé. Ïî îòíîøåíèþ ê çàêðûòûì ñèñòåìàì áûëè ñôîðìóëèðîâàíû è äâà çàêîíà (íà÷àëà) òåðìîäèíàìèêè. Êà÷åñòâåííîå îòëè÷èå çàêðûòîé (çàìêíóòîé) ñèñòåìû îò îòêðûòîé â òîì, ÷òî â ïåðâîé òîæå ìîæåò ñîõðàíÿòüñÿ íåðàâíîâåñíàÿ ñèòóàöèÿ, îäíàêî äî òåõ ïîð, ïîêóäà ñèñòåìà çà ñ÷åò ñâîèõ âíóòðåííèõ ïðîöåññîâ íå äîñòèãíåò ðàâíîâåñèÿ, ïðè êîòîðîì ýíòðîïèÿ áóäåò ìàêñèìàëüíîé. Èíîå äåëî â îòêðûòûõ ñèñòåìàõ, êîòîðûå îáìåíèâàþòñÿ ýíåðãèåé ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé. Çäåñü çà ñ÷åò ïðèõîäà ýíåðãèè èçâíå ìîãóò âîçíèêàòü äèññèïàòèâíûå ñòðóêòóðû ñ ãîðàçäî ìåíüøåé ýíòðîïèåé. Èíà÷å ãîâîðÿ, ñèñòåìà, ñàìîîðãàíèçóÿñü â íîâîì ñòàöèîíàðíîì ñîñòîÿíèè, óìåíüøàåò ñâîþ ýíòðîïèþ, îíà êàê áû «ñáðàñûâàåò» åå èçáûòîê, âîçðàñòàþùèé çà ñ÷åò âíóòðåííèõ ïðîöåññîâ, â îêðóæàþùóþ ñðåäó. Â æèâûõ îðãàíèçìàõ ýòî ïðîèñõîäèò çà ñ÷åò äûõàíèÿ, ýêñêðåöèè. Îòêðûòàÿ ñèñòåìà êàê áû «ïèòàåòñÿ» îòðèöàòåëüíîé ýíòðîïèåé (íåãýíòðîïèåé),

198 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ âûáðàñûâàÿ íàðóæó ïîëîæèòåëüíóþ. Ïðè ýòîì âîçíèêàþò íîâûå óñòîé÷èâûå íåðàâíîâåñíûå, íî áëèçêèå ê ðàâíîâåñèþ ñîñòîÿíèÿ. Ïðè òàêîì íåðàâíîâåñèè ðàññåèâàíèå ýíåðãèè ìèíèìàëüíî è èíòåíñèâíîñòü ðîñòà ýíòðîïèè îêàçûâàåòñÿ ìåíüøå, ÷åì â äðóãèõ áëèçêèõ ñîñòîÿíèÿõ. Çäåñü èìååò ìåñòî ïðèíöèï ïðîèçâîäñòâà ìèíèìóìà ýíòðîïèè. Îòêðûòûå ñèñòåìû — ýòî íåîáðàòèìûå ñèñòåìû. Äëÿ íèõ âåñüìà âàæåí ôàêòîð âðåìåíè.

Ïðèíöèï ïðîèçâîäñòâà ìèíèìóìà ýíòðîïèè Â ýíåðãåòè÷åñêèõ ïðîöåññàõ îòêðûòûõ ñèñòåì èìååò ìåñòî ïðèíöèï Ïðèãîæèíà—Ãëåíñäîðôà — ïðèíöèï ïðîèçâîäñòâà ìèíèìóìà ýíòðîïèè. Çäåñü ïîä ïðîèçâîäñòâîì ýíòðîïèè ïîíèìàþò îòíîøåíèå èçìåíåíèÿ ýíòðîïèè dS ê åäèíèöå îáúåìà ñèñòåìû. Ïðîèçâîäñòâîì ýíòðîïèè ïî ýòîìó ïðèíöèïó ìîæíî îïðåäåëèòü ñòåïåíü óïîðÿäî÷åííîñòè. Êàê èçâåñòíî, èçìåíåíèå ýíòðîïèè âûðàæàåòñÿ óðàâíåíèåì dS = dSi + dSe, ãäå dS — ïîëíîå èçìåíåíèå ýíòðîïèè â ñèñòåìå; dSi — èçìåíåíèå ýíòðîïèè, ñâÿçàííîå ñ ïðîèñõîäÿùèìè âíóòðåííèìè íåîáðàòèìûìè ïðîöåññàìè â ñèñòåìå; dSe — ýíòðîïèÿ, ïåðåíåñåííàÿ èç âíåøíåé ñðåäû ÷åðåç ãðàíèöû ñèñòåìû. Èç óðàâíåíèÿ ñëåäóåò, ÷òî â èçîëèðîâàííîé ñèñòåìå ýíòðîïèÿ dSe ðàâíà íóëþ, à âíóòðåííÿÿ ýíòðîïèÿ dSi > 0, òàê êàê dSe ìîæåò êîìïåíñèðîâàòü dSi, ïðîèçâåäåííóþ âíóòðè ñèñòåìû, èëè áûòü áîëüøå åå. Èç ýòîãî ñëåäóåò, ÷òî dSe < 0. Òàêèì îáðàçîì, ýíòðîïèÿ â ñèñòåìó íå ïîñòóïàåò, à òîëüêî ìîæåò èç íåå âûâîäèòüñÿ. Óñëîâèå dS = 0 îçíà÷àåò ñòàöèîíàðíîå ñîñòîÿíèå, à dS < 0 — óñëîæíåíèå è ðîñò ñèñòåìû. Èçìåíåíèå ýíòðîïèè ïðè ýòîì ñîîòâåòñòâóåò ñîîòíîøåíèþ dSe < dSi. Ñîîòíîøåíèå ïîêàçûâàåò, ÷òî ýíòðîïèÿ, îáóñëîâëèâàåìàÿ íåîáðàòèìûìè ïðîöåññàìè âíóòðè ñèñòåìû, âûíîñèòñÿ â îêðóæàþùóþ ñðåäó. Ñâîé ïðèíöèï È. Ïðèãîæèí è Ï. Ãëåíñäîðô âûðàçèëè ñëåäóþùèì îáðàçîì: ïðè íåðàâíîâåñíûõ ôàçîâûõ ïåðåõîäàõ, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò òî÷êàì áèôóðêàöèè, ÷åðåç êîòîðûå ïðîõîäèò ïðîöåññ ñàìîîðãàíèçàöèè, ñèñòåìà äâèæåòñÿ ïî ïóòè, ñîîòâåòñòâóþùåìó ìåíüøåìó çíà÷åíèþ ïðîèçâîäñòâà ýíòðîïèè. Çíà÷èò, ÷åì ìåíüøå ïðîèçâîäñòâî ýíòðîïèè, òåì áîëåå îðãàíèçîâàííà ñèñòåìà. Â ýòîì ãëàâíûé ñìûñë ïðîöåññà ñàìîîðãàíèçàöèè, òî åñòü â ñîçäàíèè îïðåäåëåííûõ ñòðóêòóð èç õàîñà íåóïîðÿäî÷åííîãî ñîñòîÿíèÿ. Îòêðûòûå ñèñòåìû áóäòî áû ñòðóêòóðèðóþò ýíåðãèþ îêðóæàþùåé èõ ñðåäû, ïðè÷åì óïîðÿäî÷åííàÿ ÷àñòü


199

ýíåðãèè îñòàåòñÿ âíóòðè ñèñòåìû, à íåóïîðÿäî÷åííàÿ ýíåðãèÿ ñáðàñûâàåòñÿ ñèñòåìîé îáðàòíî â îêðóæàþùóþ ñðåäó. Òàêèì îáðàçîì, íåðàâíîâåñíûé òåðìîäèíàìè÷åñêèé ïðîöåññ ñîçäàåò óñëîâèÿ äëÿ ñîñòîÿíèÿ, êîãäà ïðèòîê ýíåðãèè èçâíå íå òîëüêî êîìïåíñèðóåò (ãàñèò) ðîñò ýíòðîïèè, íî è ñíèæàåò åå êîëè÷åñòâî.

Íåëèíåéíûå ñèñòåìû (íåëèíåéíîñòü) Îòêðûòûé õàðàêòåð áîëüøèíñòâà ïðèðîäíûõ ñèñòåì óêàçûâàåò íà òî, ÷òî â ìèðå äîëæíû äîìèíèðîâàòü íå ðàâíîâåñèå è ñòàáèëüíîñòü, à íåóñòîé÷èâîñòü è íåðàâíîâåñíîñòü. Ñàìà íåðàâíîâåñíîñòü ïîðîæäàåò èçáèðàòåëüíîñòü ñèñòåìû, åå ñïåöèôè÷åñêèå ðåàêöèè íà âîçäåéñòâèÿ âíåøíåé ñðåäû. Òåñíàÿ ñâÿçü ñî ñðåäîé îòðàæàåòñÿ íà ôóíêöèîíèðîâàíèè ñèñòåì; îíè êàê áû ïðèñïîñàáëèâàþòñÿ ê âíåøíèì óñëîâèÿì. Íàïðèìåð, ñëàáûå âîçäåéñòâèÿ ñðåäû ìîãóò îêàçûâàòü áîëüøåå âëèÿíèå íà ýâîëþöèþ ñèñòåìû, ÷åì áîëåå ñèëüíûå, íî íå ãàðìîíèðóþùèå ñ òåíäåíöèåé ðàçâèòèÿ ñèñòåìû. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî íà íåëèíåéíûå ñèñòåìû íå ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ ïðèíöèï ñóïåðïîçèöèè, òî åñòü êîãäà äåéñòâèå äâóõ ôàêòîðîâ íà ñèòóàöèþ âûçûâàåò ýôôåêò, êîòîðûé íå èìååò íè÷åãî îáùåãî ñ ðåçóëüòàòàìè îòäåëüíîãî äåéñòâèÿ êàæäîãî ôàêòîðà. Â íåëèíåéíûõ ñèñòåìàõ ðàçâèòèå èäåò ïî íåëèíåéíûì çàêîíàì, ïðèâîäÿùèì ê ìíîãîâàðèàíòíîñòè ïóòåé âûáîðà è àëüòåðíàòèâ âûõîäà èç ñîñòîÿíèÿ íåóñòîé÷èâîñòè. Â íåëèíåéíûõ ñèñòåìàõ ïðîöåññû ìîãóò íîñèòü ðåçêî ïîðîãîâûé õàðàêòåð, êîãäà ïðè ïîñòåïåííîì èçìåíåíèè âíåøíèõ óñëîâèé íàáëþäàåòñÿ ñêà÷êîîáðàçíûé èõ ïåðåõîä â äðóãîå êà÷åñòâî. Ïðè ýòîì ñòàðûå ñòðóêòóðû ðàçðóøàþòñÿ, ïåðåõîäÿ ê êà÷åñòâåííî íîâûì ñòðóêòóðàì. Íåðàâíîâåñíûå, îòêðûòûå íåëèíåéíûå ñèñòåìû ïîñòîÿííî ñîçäàþò è ïîääåðæèâàþò íåîäíîðîäíîñòü â ñðåäå. Çäåñü ìåæäó ñðåäîé è ñèñòåìîé ìîãóò ñîçäàâàòüñÿ îòíîøåíèÿ ïîëîæèòåëüíîé îáðàòíîé ñâÿçè, êîòîðûå åùå áîëåå óñèëèâàþò îòêëîíåíèÿ ñèñòåìû îò ðàâíîâåñèÿ. Â ðåçóëüòàòå òàêîãî âçàèìîäåéñòâèÿ îòêðûòîé ñèñòåìû ñî ñðåäîé ìîãóò íàáëþäàòüñÿ ñàìûå íåîæèäàííûå ïîñëåäñòâèÿ.

Íåðàâíîâåñíàÿ òåðìîäèíàìèêà Êëàññè÷åñêàÿ òåðìîäèíàìèêà (çàêðûòûå ñèñòåìû) óòâåðæäàåò, ÷òî ðîñò ýíòðîïèè îçíà÷àåò íåîáðàòèìîñòü òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ïðîöåññà. Ïîýòîìó, åñëè ñ÷èòàòü Âñåëåííóþ çàêðûòîé ñèñòåìîé, òî ñ òî÷êè çðåíèÿ âòîðîãî çàêîíà òåðìîäèíàìèêè â íåé ïîñòåïåííî ïðîèçîéäåò âûðàâíèâàíèå òåìïåðàòóð è óñòàíîâèòñÿ ïîëíîå ðàâíîâåñèå, ÷òî ñîîòâåò-

200 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ ñòâóåò «òåïëîâîé ñìåðòè» Âñåëåííîé. Ýíòðîïèÿ áóäåò ðàñòè è âìåñòå ñ íåé ñòàíåò âîçðàñòàòü ñòåïåíü õàîñà. Ýòè óòâåðæäåíèÿ íå ñîãëàñóþòñÿ ñ ãèïîòåçîé âîçíèêíîâåíèÿ Âñåëåííîé è ñî âñåì äàëüíåéøèì õîäîì ãëîáàëüíîãî ýâîëþöèîííîãî ïðîöåññà. Âûâîä î ðîñòå áåñïîðÿäêà â ìèðå ïðîòèâîðå÷èò êàê õèìè÷åñêîìó, òàê è áèîëîãè÷åñêîìó ðàçâèòèþ ñèñòåì, äà è âñåìó ïðîöåññó ñàìîîðãàíèçàöèè ñèñòåì âî Âñåëåííîé. Îäíàêî ðîñò ýíòðîïèè, ñîãëàñíî âòîðîìó çàêîíó òåðìîäèíàìèêè, âûäåëÿåò íàïðàâëåíèå òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ, ÷òî îçíà÷àåò îäíîìåðíîñòü âðåìåíè, èëè òàê íàçûâàåìóþ «ñòðåëó âðåìåíè». Íåêëàññè÷åñêàÿ òåðìîäèíàìèêà èçó÷àåò ðåàëüíûé ìèð îòêðûòûõ ñèñòåì, ïðîÿâëÿþùèéñÿ â íåæèâîé è æèâîé ïðèðîäå, ñ ïîçèöèé ñèíåðãåòèêè. Ýòî ïîòðåáîâàëî íîâûõ èäåé, ïîíÿòèé îáðàçîâ, à òàêæå ïåðåñìîòðà ñòàðûõ. Â áîëüøåé ñòåïåíè ýòî îòíîñèòñÿ ê ïðåäñòàâëåíèÿì î ïîðÿäêå è õàîñå. Â ñèíåðãåòèêå õàîñ — ýòî òî, ÷òî îòëè÷àåòñÿ îò ïîðÿäêà íåêîåé ñòðóêòóðû. Ýòî íå ïîëíîå îòñóòñòâèå ñòðóêòóðû, à òîæå ñòðóêòóðà, íî îïðåäåëåííîãî òèïà (êàê áû íàðóøåííàÿ ñòðóêòóðà). Ïîä ñòðóêòóðîé ïîíèìàåòñÿ ñîâîêóïíîñòü óñòîé÷èâûõ ñâÿçåé îáúåêòà (ñ äðóãèìè îáúåêòàìè), îáåñïå÷èâàþùàÿ åãî öåëîñòíîñòü. Èíà÷å ãîâîðÿ, ñòðóêòóðà — ýòî âçàèìîðàñïîëîæåíèå è ñâÿçü ñîñòàâíûõ ÷àñòåé ÷åãî-ëèáî, òî åñòü îïðåäåëåííàÿ îðãàíèçàöèÿ îáúåêòà. Îíà õàðàêòåðèçóåòñÿ óñòîé÷èâîñòüþ, ÷åòêîñòüþ âíóòðåííèõ ñâÿçåé, ñïîñîáíîñòüþ ê ñîïðîòèâëåíèþ âíåøíèì ôàêòîðàì è èçìåíåíèÿì. Ñòðóêòóðà — êëþ÷åâîå ïîíÿòèå â ñèíåðãåòèêå (ñàìîîðãàíèçàöèè). Îòêðûòûå ñèñòåìû, êàê óæå óêàçûâàëîñü, ïîñòîÿííî îáìåíèâàþòñÿ ñî ñðåäîé ýíåðãèåé è âåùåñòâîì, íàõîäÿñü â îòíîñèòåëüíî ñòàáèëüíîì òåðìîäèíàìè÷åñêîì íåðàâíîâåñèè. Áèîëîãè÷åñêîé ñèñòåìå (æèâîìó îðãàíèçìó) äëÿ óñòîé÷èâîãî äèíàìè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ õàðàêòåðíî ìèíèìàëüíîå ïðîèçâîäñòâî ýíòðîïèè, à äëÿ íåóñòîé÷èâîãî ñòàöèîíàðíîãî — ìàêñèìàëüíîå íåæèâîå ñîñòîÿíèå. Âåðîÿòíåå âñåãî, ÷òî ðàçâèòèå æèâîãî îñóùåñòâëÿåòñÿ ÷åðåç íåóñòîé÷èâîñòè, õîòÿ â öåëîì îíî ñòðåìèòñÿ ê óñòîé÷èâîìó ñîñòîÿíèþ íà ìèêðîñêîïè÷åñêîì óðîâíå çà ñ÷åò çàïàñåííîé ñâîáîäíîé ýíåðãèè. Ïðè ñòðåìëåíèè ê óñòîé÷èâîìó ñîñòîÿíèþ îðãàíèçì «ñáðàñûâàåò» â îêðóæàþùóþ ñðåäó íåíóæíûé èçáûòîê ýíòðîïèè, òåì ñàìûì ïîñòîÿííî ïîääåðæèâàÿ íåðàâíîâåñíîå òåðìîäèíàìè÷åñêîå ñîñòîÿíèå.

Äèññèïàòèâíûå ñòðóêòóðû Äèññèïàòèâíàÿ ñòðóêòóðà — îäíî èç îñíîâíûõ ïîíÿòèé òåîðèè ñòðóêòóð È. Ïðèãîæèíà. Ñèñòåìà â öåëîì ìîæåò áûòü íåðàâíîâåñíîé, íî


201

óæå îïðåäåëåííûì îáðàçîì íåñêîëüêî óïîðÿäî÷åííîé, îðãàíèçîâàííîé. Òàêèå ñèñòåìû È. Ïðèãîæèí íàçâàë äèññèïàòèâíûìè ñòðóêòóðàìè (îò ëàò. dissipation — ðàçãîíÿòü, ðàññåèâàòü ñâîáîäíóþ ýíåðãèþ), â êîòîðûõ ïðè çíà÷èòåëüíûõ îòêëîíåíèÿõ îò ðàâíîâåñèÿ âîçíèêàþò óïîðÿäî÷åííûå ñîñòîÿíèÿ. Â ïðîöåññå îáðàçîâàíèÿ ýòèõ ñòðóêòóð ýíòðîïèÿ âîçðàñòàåò, èçìåíÿþòñÿ è äðóãèå òåðìîäèíàìè÷åñêèå ôóíêöèè ñèñòåìû. Ýòî ñâèäåòåëüñòâóåò î ñîõðàíåíèè â öåëîì åå õàîòè÷íîñòè. Äèññèïàöèÿ êàê ïðîöåññ ðàññåÿíèÿ ýíåðãèè èãðàåò âàæíóþ ðîëü â îáðàçîâàíèè ñòðóêòóð â îòêðûòûõ ñèñòåìàõ. Â áîëüøèíñòâå ñëó÷àåâ äèññèïàöèÿ ðåàëèçóåòñÿ â âèäå ïåðåõîäà èçáûòî÷íîé ýíåðãèè â òåïëî. Îáðàçîâàíèå íîâûõ òèïîâ ñòðóêòóð óêàçûâàåò íà ïåðåõîä îò õàîñà è áåñïîðÿäêà ê îðãàíèçàöèè è ïîðÿäêó. Ýòè äèññèïàòèâíûå äèíàìè÷åñêèå ìèêðîñòðóêòóðû ÿâëÿþòñÿ ïðîîáðàçàìè áóäóùèõ ñîñòîÿíèé ñèñòåìû, òàê íàçûâàåìûõ ôðàêòàëîâ (îò ëàò. fractus — äðîáíûé, èçðåçàííûé). Áîëüøèíñòâî ôðàêòàëîâ ëèáî ðàçðóøàåòñÿ, ïîëíîñòüþ òàê è íå ñôîðìèðîâàâøèñü (åñëè îíè îêàçûâàþòñÿ íåâûãîäíûìè ñ òî÷êè çðåíèÿ ôóíäàìåíòàëüíûõ çàêîíîâ ïðèðîäû), ëèáî èíîãäà îñòàþòñÿ êàê îòäåëüíûå àðõàè÷íûå îñòàòêè ïðîøëîãî (íàïðèìåð, äðåâíèå îáû÷àè íàðîäîâ, äðåâíèå ñëîâà è ò. ä.). Â òî÷êå áèôóðêàöèè (òî÷êå âåòâëåíèÿ) èäåò ñâîåîáðàçíûé åñòåñòâåííûé îòáîð ôðàêòàëüíûõ îáðàçîâàíèé. «Âûæèâàåò» îáðàçîâàíèå, îêàçàâøååñÿ íàèáîëåå ïðèñïîñîáëåííûì ê óñëîâèÿì îêðóæàþùåé ñðåäû. Ïðè áëàãîïðèÿòíûõ óñëîâèÿõ íîâàÿ ñòðóêòóðà (ôðàêòàë) «ðàçðàñòàåòñÿ» è ïðåîáðàçóåòñÿ ïîñòåïåííî â íîâóþ ìàêðîñòðóêòóðó — àòòðàêòîð. Ïðè ýòîì ñèñòåìà ïåðåõîäèò â íîâîå êà÷åñòâåííîå ñîñòîÿíèå. Â ýòîì íîâîì ñîñòîÿíèè ñèñòåìà ïðîäîëæàåò ñâîå íàñòóïàòåëüíîå äâèæåíèå äî ñëåäóþùåé òî÷êè áèôóðêàöèè, òî åñòü äî ñëåäóþùåãî íåðàâíîâåñíîãî ôàçîâîãî ïåðåõîäà. Â öåëîì äèññèïàöèÿ êàê ïðîöåññ ðàññåèâàíèÿ ýíåðãèè, çàòóõàíèÿ äâèæåíèÿ è èíôîðìàöèè èãðàåò âåñüìà êîíñòðóêòèâíóþ ðîëü â îáðàçîâàíèè íîâûõ ñòðóêòóð â îòêðûòûõ ñèñòåìàõ. Äëÿ äèññèïàòèâíîé ñèñòåìû íåâîçìîæíî ïðåäñêàçàòü êîíêðåòíûé ïóòü ðàçâèòèÿ, ïîñêîëüêó òðóäíî ïðåäóãàäàòü íà÷àëüíûå ðåàëüíûå óñëîâèÿ åå ñîñòîÿíèÿ.

Òåîðèÿ áèôóðêàöèé Îòêðûòàÿ íåëèíåéíàÿ ñàìîîðãàíèçóþùàÿñÿ ñèñòåìà âñåãäà ïîäâåðæåíà êîëåáàíèÿì. Èìåííî â êîëåáàíèÿõ ñèñòåìà ðàçâèâàåòñÿ è äâèæåòñÿ ê îòíîñèòåëüíî óñòîé÷èâûì ñòðóêòóðàì. Ýòîìó ñïîñîáñòâóåò ïîñòîÿííûé îáìåí ñèñòåìû ýíåðãèåé è âåùåñòâîì ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé.

202 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ Àíîìàëüíûå èçìåíåíèÿ â ñðåäå ìîãóò âûâåñòè ñèñòåìó èç ñîñòîÿíèÿ äèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ, è îíà ñòàíåò íåðàâíîâåñíîé. Íàïðèìåð, óñèëèâàþùèéñÿ ïðèòîê ýíåðãèè â ñèñòåìó âûçûâàåò ôëóêòóàöèè è äåëàåò åå íåðàâíîâåñíîé è íåðåãóëèðóåìîé. Îðãàíèçàöèÿ ñèñòåìû âñå áîëåå ðàñøàòûâàåòñÿ, èçìåíÿþòñÿ ñâîéñòâà ñèñòåìû. Åñëè ïàðàìåòðû ñèñòåìû äîñòèãàþò îïðåäåëåííûõ êðèòè÷åñêèõ çíà÷åíèé, òî ñèñòåìà ïåðåõîäèò â ñîñòîÿíèå õàîñà. Ñîñòîÿíèå ìàêñèìàëüíîé õàîòè÷íîñòè íåðàâíîâåñíîãî ïðîöåññà íàçûâàþò òî÷êîé áèôóðêàöèè. Òî÷êè áèôóðêàöèè — ýòî òî÷êè ðàâíîâåñèÿ êàê óñòîé÷èâîãî, òàê è íåóñòîé÷èâîãî òî÷êè «âûáîðà» äàëüíåéøåãî ïóòè ðàçâèòèÿ ñèñòåìû. Äëÿ ñèíåðãåòèêè âàæíû íåóñòîé÷èâûå ñîñòîÿíèÿ. Ïîÿâëåíèå íåóñòîé÷èâûõ ñîñòîÿíèé ñîçäàåò ïîòåíöèàëüíóþ âîçìîæíîñòü ñèñòåìå ïåðåéòè â íîâîå êà÷åñòâåííîå ñîñòîÿíèå. Îíî áóäåò õàðàêòåðèçîâàòüñÿ íîâûìè ïàðàìåòðàìè ñèñòåìû è íîâûì ðåæèìîì åå ôóíêöèîíèðîâàíèÿ. Â ñîñòîÿíèÿõ âûáîðà ïóòè, òî åñòü â òî÷êàõ áèôóðêàöèé áîëüøîå çíà÷åíèå èìåþò ñëó÷àéíûå ôëóêòóàöèè (êîëåáàíèÿ). Îò íèõ çàâèñèò, ïî êàêîìó ïóòè èç ìíîæåñòâà âîçìîæíûõ ñèñòåìà áóäåò âûõîäèòü èç ñîñòîÿíèÿ íåóñòîé÷èâîñòè. Ìíîãèå ôëóêòóàöèè ðàññåèâàþòñÿ, íåêîòîðûå íå îêàçûâàþò âëèÿíèÿ íà äàëüíåéøèé ïóòü ðàçâèòèÿ ñèñòåìû êàê î÷åíü ñëàáûå. Íî ïðè îïðåäåëåííûõ, ïîðîãîâûõ óñëîâèÿõ çà ñ÷åò ñëó÷àéíûõ âíåøíèõ âîçäåéñòâèé ýòè ôëóêòóàöèè ìîãóò óñèëèâàòüñÿ è äåéñòâîâàòü â ðåçîíàíñ, ïîäòàëêèâàÿ ñèñòåìó ê âûáîðó îïðåäåëåííîãî ïóòè ðàçâèòèÿ (îïðåäåëåííîé òðàåêòîðèè). Â òî÷êàõ áèôóðêàöèè ñàìîîðãàíèçóþùàÿñÿ ñèñòåìà, ñòîÿ ïåðåä âûáîðîì ïóòåé ðàçâèòèÿ, îáðàçóåò ìíîæåñòâî äèññèïàòèâíûõ äèíàìè÷åñêèõ ìèêðîñòðóêòóð, êàê áû «ýìáðèîíîâ» áóäóùèõ ñîñòîÿíèé ñèñòåìû — ôðàêòàëîâ. Íàáîð òàêèõ ñîñòîÿíèé â òî÷êàõ áèôóðêàöèé ïåðåä âûáîðîì äàëüíåéøåãî ïóòè è îáðàçóåò äåòåðìèíèðîâàííûé, èëè äèíàìè÷åñêèé, õàîñ. Îäíàêî áîëüøèíñòâî ýòèõ áóäóùèõ ïðîîáðàçîâ ñèñòåìû — ôðàêòàëüíûõ îáðàçîâàíèé ãèáíåò â êîíêóðåíòíîé áîðüáå. Â ðåçóëüòàòå âûæèâàåò òà ìèêðîñòðóêòóðà, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå ïðèñïîñîáëåííîé ê âíåøíèì óñëîâèÿì. Âåñü ýòîò ïðîöåññ íîñèò ñëó÷àéíûé è íåîïðåäåëåííûé õàðàêòåð. Âûæèâøàÿ â êîíêóðåíòíîé áîðüáå ôðàêòàëüíûõ îáðàçîâàíèé ôîðìèðóþùàÿñÿ ìàêðîñòðóêòóðà ïîëó÷èëà íàçâàíèå àòòðàêòîðà (ñì. âûøå). Â ðåçóëüòàòå ýòîãî ñèñòåìà ïåðåõîäèò â íîâîå êà÷åñòâåííî áîëåå âûñîêîå îðãàíèçàöèîííîå ñîñòîÿíèå. Íàïðàâëåíèå äâèæåíèÿ ýòîãî àòòðàêòîðà íà÷èíàåò ïîä÷èíÿòüñÿ íåîáõîäèìîñòè. Ñèñòåìà òåïåðü âåäåò ñåáÿ êàê æåñòêî äåòåðìèíèðîâàííàÿ.


203

Òàêèì îáðàçîì, àòòðàêòîð ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îòðåçîê ýâîëþöèîííîãî ïóòè îò òî÷êè áèôóðêàöèè äî îïðåäåëåííîãî ôèíàëà (èì ìîæåò áûòü äðóãàÿ òî÷êà áèôóðêàöèè). Îáû÷íûå àòòðàêòîðû õàðàêòåðèçóþòñÿ óñòîé÷èâîñòüþ äèíàìè÷åñêîé ñèñòåìû. Àòòðàêòîð êàê áû ïðèòÿãèâàåò ê ñåáå ïîäîáíî ìàãíèòó ìíîæåñòâî ðàçëè÷íûõ òðàåêòîðèé ñèñòåìû, îïðåäåëÿåìûõ ðàçíûìè íà÷àëüíûìè çíà÷åíèÿìè ïàðàìåòðîâ. Çäåñü î÷åíü âàæíóþ ðîëü èãðàþò êîîïåðàòèâíûå, ñîâìåñòíûå ïðîöåññû, êîòîðûå îñíîâûâàþòñÿ íà êîãåðåíòíîì, òî åñòü ñîãëàñîâàííîì, âçàèìîäåéñòâèè âñåõ ýëåìåíòîâ çàðîæäàþùåéñÿ óñòîé÷èâîé ñòðóêòóðû. Àòòðàêòîð ìîæíî ñðàâíèòü ñ êîíóñîì èëè âîðîíêîé, êîòîðûå ñâîåé øèðîêîé ÷àñòüþ îáðàùåíû ê çîíå âåòâëåíèÿ, òî åñòü ê òî÷êå áèôóðêàöèè, à óçêîé ÷àñòüþ — ê êîíå÷íîìó ðåçóëüòàòó, òî åñòü ê óïîðÿäî÷åííîé ñòðóêòóðå. Åñëè ñèñòåìà ïîïàäàåò â ñôåðó äåéñòâèÿ îïðåäåëåííîãî àòòðàêòîðà, òî îíà ýâîëþöèîíèðóåò èìåííî ê íåìó. Ðàçíûìè ïóòÿìè ýâîëþöèÿ âûõîäèò íà îäíè è òå æå àòòðàêòîðû. Â ðåçóëüòàòå ýòîãî ôîðìèðóþòñÿ ïàðàìåòðû ïîðÿäêà, òî åñòü óñòîé÷èâîãî äèíàìè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ. Â ýòîì ñîñòîÿíèè ñèñòåìà ìîæåò íàõîäèòüñÿ äî òåõ ïîð, ïîêà â ñèëó êàêèõ-ëèáî ïðè÷èí, à òàêæå ñëó÷àéíûõ ôëóêòóàöèé îíà âíîâü íå ïðèäåò â íåóñòîé÷èâîå ïîëîæåíèå. Ýòè ïðè÷èíû ñâÿçàíû ñ äèñãàðìîíèåé, íåñîîòâåòñòâèåì âíóòðåííåãî ñîñòîÿíèÿ îòêðûòîé ñèñòåìû âíåøíèì óñëîâèÿì îêðóæàþùåé åå ñðåäû. Âñëåäñòâèå ýòîãî ñèñòåìà òåðÿåò ñâîþ óñòîé÷èâîñòü, âîçâðàùàÿñü ê õàîòè÷åñêîìó ñîñòîÿíèþ, è ó íåå âíîâü ïîÿâëÿåòñÿ ìíîæåñòâî íîâûõ ïóòåé ðàçâèòèÿ. Äëÿ íàãëÿäíîñòè áèôóðêàöèîííûé ïðîöåññ ýâîëþöèè ñèñòåìû ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå áèôóðêàöèîííîãî äåðåâà (ðèñ. 8.1). Ïî ïîäîáíîìó ïðèíöèïó â âèäå ýâîëþöèîííîãî äåðåâà ìîæíî ïðåäñòàâèòü ðàçâèòèå áèîëîãè÷åñêèõ âèäîâ èëè àíòðîïîãåíåçà. Â òî÷êàõ áèôóðêàöèè äàæå ìàëåíüêîå ñëó÷àéíîå èçìåíåíèå ìîæåò ïðèâåñòè ê ñåðüåçíîìó âîçìóùåíèþ ñèñòåìû. Ïîýòîìó ñàìîîðãàíèçóþùèìñÿ ñèñòåìàì íåëüçÿ ãðóáî íàâÿçûâàòü îïðåäåëåííûå ïóòè ðàçâèòèÿ. Çäåñü íåîáõîäèìî èññëåäîâàòü è íàéòè ïóòè ñîâìåñòíîé æèçíè ïðèðîäû è ÷åëîâåêà, ñòàðàòüñÿ ãëóáîêî ïîçíàòü ïðèðîäó èõ ñîâìåñòíîé ýâîëþöèè, êîýâîëþöèè. Îñíîâû òåîðèè áèôóðêàöèé áûëè çàëîæåíû â íà÷àëå XX â. ôðàíöóçñêèì ìàòåìàòèêîì À. Ïóàíêàðå è ðóññêèì ìàòåìàòèêîì À. Ëÿïóíîâûì. Â äàëüíåéøåì ýòà òåîðèÿ ïîëó÷èëà ðàçâèòèå â øêîëå ðóññêîãî ôèçèêà À. Àíäðîíîâà. Òåîðèÿ áèôóðêàöèé â íàñòîÿùåå âðåìÿ íàõîäèò øèðîêîå ïðèìåíåíèå â ìåæäèñöèïëèíàðíûõ íàóêàõ, à òàêæå â ôèçèêå, õèìèè, áèîëîãèè.

204 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ

Ðèñ. 8.1. Áèôóðêàöèîííûé õàðàêòåð ýâîëþöèè ñèñòåìû (X, Z — ïàðàìåòðû ñèñòåìû, t — âðåìÿ, À è Â — òî÷êè áèôóðêàöèè)

Ýâîëþöèîííîå äâèæåíèå ñèñòåìû îáÿçàòåëüíî ñâÿçàíî ñ íåîáõîäèìîñòüþ ïåðåñòðîéêè àäàïòèâíûõ ìåõàíèçìîâ íà êà÷åñòâåííî íîâûé, áîëåå âûñîêèé óðîâåíü. Åñëè ñèñòåìà áëàãîäàðÿ âíóòðåííåé ïåðåñòðîéêå ñìîãëà (óñïåëà) àäàïòèðîâàòüñÿ ê íîâûì óñëîâèÿì, òî îíà ïðèîáðåòàåò íîâîå, îðãàíèçàöèîííî áîëåå âûñîêîå, óñòîé÷èâîå ñîñòîÿíèå; åñëè íåò, òî îíà ðàçðóøàåòñÿ è ãèáíåò. Â àäàïòèðîâàííîì óñòîé÷èâîì ïîëîæåíèè ñèñòåìà ìîæåò íàõîäèòüñÿ äî ñëåäóþùåé ñëó÷àéíîé ôëóêòóàöèè, ïîñëå êîòîðîé ñèòóàöèÿ ïîâòîðÿåòñÿ. Ïî ýòîé ñõåìå èäåò ýâîëþöèîííîå ðàçâèòèå âñåõ ñèñòåì íà âñåõ ñòðóêòóðíûõ óðîâíÿõ, õîòÿ ñêîðîñòü ýòîãî ïðîöåññà ðàçëè÷íà. Òàê, õèìè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ Âñåëåííîé ïðîäîëæàåòñÿ îò âðåìåíè Áîëüøîãî âçðûâà äî íàøèõ äíåé — ýòî îêîëî 20 ìëðä ëåò, ýâîëþöèÿ æèâîé ìàòåðèè — 3,7 ìëðä ëåò, ýâîëþöèÿ ÷åëîâåêà — îêîëî 2 ìëí ëåò, à ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà — ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ òûñÿ÷ ëåò. Ñ òî÷êè çðåíèÿ ñèíåðãåòè÷åñêîé ñàìîîðãàíèçàöèè æèçíü çàðîäèëàñü â äèàïàçîíå ñëîæíûõ ñèñòåì. Â ýòîì ñëó÷àå ñëåäóåò ñ÷èòàòü æèçíü ñîâîêóïíîñòüþ («ñáîðêîé») ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Ñ ïîçèöèé ñèíåðãåòèêè çàêîíîìåðíûì ïðåäñòàâëÿåòñÿ è ýâîëþöèÿ ìèðà æèâîãî, êîòîðàÿ ïî ëèíèè ðàçâèòèÿ äðåâåñíûõ ìëåêîïèòàþùèõ ïðèâåëà ê ïîÿâëåíèþ ÷åëîâåêà êàê áèîëîãè÷åñêîãî âèäà, à òàêæå ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà êàê ñîöèàëüíîé ñèñòåìû.


205

Áèôóðêàöèîííîå äåðåâî êàê ìîäåëü ýâîëþöèè ïðèðîäû, ÷åëîâåêà, îáùåñòâà Ñèíåðãåòè÷åñêóþ ìîäåëü ýâîëþöèè íåæèâîé, æèâîé ïðèðîäû è ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà ñ òî÷êè çðåíèÿ áèôóðêàöèîííûõ èçìåíåíèé ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå ãëîáàëüíîãî ïðîöåññà ñàìîîðãàíèçàöèè ìàòåðèè âî Âñåëåííîé. Ýòîò ïðîöåññ èäåò íà òðåõ óðîâíÿõ. 1. Ïåðâûé óðîâåíü ïðåäñòàâëåí ñàìîîðãàíèçàöèåé è ýâîëþöèåé íåæèâîé (êîñíîé) ìàòåðèè. Ýòî õèìè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ, èäóùàÿ ïî íàïðàâëåíèþ: ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû–àòîìû–ìîëåêóëû, à òàêæå ñòðóêòóðíàÿ ýâîëþöèÿ, èäóùàÿ ïî íàïðàâëåíèþ: ãàçîïûëåâûå òóìàííîñòè–çâåçäíûå ñèñòåìû–ãàëàêòèêè–ìåòàãàëàêòèêè–Âñåëåííàÿ. Êîñíîå âåùåñòâî ñàìîîðãàíèçîâûâàëîñü ïîñðåäñòâîì îòðàæåíèÿ êîñíîé ìàòåðèè è îáìåíà ôèçè÷åñêîé èíôîðìàöèåé, íîñèòåëåì êîòîðîé ÿâëÿþòñÿ ðàçëè÷íûå ôóíäàìåíòàëüíûå âçàèìîäåéñòâèÿ. Ýòîò ýòàï (ýòàï ïðåäáèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèè) äëèòñÿ îò ìîìåíòà Áîëüøîãî âçðûâà ïî íàñòîÿùåå âðåìÿ. 2. Âòîðîé óðîâåíü ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñàìîîðãàíèçàöèþ è ýâîëþöèþ æèâîãî âåùåñòâà. Ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî â êàêîé-òî ìîìåíò ýâîëþöèè êîñíîé ìàòåðèè âî Âñåëåííîé â êàêîé-òî îïðåäåëåííîé òî÷êå (â äàííîì ñëó÷àå íà Çåìëå, à ìîæåò, åùå ãäå-òî) â ðåçóëüòàòå äèññèïàöèè ñëó÷àéíî ñîçäàëèñü óñëîâèÿ äëÿ ãðóïïèðîâêè îðãàíè÷åñêèõ ìîëåêóë â êîìïëåêñû (ñèñòåìû), ó êîòîðûõ ñî âðåìåíåì ÷åðåç ðÿä áèôóðêàöèé ïîÿâèëàñü ñïîñîáíîñòü ê ñàìîðåãóëÿöèè è ñàìîâîñïðîèçâåäåíèþ. Â ðåçóëüòàòå îáìåíà âåùåñòâîì è ýíåðãèåé ñ èçìåíÿþùåéñÿ îêðóæàþùåé ñðåäîé øëî ïîñòåïåííîå ïîñëåäîâàòåëüíîå óñëîæíåíèå îðãàíè÷åñêèõ ñèñòåì â òå÷åíèå ìíîãèõ ìèëëèàðäîâ ëåò, ÷òî ïðèâåëî ê âîçíèêíîâåíèþ âûñîêîîðãàíèçîâàííîé ôîðìû ìàòåðèè — æèâîìó âåùåñòâó, òî åñòü ðàñòåíèé è æèâîòíûõ. Ïîñòîÿííûå ñëîæíûå âçàèìîäåéñòâèÿ æèâîãî ñ êîñíîé ìàòåðèåé â âèäå ïîòîêîâ âåùåñòâà, ýíåðãèè è èíôîðìàöèè ïîääåðæèâàëè äèíàìè÷åñêóþ óñòîé÷èâîñòü æèâûõ ñèñòåì íà ðàçíûõ óðîâíÿõ èõ îðãàíèçàöèè è ñëîæíîñòè. Æèâûå ñèñòåìû, ÷òîáû âûæèòü, îáëàäàëè áîëåå ñëîæíîé ôîðìîé îòðàæåíèÿ îïåðåæàþùåãî õàðàêòåðà, íåæåëè êîñíûå. Ó æèâûõ ñèñòåì âûðàáîòàëèñü îñîáûå ôîðìû ïðèåìà, íàêîïëåíèÿ è ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè. Ñàìîé âûñîêîîðãàíèçîâàííîé ôîðìîé æèâîãî îêàçàëñÿ ÷åëîâåê, îáëàäàþùèé ðàçóìîì, ñïîñîáíûé ðåàëüíî àíàëèçèðîâàòü è ïîçíàâàòü îêðóæàþùèé ìèð, èñêàòü è íàõîäèòü ñâîå

206 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ ìåñòî â íåì. Âåñü ýòîò ïðîöåññ ñàìîîðãàíèçàöèè è ýâîëþöèè æèâîãî âåùåñòâà íà ïëàíåòå Çåìëÿ ïðîäîëæàåòñÿ âîò óæå áîëåå 3,5 ìëðä ëåò. 3. Òðåòèé óðîâåíü — îðãàíèçàöèÿ ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà, òî åñòü ñîöèàëüíûé. Íà êàêîì-òî îïðåäåëåííîì îòðåçêå äëèííîãî ýâîëþöèîííîãî ïóòè îò âûñøèõ æèâîòíûõ äî ÷åëîâåêà âîçíèêàþò óñëîâèÿ äëÿ ïîÿâëåíèÿ ñîîáùåñòâà, îñíîâàííûå íà ðàçóìå è êîëëåêòèâíîé äåÿòåëüíîñòè. Â ýòèõ ñîîáùåñòâàõ â ïðîöåññå ñàìîîðãàíèçàöèè â òå÷åíèå ìèëëèîíîâ ëåò ïðîèñõîäèëà êàê ñîöèàëüíàÿ, òàê è ïñèõîëîãè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ ÷åëîâåêà. Â êîíöå êîíöîâ ÷åëîâåê ñòàë âåðøèíîé ïèðàìèäû âñåãî æèâîãî íà Çåìëå. Óðîâåíü ïîçíàíèÿ ïðèðîäû ÷åëîâåêîì ðåçêî âîçðîñ, óñëîæíèëèñü êîììóíèêàòèâíûå îòíîøåíèÿ è ñâÿçè. ×åëîâåê îêðóæèë ñåáÿ ìîùíîé òåõíîñôåðîé. Âûñîêàÿ òåõíè÷åñêàÿ è òåõíîëîãè÷åñêàÿ îñíàùåííîñòü ïîçâîëÿåò ÷åëîâåêó èçìåíÿòü îáëèê ïëàíåòû, ñîçäàâàòü èñêóññòâåííóþ ñðåäó îáèòàíèÿ â ëþáîé òî÷êå ïëàíåòû, à òàêæå â îêîëîçåìíîì ïðîñòðàíñòâå. ×åëîâåê ñòàë ñåðüåçíî èçìåíÿòü õàðàêòåð ýíåðãåòè÷åñêèõ âåùåñòâåííûõ è èíôîðìàöèîííûõ ïîòîêîâ â áèîñôåðå, âëèÿòü íà íàïðàâëåííîñòü áèîãåîõèìè÷åñêèõ öèêëîâ. Â ñâÿçè ñ òàêèì õîäîì ðàçâèòèÿ ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà âñòàåò ãëîáàëüíûé âîïðîñ, êóäà ïîéäåò ýâîëþöèîííàÿ âåòâü åãî äàëüíåéøåãî ðàçâèòèÿ íà Çåìëå, åñëè ðàññìàòðèâàòü ýòîò ïðîöåññ ÷åðåç ïðèçìó áèôóðêàöèîííûõ âåòâëåíèé. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ â ðåçóëüòàòå èñòîðè÷åñêîãî ðàçâèòèÿ ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà âîçíèêëè ïðîáëåìû, ñâÿçàííûå ñ àíòðîïîãåííîé äåÿòåëüíîñòüþ ÷åëîâåêà: ýòî âçàèìîîòíîøåíèÿ ÷åëîâåêà è ïðèðîäû, ëþäåé ìåæäó ñîáîé, îòäåëüíîé ëè÷íîñòè è ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà. Ýòè ïðîáëåìû ïîðîæäåíû òåì, ÷òî ñîâðåìåííàÿ öèâèëèçàöèÿ â öåíòð ñâîåãî áûòèÿ ïîñòàâèëà ïîêîðåíèå ïðèðîäû, ïîòðåáèòåëüñêîå îòíîøåíèå ê íåé. Îíà ñìîòðèò íà ìèð âîîáùå è íà êîíêðåòíûå åãî îáúåêòû â ÷àñòíîñòè òîëüêî ñ òî÷êè çðåíèÿ èõ ïîëåçíîñòè è ïðàêòè÷åñêîãî èñïîëüçîâàíèÿ, ñîçäàâ ïðè ýòîì ìàññó ãëîáàëüíûõ ïðîáëåì. Îíè ïðèâåëè ÷åëîâå÷åñòâî ê òàê íàçûâàåìîìó öèâèëèçîâàííîìó êðèçèñó, ãäå äîìèíèðóåò ïàðàäèãìà ëè÷íîé âûãîäû, ñîïåðíè÷åñòâà è áîðüáû. Íà âîçìîæíîñòü òàêîãî êðèçèñà óêàçûâàë åùå Â. Âåðíàäñêèé. Óñêîðåíèå ïðîöåññîâ ðàçâèòèÿ ÷åëîâå÷åñòâà ñîïðîâîæäàåòñÿ ïîíèæåíèåì óðîâíÿ åãî óñòîé÷èâîñòè, ñòàáèëüíîñòè, âîçíèêíîâåíèåì íîâûõ àòòðàêòîðîâ. Ýâîëþöèÿ íà Çåìëå ïðèîáðåëà ïëàíåòàðíûé õàðàêòåð, â íåå âîâëåêàþòñÿ ïðèðîäíûå è ñîöèàëüíûå ñèñòåìû. Ñîâåòñêèé àêàäåìèê, ðàáîòàþùèé â îáëàñòè ïðèêëàäíîé ìàòåìàòèêè è ôèçèêè, Í. Ìîèñååâ, âûäâèãàåò


207

÷åëîâå÷åñòâó äâà òðåáîâàíèÿ (èìïåðàòèâà) — ýêîëîãè÷åñêîãî è íðàâñòâåííîãî ïîðÿäêà. Ýêîëîãè÷åñêèé èìïåðàòèâ çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî íåëüçÿ ñòàâèòü ýêîíîìè÷åñêèå èíòåðåñû ÷åëîâå÷åñòâà âûøå ýêîëîãè÷åñêèõ. Íðàâñòâåííûé èìïåðàòèâ ïðèçûâàåò ê îáíîâëåíèþ íðàâñòâåííîñòè â ñîîòâåòñòâèè ñ íåîáõîäèìîñòüþ êîýâîëþöèè ïðèðîäíûõ è îáùåñòâåííûõ ñèñòåì. Ðóññêèé ôèëîñîô Í. Áåðäÿåâ â ïåðâîé ïîëîâèíå XX â., àíàëèçèðóÿ áóäóùåå ÷åëîâå÷åñòâà, ïîñòàâèë åìó äèàãíîç: Èíäèâèäóàëèçì, àòîìèçàöèÿ îáùåñòâà, áåçóäåðæíàÿ ïîõîòü æèçíè, íåîãðàíè÷åííûé ðîñò íàðîäîíàñåëåíèÿ è íåîãðàíè÷åííûé ðîñò ïîòðåáíîñòåé, óïàäîê âåðû, îñëàáëåíèå äóõîâíîé æèçíè — âñå ýòî ïðèâåëî ê ñîçäàíèþ èíäóñòðèàëüíî-êàïèòàëèñòè÷åñêîé ñèñòåìû, êîòîðàÿ èçìåíèëà âåñü õàðàêòåð ÷åëîâå÷åñêîé æèçíè, âåñü ñòèëü åå, îòîðâàâ æèçíü ÷åëîâå÷åñêóþ îò ðèòìà ïðèðîäû.

Ñåãîäíÿ ïåðåæèâàåò êðèçèñ ñàìà èñõîäíàÿ ïàðàäèãìà ñîöèóìà, íàïðàâëÿþùàÿ âñå ñâîè ñèëû è ñðåäñòâà íà õèùíè÷åñêîå îñâîåíèå ïðèðîäû, íå ó÷èòûâàÿ åå âîçìîæíîñòåé. Â êðèçèñå è ñàìîñîçíàíèå ÷åëîâåêà, è åãî êóëüòóðà. Ýòîò êðèçèñ íå ïîçâîëÿåò åìó ñïðàâèòüñÿ ñî âñå óãëóáëÿþùèìèñÿ ãëîáàëüíûìè ïðîáëåìàìè. Ïðèðîäà ìîæåò ñáðîñèòü «íåïîñëóøíîå åé» ÷åëîâå÷åñòâî ñ ëèöà Çåìëè. Ñåé÷àñ íåîáõîäèìî îñîçíàòü, ÷òî XXI â. ìîæåò ñòàòü êîíöîì ÷åëîâå÷åñêîé öèâèëèçàöèè, ñîöèàëüíîå âðåìÿ ìîæåò çàêîí÷èòüñÿ. Ïîýòîìó áîðüáà çà âûæèâàíèå åñòü áîðüáà è çà âðåìÿ, êîòîðîãî ìîæåò íå õâàòèòü, ÷òîáû îñîçíàòü ðåàëüíûå óñëîâèÿ ñóùåñòâóþùåãî ìèðà è ïðèñïîñîáèòüñÿ ê íèì. Ðàäèêàëüíûì äåéñòâèåì ÷åëîâåêà ïî ïðåîäîëåíèþ êðèçèñà â ñèñòåìå «îáùåñòâî–ïðèðîäà», ïî ìíåíèþ ãðóïïû ó÷åíûõ, ðàçðàáàòûâàþùèõ ñîâðåìåííîå ó÷åíèå î íîîñôåðå (Ä. Áåêêåð, Í. Ìîèñååâ, À. Óðñóë è äð.), äîëæíî áûòü ôîðìèðîâàíèå ëè÷íîñòè íîâîãî òèïà. ×åëîâåê òðåòüåãî òûñÿ÷åëåòèÿ äîëæåí îáëàäàòü âûñîêîé ýêîëîãè÷åñêîé êóëüòóðîé è ïëàíåòàðíûì ñîçíàíèåì. Èìåííî ýêîëîãè÷åñêàÿ êóëüòóðà îïðåäåëÿåò õàðàêòåð è êà÷åñòâåííûé óðîâåíü îòíîøåíèé ìåæäó ÷åëîâåêîì è ñîöèîïðèðîäíîé ñðåäîé. Ýêîëîãè÷åñêàÿ êóëüòóðà ïðîÿâëÿåòñÿ â ñèñòåìå äóõîâíûõ öåííîñòåé, à òàêæå âî âñåõ âèäàõ è ðåçóëüòàòàõ ÷åëîâå÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè â îòíîøåíèè ïðèðîäû. Ãëóáîêîå îñîçíàíèå îáùèõ çàêîíîìåðíîñòåé ðàçâèòèÿ ìèðà, âñåõ âçàèìîñâÿçåé ìåæäó ïðèðîäîé, ÷åëîâå÷åñêèì îáùåñòâîì è êóëüòóðîé ñïîñîáñòâóåò ïðàâèëüíîìó îïðåäåëåíèþ ÷åëîâåêîì ñâîåãî ìåñòà â ñèñòåìå ìèðîçäàíèÿ, à òàêæå êîððåêòíîìó îáðàçó ìûøëåíèÿ è ñîîòâåòñòâóþùåìó ïîâåäåíèþ â ñîöèîïðèðîäíîé ñðåäå.


8.5. Ïðåäñòàâëåíèå î æèçíè â ñîâðåìåííîì åñòåñòâîçíàíèè Îòâåòèòü íà âîïðîñ, ÷òî òàêîå æèçíü, äàòü åé òî÷íîå, èñ÷åðïûâàþùåå îïðåäåëåíèå ñîâðåìåííàÿ íàóêà íå â ñîñòîÿíèè. Êàæäûé ó÷åíûé äàåò ñâîå îïðåäåëåíèå æèçíè. Îäíàêî óíèâåðñàëüíîãî êðèòåðèÿ æèâîãî íåò, êàê íåò è îñîáûõ ïðèçíàêîâ, êîòîðûå áû ïîçâîëÿëè áåçîãîâîðî÷íî îòäåëèòü æèâîå îò íåæèâîãî. Æèâîå èìååò ìíîãî îáùåãî ñ íåæèâûì. Òàê, îðãàíèçìû è ïðåäìåòû ñîñòîÿò èç àòîìîâ è ìîëåêóë, â îñíîâå êîòîðûõ îäíè è òå æå õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû, ôóíêöèîíèðîâàíèå êîòîðûõ îïðåäåëÿåòñÿ çàêîíàìè ôèçèêè è õèìèè è ò. ä. Îäíàêî îðãàíèçìû (æèâîå) îáëàäàþò ñâîèìè ñïåöèôè÷åñêèìè ïðèçíàêàìè, êîòîðûõ íåò ó îáúåêòîâ íåæèâîé ïðèðîäû. Ïðèçíàíèå òîãî, ÷òî æèçíü äîëæíà îïðåäåëÿòüñÿ çàêîíàìè ôèçèêè è õèìèè, âñå æå íå ïðåäîñòàâëÿåò âîçìîæíîñòè ïîíÿòü åå ñóùíîñòü êàê îñîáîãî ÿâëåíèÿ âî Âñåëåííîé. Ýòî, ïî-âèäèìîìó, è íàâîäèò ÷åëîâåêà íà ìûñëü î äóõîâíîì íà÷àëå åå ñóòè. Èñòîðè÷åñêè âñå ðåëèãèîçíûå ó÷åíèÿ è âåðîâàíèÿ óêàçûâàëè íà ïðèñóòñòâèå â æèâûõ îðãàíèçìàõ, îñîáåííî â ÷åëîâåêå, äóõîâíîãî íà÷àëà — áåññìåðòíîé äóøè, êîòîðàÿ ÿâëÿåòñÿ ÿêîáû àòðèáóòîì è êðèòåðèåì âñåãî æèâîãî, ãëàâíûì åãî ïðèçíàêîì. Íà ýòî óêàçûâàþò ðàáîòû àíòè÷íûõ ôèëîñîôîâ: Ïëàòîíà, Àðèñòîòåëÿ (åãî ýíòåëåõèÿ êàê äóõîâíîå íà÷àëî), à â áîëåå ïîçäíèé ïåðèîä — Ãåãåëÿ (ìèðîâîé ðàçóì) è ìíîãèõ äðóãèõ ôèëîñîôîâ. Â áèîëîãèè äàæå ñôîðìèðîâàëàñü êîíöåïöèÿ òàê íàçûâàåìîãî âèòàëèçìà (îò ëàò. vitalis — æèçíåííûé), óêàçûâàþùàÿ íà ïðèñóòñòâèå â æèâûõ îðãàíèçìàõ îñîáîãî íåìàòåðèàëüíîãî íà÷àëà, «æèçíåííîé ñèëû», íàïðàâëÿþùåé æèçíåííûå ïðîöåññû â îðãàíèçìå è óïðàâëÿþùåé èì. Â ïîñëåäíåå âðåìÿ ñôîðìèðîâàëèñü ïîíÿòèÿ ýíåðãîèíôîðìàöèîííîãî ïîëÿ è ýíåðãîèíôîðìàöèîííîãî îáìåíà. Âñå ïåðå÷èñëåííîå ÿâëÿåòñÿ ïîïûòêàìè îáúÿñíèòü æèâîå íåìàòåðèàëüíûìè ïðåäñòàâëåíèÿìè. Òàê èëè èíà÷å, êðèòåðèåì æèâîãî ïðèçíàåòñÿ äóøà, êîòîðàÿ óïðàâëÿåò âñåìè æèçíåííûìè ìàòåðèàëüíûìè ïðîöåññàìè â îðãàíèçìàõ, íå íàðóøàÿ ïðè ýòîì ôóíäàìåíòàëüíûõ çàêîíîâ ïðèðîäû. Îäíàêî ñ ïîçèöèé ñîâðåìåííîé íàó÷íîé ìûñëè ñ ýòèì ñîãëàñèòüñÿ âåñüìà òðóäíî. Âñå-òàêè æèçíü ìàòåðèàëüíà ïî ñâîåé ñóòè. Æèçíü ïðîÿâëÿåòñÿ â âèäå äâèæåíèÿ; íî äâèæåíèå ìàòåðèàëüíûõ íîñèòåëåé æèçíè õàðàêòåðèçóåòñÿ îñîáîé ñïåöèôè÷åñêîé ôîðìîé.

8.5. Ïðåäñòàâëåíèå î æèçíè â ñîâðåìåííîì åñòåñòâîçíàíèè

209

Îòëè÷èòåëüíûå ïðèçíàêè æèâîãî Ê âàæíåéøèì ñâîéñòâàì æèâûõ ñèñòåì, îòëè÷àþùèõ èõ îò íåæèâîé (êîñíîé) ïðèðîäû, ìîæíî îòíåñòè ñëåäóþùåå: 1. Æèâûå îðãàíèçìû îáìåíèâàþòñÿ ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé ýíåðãèåé, âåùåñòâîì è èíôîðìàöèåé. Îíè ñïîñîáíû àññèìèëèðîâàòü ïîëó÷åíèå èçâíå âåùåñòâà, ïåðåñòðàèâàòü èõ â òêàíè ñâîåãî òåëà. 2. Æèâîå îòëè÷àåòñÿ ñëîæíûì ñòðîåíèåì è ñèñòåìíîé îðãàíèçàöèåé, êîòîðûå ó íèõ íàìíîãî âûøå, ÷åì ó íåæèâûõ îáúåêòîâ. Æèâûì ñèñòåìàì ñâîéñòâåíåí áîëåå âûñîêèé óðîâåíü àñèììåòðèè, îíè õàðàêòåðèçóþòñÿ âûñîêîé ñàìîóïîðÿäî÷åííîñòüþ â ïðîñòðàíñòâå è âðåìåíè. 3. Æèâûå îðãàíèçìû ñïîñîáíû ñîçäàâàòü ïîðÿäîê èç õàîñà óæå íà ìîëåêóëÿðíîì óðîâíå è òåì ñàìûì ïðîòèâîäåéñòâîâàòü ðîñòó ýíòðîïèè. Îíè èçâëåêàþò ñòðóêòóðèðîâàííóþ ïîëåçíóþ äëÿ îðãàíèçìà îòðèöàòåëüíóþ ýíòðîïèþ èç îêðóæàþùåé ñðåäû, îáåñïå÷èâàÿ òåðìîäèíàìè÷åñêóþ íåðàâíîâåñíîñòü ñâîèõ ñèñòåì. Ïðè ýòîì èçáûòîê ïîëîæèòåëüíîé, íåñòðóêòóðèðîâàííîé ýíòðîïèè «ñáðàñûâàåòñÿ» îáðàòíî â îêðóæàþùóþ ñðåäó. Æèâîìó ñâîéñòâåííà ýíåðãåòè÷åñêàÿ ýêîíîìè÷íîñòü è âûñîêàÿ ýôôåêòèâíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ ýíåðãèè. 4. Æèâîå ñïîñîáíî ðåàãèðîâàòü íà âíåøíèå ðàçäðàæèòåëè. Åìó ñâîéñòâåííû àêòèâíîñòü è äâèæåíèå âî âçàèìîäåéñòâèè ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé. 5. Æèâîìó ñâîéñòâåííû ñàìîîðãàíèçàöèÿ, ïîñòîÿííîå ðàçâèòèå, èçìåíåíèå è óñëîæíåíèå. Åñëè â ñàìîîðãàíèçàöèè íåæèâûõ ñòðóêòóð ìîëåêóëû ïðîñòû, à ìåõàíèçì ðåàêöèé ñëîæåí, òî â æèâûõ ñèñòåìàõ, íàîáîðîò, ìîëåêóëû î÷åíü ñëîæíû, à ìåõàíèçìû ïðîñòû. Â ìåòàáîëè÷åñêèõ ôóíêöèÿõ âàæíóþ ðîëü èãðàåò îáðàòíàÿ ñâÿçü (ïåòëè îáðàòíîé ñâÿçè), îáðàçóþùàÿñÿ ïðè àâòîêàòàëèòè÷åñêèõ ðåàêöèÿõ. Àâòîêàòàëèç, êðîññêàòàëèç è àâòîèíãèáèöèÿ õàðàêòåðíû òîëüêî æèâûì ñèñòåìàì. Äëÿ ñîçäàíèÿ è ðàçâèòèÿ íîâûõ ñòðóêòóð, íîâûõ îðãàíîâ íåîáõîäèìà ïîëîæèòåëüíàÿ îáðàòíàÿ ñâÿçü, ðàñøàòûâàþùàÿ ñèñòåìó, à äëÿ óñòîé÷èâîãî ñîñòîÿíèÿ — îòðèöàòåëüíàÿ îáðàòíàÿ ñâÿçü. Òàêèì îáðàçîì, æèâîé îðãàíèçì ñïîñîáåí íå òîëüêî ê ñàìîðåãóëÿöèè, íî è ê ñàìîñîõðàíåíèþ, óñòîé÷èâîñòè ñâîåãî ñóùåñòâîâàíèÿ. Ðåàêöèÿ æèâîãî îðãàíèçìà íà âîçäåéñòâèÿ ñðåäû íîñèò îïåðåæàþùèé õàðàêòåð.

210 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ 6. Æèâûå îðãàíèçìû ñïîñîáíû ðàçìíîæàòüñÿ, òî åñòü âîñïðîèçâîäèòü ñàìèõ ñåáÿ. Ýòî ñàìîâîñïðîèçâîäñòâî èäåò â èçáûòî÷íûõ êîëè÷åñòâàõ, ÷òî ñïîñîáñòâóåò åñòåñòâåííîìó îòáîðó. 7. Íàñëåäñòâåííîñòü æèâîãî îïðåäåëÿåòñÿ ãåíåòè÷åñêèì àïïàðàòîì, à èçìåí÷èâîñòü — óñëîâèÿìè îêðóæàþùåé ñðåäû è ðåàêöèåé íà íèõ îðãàíèçìîâ. Ó æèâûõ îðãàíèçìîâ åñòü ïðîøëîå. Íàñëåäñòâåííàÿ èíôîðìàöèÿ, çàëîæåííàÿ â ãåíàõ îðãàíèçìà, íåîáõîäèìà åìó äëÿ ñóùåñòâîâàíèÿ, ðàçâèòèÿ è ðàçìíîæåíèÿ. Îíà ïåðåäàåòñÿ ïî íàñëåäñòâó åãî ïîòîìêàì, îïðåäåëÿÿ íàïðàâëåíèå ðàçâèòèÿ îðãàíèçìà â îêðóæàþùåé ñðåäå. Îðãàíèçì ãèáêî ðåàãèðóåò íà èçìåíÿþùóþ âíåøíþþ ñðåäó, îòêëèêàåòñÿ íîâûìè ñâîéñòâàìè, êîòîðûå, ïåðåäàâàÿñü ïîòîìêàì, îáåñïå÷èâàþò ýâîëþöèþ èõ ðàçâèòèÿ. 8. Âûñøèì ôîðìàì æèâîé ìàòåðèè ñâîéñòâåí ðàçóì, ýòî ïîçâîëÿåò ìàòåðèè èçó÷àòü, àíàëèçèðîâàòü è ïîçíàâàòü ñàìîå ñåáÿ. Âñå ïåðå÷èñëåííûå ïðèçíàêè, ñâîéñòâåííûå æèâîìó, ìîãóò âñòðå÷àòüñÿ îòäåëüíûìè ôðàãìåíòàìè è â íåæèâîé ïðèðîäå. Íî âî âñåé ñâîåé ñîâîêóïíîñòè îíè ïðèñóùè òîëüêî æèâîìó, ÷òî è îòëè÷àåò æèâóþ ìàòåðèþ îò íåæèâîé.

Îïðåäåëåíèÿ æèçíè Êàê óæå óêàçûâàëîñü, æèçíü î÷åíü ñëîæíà, ìíîãîîáðàçíà, ìíîãîêîìïîíåíòíà è ìíîãîôóíêöèîíàëüíà. Îíà íå ìîæåò áûòü îïðåäåëåíà ïî êàêîìó-òî îäíîìó êðèòåðèþ, íàèáîëåå ñóùåñòâåííîìó ïðèçíàêó. Ïîýòîìó íà ñåãîäíÿøíèé äåíü íàóêà íå èìååò äîñòàòî÷íî ÷åòêîãî îïðåäåëåíèÿ æèçíè. Ðàçíîïëàíîâîñòü ïîíèìàíèÿ æèçíè îáúÿñíÿåòñÿ ìíîãîãðàííîñòüþ ïîäõîäîâ ó÷åíûõ ê åå îïðåäåëåíèþ. Ñàìà èäåÿ æèçíè, ñîâîêóïíîñòü åå ñóùåñòâåííûõ ñâîéñòâ, åå ñóùíîñòü âèòàåò â óìàõ ó÷åíûõ âîò óæå ìíîãèå òûñÿ÷åëåòèÿ. È òîëüêî â ïîñëåäíèå ñòî ëåò ñòàëà ñêëàäûâàòüñÿ îïðåäåëåííàÿ ïàðàäèãìà, â äèàïàçîíå êîòîðîé óñèëåííî âåäóòñÿ ïîèñêè îáùåé òåîðèè æèçíè è åå ñóùíîñòè. Ðàññìîòðèì íåêîòîðûå îïðåäåëåíèÿ æèçíè, äàííûå ïðîñëàâëåííûìè ó÷åíûìè è ìûñëèòåëÿìè XIX–XX ââ. Òàê, ñ òî÷êè çðåíèÿ ìàòåðèàëèñòè÷åñêîé ôèëîñîôèè Ô. Ýíãåëüñ (1820–1895) äàåò ñëåäóþùåå îïðåäåëåíèå æèçíè êàê îñîáîé ôîðìû äâèæåíèÿ ìàòåðèè: «Æèçíü — ýòî ñïîñîá ñóùåñòâîâàíèÿ áåëêîâûõ òåë, ñóùåñòâåííûì ìîìåíòîì êîòîðîãî ÿâëÿåòñÿ ïîñòîÿííûé îáìåí

8.5. Ïðåäñòàâëåíèå î æèçíè â ñîâðåìåííîì åñòåñòâîçíàíèè

211

âåùåñòâ ñ îêðóæàþùåé èõ âíåøíåé ïðèðîäîé, ïðè÷åì ñ ïðåêðàùåíèåì ýòîãî îáìåíà âåùåñòâ ïðåêðàùàåòñÿ è æèçíü, ÷òî ïðèâîäèò ê ðàçëîæåíèþ áåëêà». Èñõîäÿ èç ýòîãî îïðåäåëåíèÿ, ìîæíî ñêàçàòü, ÷òî îñíîâà æèçíè åñòü îáìåí âåùåñòâ. Ýòî âàæíûé, íî íå åäèíñòâåííûé êðèòåðèé. Ñîâåòñêèé áèîôèçèê Ì. Âîëüêåíøòåéí (1912–1992) äàåò îïðåäåëåíèå æèçíè ñ òî÷êè çðåíèÿ ñèñòåìíî-ñèíåðãåòè÷åñêîãî ïîäõîäà: «Æèçíü — ýòî ôîðìà ñóùåñòâîâàíèÿ ìàêðîñêîïè÷åñêèõ ãåòåðîãåííûõ îòêðûòûõ ñèñòåì, äàëåêèõ îò ðàâíîâåñèÿ, ñïîñîáíûõ ê ñàìîîðãàíèçàöèè, ñàìîðåãóëÿöèè è ñàìîâîñïðîèçâåäåíèþ». Ýòî îïðåäåëåíèå ÿâëÿåòñÿ áîëåå ïîëíûì, íåæåëè îïðåäåëåíèå Ô. Ýíãåëüñà, ïîñêîëüêó îòðàæàåò ïðèíöèïèàëüíîå îòëè÷èå æèâîé ìàòåðèè îò íåæèâîé. Àâòîð íàèáîëåå ïîïóëÿðíîé ãèïîòåçû î ïðîèñõîæäåíèè æèçíè íà Çåìëå ñîâåòñêèé áèîõèìèê À. Îïàðèí (1894–1980) äàåò ñâîå îïðåäåëåíèå æèçíè: «Æèçíü — ýòî íåïðåðûâíûé ïðîöåññ âíóòðåííåãî äâèæåíèÿ, ñèíòåçà è ðàñïàäà, îáìåíà ýíåðãèåé ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé, íàïðàâëåííûé íà ñàìîñîõðàíåíèå è ñàìîâîñïðîèçâåäåíèå â ïåðåäà÷å óñòîé÷èâûõ ïðèçíàêîâ â ìåíÿþùèõñÿ óñëîâèÿõ âíåøíåé ñðåäû». Àâñòðèéñêèé ôèçèê Ý. Øðåäèíãåð (1887–1961) äàåò îïðåäåëåíèå æèçíè ñ òî÷êè çðåíèÿ ñâîåé íàóêè: «Æèçíü — ýòî óïîðÿäî÷åííîå è çàêîíîìåðíîå ïîâåäåíèå ìàòåðèè, îñíîâàííîå íå òîëüêî íà îäíîé òåíäåíöèè ïåðåõîäèòü îò óïîðÿäî÷åííîñòè ê íåóïîðÿäî÷åííîñòè, íî è ÷àñòè÷íî íà ñóùåñòâîâàíèè óïîðÿäî÷åííîñòè, êîòîðàÿ ïîääåðæèâàåòñÿ âñå âðåìÿ». Ðóññêèé ìàòåìàòèê À. Ëÿïóíîâ (1857–1918), ðàññìàòðèâàþùèé æèçíü ñ òî÷êè çðåíèÿ èíôîðìàöèè, ïèñàë: «Æèçíü — ýòî âûñîêîóïîðÿäî÷åííîå ñîñòîÿíèå âåùåñòâà, èñïîëüçóþùåå äëÿ âûðàáîòêè ñîõðàíÿþùèõñÿ ðåàêöèé èíôîðìàöèþ, êîäèðóåìóþ ñîñòîÿíèÿìè îòäåëüíûõ ìîëåêóë». Àâñòðèéñêèé ôèçèê Ë. Áîëüöìàí (1844–1906) ñäåëàë ïåðâóþ ïîïûòêó äàòü îïðåäåëåíèå æèçíè ñ ôèçè÷åñêèõ ïîçèöèé. Îí ïèñàë, ÷òî «âñåîáùàÿ áîðüáà çà ñóùåñòâîâàíèå — ýòî áîðüáà çà îòðèöàòåëüíóþ ýíòðîïèþ, ñòàíîâÿùóþñÿ äîñòóïíîé ïðè ïåðåõîäå îò ïûëàþùåãî Ñîëíöà ê õîëîäíîé Çåìëå». Ðóññêèé ãåîõèìèê Â. Âåðíàäñêèé (1863–1945) îòìåòèë îêîëî äâàäöàòè ðàçëè÷èé ìåæäó æèâûì è íåæèâûì. Îñíîâûâàÿñü íà íèõ, îí äàë ñëåäóþùåå îáîáùåíèå: «Æèçíü åñòü êîñìè÷åñêîå ÿâëåíèå, â ÷åì-òî ðåçêî îòëè÷íîå îò êîñíîé ìàòåðèè».


8.6. Ñòðóêòóðíûå óðîâíè îðãàíèçàöèè æèâîé ìàòåðèè Áèîëîãè÷åñêèé óðîâåíü îðãàíèçàöèè ìàòåðèè ïðåäñòàâëåí æèâîé ïðèðîäîé âî âñåì åå ìíîãîîáðàçèè. Èçó÷åíèåì æèâîé ïðèðîäû çàíèìàåòñÿ áèîëîãèÿ. Ñïåöèôèêîé îáúåêòà ýòîé íàóêè î æèçíè êàê îïðåäåëÿþùåé ìíîãèå îñîáåííîñòè áèîëîãè÷åñêîãî ïîçíàíèÿ, åãî ñòðàòåãèþ, ïðîöåññû äèôôåðåíöèàöèè è èíòåãðàöèè ÿâëÿåòñÿ ïîïûòêà îáùåãî ïîíèìàíèÿ «êîíå÷íîé öåëè» — ñóùíîñòè æèçíè è ïóòåé åå äîñòèæåíèÿ. Êðîìå íåîáû÷àéíîãî ðàçíîîáðàçèÿ áèîëîãè÷åñêîå ïîçíàíèå ñòàëêèâàåòñÿ ñ óäèâèòåëüíîé ñëîæíîñòüþ âíåøíåãî è âíóòðåííåãî ñòðîåíèÿ æèâûõ ôîðì ìàòåðèè. Âìåñòå ñ òåì íàñåëÿþùèå Çåìëþ æèâûå îðãàíèçìû íå ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé íåîðãàíèçîâàííóþ, õàîòè÷åñêóþ ñèñòåìó, íå èìåþùóþ âïîëíå îïðåäåëåííûõ, çàêîíîìåðíûõ ñâÿçåé è âçàèìîçàâèñèìîñòåé ìåæäó ñîñòàâëÿþùèìè åå îòäåëüíûìè êîìïîíåíòàìè è èõ ãðóïïàìè. Íàïðîòèâ, òàêèå ñâÿçè è âçàèìîçàâèñèìîñòè â æèâîé ïðèðîäå âñòðå÷àþòñÿ ïîâñåìåñòíî è äàâíî çàôèêñèðîâàíû íàóêîé. Æèâûå îðãàíèçìû ãðóïïèðóþòñÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ îñîáåííîñòÿìè ñâîåãî âíóòðåííåãî è âíåøíåãî ñòðîåíèÿ, à òàêæå ïî äðóãèì ïðèçíàêàì è ñâîéñòâàì â ðÿä ñèñòåìàòè÷åñêèõ åäèíèö, èìåþùèõ îáùåå ïðîèñõîæäåíèå. Âñå áåç èñêëþ÷åíèÿ æèâûå îðãàíèçìû íà Çåìëå îáëàäàþò ìíîæåñòâîì ñïåöèôè÷åñêèõ ïðèçíàêîâ, îòëè÷àþùèõ èõ îò íåæèâîé ìàòåðèè. È ýòî íå òîëüêî ìîðôîëîãè÷åñêèå âíåøíèå ïðèçíàêè, íî è âñå òî, ÷òî õàðàêòåðèçóåò æèçíü êàê òàêîâóþ, íåçàâèñèìî îò êîíêðåòíûõ ôîðì åå ñóùåñòâîâàíèÿ. Ýòî âûðàæàåòñÿ â îñîáîì òèïå ñòðóêòóðíîé îðãàíèçîâàííîñòè ñòðîåíèÿ è ôóíêöèé æèâîé ìàòåðèè, ïîä÷èíåííîé æåñòêîé èåðàðõèè, íà÷èíàÿ ñ åå ìîëåêóëÿðíî-ãåíåòè÷åñêîãî óðîâíÿ è êîí÷àÿ áèîñôåðîé â öåëîì.

Îñíîâíûå îñîáåííîñòè æèâûõ ñèñòåì Æèçíü íà Çåìëå ÷ðåçâû÷àéíî ðàçíîîáðàçíà. Ñ íà÷àëà ïîÿâëåíèÿ æèçíè íà Çåìëå, òî åñòü ñ òå÷åíèåì áèîëîãè÷åñêîãî âðåìåíè (3,5–3,7 ìëðä ëåò) ýâîëþöèÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ íàñ÷èòûâàåò îãðîìíîå êîëè÷åñòâî âèäîâ. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ, ïî ðàçíûì îöåíêàì, íà Çåìëå ñóùåñòâóåò îêîëî 500 òûñ. âèäîâ ðàñòåíèé, èç êîòîðûõ 300 òûñ. âûñøèõ. Öàðñòâî æèâîòíîãî ìèðà áîëåå ðàçíîîáðàçíî, ÷åì öàðñòâî ðàñòåíèé. Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü îïèñàíî îêîëî 1,5 ìëí âèäîâ ïðåäñòàâèòåëåé æèâîòíîãî ìèðà, íî î÷åâèäíî, ÷òî ýòî äàëåêî íå èñ÷åðïûâàþùèå ñâåäåíèÿ.

8.6. Ñòðóêòóðíûå óðîâíè îðãàíèçàöèè æèâîé ìàòåðèè

213

Âñå ðàçíîîáðàçèå âèäîâ íà Çåìëå êëàññèôèöèðóþò ñîãëàñíî êàòåãîðèÿì ñèñòåìàòèêè: öàðñòâî–òèï–ïîäòèï–êëàññ–îòðÿä–ñåìåéñòâî– ðîä–âèä–ïîäâèä–ðàçíîâèäíîñòü. Íàèáîëåå øèðîêàÿ è îáùàÿ òàêñîíîìè÷åñêàÿ åäèíèöà — ýòî öàðñòâî. Ñîâðåìåííàÿ áèîëîãèÿ âûäåëÿåò ïÿòü öàðñòâ. Ýòî ïðîêàðèîòû, ïðîñòåéøèå, ãðèáû, ðàñòåíèÿ, æèâîòíûå. Âñå ýòè òàêñîíîìè÷åñêèå åäèíèöû ÿâëÿþòñÿ ðåçóëüòàòîì èñòîðè÷åñêîãî ïðîöåññà â ìèðå æèâîé ìàòåðèè, åãî ýâîëþöèè (òàáë. 8.1). Òàáëèöà 8.1

Îáçîð öàðñòâ îðãàíèçìîâ è íåêîòîðûõ âàæíûõ ïîäãðóïï (ïî Ç. Áðåìó è È. Ìåéíêå, 1999) Öàðñòâî

Îïèñàíèå îðãàíèçìîâ

Ïðåäñòàâèòåëè

Ïðîêàðèîòû Î÷åíü ìàëåíüêèå îäíîêëåòî÷íûå (Prokariota) îðãàíèçìû: êëåòêè íå èìåþò ÿäðà; ðÿä èç íèõ îáðàçóþò êîëîíèè; ðàçìíîæåíèå áåñïîëîå, äåëåíèåì. Îáìåí ÄÍÊ âîçìîæåí ïóòåì êîíúþãàöèè, òðàíñôîðìàöèè è òðàíñäóêöèè

Àðõåáàêòåðèè (Archaebacteria), öèàíîáàêòåðèè (Cyanobacteria), èñòèííûå áàêòåðèè (Eubacteria)

Ïðîñòåéøèå Îäíîêëåòî÷íûå îðãàíèçìû; êëåòêè (Protista) èìåþò âèä ýóöèòîâ (ñ ÿäðîì); ðÿä èç íèõ îáðàçóþò êîëîíèè; ðàçìíîæåíèå áåñïîëîå (äåëåíèåì) èëè ïîëîâîå; êîíúþãàöèÿ; àíèçî- èëè îîãàìèÿ

Ýâãëåíîâûå (Euglenophyceae), æãóòèêîâûå (Flagellata), êðåìíåçåìíûå âîäîðîñëè (Diatomophyceae), ñïîðîâèêè (Sporozoa), êîðíåíîæêè (Rhizopoda), ðåñíèò÷àòûå (Ciliata)

Ãðèáû Îäíî- èëè ìíîãîêëåòî÷íûå îðãà(Mycobionta) íèçìû; êëåòêè èìåþò âèä ýóöèòîâ (ñ ÿäðàìè). Ìíîãîÿäåðíûå ñêîïëåíèÿ ïëàçìû íå ðàçäåëåíû íà êëåòêè èëè öåïî÷êè êëåòîê (ãèôû), îáðàçóþò ñïëåòåíèÿ (ìèöåëèé). Ðåäêî — îäèíî÷íûå êëåòêè. Ãåòåðîòðîôíû

Ñëèçíåâûå ãðèáû (Myxomycota), èñòèííûå ãðèáû (Eumycota), ôèêîìèöåòû (Oomycota)

Ðàñòåíèÿ (Plantae)

Âîäîðîñëè (Phycophyta), ïàïîðîòíèêîâèäíûå (Pteridophyta), ìîõîâèäíûå (Bryophyta), ñåìåííûå ðàñòåíèÿ (Spermatophyta)

×àùå âñåãî ìíîãîêëåòî÷íûå îðãàíèçìû; êëåòêè èìåþò âèä ýóöèòîâ. Àâòîòðîôíû áëàãîäàðÿ ôîòîñèíòåçó, âàæíåéøèå ôîòîñèíòåòè÷åñêèå ïèãìåíòû — õëîðîôèëë a è b. Ñïîñîáíîñòü ê ñâîáîäíîé ïåðåìåíå ìåñò îòñóòñòâóåò. Ìíîãîêëåòî÷íûå ôîðìû ïî óðîâíþ îðãàíèçàöèè äåëÿòñÿ

214 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ Òàáëèöà 8.1 (ïðîäîëæåíèå) Öàðñòâî

Îïèñàíèå îðãàíèçìîâ

Ïðåäñòàâèòåëè

íà òàëëîôèòû (ïëàñòîâûå ðàñòåíèÿ) áåç äèôôåðåíöèàöèè òêàíåé èëè ïî÷òè áåç íåå è êîðìîôèòû (ðàñòåíèÿ ñ ïîáåãàìè), êîòîðûå îáëàäàþò âûñîêîé ñòåïåíüþ äèôôåðåíöèàöèè òêàíåé è ñïîñîáíîñòüþ ê îáðàçîâàíèþ îðãàíîâ; ðàçäåëåíû íà êîðåíü è ïîáåã. Ðàçìíîæåíèå ïîëîâîå ñî ñìåíîé ïîêîëåíèé è âîçðàñòàþùåé ðåäóêöèåé ãàìåòîôèòà ó ýâîëþöèîííî áîëåå ìîëîäûõ ôîðì Æèâîòíûå (Animalia)

Ìíîãîêëåòî÷íûå îðãàíèçìû; êëåòêè — ýóöèòû. Ãåòåðîìîðôíû (÷àùå áîëåå íèçêî îðãàíèçîâàííûå æèâîòíûå). Îáëàäàþò ñâîáîäîé ïåðåìåíû ìåñò

Ãóáêè (Porifera), ìîëëþñêè (Mollusca), êèøå÷íîïîëîñòíûå (Coelentanata), êîëü÷àòûå ÷åðâè (Annelida), ãðåáíåâèêè (Ctenophora), ÷ëåíèñòîíîãèå (Arthropoda), ïëîñêèå ÷åðâè (Plathelminthes), èãëîêîæèå (Echinodermata), êðóãëûå ÷åðâè (Aschelmintes), õîðäîâûå (Chordata)

Æèçíü åñòü êà÷åñòâåííî íîâàÿ ôîðìà îðãàíèçàöèè ìàòåðèè, îñíîâíîå ñâîéñòâî êîòîðîé ñîñòîèò â ñïîñîáíîñòè óñâàèâàòü ýíåðãèþ Ñîëíöà çà ñ÷åò ïðîöåññà ôîòîñèíòåçà è âîñïðîèçâîäèòü èç íåæèâîãî æèâîå. Ñîâðåìåííàÿ áèîëîãè÷åñêàÿ êàðòèíà ìèðà îñíîâûâàåòñÿ íà òîì, ÷òî ìèð æèâîãî — ýòî êîëîññàëüíàÿ ñèñòåìà âûñîêîîðãàíèçîâàííûõ ñèñòåì. Ñïåöèôèêà æèçíåííûõ ïðîöåññîâ òåñíî ñâÿçàíà ñ îñîáûì òèïîì èõ ñóáñòðàòà — ÷ðåçâû÷àéíî ñëîæíûìè îðãàíè÷åñêèìè ñîåäèíåíèÿìè: áåëêàìè è íóêëåèíîâûìè êèñëîòàìè. Ëþáîé æèâîé îðãàíèçì ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îòêðûòóþ îðãàíè÷åñêè öåëîñòíóþ ñèñòåìó, â êîòîðîé ïðîèñõîäÿò ñëîæíûå âçàèìîäåéñòâèÿ è èìåþò ìåñòî âçàèìîçàâèñèìîñòè îòäåëüíûõ ñòðóêòóðíûõ è ôóíêöèîíàëüíûõ êîìïîíåíòîâ. Ïîñëåäíèå îïðåäåëÿþò àâòîíîìíûé è ñàìîïðîèçâîäíûé õàðàêòåð ìîðôîãåíåòè÷åñêèõ ïðîöåññîâ æèâûõ ñèñòåì è èõ ñïîñîáíîñòü ê ñàìîîðãàíèçàöèè. Ýòî îáåñïå÷èâàåò ñàìîñîõðàíåíèå æèâûõ ñèñòåì, èõ


215

àäàïòàöèþ ê âíåøíåé ñðåäå. Âçàèìîäåéñòâèå ñ âíåøíåé ñðåäîé îñóùåñòâëÿåòñÿ ÷åðåç îáìåííûå ïðîöåññû, â õîäå êîòîðûõ ïðîèñõîäèò ñëîæíûé ñèíòåç è äåñòðóêöèÿ ïîñòóïàþùèõ â îðãàíèçì âåùåñòâ. Ìîëåêóëÿðíàÿ áèîëîãèÿ íàøåãî âðåìåíè âûÿâèëà ïîðàçèòåëüíîå åäèíñòâî æèâîé ìàòåðèè íà âñåõ óðîâíÿõ åå ðàçâèòèÿ — îò ïðîñòåéøèõ ìèêðîîðãàíèçìîâ äî ÷åëîâåêà. Ýòî åäèíñòâî ïðåäñòàâëåíî äâóìÿ îñíîâíûìè êëàññàìè ìîëåêóë — íóêëåèíîâûìè êèñëîòàìè è áåëêàìè. Èìåííî èõ âçàèìîäåéñòâèå è ñîñòàâëÿåò îñíîâó æèçíè. Ïî÷òè âñå æèâûå îðãàíèçìû ñîñòîÿò èç êëåòîê (êðîìå âèðóñîâ è ôàãîâ). Ïî ýòîìó ïðèçíàêó îðãàíèçìû äåëÿòñÿ íà äîêëåòî÷íûå è êëåòî÷íûå. Äîêëåòî÷íûå ôîðìû æèçíè — âèðóñû — çàíèìàþò ïðîìåæóòî÷íîå ïîëîæåíèå ìåæäó æèâûì è íåæèâûì. Îíè ñî÷åòàþò â ñåáå ñâîéñòâà è æèâîãî, è íåæèâîãî. Âèðóñû ñóùåñòâóþò â äâóõ ôîðìàõ — â ôîðìå âàðèîíà (ïîêîÿùèéñÿ, âíåêëåòî÷íûé âèðóñ, êîòîðûé â «ñïÿ÷êå» âåäåò ñåáÿ êàê íåæèâîå âåùåñòâî) è â ôîðìå ðåïðîäóöèðóþùåãîñÿ âíóòðèêëåòî÷íîãî âèðóñà, êîòîðûé âåäåò ñåáÿ êàê æèâîå âåùåñòâî. Âèðóñû áûëè îòêðûòû â 1982 ã. ðóññêèì ìèêðîáèîëîãîì Ä. È. Èâàíîâñêèì. Âèðóñû ñîñòîÿò èç áåëêîâûõ ìîëåêóë è íóêëåèíîâûõ êèñëîò è íå èìåþò ñîáñòâåííîãî îáìåíà âåùåñòâ. Îíè ñóùåñòâåííî îòëè÷àþòñÿ îò îñòàëüíûõ ôîðì æèçíè. Èíîãäà èõ äàæå âûäåëÿþò â îòäåëüíîå öàðñòâî æèâûõ îðãàíèçìîâ — Vira. Âñå êëåòî÷íûå æèâûå îðãàíèçìû äåëÿòñÿ íà îäíîêëåòî÷íûå è ìíîãîêëåòî÷íûå. Îäíîêëåòî÷íûå îðãàíèçìû (áàêòåðèè, ïðîñòåéøèå, íåêîòîðûå âîäîðîñëè è ãðèáû) ñîñòîÿò ëèøü èç îäíîé êëåòêè. Îäíîêëåòî÷íûå â ñâîþ î÷åðåäü äåëÿòñÿ íà ïðîêàðèîòîâ (êëåòêà êîòîðûõ ëèøåíà ÿäðà) è ýóêàðèîòîâ (êëåòêà êîòîðûõ èìååò ÿäðî). Ìíîãîêëåòî÷íûå îðãàíèçìû ñîñòîÿò èç ìíîæåñòâà êëåòîê. Òàê, íàïðèìåð, îðãàíèçì ÷åëîâåêà ñîñòîèò èç 1014 êëåòîê. Êëåòêè ìíîãîêëåòî÷íîãî îðãàíèçìà âûïîëíÿþò ðàçëè÷íûå ôóíêöèè — êàê ñïåöèàëèçèðîâàííûå, òàê è îáùåêëåòî÷íûå. Ìíîãîêëåòî÷íûé æèâîé îðãàíèçì îáëàäàåò ôóíêöèÿìè è ñâîéñòâàìè, êîòîðûå íå ñâîäÿòñÿ ê ôóíêöèÿì îòäåëüíûõ êëåòîê è äàæå èõ ñóììû. Ñîâðåìåííàÿ íàóêà î êëåòêå — öèòîëîãèÿ — ïðåäñòàâëÿåò êëåòêó êàê ÷ðåçâû÷àéíî ñëîæíîîðãàíèçîâàííóþ áèîëîãè÷åñêóþ ñèñòåìó. Êëåòêà ñîñòîèò èç îáîëî÷êè (ìåìáðàíû), íàïîëíåííîé ïðîòîïëàçìîé. Â ïðîòîïëàçìå íàõîäÿòñÿ îðãàíîèäû, âûïîëíÿþùèå îïðåäåëåííûå ñïåöèàëèçèðîâàííûå ôóíêöèè (îáìåí âåùåñòâ, äûõàíèå, ñèíòåç áåëêà è ò. ä.), è ÿäðî (èëè íóêëåîòèä) ñ ãåíåòè÷åñêèì àïïàðàòîì.

216 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ Ýëåìåíòû è êîìïîíåíòû áèîëîãè÷åñêèõ ñèñòåì âûðàæàþò äèñêðåòíóþ ñîñòàâëÿþùóþ æèâîãî. Æèâûå îáúåêòû â îáùåé ñèñòåìå æèâûõ îðãàíèçìîâ â ïðèðîäå îòíîñèòåëüíî îáîñîáëåíû îäèí îò äðóãîãî (îñîáè, ïîïóëÿöèè, âèäû). Êàæäàÿ îñîáü îäíîêëåòî÷íîãî èëè ìíîãîêëåòî÷íîãî îðãàíèçìà ñîñòîèò èç êëåòîê. Êëåòêà ñîñòîèò èç îðãàíåëë. Îðãàíåëëû â ñâîþ î÷åðåäü ïðåäñòàâëåíû îòäåëüíûìè âûñîêîìîëåêóëÿðíûìè îðãàíè÷åñêèìè âåùåñòâàìè. Âñëåäñòâèå òàêîé ÷ðåçâû÷àéíîé ñëîæíîñòè æèâûõ ñèñòåì â ïðèðîäå íå ìîæåò áûòü äâóõ îäèíàêîâûõ îñîáåé, ïîïóëÿöèé èëè âèäîâ, õîòÿ â öåëîì îíè ìîãóò áûòü î÷åíü áëèçêèìè. Áèîëîãè÷åñêèå ñèñòåìû îòëè÷àþòñÿ âûñîêèì óðîâíåì öåëîñòíîñòè, îñíîâàííîé íà ñòðóêòóðàõ è òèïàõ ñâÿçåé ìåæäó åå ýëåìåíòàìè. Ýòî îòêðûòûå ñèñòåìû, êîòîðûì ñâîéñòâåí îáìåí âåùåñòâîì è ýíåðãèåé ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé. Â ïðîöåññå îðãàíè÷åñêîé ýâîëþöèè áèîëîãè÷åñêèì ñèñòåìàì ñâîéñòâåííû óñëîæíåíèå, ñíèæåíèå ýíòðîïèè è ðîñò ñàìîîðãàíèçàöèè. Õàðàêòåðíûìè îñîáåííîñòÿìè æèâûõ ñèñòåì êðîìå îáìåíà âåùåñòâîì è ýíåðãèåé ÿâëÿþòñÿ ñàìîðåãóëÿöèÿ, ðàçäðàæèìîñòü, ñèíòåç îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ, ðîñò, ðàçìíîæåíèå, àäàïòàöèÿ ê îêðóæàþùåé ñðåäå è ïåðåäà÷à íàñëåäñòâåííûõ ïðèçíàêîâ. Â æèâûõ ñèñòåìàõ ñàìîðåãóëÿöèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ íà óðîâíå èíòåíñèâíîãî îáìåíà âåùåñòâîì, ýíåðãèåé è èíôîðìàöèåé ñ îêðóæàþùåé ïðèðîäíîé ñðåäîé. Ôóíäàìåíòàëüíûì ñâîéñòâîì æèâîãî ÿâëÿåòñÿ îïåðåæàþùåå âîçáóæäåíèå, êîòîðîå ëåæèò â îñíîâå ôîðìèðîâàíèÿ àäàïòèâíûõ ïðèçíàêîâ. Âñëåäñòâèå ýòîãî ìíîãèå äåéñòâèÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ èìåþò îïåðåæàþùèé õàðàêòåð ïî îòíîøåíèþ ê îêðóæàþùåé ïðèðîäíîé ñðåäå. Ýòî òàê íàçûâàåìîå îïåðåæàþùåå îòðàæåíèå. Æèâîå çàðàíåå ãîòîâèòñÿ, íàïðèìåð, ê ñìåíå âðåìåí ãîäà. Òàê, ðûáà ñðåäíèõ øèðîò óæå ñ îñåíè íàêàïëèâàåò æèð, ãîòîâÿñü ê çèìå; äåðåâüÿ çàäîëãî ñáðàñûâàþò ëèñòâó, ìíîãîëåòíèå ðàñòåíèÿ äëÿ ëó÷øåé ïåðåçèìîâêè íàêàïëèâàþò â êëåòêàõ óãëåâîäû. Ïðîÿâëåíèå îïåðåæåíèÿ ìîæåò áûòü íå òîëüêî íà áèîõèìè÷åñêîì óðîâíå, íî è íà ñîöèàëüíîì, ÷òî âûðàæàåòñÿ â ðàçëè÷íîãî ðîäà ïëàíèðîâàíèÿõ. Óíèêàëüíîé îñîáåííîñòüþ æèâîãî ÿâëÿåòñÿ åãî ñàìîâîñïðîèçâåäåíèå, êîòîðîå îñóùåñòâëÿåòñÿ íà îñíîâå ìàòðè÷íîãî ïðèíöèïà ñèíòåçà ìàêðîìîëåêóë. ÄÍÊ, õðîìîñîìû è ãåíû êàê ãëàâíûå óïðàâëÿþùèå ñèñòåìû æèâûõ îðãàíèçìîâ îáëàäàþò âûñîêîé ñòàáèëüíîñòüþ ê èäåíòè÷íîìó ñàìîâîñïðîèçâåäåíèþ, ÷òî îáåñïå÷èâàåò ïåðåäà÷ó íàñëåäñòâåííûõ ïðèçíàêîâ ðÿäó ïîêîëåíèé. Â èçìåíÿþùèõñÿ óñëîâèÿõ ñðåäû äîñòàòî÷íî ñòàáèëüíîå ãåííîå óïðàâëåíèå ïðåòåðïåâàåò íåêîòîðûå


217

ñòðóêòóðíûå èçìåíåíèÿ. Ýòè èçìåíåíèÿ, ìóòàöèè â âûæèâøåì è èçìåíèâøåìñÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ óñëîâèÿìè ñðåäû îðãàíèçìå ïåðåäàþòñÿ ïî íàñëåäñòâó ïî ìàòðè÷íîìó ïðèíöèïó. Ýòî ïðèâîäèò ê ðàçíîîáðàçèþ æèâîé ìàòåðèè. Êîíöåïöèÿ ñèñòåìíî-ñòðóêòóðíûõ óðîâíåé îðãàíèçàöèè æèâîé ìàòåðèè ïîçâîëÿåò íå òîëüêî ïðåäñòàâèòü ìíîãîîáðàçèå æèâûõ îðãàíèçìîâ ïî óðîâíÿì èõ ñëîæíîñòè è ñïåöèôèêè ôóíêöèîíèðîâàíèÿ, íî è ðàñïîëîæèòü èõ â èåðàðõè÷åñêîì ïîðÿäêå, ãäå êàæäûé ïðåäûäóùèé óðîâåíü âõîäèò â ïîñëåäóþùèé, îáðàçóÿ åäèíîå öåëîå æèâîé ñèñòåìû. Êðèòåðèåì âûäåëåíèÿ òåõ èëè èíûõ óðîâíåé ÿâëÿþòñÿ ñïåöèôè÷íûå äèñêðåòíûå ñòðóêòóðû, à òàêæå ôóíäàìåíòàëüíûå áèîëîãè÷åñêèå âçàèìîäåéñòâèÿ. Ñóùåñòâóþò ðàçëè÷íûå ãðàäàöèè ñòðóêòóðíûõ óðîâíåé îðãàíèçàöèè æèâîé ìàòåðèè, êîòîðûå äîâîëüíî ìíîãî÷èñëåííû. Ñðåäè íèõ: ñàìîîðãàíèçóþùèåñÿ êîìïëåêñû, áèîìàêðîìîëåêóëû, êëåòêè, ìíîãîêëåòî÷íûå îðãàíèçìû. Èìåþò ìåñòî è òàêèå êëàññèôèêàöèè: 1) ìîëåêóëÿðíî-ãåíåòè÷åñêèé, êëåòî÷íûé, îðãàíèçìåííûé, ïîïóëÿöèîííî-âèäîâîé, áèîãåîöåíîçíûé; 2) ìîëåêóëÿðíûé, êëåòî÷íûé, òêàíåâûé, îðãàííûé, îðãàíèçìåííûé (îíòîãåíåòè÷åñêèé), ïîïóëÿöèîííî-âèäîâîé, áèîãåîöåíîòè÷åñêèé, áèîñôåðíûé. Îïðåäåëåíû è íåêîòîðûå äðóãèå óðîâíè îðãàíèçàöèè æèâîé ìàòåðèè. Îäíàêî êëàññè÷åñêèìè óðîâíÿìè â ñîâðåìåííîé áèîëîãèè ÿâëÿþòñÿ ñëåäóþùèå: ìîëåêóëÿðíî-ãåíåòè÷åñêèé, êëåòî÷íûé, îíòîãåíåòè÷åñêèé, ïîïóëÿöèîííî-âèäîâîé, áèîãåîöåíîòè÷åñêèé (áèîñôåðíûé).

Ìîëåêóëÿðíî-ãåíåòè÷åñêèé óðîâåíü áèîëîãè÷åñêèõ ñòðóêòóð Ìîëåêóëÿðíî-ãåíåòè÷åñêèé óðîâåíü ÿâëÿåòñÿ òåì óðîâíåì îðãàíèçàöèè æèâîé ìàòåðèè, íà êîòîðîì ñîâåðøàëñÿ ïåðåõîä îò àòîìíî-ìîëåêóëÿðíîãî óðîâíÿ íåæèâîé ìàòåðèè ê ìàêðîìîëåêóëàì æèâîé. Çíàíèå ýòîãî óðîâíÿ îðãàíèçàöèè æèâîãî íåîáõîäèìî äëÿ ïîíèìàíèÿ æèçíåííûõ ÿâëåíèé, ïðîèñõîäÿùèõ íà âñåõ äðóãèõ óðîâíÿõ îðãàíèçàöèè æèçíè. Ýòî óðîâåíü ôóíêöèîíèðîâàíèÿ áèîïîëèìåðîâ, òàêèõ êàê áåëêè, íóêëåèíîâûå êèñëîòû, ïîëèñàõàðèäû è äðóãèå âàæíåéøèå îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, ïîëîæèâøèå íà÷àëî îñíîâíûì ïðîöåññàì æèçíåäåÿòåëüíîñòè. Íà ýòîì óðîâíå îðãàíèçàöèè æèâîé ìàòåðèè ýëåìåíòàðíûìè ñòðóêòóðíûìè åäèíèöàìè ÿâëÿþòñÿ ãåíû. Âñÿ íàñëåäñòâåííàÿ èíôîðìàöèÿ ó æèâûõ îðãàíèçìîâ çàëîæåíà â ìîëåêóëàõ ÄÍÊ (äåçîêñèðèáîíóêëåèíîâûå êèñëîòû). Ðåàëèçàöèÿ ýòîé èíôîðìàöèè ñâÿçàíà

218 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ ñ ó÷àñòèåì ìîëåêóë ÐÍÊ (ðèáîíóêëåèíîâûå êèñëîòû). Ñ ìîëåêóëÿðíûìè ñòðóêòóðàìè ñâÿçàíû õðàíåíèå, èçìåíåíèå è ðåàëèçàöèÿ íàñëåäñòâåííîé èíôîðìàöèè, òî åñòü ïåðåäà÷à åå èç ïîêîëåíèÿ â ïîêîëåíèå. Ïîýòîìó ýòîò óðîâåíü è íàçûâàþò ìîëåêóëÿðíî-ãåíåòè÷åñêèì. ÐÍÊ è ÄÍÊ áûëè âûäåëåíû èç ÿäåð êëåòîê è ïîýòîìó ïîëó÷èëè íàçâàíèå íóêëåèíîâûõ, òî åñòü ÿäåðíûõ, êèñëîò. Â ýòèõ êèñëîòàõ èìåþòñÿ óãëåâîäíûå êîìïîíåíòû: Ä-äåçîêñèðèáîçà â ÄÍÊ è Ä-ðèáîçà â ÐÍÊ, îòñþäà è íàçâàíèå ýòèõ íóêëåèíîâûõ êèñëîò. Ðîëü íóêëåèíîâûõ êèñëîò â õðàíåíèè è ïåðåäà÷å íàñëåäñòâåííîñòè, à òàêæå ó÷àñòèå èõ â ñèíòåçå áåëêà è îáìåíå âåùåñòâ áûëè îêîí÷àòåëüíî âûÿñíåíû ëèøü â ñåðåäèíå XX ñòîëåòèÿ. Â 1953 ã. àìåðèêàíñêèìè ó÷åíûìè Ä. Óîòñîíîì è Ô. Êðèêîì áûëà ïðåäëîæåíà è ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîäòâåðæäåíà ãèïîòåçà î ñòðóêòóðå ìîëåêóëû ÄÍÊ êàê ìàòåðèàëüíîãî íîñèòåëÿ ãåíåòè÷åñêîé èíôîðìàöèè. Â 1960-å ãã. ôðàíöóçñêèìè ó÷åíûìè Æ. Ìîíî è Ô. Æàêîáîì áûëà ðåøåíà îäíà èç ãëàâíûõ ïðîáëåì ãåííîé àêòèâíîñòè, êîòîðàÿ îáúÿñíÿëà ôóíäàìåíòàëüíóþ îñîáåííîñòü ôóíêöèîíèðîâàíèÿ æèâîé ïðèðîäû íà ìîëåêóëÿðíîì óðîâíå. Íà ìîëåêóëÿðíî-ãåíåòè÷åñêîì óðîâíå âàæíåéøåé çàäà÷åé ñîâðåìåííîé áèîëîãèè ÿâëÿåòñÿ èññëåäîâàíèå ìåõàíèçìîâ ïåðåäà÷è ãåííîé èíôîðìàöèè, íàñëåäñòâåííîñòè, à òàêæå èçìåí÷èâîñòè. Îäíèì èç âàæíåéøèõ ìåõàíèçìîâ èçìåí÷èâîñòè íà ìîëåêóëÿðíîì óðîâíå ÿâëÿåòñÿ ìåõàíèçì ìóòàöèè ãåíîâ, òî åñòü èõ íåïîñðåäñòâåííîå ïðåîáðàçîâàíèå ïîä âîçäåéñòâèåì âíåøíèõ ôàêòîðîâ, âûçûâàþùèõ ìóòàöèè (ïîÿâëåíèå ìóòàãåíîâ), ýòî — âèðóñû, ðàäèàöèÿ, òîêñè÷åñêèå õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ. Ìåõàíèçìîì èçìåí÷èâîñòè ìîæåò áûòü è ðåêîìáèíàöèÿ ãåíîâ, òî åñòü ñîçäàíèå íîâûõ èõ êîìáèíàöèé. Ýòîò ïðîöåññ ñâîéñòâåí ïîëîâîìó ðàçìíîæåíèþ ó âûñøèõ îðãàíèçìîâ. Ïðè íåì íå ïðîèñõîäèò èçìåíåíèÿ îáùåãî îáúåìà ãåíåòè÷åñêîé èíôîðìàöèè. Ýòîò ìåõàíèçì íàçûâàåòñÿ êëàññè÷åñêèì. Â äðóãèõ òàê íàçûâàåìûõ íåêëàññè÷åñêèõ ñëó÷àÿõ ðåêîìáèíàöèÿ ìîæåò ñîïðîâîæäàòüñÿ óâåëè÷åíèåì èíôîðìàöèè ãåíîìà êëåòêè. Â ýòîì ñëó÷àå ôðàãìåíòû õðîìîñîìû êëåòêè-äîíîðà âêëþ÷àþòñÿ â õðîìîñîìó ïðèíèìàþùåé êëåòêè. Îíè ìîãóò îñòàâàòüñÿ â ñêðûòîì, ëàòåíòíîì, ñîñòîÿíèè íåêîòîðîå âðåìÿ, à òàêæå ñîåäèíÿòüñÿ ñ ïðèíèìàþùåé êëåòêîé (êëåòêîé-ðåöèïèåíòîì), êîãäà ïîä äåéñòâèåì âíåøíèõ ôàêòîðîâ îíè ñòàíîâÿòñÿ àêòèâíûìè.


219

Êëåòî÷íûé óðîâåíü Ëþáîé æèâîé îðãàíèçì ñîñòîèò èç êëåòîê. Êëåòêà ÿâëÿåòñÿ ýëåìåíòàðíîé ñàìîñòîÿòåëüíîé åäèíèöåé íå òîëüêî ñòðîåíèÿ, íî è ôóíêöèîíèðîâàíèÿ æèâîãî îðãàíèçìà. Îíà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ìåëü÷àéøóþ ýëåìåíòàðíóþ æèâóþ ñèñòåìó è ÿâëÿåòñÿ îñíîâîé æèçíåäåÿòåëüíîñòè è âîñïðîèçâîäñòâà âñåõ æèâûõ îðãàíèçìîâ. Â êëåòêå êàê ìèêðîíîñèòåëå æèçíè çàêëþ÷åíà òàêàÿ ãåíåòè÷åñêàÿ èíôîðìàöèÿ, êîòîðàÿ âïîëíå äîñòàòî÷íà äëÿ ïðîèçâîäñòâà âñåãî îðãàíèçìà. Íà êëåòî÷íîì óðîâíå èäóò ïðîöåññû îáìåíà âåùåñòâ, ïðîöåññû ïåðåäà÷è è ïåðåðàáîòêè èíôîðìàöèè è ïðåâðàùåíèÿ âåùåñòâ è ýíåðãèè. Ïîýòîìó ýëåìåíòàðíûå ÿâëåíèÿ íà êëåòî÷íîì óðîâíå ñîçäàþò ýíåðãåòè÷åñêóþ è âåùåñòâåííóþ îñíîâó æèçíè íà äðóãèõ óðîâíÿõ æèâîé ìàòåðèè. Èññëåäîâàíèå êëåòêè ñòàëî âîçìîæíûì áëàãîäàðÿ èçîáðåòåíèþ ìèêðîñêîïà â XVII â. Âïåðâûå êëåòêà áûëà îïèñàíà àíãëèéñêèì åñòåñòâîèñïûòàòåëåì Ð. Ãóêîì. Êëåòêè âñåõ æèâûõ îðãàíèçìîâ ñõîäíû ïî ñâîåìó ñòðîåíèþ è ñîñòàâó âåùåñòâà. Âñåìè âåñüìà ìíîãîîáðàçíûìè è ñëîæíûìè ïðîöåññàìè â êëåòêå óïðàâëÿåò îñîáàÿ ñòðóêòóðà — ÿäðî. ßäðî õðàíèò è âîñïðîèçâîäèò ãåíåòè÷åñêóþ èíôîðìàöèþ, êîîðäèíèðóåò è ðåãóëèðóåò ïðîöåññû îáìåíà âåùåñòâ â êëåòêå, à òàêæå åå âîñïðîèçâîäñòâî ïóòåì äåëåíèÿ. Â íà÷àëå XIX ñòîëåòèÿ áûëî îïèñàíî êëåòî÷íîå ÿäðî, ÷òî ïîñëóæèëî çíà÷èòåëüíûì òîë÷êîì â ðàçâèòèè òåîðèè êëåòêè. Êëåòî÷íàÿ òåîðèÿ ÿâèëàñü âàæíåéøèì ñîáûòèåì â áèîëîãèè XIX â. Èìåííî îíà ñòàëà ôóíäàìåíòîì äëÿ ðàçâèòèÿ ôèçèîëîãèè, ýìáðèîëîãèè, òåîðèè ýâîëþöèè. Ýòî ÿâèëîñü îãðîìíûì øàãîì âïåðåä â ïîíèìàíèè èíäèâèäóàëüíîãî ðàçâèòèÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ. Êëåòêè îòëè÷àþòñÿ áîëüøèì ðàçíîîáðàçèåì ôîðì, ðàçìåðîâ è ôóíêöèé. Èõ ïîäðàçäåëÿþò íà äâå ãðóïïû: êëåòêè, íå ñîäåðæàùèå ÿäðà, òî åñòü áåçúÿäåðíûå êëåòêè, ïðåäñòàâëåííûå îäíîêëåòî÷íûìè îðãàíèçìàìè — ïðîêàðèîòàìè, è êëåòêè, èìåþùèå ÿäðî, òî åñòü ÿäåðíûå êëåòêè, ïðåäñòàâëÿþùèå îäíîêëåòî÷íûå îðãàíèçìû — ýóêàðèîòû, à òàêæå âñå ìíîãîîáðàçèå ìíîãîêëåòî÷íûõ îðãàíèçìîâ. Ïî òèïó ïèòàíèÿ êëåòêè ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà äâà âèäà: àâòîòðîôíûå, êîòîðûå íå íóæäàþòñÿ â îðãàíè÷åñêîé ïèùå è ñàìè ïðîèçâîäÿò îðãàíè÷åñêèå ïèòàòåëüíûå âåùåñòâà, èñïîëüçóÿ ýíåðãèþ ñîëíöà, óãëåðîä, âîäó è ìèíåðàëüíûå âåùåñòâà çà ñ÷åò ïðîöåññà ôîòîñèíòåçà (ðàñòåíèÿ); è ãåòåðîòðîôíûå, èñïîëüçóþùèå äëÿ ñâîåãî ïèòàíèÿ ãîòîâîå îðãàíè÷åñêîå âåùåñòâî.


Îíòîãåíåòè÷åñêèé (îðãàíèçìåííûé) óðîâåíü Îíòîãåíåòè÷åñêèé óðîâåíü îðãàíèçàöèè æèâîé ìàòåðèè âêëþ÷àåò â ñåáÿ êàê îäíîêëåòî÷íûå, òàê è ìíîãîêëåòî÷íûå îðãàíèçìû. Ýòî áîëåå âûñîêèé è ñëîæíûé êîìïëåêñíûé óðîâåíü îðãàíèçàöèè æèâîãî íà Çåìëå. Ñàì òåðìèí «îíòîãåíåç» îçíà÷àåò èíäèâèäóàëüíîå ðàçâèòèå îðãàíèçìîâ, îõâàòûâàþùåå âñå èçìåíåíèÿ îò çàðîæäåíèÿ äî ñìåðòè. Òåðìèí áûë âïåðâûå ââåäåí â áèîëîãèþ íåìåöêèì áèîëîãîì Ý. Ãåêêåëåì â 1866 ã, êîòîðûé â ñôîðìóëèðîâàííîì èì áèîëîãè÷åñêîì çàêîíå óêàçûâàåò íà òî, ÷òî êàæäûé îòäåëüíûé îðãàíèçì â ñâîåì èíäèâèäóàëüíîì ðàçâèòèè ïîâòîðÿåò â ñîêðàùåííîé ôîðìå èñòîðèþ ñâîåãî âèäà. Îñíîâíîé æèçíåííîé åäèíèöåé íà ýòîì óðîâíå ÿâëÿåòñÿ îñîáü, à ýëåìåíòàðíûì ÿâëåíèåì — îíòîãåíåç. Íà ýòîì óðîâíå ðàçâèòèÿ æèâîãî èäåò äåêîäèðîâàíèå, à òàêæå ðåàëèçàöèÿ ãåíåòè÷åñêîé è íàñëåäñòâåííîé èíôîðìàöèè, çàâåðøàþùèåñÿ ñòàíîâëåíèåì äåôèíèòèâíîé îðãàíèçàöèè. Èäåò ïðîÿâëåíèå ôåíîòèïè÷åñêèõ ïðèçíàêîâ, ñëóæàùèõ ìàòåðèàëîì äëÿ åñòåñòâåííîãî îòáîðà. Íà ýòîì óðîâíå ñîçäàþòñÿ îñîáåííîñòè êàê ñòðóêòóðíûå, èçó÷àåìûå ìèêðî- è ìàêðîìîðôîëîãèåé, òàê è ôóíêöèîíàëüíûå, êîòîðûå ñîñòàâëÿþò ïðåäìåò èçó÷åíèÿ ôèçèîëîãèè, áèîôèçèêè è áèîõèìèè. Îñîáåííî âàæíîå çíà÷åíèå äëÿ èçó÷åíèÿ ôóíêöèîíèðîâàíèÿ è ðàçâèòèÿ ìíîãîêëåòî÷íûõ îðãàíèçìîâ èìååò ôèçèîëîãèÿ. Îíà èçó÷àåò ìåõàíèçìû äåéñòâèÿ ðàçëè÷íûõ ôóíêöèé æèâîãî îðãàíèçìà, èõ ñâÿçü, ðåãóëÿöèþ è àäàïòàöèþ ê âíåøíåé ñðåäå, à òàêæå ýâîëþöèîííîå ðàçâèòèå îñîáè. Ìíîãîêëåòî÷íûå îðãàíèçìû ñîñòîÿò èç òêàíåé è îðãàíîâ. Òêàíè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñîâîêóïíîñòü êëåòîê è ìåæêëåòî÷íîãî âåùåñòâà. Â ðàñòåíèÿõ ýòî îáðàçîâàòåëüíàÿ, îñíîâíàÿ, çàùèòíàÿ è ïðîâîäÿùàÿ òêàíü. Òêàíè ó æèâîòíûõ — ýòî ýïèòåëèàëüíàÿ, ìûøå÷íàÿ, ñîåäèíèòåëüíàÿ è íåðâíàÿ. Îðãàíû — ýòî ñðàâíèòåëüíî êðóïíûå ôóíêöèîíàëüíûå åäèíèöû, îáúåäèíÿþùèå òêàíè â îïðåäåëåííûå ôèçèîëîãè÷åñêèå êîìïëåêñû. Îðãàíû â ñâîþ î÷åðåäü âõîäÿò â ñîñòàâ áîëåå êðóïíûõ åäèíèö, ñèñòåì îðãàíèçìà. Ýòî ïèùåâàðèòåëüíàÿ, íåðâíàÿ, ñåðäå÷íî-ñîñóäèñòàÿ, äûõàòåëüíàÿ ñèñòåìû è ò. ä.

Ïîïóëÿöèîííî-âèäîâîé óðîâåíü Ýòî óæå íàäîðãàíèçìåííûé óðîâåíü, åäèíèöåé êîòîðîãî ÿâëÿåòñÿ ïîïóëÿöèÿ. Èìåííî ïîïóëÿöèè ÿâëÿþòñÿ ðåàëüíûìè ñèñòåìàìè, ïîñðåäñòâîì êîòîðûõ ñóùåñòâóþò âèäû æèâûõ îðãàíèçìîâ. Íà ýòîì óðîâíå èçìåíåíèÿ, âîçíèêàþùèå íà ïåðâûõ òðåõ óðîâíÿõ, ïðèâîäÿò ê ñóùåñò-


221

âåííûì ýâîëþöèîííûì ïðåîáðàçîâàíèÿì (ìèêðîýâîëþöèÿì) çà ñ÷åò âûðàáîòêè íîâûõ àäàïòèâíûõ íîðì (ïðèçíàêîâ) è ñâÿçàííûõ ñ íèìè ïðîöåññîâ âèäîîáðàçîâàíèÿ. Ïîïóëÿöèè ÿâëÿþòñÿ ãåíåòè÷åñêè îòêðûòûìè ñèñòåìàìè. Õîòÿ îíè îáëàäàþò íåêîòîðîé îòíîñèòåëüíîé èçîëÿöèåé, âñå æå ïåðèîäè÷åñêè îíè èìåþò âîçìîæíîñòü îáìåíà ãåíåòè÷åñêîé èíôîðìàöèåé. Èìåííî ïîïóëÿöèè âûñòóïàþò â êà÷åñòâå ýëåìåíòàðíûõ åäèíèö ýâîëþöèè. Èçìåíåíèÿ èõ ãåíîôîíäà ïðèâîäÿò ê ïîÿâëåíèþ íîâûõ âèäîâ. Ïîïóëÿöèÿì ñâîéñòâåííà àêòèâíàÿ è ïàññèâíàÿ ïîäâèæíîñòü, ÷òî îïðåäåëÿåò ïîñòîÿííîå ïåðåìåùåíèå îñîáåé. Ïîïóëÿöèè èìåþò ñïîñîáíîñòü ê ñàìîñòîÿòåëüíîìó ñóùåñòâîâàíèþ, îäíàêî èì ñâîéñòâåííî è îáúåäèíåíèå. Îáúåäèíÿÿñü íà îïðåäåëåííîé òåððèòîðèè, îíè îáðàçóþò áèîöåíîçû.

Áèîñôåðíûé (áèîãåîöåíîòè÷åñêèé) óðîâåíü Êàê ïðàâèëî, áèîöåíîçû ñîñòîÿò èç íåñêîëüêèõ ïîïóëÿöèé è ÿâëÿþòñÿ êîìïîíåíòàìè óæå áîëåå ñëîæíîé áèîëîãè÷åñêîé ñèñòåìû — áèîãåîöåíîçà. Áèîãåîöåíîç ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé åäèíñòâî æèâîãî (áèîöåíîçà) è íåæèâîãî, òî åñòü îïðåäåëåííîãî ó÷àñòêà çåìíîé ïîâåðõíîñòè (áèîòîïà). Áèîãåîöåíîç — ýòî ïîäâèæíàÿ, îòêðûòàÿ, ðàçâèâàþùàÿñÿ ñèñòåìà. Îíà ïîñòîÿííî îáìåíèâàåòñÿ âåùåñòâîì è ýíåðãèåé ñ äðóãèìè áèîãåîöåíîçàìè è ñ îêðóæàþùèì ïðîñòðàíñòâîì. Áèîãåîöåíîç êàê öåëîñòíàÿ ñàìîðåãóëèðóþùàÿñÿ ñèñòåìà ñîñòîèò èç íåñêîëüêèõ ïîäñèñòåì. Ýòî ïåðâè÷íûå ñèñòåìû — ïðîäóöåíòû. Îíè ïåðåðàáàòûâàþò íåæèâóþ ìàòåðèþ, ïðåâðàùàÿ åå â îðãàíè÷åñêîå âåùåñòâî ñâîèõ òåë (ðàñòåíèÿ, âîäîðîñëè, íåêîòîðûå ìèêðîîðãàíèçìû). Âòîðè÷íûå ñèñòåìû ïðåäñòàâëåíû êîíñóìåíòàìè, êîòîðûå ïîëó÷àþò ýíåðãèþ çà ñ÷åò îðãàíè÷åñêîãî âåùåñòâà, ñèíòåçèðîâàííîãî ïðîäóöåíòàìè (âñå òðàâîÿäíûå æèâîòíûå), äàëåå èäóò êîíñóìåíòû âòîðîãî ïîðÿäêà — õèùíèêè. Æèâûå îðãàíèçìû ïîñëå ñâîåãî îòìèðàíèÿ (îðãàíè÷åñêèé äåòðèò) ïåðåðàáàòûâàþòñÿ ðåäóöåíòàìè, òî åñòü ìèêðîîðãàíèçìàìè, ðàçëàãàþùèìè îñòàòêè îðãàíè÷åñêîé ìàòåðèè äî ìèíåðàëüíûõ âåùåñòâ. Ýòè âåùåñòâà, ïîïàäàÿ â ïî÷âó, âíîâü èñïîëüçóþòñÿ ðàñòåíèÿìè, è êðóãîâîðîò âåùåñòâ çàìûêàåòñÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, â áèîãåîöåíîçå ïðîèñõîäèò êðóãîâîðîò âåùåñòâ, â êîòîðîì æèâûå îðãàíèçìû ÿâëÿþòñÿ ãëàâíîé äâèæóùåé ñèëîé. Óñòîé÷èâîñòü è ñàìîðåãóëÿöèÿ áèîãåîöåíîçîâ óâåëè÷èâàåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíî ðàçíîîáðàçèþ ñîñòàâëÿþùèõ åãî ýëåìåíòîâ. Âûïàäåíèå îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ êîìïîíåíòîâ áèîãåîöåíîçà ìîæåò ïðèâåñ-

222 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ òè ê íåîáðàòèìîìó íàðóøåíèþ ðàâíîâåñèÿ è ê åãî ãèáåëè. Ýòî óêàçûâàåò íà òåñíóþ âçàèìîñâÿçü îðãàíèçìîâ âñåõ óðîâíåé â áèîãåîöåíîçå ïîñðåäñòâîì ïèùåâûõ öåïåé è ïèùåâûõ ñåòåé. Â ñâÿçè ñ ýòèì âûñîêîîðãàíèçîâàííûå îðãàíèçìû íå ìîãóò ñóùåñòâîâàòü áåç áîëåå ïðîñòûõ. Ñîâîêóïíîñòü âñåõ áèîãåîöåíîçîâ ïëàíåòû îáðàçóåò áèîñôåðó. Áèîñôåðíûé óðîâåíü îðãàíèçàöèè æèâîãî — ýòî íàèâûñøèé óðîâåíü, îõâàòûâàþùèé âñå ÿâëåíèÿ æèçíè íà Çåìëå. Æèâîå âåùåñòâî ïëàíåòû (ñîâîêóïíîñòü âñåõ æèâûõ îðãàíèçìîâ íà ïëàíåòå, â òîì ÷èñëå è ÷åëîâåêà) è ïðåîáðàçîâàííàÿ èì îêðóæàþùàÿ ñðåäà — ýòî è åñòü áèîñôåðà. Ñëåäîâàòåëüíî, áèîñôåðíûé óðîâåíü îáúåäèíÿåò âñå äðóãèå óðîâíè îðãàíèçàöèè æèçíè íà Çåìëå. Íà ýòîì óðîâíå ïðîòåêàþò âåùåñòâåííî-ýíåðãåòè÷åñêèå êðóãîâîðîòû, âûçâàííûå æèçíåäåÿòåëüíîñòüþ îðãàíèçìîâ è îáðàçóþùèå â ñóììå áîëüøîé áèîñôåðíûé êðóãîâîðîò. Ó÷åíèå î áèîñôåðå ðàçðàáîòàë Â. È. Âåðíàäñêèé. Îí äîêàçàë òåñíóþ ñâÿçü îðãàíè÷åñêîãî ìèðà íà ïëàíåòå êàê åäèíîãî íåðàçäåëüíîãî öåëîãî ñ ãåîëîãè÷åñêèìè ïðîöåññàìè. Áëàãîäàðÿ áèîãåííîé ìèãðàöèè àòîìîâ æèâîå âåùåñòâî âûïîëíÿåò ñâîè ãåîõèìè÷åñêèå ôóíêöèè è ÿâëÿåòñÿ ìîùíîé ãåîëîãè÷åñêîé ñèëîé.

8.7. Ãèïîòåçû ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè Ïðîèñõîæäåíèå æèçíè íà Çåìëå ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç âàæíåéøèõ ïðîáëåì åñòåñòâîçíàíèÿ. Åùå â ãëóáîêîé äðåâíîñòè ëþäè çàäàâàëè ñåáå âîïðîñû, îòêóäà ïðîèçîøëà æèâàÿ ïðèðîäà, êàê ïîÿâèëàñü æèçíü íà Çåìëå, ãäå ãðàíü ïåðåõîäà îò íåæèâîãî ê æèçíè è ïð. Íà ïðîòÿæåíèè äåñÿòêîâ âåêîâ ìåíÿëèñü âçãëÿäû íà ïðîáëåìó æèçíè, âûñêàçûâàëèñü ðàçíûå èäåè, ãèïîòåçû è êîíöåïöèè. Ýòîò âîïðîñ âîëíóåò ÷åëîâå÷åñòâî è ïî íàñòîÿùåå âðåìÿ. Íåêîòîðûå èäåè è ãèïîòåçû î ïðîèñõîæäåíèè æèçíè ïîëó÷èëè øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå â ðàçíûå ïåðèîäû èñòîðèè ðàçâèòèÿ åñòåñòâîçíàíèÿ. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ñóùåñòâóåò ïÿòü ãèïîòåç âîçíèêíîâåíèÿ æèçíè: 1. Êðåàöèîíèçì — ãèïîòåçà, óòâåðæäàþùàÿ, ÷òî æèçíü ñîçäàíà ñâåðõúåñòåñòâåííûì ñóùåñòâîì â ðåçóëüòàòå àêòà òâîðåíèÿ, òî åñòü Áîãîì. 2. Ãèïîòåçà ñòàöèîíàðíîãî ñîñòîÿíèÿ, ñîãëàñíî êîòîðîé æèçíü ñóùåñòâîâàëà âñåãäà. 3. Ãèïîòåçà ñàìîïðîèçâîëüíîãî çàðîæäåíèÿ æèçíè, êîòîðàÿ îñíîâûâàåòñÿ íà èäåå ìíîãîêðàòíîãî âîçíèêíîâåíèÿ æèçíè èç íåæèâîãî âåùåñòâà.

8.7. Ãèïîòåçû ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè

223

4. Ãèïîòåçà ïàíñïåðìèè, ñîãëàñíî êîòîðîé æèçíü áûëà çàíåñåíà íà Çåìëþ èç êîñìè÷åñêîãî ïðîñòðàíñòâà. 5. Ãèïîòåçà èñòîðè÷åñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè ïóòåì áèîõèìè÷åñêîé ýâîëþöèè. Ñîãëàñíî êðåàöèîíèñòñêîé ãèïîòåçå, êîòîðàÿ èìååò ñàìóþ äëèííóþ èñòîðèþ, ñîçäàíèå æèçíè åñòü àêò áîæåñòâåííîãî òâîðåíèÿ. Ñâèäåòåëüñòâîì ýòîìó ÿâëÿåòñÿ íàëè÷èå â æèâûõ îðãàíèçìàõ îñîáîé ñèëû, «äóøè», óïðàâëÿþùåé âñåìè æèçíåííûìè ïðîöåññàìè. Ãèïîòåçà êðåàöèîíèçìà íàâåÿíà ðåëèãèîçíûìè âîççðåíèÿìè è ê íàóêå îòíîøåíèÿ íå èìååò. Ñîãëàñíî ãèïîòåçå ñòàöèîíàðíîãî ñîñòîÿíèÿ, æèçíü íèêîãäà íå âîçíèêàëà, à ñóùåñòâîâàëà âå÷íî âìåñòå ñ Çåìëåé, îòëè÷àÿñü áîëüøèì ðàçíîîáðàçèåì æèâîãî. Ñ èçìåíåíèåì óñëîâèé æèçíè íà Çåìëå ïðîèñõîäèëî è èçìåíåíèå âèäîâ: îäíè èñ÷åçàëè, äðóãèå ïîÿâëÿëèñü. Ýòà ãèïîòåçà îñíîâûâàåòñÿ â îñíîâíîì íà èññëåäîâàíèÿõ ïàëåîíòîëîãèè. Ïî ñâîåé ñóùíîñòè ýòà ãèïîòåçà íå îòíîñèòñÿ ê êîíöåïöèÿì âîçíèêíîâåíèÿ æèçíè, ïîñêîëüêó âîïðîñ î ïðîèñõîæäåíèè æèçíè îíà ïðèíöèïèàëüíî íå çàòðàãèâàåò. Ãèïîòåçà ñàìîïðîèçâîëüíîãî çàðîæäåíèÿ æèçíè áûëà âûäâèíóòà â äðåâíåì Êèòàå è Èíäèè êàê àëüòåðíàòèâà êðåàöèîíèçìó. Ïðåäñòàâëåíèÿ ýòîé ãèïîòåçû ïîääåðæèâàëè ìûñëèòåëè Äðåâíåé Ãðåöèè (Ïëàòîí, Àðèñòîòåëü), à òàêæå ó÷åíûå ïåðèîäà Íîâîãî âðåìåíè (Ãàëèëåé, Äåêàðò, Ëàìàðê). Ñîãëàñíî ýòîé ãèïîòåçå, æèâûå îðãàíèçìû (íèçøèå) ìîãóò ïîÿâèòüñÿ ïóòåì ñàìîðîæäåíèÿ èç íåæèâîãî âåùåñòâà, ñîäåðæàùåãî íåêîå «àêòèâíîå íà÷àëî». Òàê, íàïðèìåð, ïî Àðèñòîòåëþ, íàñåêîìûå è ëÿãóøêè ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ ìîãóò çàâîäèòüñÿ â èëå, ñûðîé ïî÷âå; ÷åðâè è âîäîðîñëè â ñòîÿ÷åé âîäå, à âîò ëè÷èíêè ìóõ — â ïðîòóõøåì ìÿñå ïðè åãî ãíèåíèè. Îäíàêî óæå ñ íà÷àëà XVII â. òàêîå ïîíèìàíèå ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè ñòàëî ïîäâåðãàòüñÿ ñîìíåíèþ. Îùóòèìûé óäàð ïî ýòîé ãèïîòåçå íàíåñ èòàëüÿíñêèé åñòåñòâîèñïûòàòåëü è âðà÷ Ô. Ðåäè (1626–1698), êîòîðûé â 1688 ã. ðàñêðûë ñóùíîñòü ïîÿâëåíèÿ æèçíè â ãíèþùåì ìÿñå. Ô. Ðåäè ñôîðìóëèðîâàë ñâîé ïðèíöèï: «Âñå æèâîå — îò æèâîãî» è ñòàë îñíîâîïîëîæíèêîì êîíöåïöèè áèîãåíåçà, óòâåðæäàâøåé, ÷òî æèçíü ìîæåò âîçíèêíóòü òîëüêî èç ïðåäøåñòâóþùåé æèçíè. Ôðàíöóçñêèé ìèêðîáèîëîã Ë. Ïàñòåð (1822–1895) ñâîèìè îïûòàìè ñ âèðóñàìè îêîí÷àòåëüíî äîêàçàë íåñîñòîÿòåëüíîñòü èäåè ñïîíòàííîãî ñàìîçàðîæäåíèÿ æèçíè. Îäíàêî, îïðîâåðãíóâ ýòó ãèïîòåçó, îí íå ïðåäëîæèë ñâîþ, íå ïðîëèë ñâåò íà âîïðîñ î âîçíèêíîâåíèè æèçíè.

224 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ Òåì íå ìåíåå îïûòû Ë. Ïàñòåðà èìåëè áîëüøîå çíà÷åíèå â ïîëó÷åíèè áîãàòîãî ýìïèðè÷åñêîãî ìàòåðèàëà â îáëàñòè ìèêðîáèîëîãèè åãî âðåìåíè. Ãèïîòåçà ïàíñïåðìèè — î íåçåìíîì ïðîèñõîæäåíèè æèçíè ïóòåì çàíåñåíèÿ «çàðîäûøåé æèçíè» èç êîñìîñà íà Çåìëþ — âïåðâûå áûëà âûñêàçàíà íåìåöêèì áèîëîãîì è âðà÷îì Ã. Ðèõòåðîì â êîíöå XIX â. Êîíöåïöèÿ ïàíñïåðìèè (îò ãðå÷. pan — âåñü, sperma — ñåìÿ) äîïóñêàåò âîçìîæíîñòü ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè â ðàçíîå âðåìÿ â ðàçíûõ ÷àñòÿõ Âñåëåííîé è ïåðåíîñà åå ðàçëè÷íûìè ïóòÿìè íà Çåìëþ (ìåòåîðèòû, àñòåðîèäû, êîñìè÷åñêàÿ ïûëü). Äåéñòâèòåëüíî, â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïîëó÷åíû íåêîòîðûå äàííûå, óêàçûâàþùèå íà âîçìîæíîñòü îáðàçîâàíèÿ îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ õèìè÷åñêèì ïóòåì â óñëîâèÿõ êîñìîñà. Òàê, â 1975 ã. ïðåäøåñòâåííèêè àìèíîêèñëîò áûëè íàéäåíû â ëóííîì ãðóíòå. Â ìåæçâåçäíûõ îáëàêàõ îáíàðóæåíû ïðîñòåéøèå ñîåäèíåíèÿ óãëåðîäà, â òîì ÷èñëå è áëèçêèå ê àìèíîêèñëîòàì. Â ñîñòàâå ìåòåîðèòîâ íàéäåíû àëüäåãèäû, âîäà, ñïèðòû, ñèíèëüíàÿ êèñëîòà è ò. ä. Êîíöåïöèþ ïàíñïåðìèè ðàçäåëÿëè êðóïíåéøèå ó÷åíûå êîíöà XIX – íà÷àëà XX â.: íåìåöêèé õèìèê è àãðîíîì Þ. Ëèáèõ, àíãëèéñêèé ôèçèê Ó. Òîìñîí, íåìåöêèé åñòåñòâîèñïûòàòåëü Ã. Ãåëüìãîëüö, øâåäñêèé ôèçèêîõèìèê Ñ. Àððåíèóñ. Ñ. Àððåíèóñ â 1907 ã. â ñâîèõ òðóäàõ äàæå îïèñûâàë, êàê ñ äðóãèõ ïëàíåò â êîñìè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî óõîäÿò ñ ïûëèíêàìè è æèâûå ñïîðû îðãàíèçìîâ. Íîñÿñü â áåñêðàéíèõ ïðîñòîðàõ êîñìîñà ïîä äåéñòâèåì äàâëåíèÿ çâåçäíîãî ñâåòà, îíè ïîïàäàëè íà ïëàíåòû è òàì, ãäå áûëè áëàãîïðèÿòíûå óñëîâèÿ (â òîì ÷èñëå íà Çåìëå) íà÷èíàëè íîâóþ æèçíü. Èäåè ïàíñïåðìèè ïîääåðæèâàëè è íåêîòîðûå ðóññêèå ó÷åíûå: ãåîôèçèê Ï. Ëàçàðåâ, áèîëîã Ë. Áåðã, áèîëîãïî÷âîâåä Ñ. Êîñòû÷åâ. Ñóùåñòâóåò èäåÿ î âîçíèêíîâåíèè æèçíè íà Çåìëå ïî÷òè ñ ìîìåíòà åå îáðàçîâàíèÿ. Êàê èçâåñòíî, Çåìëÿ îáðàçîâàëàñü îêîëî 5 ìëðä ëåò íàçàä. Çíà÷èò, æèçíü ìîãëà çàðîäèòüñÿ âî âðåìÿ îáðàçîâàíèÿ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû, òî åñòü â êîñìîñå. Ïîñêîëüêó äëèòåëüíîñòü ýâîëþöèè Çåìëè è æèçíè íà íåé ðàçíèòñÿ íåçíà÷èòåëüíî, òî ñóùåñòâóåò âåðñèÿ, ÷òî æèçíü íà Çåìëå — ýòî ïðîäîëæåíèå âå÷íîãî åå ñóùåñòâîâàíèÿ. Ýòà ïîçèöèÿ áëèçêà ê òåîðèè âå÷íîãî ñóùåñòâîâàíèÿ æèçíè âî Âñåëåííîé. Â ìàñøòàáå ãëîáàëüíîãî ýâîëþöèîííîãî ïðîöåññà ìîæíî ïîëàãàòü, ÷òî âîçíèêíîâåíèå æèçíè íà Çåìëå ìîæåò, ïî-âèäèìîìó, ñîâïàäàòü ñ îáðàçîâàíèåì è ñóùåñòâîâàíèåì ìàòåðèè. Àêàäåìèê Â. Âåðíàäñêèé ðàçäåëÿë èäåþ âå÷íîñòè æèçíè íå â êîíòåêñòå åå ïåðåðàñïðåäåëåíèÿ â êîñìîñå, à â ñìûñëå íåðàçðûâíîñòè è âçàèìîñâÿçàííîñòè ìàòåðèè

8.7. Ãèïîòåçû ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè

225

è æèçíè. Îí ïèñàë, ÷òî «æèçíü è ìàòåðèÿ íåðàçðûâíû, âçàèìîñâÿçàíû è ìåæäó íèìè íåò âðåìåííîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè». Íà ýòó æå ìûñëü óêàçûâàåò è ðóññêèé áèîëîã è ãåíåòèê Òèìîôååâ-Ðåñîâñêèé (1900– 1982). Â ñâîåì êðàòêîì î÷åðêå òåîðèè ýâîëþöèè (1977 ã.) îí îñòðîóìíî çàìåòèë: «Ìû âñå òàêèå ìàòåðèàëèñòû, ÷òî íàñ âñåõ áåçóìíî âîëíóåò, êàê âîçíèêëà æèçíü. Ïðè ýòîì íàñ ïî÷òè íå âîëíóåò, êàê âîçíèêëà ìàòåðèÿ. Òóò âñå ïðîñòî. Ìàòåðèÿ âå÷íà, îíà âåäü âñåãäà áûëà, è íåíóæíî íèêàêèõ âîïðîñîâ. Âñåãäà áûëà. À âîò æèçíü, âèäèòå ëè, îáÿçàòåëüíî äîëæíà âîçíèêíóòü. À ìîæåò áûòü, îíà òîæå áûëà âñåãäà. È íå íàäî âîïðîñîâ, ïðîñòî âñåãäà áûëà, è âñå». Äëÿ îáîñíîâàíèÿ ïàíñïåðìèè â íàó÷íî-ïîïóëÿðíîé ëèòåðàòóðå ïðèâîäÿòñÿ «ôàêòû» î íåîïîçíàííûõ ëåòàþùèõ îáúåêòàõ, ïðèëåòå èíîïëàíåòÿí íà Çåìëþ, íàñêàëüíûå òîïîëîãè÷åñêèå ðèñóíêè. Îäíàêî ñåðüåçíûõ äîêàçàòåëüñòâ ýòà êîíöåïöèÿ íå èìååò, à ìíîãèå äîâîäû âûñòóïàþò ïðîòèâ íåå. Èçâåñòíî, ÷òî äèàïàçîí æèçíåííûõ óñëîâèé äëÿ ñóùåñòâîâàíèÿ æèâîãî äîâîëüíî óçîê. Ïîýòîìó âðÿä ëè æèâûå îðãàíèçìû âûæèëè áû â êîñìîñå ïîä äåéñòâèåì óëüòðàôèîëåòîâûõ ëó÷åé, ðåíòãåíîâñêîãî è êîñìè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ. Íî è íå èñêëþ÷àåòñÿ âîçìîæíîñòü çàíåñåíèÿ îòäåëüíûõ ïðåäïîñûëî÷íûõ ôàêòîðîâ æèçíè íà íàøó ïëàíåòó èç êîñìîñà. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ýòî ïðèíöèïèàëüíîãî çíà÷åíèÿ íå èìååò, ïîñêîëüêó êîíöåïöèÿ ïàíñïåðìèè â êîðíå íå ðåøàåò ïðîáëåìû ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè, à ëèøü ïåðåíîñèò åå çà ïðåäåëû Çåìëè, íå ðàñêðûâàÿ ñàìîãî ìåõàíèçìà åå îáðàçîâàíèÿ. Òàêèì îáðàçîì, íè îäíà èç ïåðå÷èñëåííûõ ÷åòûðåõ ãèïîòåç äî íàñòîÿùåãî âðåìåíè íå ïîäòâåðæäåíà íàäåæíûìè ýêñïåðèìåíòàëüíûìè èññëåäîâàíèÿìè. Íàèáîëåå äîêàçàòåëüíî ñ òî÷êè çðåíèÿ ñîâðåìåííîé íàóêè âûãëÿäèò ïÿòàÿ ãèïîòåçà — ãèïîòåçà ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè â èñòîðè÷åñêîì ïðîøëîì â ðåçóëüòàòå áèîõèìè÷åñêîé ýâîëþöèè. Åå àâòîðàìè ÿâëÿþòñÿ îòå÷åñòâåííûé áèîõèìèê àêàäåìèê À. Îïàðèí (1923 ã.) è àíãëèéñêèé ôèçèîëîã Ñ. Õîëäåéí (1929 ã.). Îá ýòîé ãèïîòåçå ìû ïîäðîáíî áóäåì ãîâîðèòü â ñëåäóþùåì ðàçäåëå.

Ãèïîòåçà ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè â èñòîðè÷åñêîì ïðîøëîì â ðåçóëüòàòå áèîõèìè÷åñêîé ýâîëþöèè À. È. Îïàðèíà Ñ òî÷êè çðåíèÿ ãèïîòåçû À. Îïàðèíà, à òàêæå ñ ïîçèöèé ñîâðåìåííîé íàóêè âîçíèêíîâåíèå æèçíè èç íåæèâîãî âåùåñòâà ïðîèçîøëî â ðå-

226 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ çóëüòàòå åñòåñòâåííûõ ïðîöåññîâ âî Âñåëåííîé ïðè äëèòåëüíîé ýâîëþöèè ìàòåðèè. Æèçíü åñòü ñâîéñòâî ìàòåðèè, êîòîðîå ïîÿâèëîñü íà Çåìëå â îïðåäåëåííûé ìîìåíò åå èñòîðèè. Ýòî ðåçóëüòàò ïðîöåññîâ, ïðîòåêàþùèõ ñíà÷àëà ìíîãèå ìèëëèàðäû ëåò â ìàñøòàáå Âñåëåííîé, à ïîòîì ñîòíè ìèëëèîíîâ ëåò íà Çåìëå. À. Îïàðèí âûäåëèë íåñêîëüêî ýòàïîâ áèîõèìè÷åñêîé ýâîëþöèè, êîíå÷íîé öåëüþ êîòîðûõ ÿâèëàñü ïðèìèòèâíàÿ æèâàÿ êëåòêà. Ýâîëþöèÿ øëà ïî ñõåìå: 1. Ãåîõèìè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ ïëàíåòû Çåìëÿ, ñèíòåç ïðîñòåéøèõ ñîåäèíåíèé, òàêèõ êàê ÑÎ2, NH3, H2O è ò. ä., ïåðåõîä âîäû èç ïàðîîáðàçíîãî ñîñòîÿíèÿ â æèäêîå â ðåçóëüòàòå ïîñòåïåííîãî îõëàæäåíèÿ Çåìëè. Ýâîëþöèÿ àòìîñôåðû è ãèäðîñôåðû. 2. Îáðàçîâàíèå èç íåîðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ — àìèíîêèñëîò — è èõ íàêîïëåíèå â ïåðâè÷íîì îêåàíå â ðåçóëüòàòå ýëåêòðîìàãíèòíîãî âîçäåéñòâèÿ Ñîëíöà, êîñìè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ è ýëåêòðè÷åñêèõ ðàçðÿäîâ. 3. Ïîñòåïåííîå óñëîæíåíèå îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé è îáðàçîâàíèå áåëêîâûõ ñòðóêòóð. 4. Âûäåëåíèå áåëêîâûõ ñòðóêòóð èç ñðåäû, îáðàçîâàíèå âîäíûõ êîìïëåêñîâ è ñîçäàíèå âîêðóã áåëêîâ âîäíîé îáîëî÷êè. 5. Ñëèÿíèå òàêèõ êîìïëåêñîâ è îáðàçîâàíèå êîàöåðâàòîâ (îò ëàò. coacervus — ñãóñòîê, êó÷à, íàêîïëåíèå), ñïîñîáíûõ îáìåíèâàòüñÿ âåùåñòâîì è ýíåðãèåé ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé. 6. Ïîãëîùåíèå êîàöåðâàòàìè ìåòàëëîâ, ÷òî ïðèâåëî ê îáðàçîâàíèþ ôåðìåíòîâ, óñêîðÿþùèõ áèîõèìè÷åñêèå ïðîöåññû. 7. Îáðàçîâàíèå ãèäðîôîáíûõ ëèïèäíûõ ãðàíèö ìåæäó êîàöåðâàòàìè è âíåøíåé ñðåäîé, ÷òî ïðèâåëî ê îáðàçîâàíèþ ïîëóïðîíèöàåìûõ ìåìáðàí, ÷òî îáåñïå÷èâàëî ñòàáèëüíîñòü ôóíêöèîíèðîâàíèÿ êîàöåðâàòà. 8. Âûðàáîòêà â õîäå ýâîëþöèè ó ýòèõ îáðàçîâàíèé ïðîöåññîâ ñàìîðåãóëÿöèè è ñàìîâîñïðîèçâåäåíèÿ. Òàê, ïî ãèïîòåçå À. Îïàðèíà, ïîÿâèëàñü ïðèìèòèâíàÿ ôîðìà æèâîãî âåùåñòâà. Òàêîâà, ïî åãî ìíåíèþ, ïðåäáèîëîãè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ âåùåñòâà. Àêàäåìèê Â. Âåðíàäñêèé âîçíèêíîâåíèå æèçíè ñâÿçûâàë ñ ìîùíûì ñêà÷êîì, ïðåðâàâøèì áåçæèçíåííóþ ýâîëþöèþ çåìíîé êîðû. Ýòîò ñêà÷îê (áèôóðêàöèÿ) âíåñ â ýâîëþöèþ ñòîëüêî ïðîòèâîðå÷èé, ÷òî îíè ñîçäàëè óñëîâèÿ äëÿ çàðîæäåíèÿ æèçíè.

8.8. Ôèçèêî-õèìè÷åñêèå ïðåäïîñûëêè äëÿ çàðîæäåíèÿ æèçíè íà Çåìëå

227

8.8. Ôèçèêî-õèìè÷åñêèå ïðåäïîñûëêè äëÿ çàðîæäåíèÿ æèçíè íà Çåìëå Êàê èçâåñòíî, âîçðàñò Çåìëè ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 5 ìëðä ëåò. Æèçíü íà Çåìëå ñóùåñòâóåò ïîðÿäêà 3,5–3,7 ìëðä ëåò. Òàê, ïðèçíàêè äåÿòåëüíîñòè ïåðâûõ æèâûõ îðãàíèçìîâ îáíàðóæåíû â äîêåìáðèéñêèõ ïîðîäàõ. Êàê âèäíî, æèçíü ïî «âîçðàñòó ñâîåìó» ÿâëÿåòñÿ ïî÷òè ðîâåñíèöåé Çåìëè. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî ñàìî ïðîèñõîæäåíèå æèçíè íà Çåìëå òåñíî ñâÿçàíî ñ ïðîòåêàíèåì îïðåäåëåííûõ õèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ è ðåàêöèé íà ïîâåðõíîñòè íàøåé ïëàíåòû. Íà÷àëüíûé ýòàï ýòîãî ïðîöåññà (ïîÿâëåíèÿ æèçíè) ñâÿçàí ñ ãåîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèåé Çåìëè. Íà ïåðâûõ ýòàïàõ ñâîåé èñòîðèè íàøà ïëàíåòà áûëà î÷åíü ãîðÿ÷åé (4–8 òûñ. °Ñ). Ïî ìåðå îñòûâàíèÿ âñëåäñòâèå âðàùåíèÿ àòîìû òÿæåëûõ ýëåìåíòîâ ñìåùàëèñü ê öåíòðó. Íà ïîâåðõíîñòíûõ ñëîÿõ êîíöåíòðèðîâàëèñü àòîìû ëåãêèõ ýëåìåíòîâ, òàêèõ êàê óãëåðîä, àçîò, âîäîðîä, êèñëîðîä. Ïðè äàëüíåéøåì îõëàæäåíèè Çåìëè ïîÿâèëèñü õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ: ìåòàí, âîäà, äâóîêèñü óãëåðîäà, àììèàê, ìîëåêóëÿðíûé âîäîðîä, àçîò. Â ýòîé àòìîñôåðå ïðèñóòñòâîâàëè ëèøü ñëåäû ñâîáîäíîãî êèñëîðîäà. Îíà áûëà áîãàòà èíåðòíûìè ãàçàìè: íåîíîì, àðãîíîì, ãåëèåì. Ôèçè÷åñêèå è õèìè÷åñêèå ñâîéñòâà âîäû (âûñîêàÿ òåïëîåìêîñòü, âÿçêîñòü, ïîëÿðíîñòü, àãäåçèÿ, êîãåçèÿ, õîðîøèé ðàñòâîðèòåëü è ò. ä.) è óãëåðîäà (ñïîñîáíîñòü îáðàçîâûâàòü ëèíåéíûå ñîåäèíåíèÿ, òðóäíîñòü îáðàçîâàíèÿ îêñèäîâ, ñïîñîáíîñòü ê âîññòàíîâëåíèþ, êîâàëåíòíàÿ ñâÿçü) îïðåäåëèëè ðîëü âîäû è óãëåðîäà â çàðîæäåíèè æèçíè.

Îáðàçîâàíèå ïðîñòûõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé Ïåðâè÷íàÿ àòìîñôåðà Çåìëè íà íà÷àëüíûõ ýòàïàõ ýâîëþöèè ïëàíåòû íîñèëà âîññòàíîâèòåëüíûé õàðàêòåð, ïîñêîëüêó ïðàêòè÷åñêè íå ñîäåðæàëà ñâîáîäíîãî êèñëîðîäà. Ïîíèæåíèå òåìïåðàòóðû ñïîñîáñòâîâàëî ïåðåõîäó íåêîòîðûõ ãàçîîáðàçíûõ ñîåäèíåíèé â æèäêîå è òâåðäîå ñîñòîÿíèÿ. Ïðè ïàäåíèè òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè Çåìëè íèæå 100 °Ñ ïðîèçîøëà êîíäåíñàöèÿ âîäÿíûõ ïàðîâ ñ ñèëüíåéøèìè ëèâíÿìè è ãðîçàìè. Ýòî ïðèâåëî ê îáðàçîâàíèþ ïåðâè÷íûõ âîäîåìîâ. Àêòèâíàÿ âóëêàíè÷åñêàÿ äåÿòåëüíîñòü Çåìëè âûíîñèëà â âîäíóþ ñðåäó íàðÿäó ñ äðóãèìè ñîåäèíåíèÿìè ìíîæåñòâî ñîåäèíåíèé ìåòàëëîâ ñ óãëåðîäîì, êàðáèäîâ. Â ðåçóëüòàòå ñîåäèíåíèÿ êàðáèäîâ ñ âîäîé îáðà-

228 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ çîâûâàëèñü óãëåâîäîðîäíûå ñîåäèíåíèÿ. Òåïëàÿ äîæäåâàÿ âîäà èìåëà â ñâîåì ñîñòàâå óãëåâîäîðîäíûå ñîåäèíåíèÿ, ãàçû (ÑÎ2, NH3 è äð.), ñîëè, êîòîðûå âñòóïàëè â õèìè÷åñêèå ðåàêöèè. Îáðàçîâûâàëèñü è óãëåðîäèñòî-àçîòèñòûå ãðóïïû – N = C = N –. Ïîñòåïåííî â âîäíîé ñðåäå íà ïîâåðõíîñòè íàøåé ìîëîäîé ïëàíåòû ñòàëè íàêàïëèâàòüñÿ ïðîñòåéøèå îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ.

Îáðàçîâàíèå ñëîæíûõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé Ñëåäóþùèé ýòàï áèîãåíåçà õàðàêòåðèçîâàëñÿ îáðàçîâàíèåì óæå áîëåå ñëîæíûõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, ñîçäàíèåì áåëêîâûõ âåùåñòâ. Ïîâûøåííàÿ òåìïåðàòóðà â âîäàõ îêåàíà, ìîùíîå óëüòðàôèîëåòîâîå èçëó÷åíèå Ñîëíöà (òîãäà îçîíîâûé ñëîé îòñóòñòâîâàë), ãðîçîâûå ýëåêòðè÷åñêèå ðàçðÿäû ñîçäàâàëè ìîùíûé ýíåðãåòè÷åñêèé ôîí, áëàãîäàðÿ êîòîðîìó ïðîñòûå ìîëåêóëû îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ äðóãèìè õèìè÷åñêèìè ñîåäèíåíèÿìè è ìåæäó ñîáîé ïîñòåïåííî óñëîæíÿëèñü. Ýòî óñëîæíåíèå ïðèâåëî ê îáðàçîâàíèþ ðàçëè÷íûõ ïîëèìåðîâ: ïîëèñàõàðèäîâ, àìèíîêèñëîò, æèðíûõ êèñëîò, íóêëåèíîâûõ êèñëîò. Ýòî ïðåäïîëîæåíèå ýêñïåðèìåíòàëüíî áûëî ïîäòâåðæäåíî àìåðèêàíñêèì ó÷åíûì áèîëîãîì Ñ. Ìèëëåðîì â 1953 ã. íà ñïåöèàëüíî ñêîíñòðóèðîâàííîé óñòàíîâêå. Ïðè ýòîì áûëè ïîëó÷åíû ñàõàðà è öåëûé ðÿä àìèíîêèñëîò. Ïîçæå â àíàëîãè÷íûõ ýêñïåðèìåíòàõ â óñëîâèÿõ ëàáîðàòîðèè áûëà äîêàçàíà âîçìîæíîñòü ïîëó÷åíèÿ ñëîæíûõ áèîõèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, â òîì ÷èñëå è áåëêîâûõ ìîëåêóë, à òàêæå àçîòèñòûõ îñíîâàíèé íóêëåîòèäîâ. Äàííûå îïûòû ïîêàçàëè âîçìîæíîñòü îáðàçîâàíèÿ ìîëåêóë áåëêà â èñêóññòâåííûõ óñëîâèÿõ. Îáðàçîâàâøèåñÿ ñëîæíûå îðãàíè÷åñêèå âåùåñòâà ñêàïëèâàëèñü â âîäàõ ïåðâè÷íîãî îêåàíà, îñîáåííî â åãî ïðèáðåæíûõ, õîðîøî ïðîãðåâàåìûõ ÷àñòÿõ, îáðàçóÿ ïåðâè÷íûé «áóëüîí». Åãî íàñûùåíèþ ñïîñîáñòâîâàëà è äåÿòåëüíîñòü ïîäçåìíûõ âóëêàíîâ. Â òàêîì «áóëüîíå» ïðåäïîëîæèòåëüíî ìîã ðàçâèâàòüñÿ ïðîöåññ îáðàçîâàíèÿ ñëîæíûõ îðãàíè÷åñêèõ ìàêðîìîëåêóë.

Õèìè÷åñêèé ñîñòàâ æèâîé ïðèðîäû Ñîñòàâ æèâûõ îðãàíèçìîâ íàñ÷èòûâàåò âñåãî 16 õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, â òî âðåìÿ êàê íåæèâàÿ ïðèðîäà — áîëåå 110 ýëåìåíòîâ. Èç 16 ýëåìåíòîâ æèâîé ïðèðîäû ÷åòûðå ýëåìåíòà — óãëåðîä, âîäîðîä, êèñëîðîä è àçîò — ñîñòàâëÿþò 99% ìàññû æèâîãî âåùåñòâà. Ñâÿçàíî ýòî ñ îñî-


229

áåííîñòÿìè ôèçè÷åñêèõ è õèìè÷åñêèõ ñâîéñòâ ýòèõ ýëåìåíòîâ — âàëåíòíîñòüþ, ñïîñîáíîñòüþ îáðàçîâûâàòü ïðî÷íûå êîâàëåíòíûå ñâÿçè ìåæäó àòîìàìè. Â æèâîì îðãàíèçìå ãëàâíûì ýëåìåíòîì ÿâëÿåòñÿ óãëåðîä. Â îñíîâå æèâîãî ëåæàò óãëåðîäíûå ñîåäèíåíèÿ, ãäå àòîìû óãëåðîäà ñâÿçûâàþòñÿ ìåæäó ñîáîé ïðî÷íîé êîâàëåíòíîé ñâÿçüþ. Ýòî îáåñïå÷èâàåò ñòàáèëüíîñòü è ïðî÷íîñòü êàê õèìè÷åñêîãî ñîåäèíåíèÿ, òàê è æèâîãî îðãàíèçìà â öåëîì. Àòîìû óãëåðîäà ñïîñîáíû îáðàçîâûâàòü äëèííûå ðàçâåòâëåííûå öåïî÷êè êàê äðóã ñ äðóãîì, òàê è ñ àòîìàìè êèñëîðîäà, âîäîðîäà, àçîòà. Ïî ñóùåñòâó, âñå æèâîå — ýòî «óãëåðîäíûå» òåëà. Ðàíüøå ïîëàãàëè, ÷òî ìîëåêóëû óãëåðîäà ïðèñóùè òîëüêî æèâîìó. Ïîýòîìó ñîåäèíåíèÿ óãëåðîäà ïîëó÷èëè íàçâàíèÿ îðãàíè÷åñêèõ. Â ïðèðîäå ñîåäèíåíèé óãëåðîäà ñóùåñòâóåò ãîðàçäî áîëüøå, ÷åì ñîåäèíåíèé äðóãèõ ýëåìåíòîâ òàáëèöû Ìåíäåëååâà, ïðè÷åì áîëüøàÿ èõ ÷àñòü íå ñâÿçàíà ñ æèâûìè îðãàíèçìàìè. Â ñîñòàâ æèâîãî âõîäÿò òàêæå òàêèå ìàêðîýëåìåíòû, êàê ôîñôîð, ñåðà, êàëèé, êàëüöèé, ìàãíèé, æåëåçî, íàòðèé. Îíè îáðàçóþò ãðóïïó òàê íàçûâàåìûõ áèîôèëüíûõ ýëåìåíòîâ, èëè îðãàíîãåíîâ. Âàæíîå ôóíêöèîíàëüíîå çíà÷åíèå äëÿ îðãàíèçìîâ èìåþò è ìèêðîýëåìåíòû: êîáàëüò, áîð, öèíê, ìîëèáäåí, éîä, ìåäü. Îíè ñîñòàâëÿþò ñîòûå è òûñÿ÷íûå äîëè ïðîöåíòà îò ìàññû îðãàíèçìîâ.

Ìîíîìåðû è ìàêðîìîëåêóëû Âñå æèâîå ñîñòîèò èç ðàçëè÷íûõ ìàëûõ îðãàíè÷åñêèõ ìîëåêóë — ìîíîìåðîâ. Îáúåäèíÿÿñü, ìîíîìåðû îáðàçóþò ìàêðîìîëåêóëû (èõ åùå íàçûâàþò áèîëîãè÷åñêèìè ìîëåêóëàìè), ïðåäñòàâëÿþùèå ñîáîé ïîëèìåðíûå öåïî÷êè. Ìîíîìåðû ñêëàäûâàþòñÿ â îïðåäåëåííóþ, êîíêðåòíóþ ìîëåêóëÿðíóþ êîíñòðóêöèþ, îáðàçóÿ ïðè ýòîì íåîáõîäèìûé êîíêðåòíûé áåëîê. Ýòî çíà÷èò, ÷òî ïðîöåññû õèìè÷åñêîé ñàìîîðãàíèçàöèè ìàêðîìîëåêóë èãðàëè êëþ÷åâóþ ðîëü â ïðåäáèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèè. Ñîâðåìåííàÿ ýâîëþöèîííàÿ õèìèÿ êàê íàóêà î ñàìîîðãàíèçàöèè è ýâîëþöèè õèìè÷åñêèõ ñèñòåì ïðåäïî÷òåíèå â ïðîáëåìå ñàìîîðãàíèçàöèè ìàêðîìîëåêóëÿðíûõ ñòðóêòóð â ïðåäáèîëîãè÷åñêèé ïåðèîä îòäàåò êàòàëèçó. Ïîÿâëåíèå àâòîêàòàëèòè÷åñêèõ, à òàêæå ïîâûøåíèå óðîâíÿ èíôîðìàöèîííûõ ñâÿçåé ðåçêî óâåëè÷èëî èíòåíñèâíîñòü óïîðÿäî÷åíèÿ ïåðåõîäà ìàòåðèè îò ïðîñòûõ êî âñå áîëåå ñëîæíûì, èíôîðìàöèîííî íàñûùåííûì îðãàíè÷åñêèì ñîåäèíåíèÿì. Ïî ìíåíèþ À. Ðóäåíêî, ýâîëþöèîíèðóþùèìè ýëåìåíòàìè â ðàçâèòèè ïðåäáèîëîãè÷åñêèõ õèìè÷åñêèõ ñèñòåì ÿâëÿþòñÿ èìåííî òå ñòðóêòóðû è ñîåäè-

230 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ íåíèÿ, êîòîðûå ðåçêî óñèëèâàëè äåéñòâèÿ êàòàëèçàòîðîâ. Â ýòîì ñìûñëå áèîêàòàëèç ñ ó÷àñòèåì ôåðìåíòîâ òåñíî ñâÿçàí ñ ïðîáëåìàìè áèîãåíåçà è ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè. Ïî ìíåíèþ Ì. Ýéãåíà, îáðàçîâàíèå ìàêðîìîëåêóë è èõ ýâîëþöèÿ ñâÿçàíû ñ íåðàâíîâåñíûì ñîñòîÿíèåì îòêðûòûõ æèâûõ ñèñòåì. Îáìåí âåùåñòâîì è èíôîðìàöèåé ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé (ìåòàáîëèçì) ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê ñîâîêóïíîñòü õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé â æèâîé ñèñòåìå (êëåòêå). Ïðè ýòîì ìîëåêóëû-ìîíîìåðû, ïåðåõîäÿ èç îêðóæàþùåé ñðåäû â æèâóþ ñèñòåìó (îðãàíèçì), ïðèâíîñÿò â íåãî îïðåäåëåííóþ èíôîðìàöèþ. Ïîñëåäíÿÿ ïåðåðàáàòûâàåòñÿ îðãàíèçìîì è çàêðåïëÿåòñÿ â íåì ïðè ïðîöåññàõ ïîëèìåðèçàöèè è äåñòðóêöèè. Ïîëèìåðèçàöèÿ èäåò ïóòåì ñàìîèíñòðóêòèðóåìîé ðåïðîäóêöèè îáðàçîâàííûõ ìàêðîìîëåêóë. Åñëè â æèâîé ñèñòåìå ñêîðîñòü ðåïðîäóêöèè (âîñïðîèçâåäåíèÿ) âûøå, ÷åì ñêîðîñòü äåñòðóêöèè áèîïîëèìåðîâ, òî ìàêðîìîëåêóëû ðàñòóò; åñëè íåò, òî îíè ðàñïàäàþòñÿ. Ïîñòóïàþò â ñèñòåìó òîëüêî òå ìîíîìåðû, êîòîðûå ïðåîäîëåâàþò êîíêóðåíöèþ, ïîýòîìó îíè èìåþò îïðåäåëåííóþ ñåëåêöèîííóþ öåííîñòü äëÿ ìàêðîìîëåêóë. Òàêèì îáðàçîì, èäåò åñòåñòâåííûé îòáîð, òî åñòü ïðåäøåñòâåííèêàìè æèâûõ ñèñòåì, ïî-âèäèìîìó, áûëè ëèøü òå ìàêðîìîëåêóëû, êîòîðûå îáëàäàëè îïðåäåëåííûìè íåîáõîäèìûìè ñâîéñòâàìè. Ñëåäîâàòåëüíî, äàðâèíñêèé åñòåñòâåííûé îòáîð óæå ïðîÿâèë ñåáÿ è íà äîáèîëîãè÷åñêîé ñòàäèè ðàçâèòèÿ ìàòåðèè. Â æèâûõ îðãàíèçìàõ âàæíóþ ðîëü èãðàþò òðè êëàññà ìîëåêóë — ìîíîìåðîâ: àìèíîêèñëîòû, íóêëåîòèäû, ìîíîñàõàðèäû. Îíè ñëóæàò ñòðîèòåëüíûì ìàòåðèàëîì äëÿ ïîëèìåðíûõ áèîëîãè÷åñêèõ ìàêðîìîëåêóë, òàêèõ êàê áåëêè, íóêëåèíîâûå êèñëîòû è ïîëèñàõàðèäû. Ðàçìåðû ìîíîìåðîâ êîëåáëþòñÿ â äèàïàçîíå 0,5–1,0 íì, à ìàêðîìîëåêóë — 5–300 íì. Äèàìåòð ìîëåêóëû àìèíîêèñëîòû ïîðÿäêà 0,5 íì, õðîìîñîìû — ïðèìåðíî 1 íì, à àòîìîâ óãëåðîäà è âîäîðîäà — îêîëî 0,4 íì. Äëÿ ñðàâíåíèÿ ñðåäíèé äèàìåòð ñîìàòè÷åñêîé êëåòêè 10–20 ìêì, ðàñòèòåëüíîé — 30–50 ìêì. Òàêèì îáðàçîì, àòîìû ïðèìåðíî â 100 000 ðàç ìåíüøå êëåòêè. Âñå æèâûå îðãàíèçìû, èõ êëåòêè, îðãàíåëëû êàê ñóáñòðóêòóðû êëåòîê, âûïîëíÿþùèå ñïåöèôè÷åñêèå ôóíêöèè, ÿâëÿþòñÿ â öåëîì ñîâîêóïíîñòÿìè ìàêðîìîëåêóë. Æèâûå îðãàíèçìû ñîäåðæàò ÷åòûðå îñíîâíûõ êëàññà áèîïîëèìåðîâ: áåëêè, íóêëåèíîâûå êèñëîòû, óãëåâîäû è ëèïèäû. Îíè ÿâëÿþòñÿ ñòðóêòóðíîé îñíîâîé âñåõ æèâûõ îðãàíèçìîâ è èãðàþò âàæíåéøóþ ðîëü â ïðîöåññàõ æèçíåäåÿòåëüíîñòè. Áåëêè — ýòî âûñîêîìîëåêóëÿðíûå îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, ìàêðîìîëåêóëû êîòîðûõ ïîñòðîåíû èç îñòàòêîâ 20 àìèíîêèñëîò (ìîíî-


231

ìåðîâ). Áåëêè èãðàþò ïåðâîñòåïåííóþ ðîëü â ïðîöåññàõ æèçíåäåÿòåëüíîñòè âñåõ æèâûõ îðãàíèçìîâ. Èì ñâîéñòâåííû ðàçíîîáðàçíûå ôóíêöèè: ñòðóêòóðíàÿ — ïîñòðîåíèå êëåòîê è òêàíåé; ðåãóëÿòîðíàÿ — åå âûïîëíÿþò íåêîòîðûå èç ãîðìîíîâ; çàùèòíàÿ — âûïîëíÿþò àíòèòåëà; òðàíñïîðòíàÿ — âûïîëíÿåò ãåìîãëîáèí; ýíåðãåòè÷åñêàÿ è ò. ä. Òîëüêî â îðãàíèçìå ÷åëîâåêà, íàïðèìåð, íàñ÷èòûâàåòñÿ ñâûøå 10 ìëí ðàçëè÷íûõ áåëêîâ. Áåç áåëêîâ íåâîçìîæåí îáìåí âåùåñòâ. Áèîñèíòåç áåëêîâ èäåò ïðè ó÷àñòèè íóêëåèíîâûõ êèñëîò. Íà äîëþ áåëêà ïðèõîäèòñÿ ïðèìåðíî 50% ñóõîé ìàññû âñåõ îðãàíè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé êëåòêè. Íóêëåèíîâûå êèñëîòû, èëè ïîëèíóêëèîòèäû. Ýòè áèîïîëèìåðû ïîñòðîåíû èç áîëüøîãî ÷èñëà îñòàòêîâ íóêëèîòèäîâ è ÿâëÿþòñÿ ñîñòàâíîé ÷àñòüþ âñåõ æèâûõ ñèñòåì. Ýòèì ìàêðîìîëåêóëàì ïðèíàäëåæèò âåäóùàÿ ðîëü â áèîñèíòåçå áåëêîâ è ïåðåäà÷å íàñëåäñòâåííûõ ïðèçíàêîâ îðãàíèçìà. Ýòè êèñëîòû ñõîäíû ïî ñâîåìó ñîñòàâó è ñòðîåíèþ, íî çíà÷èòåëüíî ðàçëè÷àþòñÿ ïî ìîëåêóëÿðíîìó âåñó, êîòîðûé ñîñòàâëÿåò äèàïàçîí îò íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ òûñÿ÷ äî 150 ìëí. Ñóùåñòâóåò 2 òèïà íóêëåèíîâûõ êèñëîò — ÄÍÊ è ÐÍÊ. ÄÍÊ — äåçîêñèðèáîíóêëåèíîâàÿ êèñëîòà — ñîäåðæèò ãåíåòè÷åñêóþ èíôîðìàöèþ î ïîñëåäîâàòåëüíîñòè àìèíîêèñëîò â ïîëèïåïòèäíûõ öåïÿõ è îïðåäåëÿåò ñàìó ñòðóêòóðó áåëêîâ. ÐÍÊ — ðèáîíóêëåèíîâàÿ êèñëîòà íåñåò îòâåòñòâåííîñòü çà ñîçäàíèå áåëêîâ. Ïîðÿäîê ðàñïîëîæåíèÿ ñîñòàâëÿþùèõ ìîëåêóëû ÄÍÊ è ÐÍÊ íóêëåîòèäîâ îïðåäåëÿåò ïîðÿäîê ðàñïîëîæåíèÿ àìèíîêèñëîò, à òàêæå èõ âîñïðîèçâåäåíèå â ïåðâè÷íûõ ñòðóêòóðàõ áåëêîâ. Ñëåäîâàòåëüíî, ÷åðåç ìîëåêóëû íóêëåèíîâûõ êèñëîò ïåðåäàåòñÿ èíôîðìàöèÿ î ðàçëè÷íûõ íàñëåäñòâåííûõ ñâîéñòâàõ ñòðóêòóð æèâûõ îðãàíèçìîâ è èäåò ðåàëèçàöèÿ ìåõàíèçìà íàñëåäñòâåííîñòè.

Êîàöåðâàòû Âîçðàñòàþùàÿ êîíöåíòðàöèÿ «ïåðâè÷íîãî áóëüîíà» îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ ïðèâîäèëà ê èõ âçàèìîäåéñòâèþ, îáúåäèíåíèþ è îáîñîáëåíèþ â íåêèå ìåëêèå ñòðóêòóðû â âîäíîì ðàñòâîðå, êîòîðûå À. Îïàðèí íàçâàë êîàöåðâàòíûìè êàïëÿìè èëè êîàöåðâàòàìè. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî â íàñòîÿùåå âðåìÿ ñòðóêòóðû, ïîäîáíûå êîàöåðâàòàì, ïîëó÷àþò èñêóññòâåííûì ïóòåì, ñìåøèâàÿ ðàñòâîðû ðàçíûõ áåëêîâ. Êîàöåðâàòû, ïî À. Îïàðèíó, — ýòî ìåëü÷àéøèå êîëëîèäíûå îáðàçîâàíèÿ òèïà êàïåëü, îáëàäàþùèå îñìîòè÷åñêèìè ñâîéñòâàìè. Áëàãîäàðÿ âçàèìîäåéñòâèþ ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ â ñëàáûõ ðàñòâîðàõ ïðîèñõîäèò àãðåãàöèÿ ìîëåêóë. Ìîëåêóëû âîäû ñîçäàþò ïîâåðõíîñòü ðàçäåëà âîêðóã îáðàçî-

232 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ âàâøåãîñÿ àãðåãàòà. Ïðåäïîëîæèòåëüíî, ÷òî óæå îäíîâðåìåííî ñ îáðàçîâàíèåì ïîëèìåðîâ (ïîëèìåðèçàöèè) øëî è îáðàçîâàíèå áèîëîãè÷åñêèõ ìåìáðàí, îãðàíè÷èâàþùèõ âåùåñòâà êîàöåðâàòà îò ñðåäû. Îáðàçîâàíèå ìåìáðàí ñ÷èòàåòñÿ òðóäíîé çàäà÷åé õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè. Áåç íèõ íå ìîæåò áûòü äàæå ñàìîé ïðèìèòèâíîé êëåòêè. Ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî ìåìáðàííûå ñòðóêòóðû, êàê è ôåðìåíòû, âîçíèêëè â õîäå îáðàçîâàíèÿ êîàöåðâàòîâ. Áèîëîãè÷åñêèå ìåìáðàíû — ýòî áåëêîâî-ëèïèäíûå àãðåãàòû, õàðàêòåðèçóþùèåñÿ ïîëóïðîíèöàåìîñòüþ. Îíè îãðàíè÷èâàþò âåùåñòâî êîàöåðâàòà îò îêðóæàþùåé ñðåäû, ïðèäàâàÿ ïðî÷íîñòü êîàöåðâàòíîé «óïàêîâêè». Êîàöåðâàòû èìåþò ñëîæíóþ îðãàíèçàöèþ è îáëàäàþò ðÿäîì ñâîéñòâ ïðèìèòèâíûõ æèâûõ ñèñòåì. Òàê, îíè ñïîñîáíû ê ïîãëîùåíèþ èç îêðóæàþùåé ñðåäû ðàçëè÷íûõ âåùåñòâ, êîòîðûå âñòóïàþò âî âçàèìîäåéñòâèå ñ âåùåñòâàìè êîàöåðâàòà. Ýòî ïîõîæå íà ïåðâè÷íóþ ôîðìó óñâîåíèÿ âåùåñòâ (àññèìèëÿöèþ). Îáðàçóþùèåñÿ â êîàöåðâàòå ïðîäóêòû ðàñïàäà âûäåëÿþòñÿ íàðóæó, ïðîõîäÿ ÷åðåç ïîëóïðîíèöàåìóþ ïåðåãîðîäêó. Îäíàêî, â ïðèíöèïå, êîàöåðâàòû íåëüçÿ îòíåñòè ê æèâûì ñèñòåìàì, ïîñêîëüêó îíè íå îáëàäàþò ñïîñîáíîñòüþ ê ñàìîðåãóëÿöèè è ñàìîâîñïðîèçâåäåíèþ. Îíè îáëàäàþò ëèøü ïðåäïîñûëêàìè æèâûõ ñèñòåì.

Îáðàçîâàíèå ïðîñòåéøèõ ôîðì æèâûõ îðãàíèçìîâ Ïåðåõîä êîàöåðâàòîâ êàê ïðåäæèçíåííûõ ñèñòåì ê æèâîìó — ýòî ãëàâíûé âîïðîñ â ó÷åíèè î ïðîèñõîæäåíèè æèçíè. Îí ñâÿçàí ñ äåéñòâèåì ìåõàíèçìà êîíâàðèàíòíîé ðåäóïëèêàöèè. Â õîäå ïðåäáèîëîãè÷åñêîãî îòáîðà âûæèâàëè òå ñèñòåìû, êîòîðûå èìåëè íå òîëüêî ñïîñîáíîñòü ê îáìåíó âåùåñòâ, íî è îñîáîå ñòðîåíèå ìàêðîìîëåêóë. Ýòî îáóñëîâèëî ïîÿâëåíèå ãëàâíîãî êà÷åñòâà æèâîãî — íàñëåäñòâåííîñòè. Ïðè ïîÿâëåíèè óñòîé÷èâîãî ìåõàíèçìà âîñïðîèçâåäåíèÿ ãåíåòè÷åñêîé èíôîðìàöèè ýðà õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè çàêîí÷èëàñü. Íàñòóïèëî âðåìÿ áèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèè, ýðà åñòåñòâåííîãî îòáîðà. Ñ îáðàçîâàíèåì êîàöåðâàòîâ êàê ïðåäâåñòíèêîâ æèâîé êëåòêè Â. Âåðíàäñêèé ñâÿçûâàåò ïîÿâëåíèå ïåðâè÷íîãî êðóãîâîðîòà âåùåñòâ â ïðèðîäå, îáóñëîâëåííîãî âçàèìíûì îáìåíîì îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ â ïðîöåññå èõ ñèíòåçà èëè ðàñïàäà. Ïðè ýòîì óæå èìåë ìåñòî ïðîöåññ åñòåñòâåííîãî îòáîðà: áîëåå óñòîé÷èâûå îáðàçîâàíèÿ ñîõðàíÿëèñü, à íåóñòîé÷èâûå — ðàñïàäàëèñü. Â ïðîöåññå îòáîðà óñòîé÷èâûå êîàöåð-


233

âàòû íå òåðÿëè ñâîþ ñòðóêòóðó äàæå ïðè äåëåíèè. Ýòî õàðàêòåðèçóåò óæå ñàìîîðãàíèçàöèþ è ñàìîâîñïðîèçâîäñòâî. Ïåðåõîä ñèñòåì ê ñàìîâîñïðîèçâåäåíèþ, òî åñòü ê ìàòðè÷íîìó ñèíòåçó áåëêîâ ÿâëÿëñÿ îãðîìíûì êà÷åñòâåííûì ñêà÷êîì â ýâîëþöèè ìàòåðèè. Êàê ïðîèçîøåë ýòîò ñêà÷îê, ïîêà íå ÿñíî. Îñíîâíàÿ ñëîæíîñòü â òîì, ÷òî äëÿ ñàìîðåïðîäóêöèè íóêëåèíîâûõ êèñëîò íåîáõîäèìû ôåðìåíòíûå áåëêè, à äëÿ ñîçäàíèÿ áåëêîâ — íóêëåèíîâûå êèñëîòû. Êàê ðàçîðâàòü ýòîò êðóã? Êàê îáúÿñíèòü, ÷òî íà ñòàäèè ïðåäáèîëîãè÷åñêîãî îòáîðà ïðîèçîøëî îáúåäèíåíèå ñïîñîáíîñòåé ê ñàìîâîñïðîèçâîäñòâó ïîëèíóêëèîòèäîâ ñ êàòàëèòè÷åñêîé àêòèâíîñòüþ ïîëèïåïòèäîâ â óñëîâèÿõ ðàçîáùåíèÿ â ïðîñòðàíñòâå è âðåìåíè íà÷àëüíûõ è êîíå÷íûõ ïðîäóêòîâ ðåàêöèè. Íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûìè â ýòîì îòíîøåíèè ÿâëÿþòñÿ ãèïîòåçû, îñíîâûâàþùèåñÿ íà ïðèíöèïå ñàìîîðãàíèçàöèè è ïðåäñòàâëåíèÿõ î ãèïåðöèêëàõ. Ãèïåðöèêëû — ýòî ñèñòåìû, ñâÿçûâàþùèå ñàìîâîñïðîèçâîäÿùèåñÿ (àâòîêàòàëèòè÷åñêèå) åäèíèöû äðóã ñ äðóãîì ïîñðåäñòâîì öèêëè÷åñêîé ñâÿçè. Â íèõ ïðîèñõîäèò ñàìîîðãàíèçàöèÿ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé, òàê ÷òî öèêëè÷åñêàÿ îðãàíèçàöèÿ îäíîãî óðîâíÿ ÿâëÿåòñÿ ýëåìåíòîì öèêëà äðóãîãî, óæå áîëåå âûñîêîãî óðîâíÿ. Ïî ìíåíèþ íåìåöêîãî ôèçèêî-õèìèêà Ì. Ýéãàíà (ðîä. â 1927 ã.), ãèïåðöèêëû îïðåäåëÿþò ðåïðîäóêöèþ ïîñëåäóþùèõ áåëêîâ, à òàêæå îñóùåñòâëÿþò ðîëü ñàìîâîñïðîèçâîäÿùåéñÿ ñèñòåìû õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé. Ãèïåðöèêë, ñôîðìèðîâàâøèéñÿ èç íóêëåèíîâûõ êèñëîò, êîòîðûå ñïîñîáíû ñ ïîìîùüþ ôåðìåíòîâ ñèíòåçèðîâàòü áåëêè, îáåñïå÷èâàåò îòáîð ìàêðîìîëåêóë ñ îáúåìîì èíôîðìàöèè, äîñòàòî÷íûì äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ æèâîãî îðãàíèçìà. Öèêëè÷åñêèå ðåàêöèè â ïðîöåññå ýâîëþöèè ïîâòîðÿþòñÿ, è êàæäîå ïîâòîðåíèå âåäåò ê îáðàçîâàíèþ íîâûõ, áîëåå ñîâåðøåííûõ ñèñòåì óïðàâëåíèÿ. Òàêîå ðàçâèòèå îáåñïå÷èâàåò ïîñëåäóþùåìó ïîêîëåíèþ îðãàíèçìîâ âñå áîëüøóþ àäàïòàöèþ ê îêðóæàþùåé ñðåäå, óâåëè÷èâàÿ äàëüíåéøåå ðàçíîîáðàçèå èõ ðåàêöèé. Ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò óñëîæíåíèå ñòðóêòóð, âîçðàñòàåò óðîâåíü èõ îðãàíèçàöèè, ÷òî óìåíüøàåò ýíòðîïèþ âíóòðåííèõ ñîñòîÿíèé. Ñëåäîâàòåëüíî, ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî ãèïåðöèêëû ÿâëÿþòñÿ òåì ìîñòèêîì, ÷åðåç êîòîðûé ïðèðîäà îðãàíèçîâàëà ïåðåõîä îò ìîëåêóë íåæèâîé ïðèðîäû ê áèîìàêðîìîëåêóëàì æèâîé, ïðåîäîëåâ áàðüåð ìåæäó æèâûì è íåæèâûì. Äàëüíåéøèé ïðåäáèîëîãè÷åñêèé îòáîð è ðàçâèòèå êîàöåðâàòîâ, âåðîÿòíî, øëè íåñêîëüêèìè ïóòÿìè. Îäèí èç íèõ — ýòî âûðàáîòêà è íàêîïëåíèå ñïåöèôè÷åñêèõ áåëêîâîïîäîáíûõ ïîëèìåðîâ, óñêîðèòåëåé

234 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé. Â ñâÿçè ñ ýòèì ñòðîåíèå íóêëåèíîâûõ êèñëîò èìåëî «íàïðàâëåííîñòü íà ðàçìíîæåíèå» ñèñòåì, êîãäà óäâîåíèå íóêëåèíîâûõ êèñëîò øëî ïðè ó÷àñòèè ôåðìåíòîâ. Ïî-âèäèìîìó, íà ýòîì íàïðàâëåíèè è ïðîèçîøëî îáðàçîâàíèå öèêëè÷åñêîãî îáìåíà âåùåñòâ â æèâûõ ñèñòåìàõ. Âòîðîé ïóòü ñâÿçàí ñ îòáîðîì â ñèñòåìå êîàöåðâàòîâ ñàìèõ íóêëåèíîâûõ êèñëîò â íàèáîëåå óäà÷íûõ ñî÷åòàíèÿõ ïîñëåäîâàòåëüíîñòè íóêëåîòèäîâ. Íà òàêèõ íàïðàâëåíèÿõ ôîðìèðîâàëèñü ãåíû. Ñôîðìèðîâàâøèåñÿ ãåíû äåëàþò ñèñòåìó óæå ñàìîâîñïðîèçâîäÿùåéñÿ, ñî ñëîæèâøåéñÿ îïðåäåëåííîé âïîëíå ñòàáèëüíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòüþ íóêëåîòèäîâ â íóêëåèíîâîé êèñëîòå. Ýòè ñèñòåìû óæå ìîãóò ïî îïðåäåëåíèþ íàçûâàòüñÿ æèâûìè. Òàê, ïðåäïîëîæèòåëüíî, ñôîðìèðîâàëàñü ïåðâè÷íàÿ ñàìîâîñïðîèçâîäÿùàÿñÿ æèâàÿ ñèñòåìà — ïðèìèòèâíûå ïåðâè÷íûå îðãàíèçìû. Êîíå÷íî, â ïðîáëåìå âîçíèêíîâåíèÿ æèâîãî åùå ìíîãî íåÿñíîãî. Íåðàçðåøåííûì îñòàþòñÿ âîïðîñû, ïî÷åìó áåëêîâûå ïîëèìåðíûå öåïè ñîäåðæàò òîëüêî «ëåâóþ ñèììåòðèþ», à âîò ñïèðàëü ìîëåêóëû ÄÍÊ çàêðó÷åíà âïðàâî; êàêèå ïðè÷èíû ïðåäáèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèè ìîãëè ïðèâåñòè ê òàêîé çàêîíîìåðíîñòè â àñèììåòðèè æèâîãî. Àñèììåòðè÷íûå ìîëåêóëû, îòêëîíÿþùèå ëó÷ ñâåòà âïðàâî èëè âëåâî, â õèìèè íàçûâàþòñÿ ñòåðåîèçîìåðàìè. Ñàìî æå ñâîéñòâî çåðêàëüíîé àñèììåòðèè íîñèò íàçâàíèå õèðàëüíîñòè èëè êèðàëüíîñòè (îò ãðå÷. cheir — ðóêà). Èçâåñòíî, ÷òî â íåæèâîé ïðèðîäå õèðàëüíûå (êèðàëüíûå) ìîëåêóëû ðàâíîâåñíî âñòðå÷àþòñÿ êàê â ëåâîì, òàê è â ïðàâîì âàðèàíòå. Â æèâîé ïðèðîäå — òîëüêî â ëåâîì èëè òîëüêî â ïðàâîì. Â ýòîì ñìûñëå ìîëåêóëû íåæèâîé ïðèðîäû ñèììåòðè÷íû è õèðàëüíî íå÷èñòû, â òî âðåìÿ êàê ìîëåêóëû æèâûõ îðãàíèçìîâ õèðàëüíî ÷èñòû. Íàïðèìåð, ìîëåêóëà âîäû çåðêàëüíî ñèììåòðè÷íà, à âîò ìîëåêóëû ãëþêîçû, ôðóêòîçû, àìèíîêèñëîòû çåðêàëüíî àñèììåòðè÷íû. Ýòî ÿâëåíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îäèí èç ïðèçíàêîâ îòëè÷èÿ æèâîãî îò íåæèâîãî. Òàê, ïîïàäàÿ â îðãàíèçì ðàñòåíèÿ, âîäà è óãëåêèñëûé ãàç, òî åñòü õèðàëüíî íå÷èñòûå ìîëåêóëû, â ðåçóëüòàòå ôîòîñèíòåçà «ïåðåêîíñòðóèðóþòñÿ» â õèðàëüíî ÷èñòûå ìîëåêóëû îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ (áåëêè, ñàõàðà è ò. ä.). Òàêèì îáðàçîì, îòëè÷èå «æèâûõ» ìîëåêóëÿðíûõ êîíñòðóêöèé îò «íåæèâûõ» ñîñòîèò íå òîëüêî â òîì, ÷òî ïåðâûå ïîñòðîåíû èç îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ ìîëåêóë, íî åùå è â òîì, ÷òî áèîìîëåêóëû âìîíòèðîâàíû â ýòó êîíñòðóêöèþ îðèãèíàëüíûì îáðàçîì ñ ó÷åòîì òîëüêî ëèáî ëåâîé, ëèáî ïðàâîé ôîðìû.


235

Ñåé÷àñ ñ ïîìîùüþ ýêñïåðèìåíòîâ äîêàçàíî, ÷òî òàêîå ðàçäåëåíèå èìååò ìåñòî ïðè íåëèíåéíîé äèíàìèêå ïðîòåêàíèÿ õèìè÷åñêèõ àâòîêàòàëèòè÷åñêèõ ðåàêöèé. Ýòî çíà÷èò, ÷òî ïåðåõîä îò ñèììåòðè÷íûõ ìîëåêóë íåæèâîãî ê àñèììåòðè÷íûì áèîìîëåêóëàì æèâîé ïðèðîäû âïîëíå ðåàëüíî ìîã ïðîèñõîäèòü ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ íà ñòàäèè ïðåäáèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèè ìàòåðèè. Òàêèì îáðàçîì, îäíèì èç íåîáõîäèìûõ óñëîâèé ïåðåõîäà îò íåæèâîãî ê æèâîìó ÿâëÿåòñÿ ñïîíòàííîå, âîçìîæíî ñêà÷êîîáðàçíîå, íàðóøåíèå çåðêàëüíîé ñèììåòðèè êàê ðåçóëüòàò ðåàêöèé àâòîêàòàëèòè÷åñêîãî òèïà. Îáðàçîâàíèå æèçíè — ýòî ïðîöåññ ñàìîîðãàíèçàöèè, êîãäà èç õàîòè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ ëåâûõ è ïðàâûõ íåîðãàíè÷åñêèõ è îðãàíè÷åñêèõ ìîëåêóë ñîåäèíåíèé (ýíàíòèîìåðîâ) ñòàëè îáðàçîâûâàòüñÿ óïîðÿäî÷åííûå, õèðàëüíî ÷èñòûå îðãàíè÷åñêèå òîëüêî ëåâûå èëè òîëüêî ïðàâûå ìîëåêóëû. Ïî-âèäèìîìó, èìåííî åñòåñòâåííûé îòáîð â ïðîöåññå õèìè÷åñêîé (ïðåäáèîëîãè÷åñêîé) ýâîëþöèè ïðèâåë ê õèðàëüíîé ÷èñòîòå íóêëåèíîâûõ êèñëîò è áåëêîâ, èõ íåñîâìåñòèìîñòè ñî ñâîèìè çåðêàëüíûìè îòîáðàæåíèÿìè. Ïî ïîäñ÷åòàì ó÷åíûõ, äëÿ ýòîãî ïîòðåáîâàëîñü îêîëî 1 ìëí ëåò. Íåêîòîðûå ñîâðåìåííûå èññëåäîâàòåëè ãåíåòè÷åñêîé ïðîãðàììû ñòðîåíèÿ áåëêîâ æèâîãî îðãàíèçìà ñ ïîçèöèé õèðàëüíîñòè ðàññìàòðèâàþò óíèêàëüíóþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü çâåíüåâ â îïðåäåëåííûõ áèîïîëèìåðíûõ öåïÿõ. Òàêîå ñâîéñòâî æèâîé ìàòåðèè îíè íàçûâàþò ãîìîõèðàëüíîñòüþ. Ñîãëàñíî ýòèì âûâîäàì, îñíîâíûå áèîëîãè÷åñêèå ìàêðîìîëåêóëû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ãîìîõèðàëüíûå ïîëèìåðû. Îäíàêî ìåõàíèçì îáðàçîâàíèÿ ãîìîõèðàëüíîñòè ïîêà îñòàåòñÿ çàãàäêîé.

Êëåòêà êàê ýëåìåíòàðíàÿ åäèíèöà æèâîãî Âñå æèâîå ñîñòîèò èç êëåòîê êàê îòäåëüíûõ åäèíèö è ðàçìíîæàåòñÿ èç êëåòîê. Ïîýòîìó êëåòêó ìîæíî ñ÷èòàòü ìåëü÷àéøåé åäèíèöåé âñåãî æèâîãî. Êëåòêà õàðàêòåðèçóåòñÿ âñåìè ïðèçíàêàìè æèâîãî. Êàæäàÿ îòäåëüíàÿ êëåòêà ÿâëÿåòñÿ ìèêðîíîñèòåëåì æèçíè, òàê êàê â íåé çàêëþ÷åíà ãåíåòè÷åñêàÿ èíôîðìàöèÿ, äîñòàòî÷íàÿ äëÿ âîñïðîèçâåäåíèÿ âñåãî îðãàíèçìà. Æèçíü êàæäîé îòäåëüíîé êëåòêè îðãàíèçìà ïîä÷èíåíà äåÿòåëüíîñòè îðãàíèçìà â öåëîì. Êëåòêå ñâîéñòâåííû âñå ïðèçíàêè æèâîãî: ðàçäðàæèìîñòü, îáìåí âåùåñòâ, ñàìîîðãàíèçàöèÿ è ñàìîðåãóëÿöèÿ, ïåðåäà÷à íàñëåäñòâåííûõ ïðèçíàêîâ. Ýòî ñëîæíàÿ ñàìîîðãàíèçóþùàÿñÿ áèîõèìè÷åñêàÿ «ëàáîðàòîðèÿ», ñîñòîÿùàÿ èç áîëüøîãî êîëè÷åñòâà ÷åòêî è ñîãëàñîâàííî ôóíêöèîíèðóþùèõ îðãàíîèäîâ. Îòäåëüíûå êëåòêè ñïîñîáíû ñàìîñòîÿòåëüíî ñóùåñòâîâàòü òîëüêî â ñëó-

236 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ ÷àå, åñëè îíè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé îäíîêëåòî÷íûé îðãàíèçì. Êëåòêè æå ìíîãîêëåòî÷íîãî îðãàíèçìà íåñïîñîáíû ê ñàìîñòîÿòåëüíîìó ñóùåñòâîâàíèþ â îòêðûòîé ñðåäå. Îñíîâíîé ñîñòàâëÿþùåé êëåòêè ÿâëÿþòñÿ áèîïîëèìåðû, ïðèçâàííûå îñóùåñòâëÿòü âàæíåéøèå ôóíêöèè â îáùåé ñèñòåìå ñîãëàñîâàííûõ àâòîêàòàëèòè÷åñêèõ öèêëîâ, êîòîðûå ñîñòàâëÿþò îñíîâó æèçíè áèîëîãè÷åñêèõ ñèñòåì. Âàæíåéøåé ôóíêöèåé êëåòêè ÿâëÿåòñÿ åå ðàçìíîæåíèå ïóòåì äåëåíèÿ. Ñ ðîñòîì êëåòêè ïîñòåïåííî çàìåäëÿþòñÿ ïðîöåññû æèçíåäåÿòåëüíîñòè âñëåäñòâèå óõóäøåíèÿ óñëîâèé ïèòàíèÿ îòäåëüíûõ åå ýëåìåíòîâ. Ðîñò êëåòêè ñîïðîâîæäàåòñÿ òàêæå ïîñòðîåíèåì êîïèé åå ñîñòàâëÿþùèõ ýëåìåíòîâ. Â ñâÿçè ñ ýòèì ñïîñîáíîñòè óïðàâëåíèÿ âíóòðåííèìè ïðîöåññàìè êëåòêè ñíèæàþòñÿ, ðàñòåò ýíòðîïèÿ, ÷òî ñïîñîáñòâóåò ïåðåõîäó â íåóñòîé÷èâîå ñîñòîÿíèå. Äàëåå èäåò äåëåíèå êëåòêè íà äâå äî÷åðíèå êàê âûõîä èç íåóñòîé÷èâîãî, íåðàâíîâåñíîãî ñîñòîÿíèÿ. Ïðè äåëåíèè êëåòêè ëèøíÿÿ ýíòðîïèÿ ñáðàñûâàåòñÿ íàðóæó, à îáðàçîâàâøèåñÿ äâå íîâûå êëåòêè îáðåòàþò óñòîé÷èâîñòü äî ìîìåíòà ñëåäóþùåãî äåëåíèÿ. Íà ïðîòÿæåíèè âñåé æèçíè â ëþáîì îðãàíèçìå èäåò íåïðåðûâíàÿ çàìåíà ñòàðûõ êëåòîê íà îáðàçóþùèåñÿ íîâûå. Ñðåäíèé ñðîê æèçíåäåÿòåëüíîñòè êëåòîê ÷åëîâåêà — îäèí-äâà äíÿ. Êàæäûé äåíü â îðãàíèçìå ÷åëîâåêà ïîãèáàåò îêîëî 70 ìëðä êëåòîê êèøå÷íîãî ýïèòåëèÿ è 2 ìëðä ýðèòðîöèòîâ, êîòîðûå çàìåíÿþòñÿ íà íîâûå. Ïîëíàÿ çàìåíà êëåòîê êðîâè ÷åëîâåêà ïðîèñõîäèò â òå÷åíèå ÷åòûðåõ ìåñÿöåâ. Íåéðîíû — íåðâíûå êëåòêè — íå âîññòàíàâëèâàþòñÿ, íî â òå÷åíèå âñåé æèçíè ÷åëîâåêà íåïðåðûâíî ïåðåñòðàèâàþòñÿ. Êîëè÷åñòâî êëåòîê ó ðàçëè÷íûõ æèâûõ ñèñòåì ðàçëè÷íî. Òàê, ó ïðèìèòèâíûõ áåñïîçâîíî÷íûõ îíî äîñòèãàåò 102–104, ó âûñîêîîðãàíèçîâàííûõ îðãàíèçìîâ — 1015–1017. Ìàññà êëåòêè ñîñòàâëÿåò 10-8–10-9 ã. Ñðåäíèé ðàçìåð ñîìàòè÷åñêîé êëåòêè æèâîãî îðãàíèçìà äîñòèãàåò â äèàìåòðå 10–20 ìêì, à ðàñòèòåëüíîé — 30–50 ìêì.

8.9. Òåîðèè ýâîëþöèè îðãàíè÷åñêîãî ìèðà Íà÷àëüíûå ýòàïû áèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèè Ïîÿâëåíèå ïðèìèòèâíîé êëåòêè îçíà÷àëî îêîí÷àíèå ïðåäáèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèè æèâîãî è íà÷àëî áèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèè æèçíè. Ïåðâûìè âîçíèêøèìè íà íàøåé ïëàíåòå îäíîêëåòî÷íûìè îðãàíèçìàìè áûëè ïðèìèòèâíûå áàêòåðèè, íå îáëàäàâøèå ÿäðîì, òî åñòü ïðîêàðèîòû. Êàê óæå óêàçûâàëîñü, ýòî áûëè îäíîêëåòî÷íûå áåçúÿäåðíûå îðãàíèçìû. Îíè áûëè àíàýðîáàìè, ïîñêîëüêó æèëè â áåñêèñëî-

8.9. Òåîðèè ýâîëþöèè îðãàíè÷åñêîãî ìèðà

237

ðîäíîé ñðåäå, è ãåòåðîòðîôàìè, ïîñêîëüêó ïèòàëèñü ãîòîâûìè îðãàíè÷åñêèìè ñîåäèíåíèÿìè «îðãàíè÷åñêîãî áóëüîíà», òî åñòü âåùåñòâàìè, ñèíòåçèðîâàííûìè â õîäå õèìè÷åñêîé ýâîëþöèè. Ýíåðãåòè÷åñêèé îáìåí ó áîëüøèíñòâà ïðîêàðèîò ïðîèñõîäèë ïî òèïó áðîæåíèÿ. Íî ïîñòåïåííî «îðãàíè÷åñêèé áóëüîí» â ðåçóëüòàòå àêòèâíîãî ïîòðåáëåíèÿ óáûâàë. Ïî ìåðå åãî èñ÷åðïàíèÿ íåêîòîðûå îðãàíèçìû ñòàëè âûðàáàòûâàòü ñïîñîáû ôîðìèðîâàíèÿ ìàêðîìîëåêóë áèîõèìè÷åñêèì ïóòåì, âíóòðè ñàìèõ êëåòîê ïðè ïîìîùè ôåðìåíòîâ. Â òàêèõ óñëîâèÿõ êîíêóðåíòîñïîñîáíûìè îêàçàëèñü êëåòêè, êîòîðûå ñìîãëè ïîëó÷àòü áîëüøóþ ÷àñòü íåîáõîäèìîé ýíåðãèè íåïîñðåäñòâåííî îò èçëó÷åíèÿ Ñîëíöà. Ïî ýòîìó ïóòè è øåë ïðîöåññ ôîðìèðîâàíèÿ õëîðîôèëëà è ôîòîñèíòåçà. Ïåðåõîä æèâîãî ê ôîòîñèíòåçó è àâòîòðîôíîìó òèïó ïèòàíèÿ ÿâèëñÿ ïîâîðîòîì â ýâîëþöèè æèâîãî. Àòìîñôåðà Çåìëè ñòàëà «íàïîëíÿòüñÿ» êèñëîðîäîì, êîòîðûé äëÿ àíàýðîáîâ ÿâèëñÿ ÿäîì. Ïîýòîìó ìíîãèå îäíîêëåòî÷íûå àíàýðîáû ïîãèáëè, äðóãèå óêðûëèñü â áåñêèñëîðîäíûõ ñðåäàõ — áîëîòàõ è, ïèòàÿñü, âûäåëÿëè íå êèñëîðîä, à ìåòàí. Òðåòüè ïðèñïîñîáèëèñü ê êèñëîðîäó. Ó íèõ öåíòðàëüíûì ìåõàíèçìîì îáìåíà ñòàëî êèñëîðîäíîå äûõàíèå, êîòîðîå ïîçâîëèëî óâåëè÷èòü âûõîä ïîëåçíîé ýíåðãèè â 10–15 ðàç ïî ñðàâíåíèþ ñ àíàýðîáíûì òèïîì îáìåíà — áðîæåíèåì. Ïåðåõîä ê ôîòîñèíòåçó áûë äëèòåëüíûì ïðîöåññîì è çàâåðøèëñÿ îêîëî 1,8 ìëðä ëåò íàçàä. Ñ âîçíèêíîâåíèåì ôîòîñèíòåçà â îðãàíè÷åñêîì âåùåñòâå Çåìëè íàêàïëèâàëîñü âñå áîëüøå ýíåðãèè ñîëíå÷íîãî ñâåòà, ÷òî óñêîðÿëî áèîëîãè÷åñêèé êðóãîâîðîò âåùåñòâ è ýâîëþöèþ æèâîãî â öåëîì. Â êèñëîðîäíîé ñðåäå ñôîðìèðîâàëèñü ýóêàðèîòû, òî åñòü îäíîêëåòî÷íûå, èìåþùèå ÿäðî îðãàíèçìû. Ýòî áûëè óæå áîëåå ñîâåðøåííûå îðãàíèçìû ñ ôîòîñèíòåòè÷åñêîé ñïîñîáíîñòüþ. Èõ ÄÍÊ óæå áûëè ñêîíöåíòðèðîâàíû â õðîìîñîìû, òîãäà êàê ó ïðîêàðèîòíûõ êëåòîê íàñëåäñòâåííîå âåùåñòâî áûëî ðàñïðåäåëåíî ïî âñåé êëåòêå. Õðîìîñîìû ýóêàðèîòîâ áûëè ñêîíöåíòðèðîâàíû â ÿäðå êëåòêè, à ñàìà êëåòêà óæå âîñïðîèçâîäèëàñü áåç ñóùåñòâåííûõ èçìåíåíèé. Òàêèì îáðàçîì, äî÷åðíÿÿ êëåòêà ýóêàðèîò áûëà ïî÷òè òî÷íîé êîïèåé ìàòåðèíñêîé è èìåëà ñòîëüêî æå øàíñîâ íà âûæèâàíèå, ñêîëüêî è ìàòåðèíñêàÿ.

Îáðàçîâàíèå ðàñòåíèé è æèâîòíûõ Ïîñëåäóþùàÿ ýâîëþöèÿ ýóêàðèîòîâ áûëà ñâÿçàíà ñ ðàçäåëåíèåì íà ðàñòèòåëüíûå è æèâîòíûå êëåòêè. Òàêîå ðàçäåëåíèå ïðîèçîøëî â ïðîòåðîçîå, êîãäà Çåìëÿ áûëà çàñåëåíà îäíîêëåòî÷íûìè îðãàíèçìàìè (òàáë. 8.2).

238 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ Òàáëèöà 8.2

Âîçíèêíîâåíèå è ðàñïðîñòðàíåíèå îðãàíèçìîâ â èñòîðèè Çåìëè (ïî Ç. Áðåìó è È. Ìåéíêå, 1999 ã.) Ìèëëèîíîâ ëåò òîìó íàçàä

1,5

70 135

Ýïîõà Çåìëè Ýðà

Ãëàâíàÿ ãðóïïà îðãàíèçìîâ

Ïåðèîä

Ðàñòåíèÿ

Êàé- ×åòâåðíî- òè÷íûé çîéñêàÿ

Ïîêðûòîñåìåííûå

Ðàçâèòèå è ðàñïðîñòðàíåíèå ãðóïïû îðãàÆèâîòíûå íèçìîâ

Ìëåêîïè- ×åëîâå÷åñêîå òàþùèå îáùåñòâî è ïòèöû Ñîâðåìåííûå ôîðìû ðàñòåíèé è æèâîòíûõ

Ïåðâîå ïîÿâëåíèå îðãàíèçìîâ

Êóëüòóðíûå ðàñòåíèÿ, äîìàøíèå æèâîòíûå, ÷åëîâåê

Òðåòè÷íûé Ìå- Ìåëîâîé Ãîëîñåìåí- ßùåðû íûå çîçîéñêàÿ

Îäíî- è äâóäîëüíûå, ïîñëåäíèé ðàñöâåò àììîíèòîâ, âûìèðàíèå ÿùåðîâ

Ïîêðûòîñåìåííûå, âå÷íîçåëåíûé ëèñòâåííûé ëåñ Ïòèöû, ìëåêîïèòàþùèå, âèäû ãèíêãî

180

Þðñêèé

Ãîëîñåìåííûå, ÿùåðû, íàñåêîìûå, íîâûé ðàñöâåò àììîíèòîâ

220

Òðèàñîâûé

Ðåïòèëèè Áàáî÷êè, (ÿùåðû, ÷åðå- äèíîçàâðû ïàõè, êðîêîäèëû) è ãîëîñåìåííûå

270

Ïà- Ïåðìëåî- ñêèé çîéñêàÿ

Ïàïîðîòíèêîâûå

Íàñåêîìûå ñ ïîëíûì ìåòàìîðôîçîì, ðåïòèëèè ñ ÿéöàìè, ñíàáæåííûìè ñóõîé îáîëî÷êîé

Æóêè, õâîéíûå äåðåâüÿ, öèêàäîâûå

8.9. Òåîðèè ýâîëþöèè îðãàíè÷åñêîãî ìèðà Ìèëëèîíîâ ëåò òîìó íàçàä


Ïåðèîä

Ãëàâíàÿ ãðóïïà îðãàíèçìîâ Ðàñòåíèÿ


239


300

Êàìåííîóãîëüíûé (êàðáîí)

Çåìíîâîäíûå

Çàñåëåíèå ñóøè ëåãî÷íûìè óëèòêàìè, íàñåêîìûìè è ïàíöèðíûìè çåìíîâîäíûìè, ëåñíàÿ ðàñòèòåëüíîñòü — ïàïîðîòíèêè

Ñåìåííûå ïàïîðîòíèêè, êîðäàèòû, ïðåñìûêàþùèåñÿ, ïðåñíîâîäíûå äâóñòâîð÷àòûå ìîëëþñêè

400

Äåâîíñêèé (äåâîí)

Ðûáû

Çàñåëåíèå ñóøè ïàïîðîòíèêàìè, ïëàóíàìè, õâîùàìè; â ìîðå ïàíöèðíûå ðûáû, ìîëëþñêè, ðàêîîáðàçíûå

Íàñåêîìûå, àììîíèòû, õðÿùåâûå ðûáû, çåìíîâîäíûå

440

ÑèëóÑëîåâèùðèéñêèé íûå (ñèëóð)

Áåñïîçâî- Çàñåëåíèå íî÷íûå ìåëêèõ ìîðåé êîðàëëàìè, ìîðñêèìè ëèëèÿìè, ìîëëþñêàìè — äâóñòâîð÷àòûìè è áðþõîíîãèìè; ðàçíîâèäíîñòÿìè âîäîðîñëåé

Êîñòíûå è ïàíöèðíûå ðûáû, ñêîðïèîíû, ãîëûå ïàïîðîòíèêè

500

Îðäîâèêñêèé (îðäîâèê)

ÌîëëþÍàóòèëèäû, ñêè, áåñ÷åòðèëîáèòû, ëþñòíûå ãðàôòîëèòû, êîðàëëû, ïðåñíîâîäíûå âîäîðîñëè

240 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ Òàáëèöà 8.2 (ïðîäîëæåíèå) Ìèëëèîíîâ ëåò òîìó íàçàä


600

Ïåðèîä

Êåìáðèéñêèé

1900

Ïðîòåðîçîéñêàÿ

2700

Àðõåîçîéñêàÿ

Ãëàâíàÿ ãðóïïà îðãàíèçìîâ Ðàñòåíèÿ


Íà äíå ìîðÿ ãóáêè, òðèëîáèòû, ãðàôîëèòû


Ìîëëþñêè, ðàííèå õîðäîâûå

Âîçíèê- Ãóáêè, ÷åðâè íîâåíèå ìíîãîêëåòî÷íûõ Áàêòåðèè, âîäîðîñëè, ïðåäêè æèâîòíûõ, ïåðâè÷íûå îðãàíèçìû; äèôôåðåíöèàöèÿ íà ðàñòåíèÿ è æèâîòíûå

Â íà÷àëå ýðû — ïåðâè÷íûå îðãàíèçìû

Ñ íà÷àëà ýâîëþöèè ýóêàðèîòû ðàçâèâàëèñü äâîéñòâåííî, òî åñòü â íèõ ïàðàëëåëüíî áûëè ãðóïïû ñ àâòîòðîôíûì è ãåòåðîòðîôíûì ïèòàíèåì, ÷òî îáåñïå÷èâàëî öåëîñòíîñòü è çíà÷èòåëüíóþ àâòîíîìíîñòü æèâîãî ìèðà. Ðàñòèòåëüíûå êëåòêè ýâîëþöèîíèðîâàëè â ñòîðîíó óìåíüøåíèÿ ñïîñîáíîñòè ïåðåäâèæåíèÿ èç-çà ðàçâèòèÿ æåñòêîé öåëëþëîçíîé îáîëî÷êè, íî â íàïðàâëåíèè èñïîëüçîâàíèÿ ôîòîñèíòåçà. Æèâîòíûå êëåòêè ýâîëþöèîíèðîâàëè â ñòîðîíó óâåëè÷åíèÿ ñïîñîáíîñòè ê ïåðåäâèæåíèþ, à òàêæå ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ ñïîñîáîâ ïîãëîùàòü è âûäåëÿòü ïðîäóêòû ïåðåðàáîòêè ïèùè. Ñëåäóþùèì ýòàïîì ðàçâèòèÿ æèâîãî ñòàëî ïîëîâîå ðàçìíîæåíèå. Îíî âîçíèêëî ïðèìåðíî 900 ìëí ëåò íàçàä. Äàëüíåéøèé øàã â ýâîëþöèè æèâîãî ïðîèçîøåë îêîëî 700–800 ìëí ëåò íàçàä, êîãäà ïîÿâèëèñü ìíîãîêëåòî÷íûå îðãàíèçìû ñ äèôôåðåíöèðîâàííûìè òåëîì, òêàíÿìè è îðãàíàìè, âûïîëíÿþùèìè îïðåäåëåííûå ôóíêöèè. Ýòî áûëè ãóáêè, êèøå÷íîïîëîñòíûå, ÷ëåíèñòîíîãèå è ò. ä., îòíîñÿùèåñÿ ê ìíîãîêëåòî÷íûì æèâîòíûì. Íà ïðîòÿæåíèè âñåãî ïðîòåðîçîÿ è â íà÷àëå ïàëåîçîÿ ðàñòåíèÿ íàñåëÿþò â îñíîâíîì ìîðÿ è îêåàíû. Ýòî çåëåíûå è áóðûå, çîëîòèñòûå è êðàñíûå âîäîðîñëè.


241

Âïîñëåäñòâèè â ìîðÿõ êåìáðèÿ óæå ñóùåñòâîâàëè ìíîãèå òèïû æèâîòíûõ. Â äàëüíåéøåì îíè ñïåöèàëèçèðîâàëèñü è ñîâåðøåíñòâîâàëèñü. Ñðåäè ìîðñêèõ æèâîòíûõ òîé ïîðû ðàêîîáðàçíûå, ãóáêè, êîðàëëû, ìîëëþñêè, òðèëîáèòû è ò. ä. Â êîíöå îðäîâèêñêîãî ïåðèîäà ñòàëè ïîÿâëÿòüñÿ êðóïíûå ïëîòîÿäíûå, à òàêæå ïîçâîíî÷íûå æèâîòíûå. Äàëüíåéøàÿ ýâîëþöèÿ ïîçâîíî÷íûõ øëà â íàïðàâëåíèè ÷åëþñòíûõ ðûáîîáðàçíûõ. Â äåâîíå ñòàëè ïîÿâëÿòüñÿ óæå äâîÿêîäûøàùèå ðûáû — àìôèáèè, à çàòåì íàñåêîìûå. Ïîñòåïåííî ðàçâèâàëàñü íåðâíàÿ ñèñòåìà êàê ñëåäñòâèå ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ ôîðì îòðàæåíèÿ. Îñîáî âàæíûì ýòàïîì â ýâîëþöèè ôîðì æèâîãî ÿâëÿëèñü âûõîä ðàñòèòåëüíûõ è æèâîòíûõ îðãàíèçìîâ èç âîäû íà ñóøó è äàëüíåéøåå óâåëè÷åíèå êîëè÷åñòâà âèäîâ íàçåìíûõ ðàñòåíèé è æèâîòíûõ. Â äàëüíåéøåì èìåííî èç íèõ è ïðîèñõîäÿò âûñîêîîðãàíèçîâàííûå ôîðìû æèçíè. Âûõîä ðàñòåíèé íà ñóøó íà÷àëñÿ â êîíöå ñèëóðà, à àêòèâíîå çàâîåâàíèå ñóøè ïîçâîíî÷íûìè íà÷àëîñü â êàðáîíå. Ïåðåõîä ê æèçíè â âîçäóøíîé ñðåäå òðåáîâàë îò æèâûõ îðãàíèçìîâ î÷åíü ìíîãèõ èçìåíåíèé è ïðåäïîëàãàë âûðàáîòêó ñîîòâåòñòâóþùèõ ïðèñïîñîáëåíèé. Îí ðåçêî óâåëè÷èë òåìïû ýâîëþöèè æèâîãî íà Çåìëå. Âåðøèíîé ýâîëþöèè æèâîãî ñòàë ÷åëîâåê. Æèçíü â âîçäóøíîé ñðåäå «óâåëè÷èëà» ìàññó òåëà îðãàíèçìîâ, â âîçäóõå íå ñîäåðæàòñÿ ïèòàòåëüíûå âåùåñòâà, âîçäóõ èíà÷å, ÷åì âîäà, ïðîïóñêàåò ñâåò, çâóê, òåïëî, êîëè÷åñòâî êèñëîðîäà â íåì âûøå. Êî âñåìó ýòîìó íåîáõîäèìî áûëî ïðèñïîñîáèòüñÿ. Ïåðâûìè ïðèñïîñîáèâøèìèñÿ ê óñëîâèÿì æèçíè íà ñóøå ïîçâîíî÷íûìè áûëè ðåïòèëèè. Èõ ÿéöà áûëè ñíàáæåíû ïèùåé è êèñëîðîäîì äëÿ ýìáðèîíà, ïîêðûòû òâåðäîé ñêîðëóïîé, íå áîÿëèñü âûñûõàíèÿ. Ïðèìåðíî 67 ìëí ëåò íàçàä ïðåèìóùåñòâî â åñòåñòâåííîì îòáîðå ïîëó÷èëè ïòèöû è ìëåêîïèòàþùèå. Áëàãîäàðÿ òåïëîêðîâíîñòè ìëåêîïèòàþùèõ îíè áûñòðî çàâîåâàëè ãîñïîäñòâóþùåå ïîëîæåíèå íà Çåìëå, ÷òî ñâÿçàíî ñ óñëîâèÿìè ïîõîëîäàíèÿ íà íàøåé ïëàíåòå. Â ýòî âðåìÿ èìåííî òåïëîêðîâíîñòü ñòàëà ðåøàþùèì ôàêòîðîì âûæèâàíèÿ. Îíà îáåñïå÷èâàëà ïîñòîÿííóþ âûñîêóþ òåìïåðàòóðó òåëà è ñòàáèëüíîñòü ôóíêöèîíèðîâàíèÿ âíóòðåííèõ îðãàíîâ ìëåêîïèòàþùèõ. Æèâîðîæäåíèå ìëåêîïèòàþùèõ è âñêàðìëèâàíèå äåòåíûøåé ìîëîêîì ÿâèëîñü ìîùíûì ôàêòîðîì èõ ýâîëþöèè, ïîçâîëÿþùèì ðàçìíîæàòüñÿ â ðàçíîîáðàçíûõ óñëîâèÿõ ñðåäû. Ðàçâèòàÿ íåðâíàÿ ñèñòåìà ñïîñîáñòâîâàëà ðàçíîîáðàçèþ ôîðì ïðèñïîñîáëåíèÿ è çàùèòû îðãàíèçìîâ.

242 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ Ïðîèçîøëî ðàçäåëåíèå õèùíîêîïûòíûõ æèâîòíûõ íà êîïûòíûõ è õèùíèêîâ, à ïåðâûå íàñåêîìîÿäíûå ìëåêîïèòàþùèå ïîëîæèëè íà÷àëî ýâîëþöèè ïëàöåíòàðíûõ è ñóì÷àòûõ îðãàíèçìîâ. Ðåøàþùèì ýòàïîì ýâîëþöèè æèçíè íà íàøåé ïëàíåòå ÿâèëîñü ïîÿâëåíèå îòðÿäà ïðèìàòîâ. Â êàéíîçîå ïðèìåðíî 67–27 ìëí ëåò íàçàä ïðèìàòû ðàçäåëèëèñü íà íèçøèõ è ÷åëîâåêîîáðàçíûõ îáåçüÿí, ÿâëÿþùèõñÿ äðåâíåéøèìè ïðåäêàìè ñîâðåìåííîãî ÷åëîâåêà. Ïðåäïîñûëêè ïîÿâëåíèÿ ñîâðåìåííîãî ÷åëîâåêà â ïðîöåññå ýâîëþöèè ôîðìèðîâàëèñü ïîñòåïåííî. Ñíà÷àëà áûë ñòàäíûé îáðàç æèçíè. Îí ïîçâîëèë ñôîðìèðîâàòü ôóíäàìåíò áóäóùåãî ñîöèàëüíîãî îáùåíèÿ. Ïðè÷åì åñëè ó íàñåêîìûõ (ï÷åëû, ìóðàâüè, òåðìèòû) áèîñîöèàëüíîñòü âåëà ê ïîòåðå èíäèâèäóàëüíîñòè, òî ó äðåâíèõ ïðåäêîâ ÷åëîâåêà, íàïðîòèâ, îíà ðàçâèâàëà èíäèâèäóàëüíûå ÷åðòû îñîáè. Ýòî ÿâèëîñü ìîùíîé äâèæóùåé ñèëîé ðàçâèòèÿ êîëëåêòèâà. Ñâîé ñëåäóþùèé øàã ýâîëþöèÿ æèçíè ñäåëàëà â îáðàçå ïîÿâëåíèÿ ÷åëîâåêà ðàçóìíîãî (Homo sapiens). Èìåííî ÷åëîâåê ðàçóìíûé îáëàäàåò ñïîñîáíîñòüþ öåëåíàïðàâëåííî èçìåíÿòü îêðóæàþùèé åãî ìèð, ñîçäàâàòü èñêóññòâåííûå óñëîâèÿ ñâîåãî îáèòàíèÿ è ïðåîáðàçîâûâàòü îáëèê íàøåé ïëàíåòû.

Ýâîëþöèîííàÿ òåîðèÿ ×. Äàðâèíà Ïîä ýâîëþöèåé (îò ëàò. evolutio — ðàçâèòèå, ðàçâåðòûâàíèå) ñëåäóåò ïîíèìàòü ïðîöåññ äëèòåëüíûõ, ïîñòåïåííûõ, ìåäëåííûõ èçìåíåíèé, ïðèâîäÿùèõ ê êîðåííûì êà÷åñòâåííî íîâûì èçìåíåíèÿì (îáðàçîâàíèþ äðóãèõ ñòðóêòóð, ôîðì, îðãàíèçìîâ è èõ âèäîâ). Èäåÿ äëèòåëüíîãî è ïîñòåïåííîãî èçìåíåíèÿ âñåõ âèäîâ æèâîòíûõ è ðàñòåíèé âûñêàçûâàëàñü ó÷åíûìè çàäîëãî äî ×. Äàðâèíà. Â òàêîì äóõå âûñêàçûâàëèñü â ðàçíîå âðåìÿ Àðèñòîòåëü, øâåäñêèé íàòóðàëèñò Ê. Ëèííåé, ôðàíöóçñêèé áèîëîã Æ. Ëàìàðê, ñîâðåìåííèê ×. Äàðâèíà àíãëèéñêèé íàòóðàëèñò À. Óîëëåñ è äðóãèå ó÷åíûå. Íåñîìíåííîé çàñëóãîé ×. Äàðâèíà ÿâëÿåòñÿ íå ñàìà èäåÿ ýâîëþöèè, à òî, ÷òî èìåííî îí âïåðâûå îáíàðóæèë â ïðèðîäå ïðèíöèï åñòåñòâåííîãî îòáîðà è îáîáùèë îòäåëüíûå ýâîëþöèîííûå èäåè â îäíó ñòðîéíóþ òåîðèþ ýâîëþöèè. Â ñòàíîâëåíèè ñâîåé òåîðèè ×. Äàðâèí îïèðàëñÿ íà áîëüøîé ôàêòè÷åñêèé ìàòåðèàë, íà ýêñïåðèìåíòû è ïðàêòèêó ñåëåêöèîííîé ðàáîòû ïî âûâåäåíèþ íîâûõ ñîðòîâ ðàñòåíèé è ðàçëè÷íûõ ïîðîä æèâîòíûõ. Ïðè ýòîì ×. Äàðâèí ïðèøåë ê âûâîäó, ÷òî èç ìíîæåñòâà ðàçíîîáðàçíûõ ÿâëåíèé æèâîé ïðèðîäû ÿâíî âûäåëÿþòñÿ òðè ïðèíöèïèàëü-


243

íûõ ôàêòîðà â ýâîëþöèè æèâîãî, îáúåäèíÿåìûõ êðàòêîé ôîðìóëîé: èçìåí÷èâîñòü, íàñëåäñòâåííîñòü, åñòåñòâåííûé îòáîð. Ýòè ôóíäàìåíòàëüíûå ïðèíöèïû îñíîâûâàþòñÿ íà ñëåäóþùèõ âûâîäàõ è íàáëþäåíèÿõ íàä ìèðîì æèâîãî — ýòî: 1. Èçìåí÷èâîñòü. Îíà ñâîéñòâåííà ëþáîé ãðóïïå æèâîòíûõ è ðàñòåíèé, îðãàíèçìû îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà âî ìíîãèõ ðàçëè÷íûõ îòíîøåíèÿõ. Â ïðèðîäå íåâîçìîæíî îáíàðóæèòü äâà òîæäåñòâåííûõ îðãàíèçìà. Èçìåí÷èâîñòü ÿâëÿåòñÿ íåîòúåìëåìûì ñâîéñòâîì æèâûõ îðãàíèçìîâ, îíà ïðîÿâëÿåòñÿ ïîñòîÿííî è ïîâñåìåñòíî. Ïî ×. Äàðâèíó, â ïðèðîäå èìååòñÿ äâà âèäà èçìåí÷èâîñòè — îïðåäåëåííàÿ è íåîïðåäåëåííàÿ. 1) Îïðåäåëåííàÿ èçìåí÷èâîñòü (àäàïòèâíàÿ ìîäèôèêàöèÿ) — ýòî ñïîñîáíîñòü âñåõ îñîáåé îäíîãî è òîãî æå âèäà â êàêèõ-òî îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ âíåøíåé ñðåäû îäèíàêîâûì îáðàçîì ðåàãèðîâàòü íà ýòè óñëîâèÿ (ïèùó, êëèìàò è ò. ä.). Ïî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, àäàïòèâíûå ìîäèôèêàöèè íå ïåðåäàþòñÿ ïî íàñëåäñòâó, à ïîýòîìó â ñâîåì áîëüøèíñòâå íå ìîãóò ïîñòàâëÿòü ìàòåðèàë äëÿ îðãàíè÷åñêîé ýâîëþöèè. 2) Íåîïðåäåëåííàÿ èçìåí÷èâîñòü (ìóòàöèè) âûçûâàåò ñóùåñòâåííûå èçìåíåíèÿ â îðãàíèçìå â ñàìûõ ðàçëè÷íûõ íàïðàâëåíèÿõ. Ýòà èçìåí÷èâîñòü â îòëè÷èå îò îïðåäåëåííîé íîñèò íàñëåäñòâåííûé õàðàêòåð, ïðè ýòîì íåçíà÷èòåëüíûå îòêëîíåíèÿ â ïåðâîì ïîêîëåíèè óñèëèâàþòñÿ â ïîñëåäóþùèõ. Íåîïðåäåëåííàÿ èçìåí÷èâîñòü òîæå ñâÿçàíà ñ èçìåíåíèÿìè îêðóæàþùåé ñðåäû, íî íå íåïîñðåäñòâåííî, êàê â àäàïòèâíûõ ìîäèôèêàöèÿõ, à îïîñðåäîâàííî. Ïîýòîìó, ïî ×. Äàðâèíó, ðåøàþùóþ ðîëü â ýâîëþöèè èãðàþò èìåííî íåîïðåäåëåííûå èçìåíåíèÿ. 2. Ïîñòîÿííàÿ ÷èñëåííîñòü âèäà. ×èñëî îðãàíèçìîâ êàæäîãî âèäà, ïîÿâëÿþùèõñÿ íà ñâåò, áîëüøå òîãî ÷èñëà, êîòîðîå ìîæåò íàéòè ïðîïèòàíèå è âûæèòü; òåì íå ìåíåå ÷èñëåííîñòü êàæäîãî âèäà â åñòåñòâåííûõ óñëîâèÿõ îñòàåòñÿ îòíîñèòåëüíî ïîñòîÿííîé. 3. Êîíêóðåíòíûå îòíîøåíèÿ îñîáåé. Ïîñêîëüêó ðîæäàåòñÿ áîëüøå îñîáåé, ÷åì ìîæåò âûæèòü, â ïðèðîäå ïîñòîÿííî ïðîèñõîäèò áîðüáà çà ñóùåñòâîâàíèå, êîíêóðåíöèÿ çà ïèùó è ìåñòà îáèòàíèÿ. 4. Àäàïòèâíîñòü, ïðèñïîñîáëÿåìîñòü îðãàíèçìîâ. Èçìåíåíèÿ, îáëåã÷àþùèå îðãàíèçìó âûæèâàíèå â êàêîé-ëèáî îïðåäåëåííîé ñðåäå, äàþò ñâîèì îáëàäàòåëÿì ïðåèìóùåñòâà ïåðåä äðóãèìè îðãàíèçìàìè, êîòîðûå ìåíåå ïðèñïîñîáèëèñü ê âíåøíèì óñëîâèÿì è â ðå-

244 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ çóëüòàòå ïîãèáëè. Èäåÿ «âûæèâàåìîñòè íàèáîëåå ïðèñïîñîáëåííûõ» ÿâëÿåòñÿ ãëàâíîé â òåîðèè åñòåñòâåííîãî îòáîðà. 5. Âîñïðîèçâåäåíèå «óäà÷íûõ» áëàãîïðèîáðåòåííûõ õàðàêòåðèñòèê â ïîòîìñòâå. Âûæèâàþùèå îñîáè äàþò ïîòîìñòâî, è òàêèì îáðàçîì «óäà÷íûå», ïîçâîëèâøèå âûæèòü ïîëîæèòåëüíûå èçìåíåíèÿ ïåðåäàþòñÿ ïîñëåäóþùèì ïîêîëåíèÿì. Ñóùíîñòü ýâîëþöèîííîãî ïðîöåññà ñîñòîèò â íåïðåðûâíîì ïðèñïîñîáëåíèè æèâûõ îðãàíèçìîâ ê ðàçíîîáðàçíûì óñëîâèÿì îêðóæàþùåé ïðèðîäíîé ñðåäû è â ïîÿâëåíèè âñå áîëåå ñëîæíî óñòðîåííûõ îðãàíèçìîâ. Ïîýòîìó áèîëîãè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ íàïðàâëåíà îò ïðîñòûõ áèîëîãè÷åñêèõ ôîðì ê áîëåå ñëîæíûì ôîðìàì. Òàêèì îáðàçîì, åñòåñòâåííûé îòáîð, ÿâëÿþùèéñÿ ðåçóëüòàòîì áîðüáû çà ñóùåñòâîâàíèå, åñòü îñíîâíîé ôàêòîð ýâîëþöèè, íàïðàâëÿþùèé è îïðåäåëÿþùèé ýâîëþöèîííûå èçìåíåíèÿ. Ýòè èçìåíåíèÿ ñòàíîâÿòñÿ çàìåòíûìè, ïðîõîäÿ ÷åðåç ñìåíó ìíîãèõ ïîêîëåíèé. Èìåííî â åñòåñòâåííîì îòáîðå îòðàæàåòñÿ îäíà èç ôóíäàìåíòàëüíûõ ÷åðò æèâîãî — äèàëåêòèêà âçàèìîäåéñòâèÿ îðãàíè÷åñêîé ñèñòåìû è ñðåäû. Íåñîìíåííûå äîñòîèíñòâà ýâîëþöèîííîé òåîðèè ×. Äàðâèíà èìåëè è íåêîòîðûå íåäîñòàòêè. Òàê, îíà íå ìîãëà îáúÿñíèòü ïðè÷èí ïîÿâëåíèÿ ó íåêîòîðûõ îðãàíèçìîâ îïðåäåëåííûõ ñòðóêòóð, êàæóùèõñÿ áåñïîëåçíûìè; ó ìíîãèõ âèäîâ îòñóòñòâîâàëè ïåðåõîäíûå ôîðìû ìåæäó ñîâðåìåííûìè æèâîòíûìè è èñêîïàåìûìè; ñëàáûì ìåñòîì áûëè òàêæå ïðåäñòàâëåíèÿ î íàñëåäñòâåííîñòè. Â äàëüíåéøåì îáíàðóæèëèñü íåäîñòàòêè, êàñàþùèåñÿ îñíîâíûõ ïðè÷èí è ôàêòîðîâ îðãàíè÷åñêîé ýâîëþöèè. Óæå â XX â. ñòàëî ÿñíî, ÷òî òåîðèÿ ×. Äàðâèíà íóæäàåòñÿ â äàëüíåéøåé äîðàáîòêå è ñîâåðøåíñòâîâàíèè ñ ó÷åòîì ïîñëåäíèõ äîñòèæåíèé áèîëîãè÷åñêîé íàóêè. Ýòî ñòàëî ïðåäïîñûëêîé äëÿ ñîçäàíèÿ ñèíòåòè÷åñêîé òåîðèè ýâîëþöèè (ÑÒÝ).

Ñèíòåòè÷åñêàÿ òåîðèÿ ýâîëþöèè Äîñòèæåíèÿ ãåíåòèêè â ðàñêðûòèè ãåíåòè÷åñêîãî êîäà, óñïåõè ìîëåêóëÿðíîé áèîëîãèè, ýìáðèîëîãèè, ýâîëþöèîííîé ìîðôîëîãèè, ïîïóëÿðíîé ãåíåòèêè, ýêîëîãèè è íåêîòîðûõ äðóãèõ íàóê óêàçûâàþò íà íåîáõîäèìîñòü ñîåäèíåíèÿ ñîâðåìåííîé ãåíåòèêè ñ òåîðèåé ýâîëþöèè ×. Äàðâèíà. Òàêîå îáúåäèíåíèå ïîðîäèëî âî âòîðîé ïîëîâèíå XX â. íîâóþ áèîëîãè÷åñêóþ ïàðàäèãìó — ñèíòåòè÷åñêóþ òåîðèþ ýâîëþöèè. Ïîñêîëüêó îíà îñíîâàíà íà òåîðèè ×. Äàðâèíà, åå íàçûâàþò íåîäàðâèíèñòñêîé. Ýòó òåîðèþ ðàññìàòðèâàþò êàê íåêëàññè÷åñêóþ áèîëîãèþ. Ñèíòåòè÷åñêàÿ òåîðèÿ ýâîëþöèè ïîçâîëèëà ïðåîäîëåòü ïðîòèâîðå÷èÿ


245

ìåæäó ýâîëþöèîííîé òåîðèåé è ãåíåòèêîé. ÑÒÝ ïîêà åùå íå èìååò ôèçè÷åñêîé ìîäåëè ýâîëþöèè, íî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ìíîãîñòîðîííåå êîìïëåêñíîå ó÷åíèå, êîòîðîå ëåæèò â îñíîâå ñîâðåìåííîé ýâîëþöèîííîé áèîëîãèè. Ýòîò ñèíòåç ãåíåòèêè è ýâîëþöèîííîãî ó÷åíèÿ ÿâèëñÿ êà÷åñòâåííûì ñêà÷êîì êàê â ðàçâèòèè ñàìîé ãåíåòèêè, òàê è ñîâðåìåííîé ýâîëþöèîííîé òåîðèè. Ýòîò ñêà÷îê îçíàìåíîâàë ñîáîé ñîçäàíèå íîâîãî öåíòðà ñèñòåìû áèîëîãè÷åñêîãî ïîçíàíèÿ è ïåðåõîä áèîëîãèè íà ñîâðåìåííûé íåêëàññè÷åñêèé óðîâåíü åå ðàçâèòèÿ. ÑÒÝ ÷àñòî íàçûâàþò îáùåé òåîðèåé ýâîëþöèè, ïðåäñòàâëÿþùåé ñîáîé ñîâîêóïíîñòü ýâîëþöèîííûõ èäåé ×. Äàðâèíà, ãëàâíûì îáðàçîì, åñòåñòâåííîãî îòáîðà ñ ñîâðåìåííûìè ðåçóëüòàòàìè èññëåäîâàíèé â îáëàñòè íàñëåäñòâåííîñòè è èçìåí÷èâîñòè. Îñíîâíûå èäåè ÑÒÝ áûëè çàëîæåíû ðóññêèì ãåíåòèêîì Ñ. ×åòâåðèêîâûì åùå â 1926 ã. â òðóäàõ ïî ïîïóëÿðíîé ãåíåòèêå. Ýòè èäåè áûëè ïîääåðæàíû è ðàçâèòû àìåðèêàíñêèìè ãåíåòèêàìè Ð. Ôèøåðîì, Ñ. Ðàéòîì, àíãëèéñêèì áèîëîãîì è ãåíåòèêîì Ä. Õîëäåéíîì è ñîâðåìåííûì ðóññêèì ãåíåòèêîì Í. Äóáèíèíûì (1906–1998). Îñíîâíîé ïðåäïîñûëêîé äëÿ ñèíòåçà ãåíåòèêè ñ òåîðèåé ýâîëþöèè ñòàëè áèîìåòðè÷åñêèå è ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèå ïîäõîäû ê àíàëèçó ýâîëþöèè, õðîìîñîìíàÿ òåîðèÿ íàñëåäñòâåííîñòè, ýìïèðè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ èçìåí÷èâîñòè ïðèðîäíûõ ïîïóëÿöèé è äð. Îïîðíàÿ òî÷êà ÑÒÝ — ïðåäñòàâëåíèå î òîì, ÷òî ýëåìåíòàðíîé ñîñòàâëÿþùåé ýâîëþöèè ÿâëÿåòñÿ íå âèä (ïî Äàðâèíó) è íå îñîáü (ïî Ëàìàðêó), à ïîïóëÿöèÿ. Èìåííî îíà åñòü öåëîñòíàÿ ñèñòåìà âçàèìîñâÿçè îðãàíèçìîâ, îáëàäàþùàÿ âñåìè äàííûìè äëÿ ñàìîðàçâèòèÿ. Îòáîðó ïîäâåðãàþòñÿ íå êàêèå-íèáóäü îòäåëüíûå ïðèçíàêè èëè îñîáè, à âñÿ ïîïóëÿöèÿ, åå ãåíîòèï. Îäíàêî ýòîò îòáîð îñóùåñòâëÿåòñÿ ïîñðåäñòâîì èçìåíåíèÿ ôåíîòèïè÷åñêèõ ïðèçíàêîâ îòäåëüíûõ îñîáåé, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ íîâûõ ïðèçíàêîâ ïðè ñìåíå áèîëîãè÷åñêèõ ïîêîëåíèé. Ýëåìåíòàðíîé åäèíèöåé íàñëåäñòâåííîñòè ñëóæèò ãåí. Îí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ó÷àñòîê ìîëåêóëû ÄÍÊ (èëè õðîìîñîìû), îïðåäåëÿþùèé ðàçâèòèå îïðåäåëåííûõ ïðèçíàêîâ îðãàíèçìà. Ñîâåòñêèé ãåíåòèê Í. Â. Òèìîôååâ-Ðåñîâñêèé (1900–1981) ñôîðìóëèðîâàë ïîëîæåíèå î ÿâëåíèÿõ è ôàêòîðàõ ýâîëþöèè. Îíî çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì: u u

ïîïóëÿöèÿ — ýëåìåíòàðíàÿ ñòðóêòóðíàÿ åäèíèöà; ìóòàöèîííûé ïðîöåññ ÿâëÿåòñÿ ïîñòàâùèêîì ýëåìåíòàðíîãî ýâîëþöèîííîãî ìàòåðèàëà;

246 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ u u u

ïîïóëÿöèîííûå âîëíû — êîëåáàíèÿ ÷èñëåííîñòè ïîïóëÿöèè â òó èëè èíóþ ñòîðîíó îò ñðåäíåé ÷èñëåííîñòè åå îñîáåé; èçîëÿöèÿ çàêðåïëÿåò ðàçëè÷èÿ â íàáîðå ãåíîòèïîâ è âûçûâàåò äåëåíèå èñõîäíîé ïîïóëÿöèè íà íåñêîëüêî ñàìîñòîÿòåëüíûõ; åñòåñòâåííûé îòáîð — èçáèðàòåëüíîå âûæèâàíèå ñ âîçìîæíîñòüþ îñòàâëåíèÿ ïîòîìñòâà îòäåëüíûìè îñîáÿìè, äîñòèãøèìè ðåïðîäóêòèâíîãî âîçðàñòà.

Ãëàâíûé îïðåäåëÿþùèé ôàêòîð ñèíòåòè÷åñêîé òåîðèè ýâîëþöèè — åñòåñòâåííûé îòáîð, íàïðàâëÿþùèé ýâîëþöèîííûé ïðîöåññ. ×èñòî áèîëîãè÷åñêîå çíà÷åíèå îñîáè êàê îðãàíèçìà, äàâøåãî ïîòîìñòâî, îöåíèâàåòñÿ åå âêëàäîì â ãåíîôîíä ïîïóëÿöèè. Îáúåêòàìè îòáîðà â ïîïóëÿöèè ÿâëÿþòñÿ ôåíîòèïû îòäåëüíûõ îñîáåé. Ôåíîòèï îòäåëüíîãî îðãàíèçìà îïðåäåëÿåòñÿ è ôîðìèðóåòñÿ íà îñíîâå ðåàëèçóþùåéñÿ èíôîðìàöèè ãåíîòèïà â èçìåíÿþùèõñÿ óñëîâèÿõ ñðåäû. Âñëåäñòâèå ýòîãî èç ïîêîëåíèÿ â ïîêîëåíèå îòáîð ïî ôåíîòèïàì ïðèâîäèò ê îòáîðó ãåíîòèïîâ. Ýâîëþöèÿ ÿâëÿåòñÿ åäèíûì ïðîöåññîì. Â ÑÒÝ ðàçëè÷àþò äâà óðîâíÿ ýâîëþöèè: ìèêðîýâîëþöèþ, ïðîõîäÿùóþ íà ïîïóëÿöèîííî-âèäîâîì óðîâíå çà îòíîñèòåëüíî êîðîòêîå âðåìÿ íà îãðàíè÷åííûõ òåððèòîðèÿõ, è ìàêðîýâîëþöèþ, ïðîõîäÿùóþ íà ïîäâèäîâîì óðîâíå, ãäå ïðîÿâëÿþòñÿ îáùèå çàêîíîìåðíîñòè è íàïðàâëåíèÿ â èñòîðè÷åñêîì ðàçâèòèè æèâîãî. Ìèêðîýâîëþöèÿ — ýòî ñîâîêóïíîñòü ýâîëþöèîííûõ ïðîöåññîâ, ïðîòåêàþùèõ â ïîïóëÿöèÿõ âèäà, ïðèâîäÿùèõ ê èçìåíåíèÿì ãåíîôîíäîâ ýòèõ ïîïóëÿöèé è ê îáðàçîâàíèþ íîâûõ âèäîâ. Îíà ïðîèñõîäèò íà îñíîâå ìóòàöèîííîé èçìåí÷èâîñòè ïîä ñòðîãèì êîíòðîëåì åñòåñòâåííîãî îòáîðà. Åäèíñòâåííûì èñòî÷íèêîì ïîÿâëåíèÿ êà÷åñòâåííî íîâûõ ïðèçíàêîâ ÿâëÿþòñÿ ìóòàöèè. Îòáîð — ýòî òâîð÷åñêèé èçáèðàòåëüíûé ôàêòîð, íàïðàâëÿþùèé ýëåìåíòàðíûå ýâîëþöèîííûå èçìåíåíèÿ ïî ïóòè àäàïòàöèè îðãàíèçìîâ ê èçìåíÿþùèìñÿ óñëîâèÿì ñðåäû. Íà õàðàêòåð ïðîöåññîâ ìèêðîýâîëþöèè îêàçûâàþò âëèÿíèå èçìåíåíèÿ ÷èñëåííîñòè ïîïóëÿöèé (âîëíû æèçíè), îáìåí ãåíåòè÷åñêîé èíôîðìàöèè ìåæäó íèìè, à òàêæå èçîëÿöèÿ. Ìèêðîýâîëþöèÿ ïðèâîäèò ëèáî ê èçìåíåíèþ âñåãî ãåíîôîíäà âèäà êàê öåëîãî (ôèëîãåíåòè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ), ëèáî ê îáîñîáëåíèþ èõ îò ðîäèòåëüñêîãî èñõîäíîãî âèäà â êà÷åñòâå óæå íîâûõ ôîðì (âèäîîáðàçîâàíèå). Ìàêðîýâîëþöèÿ — ýòî ýâîëþöèîííûå ïðåîáðàçîâàíèÿ, ïðèâîäÿùèå ê èçìåíåíèþ áîëåå âûñîêîãî óðîâíÿ òàêñîíîâ, ÷åì âèä (ñåìåéñòâà, îòðÿäû, êëàññû). Îíà íå èìååò õàðàêòåðíûõ åé ìåõàíèçìîâ è îñó-


247

ùåñòâëÿåòñÿ ïîñðåäñòâîì ïðîöåññîâ ìèêðîýâîëþöèè. Ïîñòåïåííî íàêàïëèâàÿñü, ìèêðîýâîëþöèîííûå ïðîöåññû ïîëó÷àþò ñâîå âíåøíåå âûðàæåíèå â ÿâëåíèÿõ ìàêðîýâîëþöèè. Ìàêðîýâîëþöèÿ åñòü îáîáùåííàÿ êàðòèíà ýâîëþöèîííûõ èçìåíåíèé, íàáëþäàåìàÿ â øèðîêîé èñòîðè÷åñêîé ïåðñïåêòèâå. Ïîýòîìó òîëüêî íà óðîâíå ìàêðîýâîëþöèè ïðîÿâëÿþòñÿ îáùèå òåíäåíöèè, çàêîíîìåðíîñòè è íàïðàâëåíèÿ ýâîëþöèè æèâîé ïðèðîäû, íå ïîääàþùèåñÿ íàáëþäåíèþ íà ìèêðîýâîëþöèîííîì óðîâíå. Ñîâðåìåííûå ïðåäñòàâëåíèÿ ÑÒÝ óêàçûâàþò íà òî, ÷òî ýâîëþöèîííûå èçìåíåíèÿ íîñÿò ñëó÷àéíûé è íåíàïðàâëåííûé õàðàêòåð, ïîñêîëüêó ñëó÷àéíûå ìóòàöèè ÿâëÿþòñÿ äëÿ íèõ èñõîäíûì ìàòåðèàëîì. Ýâîëþöèÿ èäåò ïîñòåïåííî è äèâåðãåíòíî ÷åðåç îòáîð íåáîëüøèõ ñëó÷àéíûõ ìóòàöèé. Ïðè ýòîì íîâûå æèçíåííûå ôîðìû îáðàçóþòñÿ ÷åðåç êðóïíûå íàñëåäñòâåííûå èçìåíåíèÿ, ïðàâî íà æèçíü êîòîðûõ îïðåäåëÿåòñÿ åñòåñòâåííûì îòáîðîì. Ìåäëåííûé è ïîñòåïåííî èäóùèé ýâîëþöèîííûé ïðîöåññ ìîæåò èìåòü è ñêà÷êîîáðàçíûé õàðàêòåð, ñâÿçàííûé ñ èçìåíåíèÿìè óñëîâèé îêðóæàþùåé ñðåäû â ðåçóëüòàòå áèôóðêàöèîííûõ ïðîöåññîâ ðàçâèòèÿ íàøåé ïëàíåòû. Ñèíòåòè÷åñêàÿ òåîðèÿ ýâîëþöèè íå ÿâëÿåòñÿ êàêèì-òî êàíîíîì, çàñòûâøåé ñèñòåìîé òåîðåòè÷åñêèõ ïîëîæåíèé. Â åå âîçìîæíîì äèàïàçîíå ôîðìèðóþòñÿ íîâûå íàïðàâëåíèÿ èññëåäîâàíèé, ïîÿâëÿþòñÿ è áóäóò ïîÿâëÿòüñÿ ôóíäàìåíòàëüíûå îòêðûòèÿ, ñïîñîáñòâóþùèå äàëüíåéøåìó ïîçíàíèþ ýâîëþöèîííûõ ïðîöåññîâ æèâîãî. Ïî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, âàæíîé ïðàêòè÷åñêîé çàäà÷åé ÑÒÝ ÿâëÿåòñÿ âûðàáîòêà îïòèìàëüíûõ ñïîñîáîâ óïðàâëåíèÿ ýâîëþöèîííûì ïðîöåññîì â óñëîâèÿõ ïîñòîÿííî íàðàñòàþùåãî àíòðîïîãåííîãî äàâëåíèÿ íà îêðóæàþùóþ ïðèðîäíóþ ñðåäó. Ýòà òåîðèÿ èñïîëüçóåòñÿ ïðè ðåøåíèè ïðîáëåì âçàèìîîòíîøåíèÿ ÷åëîâåêà è ïðèðîäû, ïðèðîäû è ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà. Îäíàêî ó ñèíòåòè÷åñêîé òåîðèè ýâîëþöèè åñòü íåêîòîðûå ñïîðíûå ìîìåíòû è òðóäíîñòè, êîòîðûå äàþò ïî÷âó äëÿ âîçíèêíîâåíèÿ íåäàðâèíèñòñêèõ êîíöåïöèé ýâîëþöèè. Ê íèì îòíîñÿòñÿ, íàïðèìåð, òåîðèÿ íîìîãåíåçà, êîíöåïöèÿ ïóíêòóàëèçìà è íåêîòîðûå äðóãèå. Òåîðèÿ íîìîãåíåçà ïðåäëîæåíà â 1922 ã. ðóññêèì áèîëîãîì Ë. Áåðãîì. Îíà îñíîâàíà íà ïðåäñòàâëåíèÿõ î òîì, ÷òî ýâîëþöèÿ — ýòî óæå çàïðîãðàììèðîâàííûé ïðîöåññ ðåàëèçàöèè âíóòðåííèõ íåîòúåìëåìûõ îò æèâîãî îïðåäåëåííûõ çàêîíîìåðíîñòåé. Æèâîìó îðãàíèçìó ïðèñóùà íåêàÿ âíóòðåííÿÿ ñèëà ïðèðîäû, êîòîðàÿ âñåãäà äåéñòâóåò íåçàâèñèìî îò âíåøíèõ óñëîâèé öåëåíàïðàâëåííî â ñòîðîíó óñëîæíåíèÿ æèâûõ ñòðóêòóð. Â ïîäòâåðæäåíèå ýòîìó Ë. Áåðã óêàçûâàë íà íåêîòî-

248 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ ðûå äàííûå ïî êîíâåðãåíòíîé è ïàðàëëåëüíîé ýâîëþöèè íåêîòîðûõ ãðóïï ðàñòåíèé è æèâîòíûõ. Îäíîé èç íåäàâíî âîçíèêøèõ íåäàðâèíèñòñêèõ êîíöåïöèé ÿâëÿåòñÿ ïóíêòóàëèçì. Ñòîðîííèêè ýòîãî íàïðàâëåíèÿ ñ÷èòàþò, ÷òî ïðîöåññ ýâîëþöèè èäåò ñêà÷êîîáðàçíî — ïóòåì ðåäêèõ è áûñòðûõ ñêà÷êîâ, íà êîòîðûå ïðèõîäèòñÿ âñåãî 1% ýâîëþöèîííîãî âðåìåíè. Îñòàëüíûå 99% âðåìåíè ñâîåãî ñóùåñòâîâàíèÿ âèä ïðåáûâàåò â ñîñòîÿíèè ñòàáèëüíîñòè. Â êðàéíèõ ñëó÷àÿõ ñêà÷îê ê íîâîìó âèäó ìîæåò ñîâåðøèòüñÿ â íåáîëüøèõ ïîïóëÿöèÿõ, ñîñòîÿùèõ âñåãî èõ äåñÿòè îñîáåé, â òå÷åíèå îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ ïîêîëåíèé. Ýòà êîíöåïöèÿ îïèðàåòñÿ íà ãåíåòè÷åñêóþ áàçó, çàëîæåííóþ ìîëåêóëÿðíîé ãåíåòèêîé è ñîâðåìåííîé áèîõèìèåé. Ïóíêòóàëèçì îòâåðãàåò ãåíåòèêî-ïîïóëÿöèîííóþ ìîäåëü âèäîîáðàçîâàíèÿ, èäåþ ×. Äàðâèíà î ðàçíîâèäíîñòÿõ è ïîäâèäàõ êàê çàðîæäàþùèõñÿ âèäàõ. Ïóíêòóàëèçì ñîñðåäîòî÷èë ñâîå âíèìàíèå íà ìîëåêóëÿðíîé ãåíåòèêå îñîáè êàê íîñèòåëÿ ñâîéñòâ âèäà. Èäåÿ ðàçîáùåííîñòè ìàêðî- è ìèêðîýâîëþöèè è íåçàâèñèìîñòè óïðàâëÿåìûõ èìè ôàêòîðîâ ïðèäàåò ýòîé êîíöåïöèè îïðåäåëåííóþ öåííîñòü. Âïîëíå âåðîÿòíî, ÷òî â áóäóùåì ìîæåò âîçíèêíóòü åäèíàÿ òåîðèÿ æèçíè, îáúåäèíÿþùàÿ ñèíòåòè÷åñêóþ òåîðèþ ýâîëþöèè ñ íåäàðâèíèñòñêèìè êîíöåïöèÿìè ðàçâèòèÿ æèâîé ïðèðîäû.

Ýâîëþöèîííàÿ êàðòèíà ìèðà. Ãëîáàëüíûé ýâîëþöèîíèçì Èäåÿ ðàçâèòèÿ ìèðà ÿâëÿåòñÿ âàæíåéøåé èäååé ìèðîâîé öèâèëèçàöèè. Â ñâîèõ äàëåêèõ îò ñîâåðøåíñòâà ôîðìàõ îíà íà÷àëà ïðîíèêàòü â åñòåñòâîçíàíèå åùå â XVIII â. Íî óæå XIX â. ìîæíî ñìåëî íàçâàòü âåêîì èäåé ýâîëþöèè. Â ýòî âðåìÿ êîíöåïöèè ðàçâèòèÿ ñòàëè ïðîíèêàòü â ãåîëîãèþ, áèîëîãèþ, ñîöèîëîãèþ è ãóìàíèòàðíûå íàóêè. Â ïåðâîé ïîëîâèíå XX â. íàóêà ïðèçíàâàëà ýâîëþöèþ ïðèðîäû, îáùåñòâà, ÷åëîâåêà, íî ôèëîñîôñêèé îáùèé ïðèíöèï ðàçâèòèÿ åùå îòñóòñòâîâàë. È òîëüêî ê êîíöó XX ñòîëåòèÿ åñòåñòâîçíàíèå ïðèîáðåëî òåîðåòè÷åñêóþ è ìåòîäîëîãè÷åñêóþ îñíîâó äëÿ ñîçäàíèÿ åäèíîé ìîäåëè óíèâåðñàëüíîé ýâîëþöèè, âûÿâëåíèÿ óíèâåðñàëüíûõ çàêîíîâ íàïðàâëåííîñòè è äâèæóùèõ ñèë ýâîëþöèè ïðèðîäû. Òàêîé îñíîâîé ÿâëÿåòñÿ òåîðèÿ ñàìîîðãàíèçàöèè ìàòåðèè, ïðåäñòàâëÿþùàÿ ñèíåðãåòèêó. (Êàê óæå óêàçûâàëîñü âûøå, ñèíåðãåòèêà — ýòî íàóêà îá îðãàíèçàöèè ìàòåðèè.) Êîíöåïöèÿ óíèâåðñàëüíîãî ýâîëþöèîíèçìà, êîòîðàÿ âûøëà íà ãëîáàëüíûé óðîâåíü, ñâÿçàëà â åäèíîå öåëîå ïðîèñõîæäåíèå Âñåëåííîé (êîñìîãåíåç), âîçíèêíîâåíèå Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû è ïëàíåòû Çåì-


249

ëÿ (ãåîãåíåç), âîçíèêíîâåíèå æèçíè (áèîãåíåç), ÷åëîâåêà è ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà (àíòðîïîñîöèîãåíåç). Òàêóþ ìîäåëü ðàçâèòèÿ ïðèðîäû íàçûâàþò òàêæå ãëîáàëüíûì ýâîëþöèîíèçìîì, ïîñêîëüêó èìåííî îíà îõâàòûâàåò âñå ñóùåñòâóþùèå è ìûñëåííî ïðåäñòàâëÿåìûå ïðîÿâëåíèÿ ìàòåðèè â åäèíîì ïðîöåññå ñàìîîðãàíèçàöèè ïðèðîäû. Ïîä ãëîáàëüíûì ýâîëþöèîíèçìîì ñëåäóåò ïîíèìàòü êîíöåïöèþ ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé êàê ðàçâèâàþùåãîñÿ âî âðåìåíè ïðèðîäíîãî öåëîãî. Ïðè ýòîì âñÿ èñòîðèÿ Âñåëåííîé, íà÷èíàÿ îò Áîëüøîãî âçðûâà è çàêàí÷èâàÿ âîçíèêíîâåíèåì ÷åëîâå÷åñòâà, ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê åäèíûé ïðîöåññ, ãäå êîñìè÷åñêèé, õèìè÷åñêèé, áèîëîãè÷åñêèé è ñîöèàëüíûé òèïû ýâîëþöèè ïðååìñòâåííî è ãåíåòè÷åñêè òåñíî âçàèìîñâÿçàíû. Êîñìè÷åñêàÿ, ãåîëîãè÷åñêàÿ è áèîëîãè÷åñêàÿ õèìèÿ â åäèíîì ïðîöåññå ýâîëþöèè ìîëåêóëÿðíûõ ñèñòåì îòðàæàåò èõ ôóíäàìåíòàëüíûå ïåðåõîäû è íåèçáåæíîñòü ïðåâðàùåíèÿ â æèâóþ ìàòåðèþ. Ñëåäîâàòåëüíî, âàæíåéøåé çàêîíîìåðíîñòüþ ãëîáàëüíîãî ýâîëþöèîíèçìà ÿâëÿåòñÿ íàïðàâëåííîñòü ðàçâèòèÿ ìèðîâîãî öåëîãî (óíèâåðñóìà) íà ïîâûøåíèå ñâîåé ñòðóêòóðíîé îðãàíèçàöèè. Â êîíöåïöèè óíèâåðñàëüíîãî ýâîëþöèîíèçìà âàæíóþ ðîëü èãðàåò èäåÿ åñòåñòâåííîãî îòáîðà. Çäåñü íîâîå âñåãäà âîçíèêàåò êàê ðåçóëüòàò îòáîðà íàèáîëåå ýôôåêòèâíûõ ôîðìîîáðàçîâàíèé. Íåýôôåêòèâíûå íîâîîáðàçîâàíèÿ îòáðàêîâûâàþòñÿ èñòîðè÷åñêèì ïðîöåññîì. Êà÷åñòâåííî íîâûé óðîâåíü îðãàíèçàöèè ìàòåðèè «óòâåðæäàåòñÿ» èñòîðèåé ëèøü òîãäà, êîãäà îí îêàçûâàåòñÿ ñïîñîáíûì âîáðàòü â ñåáÿ ïðåäøåñòâóþùèé îïûò èñòîðè÷åñêîãî ðàçâèòèÿ ìàòåðèè. Ýòà çàêîíîìåðíîñòü îñîáåííî ÿðêî ïðîÿâëÿåòñÿ äëÿ áèîëîãè÷åñêîé ôîðìû äâèæåíèÿ, íî îíà ñâîéñòâåííà âîîáùå âñåé ýâîëþöèè ìàòåðèè. Ïðèíöèï ãëîáàëüíîãî ýâîëþöèîíèçìà îñíîâàí íà ïîíèìàíèè âíóòðåííåé ëîãèêè ðàçâèòèÿ êîñìè÷åñêîãî ïîðÿäêà âåùåé, ëîãèêè ðàçâèòèÿ Âñåëåííîé êàê åäèíîãî öåëîãî. Äëÿ òàêîãî ïîíèìàíèÿ âàæíóþ ðîëü èãðàåò àíòðîïíûé ïðèíöèï. Ñóùíîñòü åãî â òîì, ÷òî ðàññìîòðåíèå è ïîçíàíèå çàêîíîâ Âñåëåííîé è åå ñòðîåíèÿ âåäåòñÿ ÷åëîâåêîì ðàçóìíûì. Ïðèðîäà òàêîâà, êàêîâà îíà åñòü, òîëüêî ïîòîìó, ÷òî â íåé åñòü ÷åëîâåê. Èíà÷å ãîâîðÿ, çàêîíû ïîñòðîåíèÿ Âñåëåííîé äîëæíû áûòü òàêîâû, ÷òîáû îíà íåïðåìåííî êîãäà-íèáóäü ïîðîäèëà íàáëþäàòåëÿ; åñëè áû îíè áûëè èíûìè, Âñåëåííóþ ïðîñòî íåêîìó áûëî áû ïîçíàâàòü. Àíòðîïíûé ïðèíöèï óêàçûâàåò íà âíóòðåííåå åäèíñòâî çàêîíîìåðíîñòåé èñòîðè÷åñêîé ýâîëþöèè Âñåëåííîé è ïðåäïîñûëîê âîçíèêíîâåíèÿ è ýâîëþöèè æèâîé ìàòåðèè âïëîòü äî àíòðîïîñîöèîãåíåçà. Ïàðàäèãìà óíèâåðñàëüíîãî ýâîëþöèîíèçìà ÿâëÿåòñÿ äàëüíåéøèì ðàçâèòèåì è ïðîäîëæåíèåì ðàçëè÷íûõ ìèðîâîççðåí÷åñêèõ êàðòèí ìè-

250 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ ðà. Âñëåäñòâèå ýòîãî ñàìà èäåÿ ãëîáàëüíîãî ýâîëþöèîíèçìà èìååò ìèðîâîççðåí÷åñêèé õàðàêòåð. Âåäóùåé åãî öåëüþ ÿâëÿåòñÿ óñòàíîâëåíèå íàïðàâëåííîñòè ïðîöåññîâ ñàìîîðãàíèçàöèè è ðàçâèòèÿ ïðîöåññîâ â ìàñøòàáå Âñåëåííîé. Â íàøå âðåìÿ èäåÿ ãëîáàëüíîãî ýâîëþöèîíèçìà âûïîëíÿåò äâîÿêóþ ðîëü. Ñ îäíîé ñòîðîíû îí ïðåäñòàâëÿåò ìèð êàê öåëîñòíîñòü, ïîçâîëÿåò îñìûñëèòü îáùèå çàêîíû áûòèÿ â èõ åäèíñòâå; ñ äðóãîé ñòîðîíû — îðèåíòèðóåò ñîâðåìåííîå åñòåñòâîçíàíèå íà âûÿâëåíèå îïðåäåëåííûõ çàêîíîìåðíîñòåé ýâîëþöèè ìàòåðèè íà âñåõ ñòðóêòóðíûõ óðîâíÿõ åå îðãàíèçàöèè è íà âñåõ ýòàïàõ åå ñàìîðàçâèòèÿ.

8.10. Îñíîâû ãåíåòèêè Èñòîðèÿ âîçíèêíîâåíèÿ ãåíåòèêè Îñíîâû ñîâðåìåííîé ãåíåòèêè áûëè çàëîæåíû ÷åøñêèì åñòåñòâîèñïûòàòåëåì Ã. Ìåíäåëåì â 1865 ã., êîòîðûé ïðîâåë ðÿä îïûòîâ ïî ñêðåùèâàíèþ ãîðîõà. Àíàëèçèðóÿ ðåçóëüòàòû îïûòîâ, îí ïðèøåë ê âûâîäó, ÷òî íàñëåäîâàíèå ïðèçíàêîâ îñóùåñòâëÿåòñÿ äèñêðåòíûìè ÷àñòèöàìè (ñåé÷àñ ìû íàçûâàåì èõ ãåíàìè) è íå èìååò ïðîìåæóòî÷íîãî õàðàêòåðà. Â 1900 ã. âûâîäû Ã. Ìåíäåëÿ áûëè ïîäòâåðæäåíû ýêñïåðèìåíòàìè, ïðîâåäåííûìè Õ. äå Ôðèçîì, Ê. Êîððåíñîì, Ý. ×åðìàêîì, ÷òî ïîñëóæèëî òîë÷êîì äëÿ íîâûõ èññëåäîâàíèé çàêîíîìåðíîñòåé íàñëåäîâàíèÿ ñâîéñòâ ðîäèòåëüñêèõ îñîáåé. Íàçâàíèå íàóêè — «ãåíåòèêà» — áûëî ââåäåíî â 1906 ã. àíãëèéñêèì ó÷åíûì Ó. Áåòñîíîì. Ïîíÿòèå ãåíà êàê ýëåìåíòàðíîé åäèíèöû íàñëåäñòâåííîñòè ïîÿâèëîñü â 1909 ã. â ðàáîòàõ äàòñêîãî ó÷åíîãî Â. Èîãàíñåíà. Îãðîìíóþ ðîëü â ðàçâèòèè è ñòàíîâëåíèè ãåíåòèêè â íà÷àëå XX â. ñûãðàëè ðàáîòû âûäàþùèõñÿ ðóññêèõ ó÷åíûõ Í. Ï. Äóáèíèíà, Ä. Ä. Ðîìàøîâà, Í. Â. Òèìîôååâà-Ðåñîâñêîãî.

} Ãåíåòèêà (îò ãðå÷. gençtikos — «ïðîèñõîæäåíèå») — ýòî íàóêà î çàêîíàõ íàñëåäñòâåííîñòè è èçìåí÷èâîñòè 1 .

Íàñëåäñòâåííîñòü ñëåäóåò ïîíèìàòü êàê ñâîéñòâî âñåõ ðîäèòåëüñêèõ îñîáåé ïåðåäàâàòü ñâîè ïðèçíàêè ïîòîìñòâó, áëàãîäàðÿ ÷åìó æèâûå îðãàíèçìû ñîõðàíÿþò îïðåäåëåííûå ñâîéñòâà â ïðåäåëàõ âèäà íà ïðîòÿæåíèè ìíîæåñòâà ïîêîëåíèé. Â òî æå âðåìÿ äëÿ îðãàíèçìîâ õà1

Ìàìîíòîâ Ñ. Ã. Áèîëîãèÿ: ñïðàâî÷íîå èçäàíèå. Ì., 1992. Ñ. 99.

8.10. Îñíîâû ãåíåòèêè

251

ðàêòåðíûì ÿâëÿåòñÿ ñâîéñòâî èçìåíåíèÿ ôåíîòèïè÷åñêèõ è ãåíîòèïè÷åñêèõ ïðèçíàêîâ, òî åñòü èçìåí÷èâîñòü. Äîñòèæåíèÿ ãåíåòèêè òåñíî ñâÿçàíû ñ ðàçâèòèåì íîâûõ íàó÷íûõ ìåòîäèê è òåõíîëîãèé, ïîçâîëèâøèõ óñòàíîâèòü ñòðîåíèå íóêëåèíîâûõ êèñëîò, ðàñøèôðîâàòü ãåíåòè÷åñêèé êîä, âûÿâèòü ýòàïû áèîñèíòåçà áåëêà è ìàòðè÷íîãî ñèíòåçà. Òàêèì îáðàçîì, ñôîðìèðîâàëèñü íîâûå íàïðàâëåíèÿ ãåíåòèêè, ñòàâøèå, ïî ñóòè, ñàìîñòîÿòåëüíûìè íàóêàìè: ìîëåêóëÿðíàÿ ãåíåòèêà, èììóíîãåíåòèêà, ìåäèöèíñêàÿ ãåíåòèêà, ãåíåòèêà ïîâåäåíèÿ, ýâîëþöèîííàÿ ãåíåòèêà, ãåíîãåîãðàôèÿ è äðóãèå.

Îñíîâíûå ïîíÿòèÿ ãåíåòèêè Ãåí — ó÷àñòîê ìîëåêóëû ÄÍÊ, îïðåäåëÿþùèé âîçìîæíîñòü ðàçâèòèÿ îäíîãî ïðèçíàêà èëè ñèíòåçà áåëêîâîé ìîëåêóëû.

Äîìèíàíòíûå ãåíû – ãåíû, ïðîÿâëÿþùèåñÿ ó ãèáðèäîâ è ïîäàâëÿþùèå ðàçâèòèå îäíîãî ïðèçíàêà; ðàñïîëîæåíû íà îäíèõ è òåõ æå ó÷àñòêàõ õðîìîñîì è îïðåäåëÿþò ðàçâèòèå îäíîãî ïðèçíàêà. Îáîçíà÷àþòñÿ ïðîïèñíîé áóêâîé: À, Â…

Ðåöåññèâíûå ãåíû – ãåíû, ïîäàâëÿåìûå äîìèíàíòíûìè, íå ïðîÿâëÿþùèåñÿ ó ãèáðèäîâ ïåðâîãî ïîêîëåíèÿ. Îáîçíà÷àþòñÿ ñòðî÷íîé áóêâîé: à, â… Àëëåëüíûå ãåíû — ãåíû, ðàñïîëîæåííûå íà îäíèõ è òåõ æå ó÷àñòêàõ õðîìîñîì è îïðåäåëÿþùèå ðàçâèòèå îäíîãî ïðèçíàêà. Ãåíîòèï — ñîâîêóïíîñòü âñåõ ãåíîâ îäíîãî îðãàíèçìà. Ôåíîòèï — ñîâîêóïíîñòü âñåõ ïðèçíàêîâ îäíîãî îðãàíèçìà, ñôîðìèðîâàííûõ â ïðîöåññå åãî èíäèâèäóàëüíîãî ðàçâèòèÿ. Ôåíîòèï ñîñòàâëÿþò íå òîëüêî âèäèìûå ïðèçíàêè, íî è áèîõèìè÷åñêèå è àíàòîìè÷åñêèå ïðèçíàêè. Ãåíîôîíä — ñîâîêóïíîñòü âñåõ ãåíîâ, èìåþùèõñÿ ó îñîáåé ãðóïïû, ïîïóëÿöèè èëè âèäà. Ãîìîçèãîòíûå îðãàíèçìû — îðãàíèçìû, èìåþùèå åäèíîîáðàçíûå íàñëåäñòâåííûå ïðèçíàêè (åäèíîîáðàçíûå àëëåëüíûå ãåíû — èëè äîìèíàíòíûå, èëè ðåöåññèâíûå). Ãåòåðîçèãîòíûå îðãàíèçìû — îðãàíèçìû, èìåþùèå ðàçëè÷íûå íàñëåäñòâåííûå ïðèçíàêè (ðàçëè÷íûå àëëåëüíûå ãåíû — è äîìèíàíòíûå, è ðåöåññèâíûå). Ãàìåòà — ïîëîâàÿ êëåòêà, èìåþùàÿ îäèíàðíûé (ãàïëîèäíûé) íàáîð õðîìîñîì.

252 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ Çèãîòà — êëåòêà, îáðàçîâàâøàÿñÿ ïðè ñëèÿíèè äâóõ ãàìåò (ìóæñêîé è æåíñêîé) è èìåþùàÿ äâîéíîé (äèïëîèäíûé) íàáîð õðîìîñîì.

Çàêîíîìåðíîñòè íàñëåäñòâåííîñòè Ñîâðåìåííàÿ ãåíåòèêà áàçèðóåòñÿ íà ñëåäóþùèõ ïîëîæåíèÿõ. 1. Íàñëåäñòâåííîñòü ÿâëÿåòñÿ äèñêðåòíûì, æèçíåííî âàæíûì ñâîéñòâîì âñåõ æèâûõ îðãàíèçìîâ, êîòîðîå îáóñëîâëåíî íàëè÷èåì ãåíîâ, ëîêàëèçîâàííûõ â õðîìîñîìàõ; íàñëåäñòâåííîñòü îáåñïå÷èâàåò õàðàêòåð èíäèâèäóàëüíîãî ðàçâèòèÿ îðãàíèçìà â îïðåäåëåííîé ñðåäå. 2. Áëàãîäàðÿ íàñëåäñòâåííîé èçìåí÷èâîñòè âîçíèêëî ìíîãîîáðàçèå æèçíåííûõ ôîðì è ñòàëà âîçìîæíîé áèîëîãè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ. 3. Â îñíîâå èíäèâèäóàëüíîãî ðàçâèòèÿ îðãàíèçìîâ ëåæàò áèîõèìè÷åñêèå ïðîöåññû, íàñëåäñòâåííî çàïðîãðàììèðîâàííûå â ìîëåêóëàõ ÄÍÊ è ÐÍÊ. Íàñëåäñòâåííàÿ èíôîðìàöèÿ ïåðåäàåòñÿ ñ ïîìîùüþ ãåíîâ, ó÷àñòêîâ ìîëåêóëû ÄÍÊ, îïðåäåëÿþùèõ õàðàêòåð áèîõèìè÷åñêèõ ðåàêöèé, êîòîðûå îáåñïå÷èâàþò ïðîÿâëåíèå îäíîãî ïðèçíàêà. 4. Íàñëåäñòâåííàÿ èíôîðìàöèÿ ñîäåðæèòñÿ â ÿäðå êëåòêè è â íåáîëüøèõ êîëè÷åñòâàõ — â ìèòîõîíäðèÿõ è õëîðîïëàñòàõ. Äèñêðåòíîñòü íàñëåäñòâåííîé èíôîðìàöèè ïðîÿâëÿåòñÿ â íåçàâèñèìîì íàñëåäîâàíèè ïðèçíàêîâ, ÷òî áûëî ïîêàçàíî åùå â îïûòàõ Ã. Ìåíäåëÿ ïî ñêðåùèâàíèþ äâóõ ðàñ ñàäîâîãî ãîðîõà — æåëòîãî è çåëåíîãî. Ïðè òàêîì ñêðåùèâàíèè Ã. Ìåíäåëü ïîëó÷àë â ïåðâîì ïîêîëåíèè îäèíàêîâûå ãèáðèäû, òî åñòü âñå ñåìåíà áûëè æåëòûå. Â ïîñëåäóþùåì ïðèçíàê, ïîäàâëÿþùèé ïðîÿâëåíèå äðóãîãî ïðèçíàêà, áûë íàçâàí äîìèíàíòíûì (æåëòàÿ îêðàñêà ñåìÿäîëåé), à ïîäàâëÿåìûé ïðèçíàê, íå ïðîÿâëÿþùèéñÿ ó ãèáðèäîâ ïåðâîãî ïîêîëåíèÿ, íàçâàëè ðåöåññèâíûì (çåëåíàÿ îêðàñêà ñåìÿäîëåé). Ïðè ñêðåùèâàíèè ãèáðèäîâ ïåðâîãî ïîêîëåíèÿ Ìåíäåëü óñòàíîâèë, ÷òî âî âòîðîì ïîêîëåíèè îêàçàëîñü 25% çåëåíûõ ñåìÿí è 75% — æåëòûõ. Íà îñíîâå ýòèõ îïûòîâ è óñòàíîâëåííûõ çàêîíîìåðíîñòåé áûëè ñôîðìóëèðîâàíû çàêîíû ìîíîãèáðèäíîãî ñêðåùèâàíèÿ, íàçâàííûå èìåíåì Ã. Ìåíäåëÿ.

} Ïåðâûé çàêîí Ìåíäåëÿ, èëè çàêîí åäèíîîáðàçèÿ ãèáðèäîâ ïåðâîãî ïîêîëåíèÿ: ïðè ñêðåùèâàíèè îñîáåé, ðàçëè÷àþùèõñÿ âàðèàíòàìè îäíîãî ïðèçíàêà (àëëåëüíûìè ãåíàìè), â ïåðâîì ïîêîëåíèè ïðîÿâëÿåòñÿ òîëüêî îäèí ïðèçíàê — äîìèíàíòíûé.


253

} Âòîðîé çàêîí Ìåíäåëÿ, èëè çàêîí ðàñùåïëåíèÿ: ïðè ñêðåùèâàíèè

ãèáðèäíûõ îñîáåé ïåðâîãî ïîêîëåíèÿ ïðîèñõîäèò ðàñùåïëåíèå ïðèçíàêîâ. Ïðè ýòîì ðàñùåïëåíèå ïî ãåíîòèïó è ôåíîòèïó ðàçëè÷íî. Ãèáðèäû âòîðîãî ïîêîëåíèÿ ðàñùåïëÿþòñÿ ïî ôåíîòèïó â îòíîøåíèè 3 : 1, à ïî ãåíîòèïó — â îòíîøåíèè 1 : 2 : 1.

} Òðåòèé çàêîí Ìåíäåëÿ, èëè çàêîí êîìáèíèðîâàíèÿ ïðèçíàêîâ, ïðè-

ìåíèì ê áîëåå ñëîæíûì âàðèàíòàì íàñëåäîâàíèÿ, êîãäà ðîäèòåëüñêèå îñîáè îòëè÷àþòñÿ äðóã îò äðóãà ïî äâóì è áîëåå ïðèçíàêàì. Â òàêèõ ñëó÷àÿõ ãåíû è ñîîòâåòñòâóþùèå èì ïðèçíàêè íàñëåäóþòñÿ íåçàâèñèìî äðóã îò äðóãà è êîìáèíèðóþòñÿ âî âñåõ âîçìîæíûõ ñî÷åòàíèÿõ.

Õðîìîñîìíàÿ òåîðèÿ íàñëåäñòâåííîñòè Âàæíûì ýòàïîì â ðàçâèòèè ãåíåòèêè ñòàëî ñîçäàíèå â íà÷àëå ÕÕ â. àìåðèêàíñêèì ó÷åíûì Ò. Õ. Ìîðãàíîì õðîìîñîìíîé òåîðèè íàñëåäñòâåííîñòè. Åå îñíîâíûå ïîëîæåíèÿ òàêîâû. u

u u u u u

u

u

Ãåíû ðàñïîëàãàþòñÿ â õðîìîñîìàõ â ëèíåéíîì ïîðÿäêå â îïðåäåëåííîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè; êàæäûé ãåí çàíèìàåò îïðåäåëåííîå ìåñòî (ëîêóñ) â õðîìîñîìå. Â ãîìîëîãè÷íûõ õðîìîñîìàõ àëëåëüíûå ãåíû çàíèìàþò îäíî è òî æå ìåñòî. Â ðåçóëüòàòå óäâîåíèÿ õðîìîñîì ïðîèñõîäèò óäâîåíèå ãåíîâ. Ãåíû, ëîêàëèçîâàííûå â îäíîé õðîìîñîìå, íàñëåäóþòñÿ ñîâìåñòíî, îáðàçóÿ ãðóïïó ñöåïëåíèÿ. ×èñëî ãðóïï ñöåïëåíèÿ ñîîòâåòñòâóåò ãàïëîèäíîìó íàáîðó õðîìîñîì è ïîñòîÿííî äëÿ êàæäîãî âèäà. Íàðóøåíèå ñöåïëåííîãî íàñëåäîâàíèÿ ïðèçíàêîâ ìîæåò áûòü ðåçóëüòàòîì êðîññèíãîâåðà. (Êðîññèíãîâåð — îò àíãë. crossingover — âçàèìíûé îáìåí ó÷àñòêàìè ïàðíûõ õðîìîñîì, ÷òî ïðèâîäèò ê ïåðåðàñïðåäåëåíèþ (ðåêîìáèíàöèè) ñöåïëåííûõ ãåíîâ.) Îäèí ãåí ìîæåò îïðåäåëÿòü îäèí èëè íåñêîëüêî ïðèçíàêîâ; òàêæå âîçìîæíî è ïðîòèâîïîëîæíîå ÿâëåíèå, êîãäà íåñêîëüêî ãåíîâ îïðåäåëÿþò ðàçâèòèå îäíîãî ïðèçíàêà. Ãåíû îòíîñèòåëüíî ñòàáèëüíû, íî ïîä âëèÿíèåì ôàêòîðîâ âíåøíåé ñðåäû ñïîñîáíû ê ìóòàöèÿì.

Ñóùåñòâåííûì äîñòèæåíèåì ãåíåòèêè ÿâëÿåòñÿ âûÿâëåíèå ìåõàíèçìîâ íàñëåäîâàíèÿ ïîëà. Âàæíåéøàÿ ðîëü â ãåíåòè÷åñêîì îïðåäåëå-

254 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ íèè ïîëà ïðèíàäëåæèò õðîìîñîìíîìó íàáîðó çèãîòû. Òàê, ó ÷åëîâåêà 23 ïàðû õðîìîñîì, èç íèõ 22 ïàðû îäèíàêîâû êàê ó æåíñêîãî, òàê è ó ìóæñêîãî îðãàíèçìà, à îäíà ïàðà ðàçëè÷íà. Ýòî ïîëîâûå õðîìîñîìû. Ó æåíùèí ïîëîâûå õðîìîñîìû îäèíàêîâû, èõ íàçûâàþò Õ-õðîìîñîìàìè, à ó ìóæ÷èí ðàçëè÷íû: îäíà Õ-õðîìîñîìà, äðóãàÿ — Ó-õðîìîñîìà. Æåíñêèå ïîëîâûå êëåòêè (ÿéöåêëåòêè) îäèíàêîâû, îíè íåñóò ïî Õ-õðîìîñîìå. Ìóæñêèå ïîëîâûå êëåòêè (ñïåðìàòîçîèäû) ðàçëè÷àþòñÿ ïî íàëè÷èþ ïîëîâûõ õðîìîñîì Õ èëè Ó). Ïîë ÷åëîâåêà çàêëàäûâàåòñÿ â ìîìåíò îïëîäîòâîðåíèÿ, êîãäà õðîìîñîìíûå íàáîðû ïîëîâûõ êëåòîê îáúåäèíÿþòñÿ. Ðåøàþùóþ ðîëü â ýòîì èãðàåò Ó-õðîìîñîìà. Â õðîìîñîìàõ ðàñïîëàãàåòñÿ íàñëåäñòâåííûé ìàòåðèàë îðãàíèçìà — äåçîêñèðèáîíóêëåèíîâàÿ êèñëîòà (ÄÍÊ). Ìîëåêóëà ÄÍÊ ñîñòîèò èç äâóõ ïîëèìåðíûõ (îáðàçîâàííûõ ïîâòîðÿþùèìèñÿ ýëåìåíòàìè — ìîíîìåðàìè) öåïåé, çàêðó÷åííûõ â ñïèðàëü. Öåïè ïîñòðîåíû èç ìíîæåñòâà ìîíîìåðîâ ÷åòûðåõ âèäîâ — íóêëåîòèäîâ. Íàñëåäñòâåííàÿ èíôîðìàöèÿ êîäèðóåòñÿ â ìîëåêóëå ÄÍÊ áëàãîäàðÿ ñî÷åòàíèþ òðåõ íóêëåîòèäîâ — òðèïëåòîâ. Êàæäûé òðèïëåò ñîîòâåòñòâóåò îäíîé àìèíîêèñëîòå â ñèíòåçèðóåìîì áåëêå, êîòîðûé îòâå÷àåò çà ðàçâèòèå îïðåäåëåííîãî ïðèçíàêà. Â ïåðåäà÷å ãåíåòè÷åñêîé èíôîðìàöèè îò ðîäèòåëåé ïîòîìñòâó áîëüøîå çíà÷åíèå èìåþò ðàçíûå òèïû ðèáîíóêëåèíîâîé êèñëîòû (ÐÍÊ): òðàíñïîðòíàÿ, èíôîðìàöèîííàÿ è ðèáîñîìíàÿ.

Èçìåí÷èâîñòü Íàñëåäñòâåííîñòü êàê ñâîéñòâî æèâîé ìàòåðèè òåñíî ñâÿçàíà ñ ïðîòèâîïîëîæíûì ñâîéñòâîì — èçìåí÷èâîñòüþ.

} Èçìåí÷èâîñòü — ýòî ñïîñîáíîñòü æèâûõ îðãàíèçìîâ ïðèîáðåòàòü íîâûå ïðèçíàêè.

Ðàçëè÷àþò íàñëåäñòâåííóþ (ãåíîòèïè÷åñêóþ) è íåíàñëåäñòâåííóþ (ìîäèôèêàöèîííóþ) èçìåí÷èâîñòü. Íåíàñëåäñòâåííàÿ èçìåí÷èâîñòü âîçíèêàåò ïîä âëèÿíèåì òåõ èëè èíûõ ôàêòîðîâ âíåøíåé ñðåäû è õàðàêòåðèçóåòñÿ: u u u

ãðóïïîâûì õàðàêòåðîì èçìåíåíèé; ñîîòâåòñòâèåì âîçíèêøèõ èçìåíåíèé äåéñòâèþ îïðåäåëåííîãî ôàêòîðà ñðåäû; èçìåíåíèÿìè, êîòîðûå ìîãóò ðàçâèâàòüñÿ â îïðåäåëåííûõ ïðåäåëàõ (íîðìà ðåàêöèè).


255

Íàñëåäñòâåííàÿ èçìåí÷èâîñòü ñâÿçàíà ñ èçìåíåíèåì ãåíîòèïà è ñîõðàíÿåòñÿ â ðÿäó ïîêîëåíèé. Ðàçëè÷àþò ìóòàöèîííóþ è êîìáèíàòèâíóþ íàñëåäñòâåííóþ èçìåí÷èâîñòü. Ìóòàöèîííàÿ èçìåí÷èâîñòü (èëè ìóòàöèè) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñïîíòàííûå ñêà÷êîîáðàçíûå èçìåíåíèÿ ãåíåòè÷åñêîãî ìàòåðèàëà, âîçíèêàþùèå âñëåäñòâèå íàðóøåíèé â ñòðóêòóðå ãåíîâ èëè õðîìîñîìû. Ìóòàöèè ìîãóò áûòü ïîëåçíûìè èëè âðåäíûìè äëÿ îðãàíèçìà. ×àñòîòà ìóòàöèé â åñòåñòâåííûõ óñëîâèÿõ ìàëà (ïðèìåðíî îäíà ìóòàöèÿ íà 200 òûñ. ãåíîâ). Îäíàêî âëèÿíèå íåêîòîðûõ ôàêòîðîâ ñðåäû ñóùåñòâåííî óâåëè÷èâàåò ÷èñëî ìóòàöèé. Ê òàêèì ôàêòîðàì, èëè ìóòàãåíàì, îòíîñÿòñÿ: èîíèçèðóþùåå èçëó÷åíèå, òåìïåðàòóðà, ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîëÿ, íåêîòîðûå õèìè÷åñêèå âåùåñòâà. Ìóòàöèè ïîâûøàþò ãåíåòè÷åñêîå ðàçíîîáðàçèå âíóòðè ïîïóëÿöèè èëè âèäà, òàê êàê ïîñòàâëÿþò ìàòåðèàë äëÿ åñòåñòâåííîãî îòáîðà è îáðàçîâàíèÿ íîâûõ âèäîâ. Òàêèì îáðàçîì, ïîëîæèòåëüíûå ìóòàöèè, âñòðå÷àþùèåñÿ êðàéíå ðåäêî, ëåæàò â îñíîâå ýâîëþöèîííîãî ïðîöåññà. Êîìáèíàòèâíàÿ èçìåí÷èâîñòü ñâÿçàíà ñ ïåðåñòðîéêîé ñòðóêòóðû õðîìîñîìû, ïîðÿäêîì ðàñïîëîæåíèÿ ãåíîâ (ðåêîìáèíàöèåé), ïðè ýòîì ñàìè ãåíû íå èçìåíÿþòñÿ.

Ãåíåòè÷åñêàÿ è êëåòî÷íàÿ èíæåíåðèÿ

Âîçíèêíîâåíèå ãåíåòè÷åñêîé (ãåííîé) èíæåíåðèè ñâÿçàíî ñ ñîçäàíèåì òåõíîëîãèè âûäåëåíèÿ ãåíîâ èç ÄÍÊ è ìåòîäèêè ðàçìíîæåíèÿ íóæíîãî ãåíà åñòåñòâîèñïûòàòåëåì Ï. Áåðãîì (1972 ã., ÑØÀ). Âíåäðåíèå â æèâîé îðãàíèçì ÷óæåðîäíîé ãåíåòè÷åñêîé èíôîðìàöèè, ãåíåòè÷åñêîå ìàíèïóëèðîâàíèå ñ öåëüþ èçìåíåíèÿ ñóùåñòâóþùèõ è ñîçäàíèÿ íîâûõ ãåíîòèïîâ ñîñòàâëÿþò îäíó èç ñàìûõ ïåðñïåêòèâíûõ àêòóàëüíûõ çàäà÷ ãåííîé èíæåíåðèè. Íà îñíîâå ãåííîé èíæåíåðèè âîçíèêëà íîâàÿ îòðàñëü ôàðìàöåâòè÷åñêîé ïðîìûøëåííîñòè, ïðåäñòàâëÿþùàÿ ñîáîé ïåðñïåêòèâíóþ âåòâü ñîâðåìåííîé áèîòåõíîëîãèè — ìèêðîáèîëîãè÷åñêèé ñèíòåç. Ñ ïîìîùüþ ìåòîäîâ ãåííîé èíæåíåðèè ïîëó÷åíû êëîíû ìíîãèõ ãåíîâ, èíñóëèí, ãèñòîíû, êîëëàãåí è ãëîáèí ìûøè, êðîëèêà è ÷åëîâåêà, ïåïòèäíûå ãîðìîíû è èíòåðôåðîí, êîòîðûå èñïîëüçóþò â ëå÷åáíîé ïðàêòèêå. Ðàçâèòèå ãåííîé èíæåíåðèè äåëàåò âîçìîæíûì ñîçäàíèå íîâûõ ãåíîòèïîâ ñåëüñêîõîçÿéñòâåííûõ ðàñòåíèé è æèâîòíûõ, äëÿ êîòîðûõ õàðàêòåðíî îòñóòñòâèå îïðåäåëåííûõ áîëåçíåé è óâåëè÷åíèå ïðîäóêòèâíîñòè. Ìåòîäû ãåííîé èíæåíåðèè øèðîêî ïðèìåíÿþòñÿ â ìåäèöèíå, ôàðìàêîëîãèè, ìèêðîáèîëîãèè. Íàïðèìåð, ñ ïîìîùüþ ìîëåêóëÿðíûõ ïðîá

256 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ (ôðàãìåíòîâ ÄÍÊ) ìîæíî îïðåäåëèòü çàðàæåííîñòü äîíîðñêîé êðîâè âèðóñîì ÑÏÈÄà. Ðàçðàáîòàíû ãåííûå òåõíîëîãèè óëó÷øåíèÿ âàêöèí è ñîçäàíèÿ íîâûõ âàêöèí. Ãåíåòèêè âåäóò èññëåäîâàíèÿ ïî ãåíåòè÷åñêîé ìîäèôèêàöèè ñâîéñòâ ìèêðîîðãàíèçìîâ, íåîáõîäèìûõ äëÿ ñûðîâàðåíèÿ, âèíîäåëèÿ, õëåáîïå÷åíèÿ, ïðîèçâîäñòâà êèñëîìîëî÷íûõ ïðîäóêòîâ. Â ñåëüñêîì õîçÿéñòâå èñïîëüçóþò ìîäèôèöèðîâàííûå ìèêðîáû äëÿ áîðüáû ñ âðåäíûìè âèðóñàìè, ìèêðîáàìè è íàñåêîìûìè. Êëåòî÷íàÿ èíæåíåðèÿ çàíèìàåòñÿ ãåíåòè÷åñêèìè ìàíèïóëÿöèÿìè ñ îòäåëüíûìè êëåòêàìè èëè ãðóïïàìè êëåòîê. Ê äîñòèæåíèÿì êëåòî÷íîé èíæåíåðèè ìîæíî îòíåñòè ìåòîäèêó îïëîäîòâîðåíèÿ â ïðîáèðêå ÿéöåêëåòêè ñ ïîñëåäóþùåé èìïëàíòàöèåé åå çàðîäûøåé â ìàòêó. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ â ìèðå íàñ÷èòûâàåòñÿ äåñÿòêè òûñÿ÷ «äåòåé èç ïðîáèðîê». Ìåòîäû êëåòî÷íîé èíæåíåðèè ïðèìåíÿþòñÿ â æèâîòíîâîäñòâå ïðè âûâåäåíèè æèâîòíûõ ñ îïðåäåëåííûìè, ïîëåçíûìè äëÿ ÷åëîâåêà êà÷åñòâàìè. Â äàííîì ñëó÷àå â ÿéöåêëåòêè ïîäîïûòíûõ æèâîòíûõ âíåäðÿþò ó÷àñòêè ìîëåêóë ÄÍÊ, èçìåíÿÿ ãåíîòèï îñîáè. Â ðàñòåíèåâîäñòâå ñ öåëüþ óìåíüøèòü ñðîêè ðàçìíîæåíèÿ è çíà÷èòåëüíî óâåëè÷èòü ÷èñëî íîâûõ ýêçåìïëÿðîâ èñïîëüçóþò êëîíàëüíîå ìèêðîðàçìíîæåíèå (ïîëó÷åíèå ðàñòèòåëüíîãî îðãàíèçìà èç îäíîé êëåòêè). Îäíàêî íåîáõîäèìî îòìåòèòü è íåãàòèâíûé àñïåêò ðàçâèòèÿ ãåííîé è êëåòî÷íîé èíæåíåðèè: ñòàíîâèòñÿ ðåàëüíîé âîçìîæíîñòü ïîëó÷åíèÿ íîâûõ ïàòîãåííûõ âèðóñîâ è ñîçäàíèÿ íîâûõ âèäîâ áàêòåðèîëîãè÷åñêîãî îðóæèÿ, ÷òî íå òîëüêî âåäåò ê äåñòàáèëèçàöèè è íàïðÿæåííîñòè îòíîøåíèé ìåæäó ñòðàíàìè, íî è ñòàâèò ïîä óãðîçó áëàãîïîëó÷èå ÷åëîâå÷åñêîé öèâèëèçàöèè. Â 1997 ã. â ïå÷àòè ïîÿâèëàñü èíôîðìàöèÿ î òîì, ÷òî øîòëàíäñêèé ó÷åíûé ß. Âèëüìóò ðàçðàáîòàë ìåòîäèêó êëîíèðîâàíèÿ ìëåêîïèòàþùèõ, â ðåçóëüòàòå ÷åãî ïîÿâèëàñü êëîíèðîâàííàÿ îâå÷êà Äîëëè. Áûëî ïðîâåäåíî 236 îïûòîâ, èç êîòîðûõ òîëüêî îäèí îêàçàëñÿ óñïåøíûì — ðîäèëàñü îâöà, íåñóùàÿ âåñü ãåíîòèï ìàòåðè. Ïîñëå ýòîãî âñå ÷àùå ñòàëè âîçíèêàòü äèñêóññèè ïî ïðîáëåìå êëîíèðîâàíèÿ ÷åëîâåêà. Äåéñòâèòåëüíî, òåõíîëîãèè ãåííîé èíæåíåðèè ïðèáëèæàþòñÿ ê ðåøåíèþ ýòîé çàäà÷è. Íî ñëåäóåò ïîìíèòü, ÷òî êëîíèðîâàíèå ÷åëîâåêà âûçîâåò öåëûé ðÿä ýòè÷åñêèõ, þðèäè÷åñêèõ è ðåëèãèîçíûõ ïðîáëåì, ñðåäè êîòîðûõ íàèáîëåå îñòðûìè áóäóò, âåðîÿòíî, ñëåäóþùèå:

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè u u

u

u

257

ïîäðûâ íðàâñòâåííûõ öåííîñòåé ÷åëîâå÷åñòâà; íåáëàãîïðèÿòíîå âëèÿíèå íà ñîöèàëüíóþ è áèîëîãè÷åñêóþ óñòîé÷èâîñòü ÷åëîâå÷åñêîé ïîïóëÿöèè; âîçìîæíîå çàðîæäåíèå öèâèëèçàöèè ñ èíûìè íðàâñòâåííûìè êðèòåðèÿìè (èëè èõ îòñóòñòâèåì); ïîÿâëåíèå êðèìèíàëüíûõ îáúåäèíåíèé èññëåäîâàòåëåé, èñïîëüçóþùèõ äîñòèæåíèÿ ãåííîé èíæåíåðèè â ïðîòèâîïðàâíûõ öåëÿõ.

Òàêèì îáðàçîì, íðàâñòâåííûå è ñîöèàëüíûå àñïåêòû èñïîëüçîâàíèÿ äîñòèæåíèé ãåíåòèêè â èíòåðåñàõ ÷åëîâåêà òðåáóþò øèðîêîãî îáñóæäåíèÿ, âíèìàíèÿ è îáùåñòâåííîãî êîíòðîëÿ.

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè 1. Ïî÷åìó ýëåêòðîìàãíåòèçì ÿâëÿåòñÿ àòðèáóòîì ñóùåñòâîâàíèÿ æèâîé ìàòåðèè? 2. ×òî îçíà÷àåò ýâîëþöèîííî-ñèíåðãåòè÷åñêèé ïîäõîä â îïèñàíèè ïðèðîäû? 3. Â ÷åì ñóùíîñòü ñàìîîðãàíèçàöèè â ïðèðîäå â öåëîì è â æèâîé ìàòåðèè â ÷àñòíîñòè? 4. Êàêîâà ðîëü ñèíåðãåòèêè äëÿ ñîâðåìåííîãî ìèðîïîíèìàíèÿ? 5. Íàçîâèòå îñíîâíûå ñâîéñòâà ñàìîîðãàíèçóþùèõñÿ ñèñòåì. 6. Äàéòå ïîíÿòèå áèôóðêàöèîííîãî äåðåâà êàê ìîäåëè ýâîëþöèè ïðèðîäû, ÷åëîâåêà, îáùåñòâà. 7. Äàéòå îïðåäåëåíèå æèçíè ñ òî÷åê çðåíèÿ ðàçëè÷íûõ ó÷åíûõ. Íàçîâèòå îòëè÷èÿ æèâîé ìàòåðèè îò íåæèâîé. 8. Îõàðàêòåðèçóéòå ñòðóêòóðíûå óðîâíè îðãàíèçàöèè æèâîé ìàòåðèè. 9. Ñôîðìóëèðóéòå îñíîâíûå ãèïîòåçû ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè íà Çåìëå. 10. Íàçîâèòå îñíîâíûå ýòàïû ïðîèñõîæäåíèÿ æèçíè ïî À. È. Îïàðèíó. 11. Îõàðàêòåðèçóéòå êëåòêó êàê ýëåìåíòàðíóþ åäèíèöó æèâîãî. 12. Íàçîâèòå îñíîâíûå ïîëîæåíèÿ ýâîëþöèîííîé òåîðèè ×. Äàðâèíà. ×åì îòëè÷àåòñÿ ñèíòåòè÷åñêàÿ òåîðèÿ ýâîëþöèè îò äàðâèíñêîé? 13. ×òî òàêîå ýâîëþöèîííàÿ êàðòèíà ìèðà è ãëîáàëüíûé ýâîëþöèîíèçì? 14. Äàéòå îïðåäåëåíèÿ íàñëåäñòâåííîñòè è èçìåí÷èâîñòè.

258 Ãëàâà 8. Æèâàÿ ìàòåðèÿ 15. ×òî îïðåäåëÿþò ïîíÿòèÿ «íàñëåäîâàíèå», «ãåí», «ãåíîì», «ãåíîôîíä»? 16. ×òî ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ãåíîòèï è ôåíîòèï? Ïî÷åìó ïðèíÿòî ñ÷èòàòü, ÷òî ãåíîòèï îïðåäåëÿåò ôåíîòèï? 17. Äàéòå îïðåäåëåíèå ãåíåòè÷åñêîãî êîäà è ïåðå÷èñëèòå åãî ñâîéñòâà. 18. Ïåðå÷èñëèòå îñíîâíûå ïðèíöèïû ãèáðèäîëîãè÷åñêîãî àíàëèçà. 19. Êàêèå ïðèçíàêè íàçûâàþòñÿ äîìèíàíòíûìè, à êàêèå — ðåöåññèâíûìè? 20. Êàêèå îðãàíèçìû íàçûâàþòñÿ ãîìîçèãîòíûìè, à êàêèå — ãåòåðîçèãîòíûìè? 21. Äàéòå ñîâðåìåííóþ ôîðìóëèðîâêó çàêîíîâ Ìåíäåëÿ. 22. Â ÷åì ñîñòîÿò îñîáåííîñòè ãåíåòèêè ÷åëîâåêà? Ïåðå÷èñëèòå îñíîâíûå ìåòîäû ãåíåòèêè ÷åëîâåêà.

Ãëàâà 9 Ó×ÅÍÈÅ Î ÁÈÎÑÔÅÐÅ

Â 1875 ã. â íàó÷íîé ëèòåðàòóðå ïîÿâèëñÿ òåðìèí «áèîñôåðà». Åãî ïðåäëîæèë Ýäóàðä Çþññ (1831–1914) — èçâåñòíûé àâñòðèéñêèé ãåîëîã. Ââåäÿ â íàóêó íîâûé òåðìèí, Ý. Çþññ íå äàë åìó îïðåäåëåíèÿ, ïîýòîìó ñëîâî «áèîñôåðà» ñòàëî èçðåäêà èñïîëüçîâàòüñÿ â ãåîëîãè÷åñêîé è ãåîãðàôè÷åñêîé ëèòåðàòóðå, ïðè÷åì êàæäûé ðàç â ðàçëè÷íîì çíà÷åíèè. Â 1926 ã. â Ëåíèíãðàäå âûøëà êíèãà âûäàþùåãîñÿ ðóññêîãî ó÷åíîãî Â. È. Âåðíàäñêîãî «Áèîñôåðà». Â ýòîé êíèãå âïåðâûå äàíî ïðåäñòàâëåíèå î áèîñôåðå Çåìëè êàê î ïëàíåòàðíîé îáîëî÷êå, íàïîëíåííîé, ïðåîáðàçîâàííîé è ïîñòîÿííî ïðåîáðàçóåìîé îðãàíèçìàìè. Â. È. Âåðíàäñêèé ðàñïðîñòðàíèë ïîíÿòèå «áèîñôåðà» íå òîëüêî íà îðãàíèçìû, íî è íà ñðåäó îáèòàíèÿ. Ïîä÷åðêèâàÿ ãåîëîãè÷åñêóþ ðîëü æèâûõ îðãàíèçìîâ, Âåðíàäñêèé ïèñàë: «Íà çåìíîé ïîâåðõíîñòè íåò õèìè÷åñêîé ñèëû, áîëåå ïîñòîÿííî äåéñòâóþùåé, à ïîýòîìó áîëåå ìîãóùåñòâåííîé ïî ñâîèì êîíå÷íûì ïîñëåäñòâèÿì, ÷åì æèâûå îðãàíèçìû, âçÿòûå â öåëîì».

9.1. Áèîñôåðà, åå ñòðóêòóðà è ôóíêöèè Äëèòåëüíûé ïåðèîä äîáèîëîãè÷åñêîãî ðàçâèòèÿ íàøåé ïëàíåòû, îïðåäåëÿþùèéñÿ äåéñòâèåì ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ôàêòîðîâ íåæèâîé ïðèðîäû, çàêîí÷èëñÿ êà÷åñòâåííûì ñêà÷êîì — âîçíèêíîâåíèåì îðãàíè÷åñêîé æèçíè. Ñ ìîìåíòà ñâîåãî ïîÿâëåíèÿ îðãàíèçìû ñóùåñòâóþò è ðàçâèâàþòñÿ â òåñíîì âçàèìîäåéñòâèè ñ íåæèâîé ïðèðîäîé, ïðè÷åì ïðîöåññû â æèâîé ïðèðîäå íà ïîâåðõíîñòè íàøåé ïëàíåòû ñòàëè ïðåîáëàäàþùèìè. Ïîä äåéñòâèåì ñîëíå÷íîé ýíåðãèè ðàçâèâàåòñÿ ïðèíöèïèàëüíî íîâàÿ (ïëàíåòàðíûõ ìàñøòàáîâ) ñèñòåìà — áèîñôåðà. Â ñîñòàâå áèîñôåðû ðàçëè÷àþò: u æèâîå âåùåñòâî, îáðàçîâàííîå ñîâîêóïíîñòüþ îðãàíèçìîâ; u áèîãåííîå âåùåñòâî, êîòîðîå ñîçäàåòñÿ â ïðîöåññå æèçíåäåÿòåëüíîñòè îðãàíèçìîâ (ãàçû àòìîñôåðû, êàìåííûé óãîëü, èçâåñòíÿêè è äð.);

260 Ãëàâà 9. Ó÷åíèå î áèîñôåðå u

u

êîñíîå âåùåñòâî, îáðàçóþùååñÿ áåç ó÷àñòèÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ (îñíîâíûå ïîðîäû, ëàâà âóëêàíîâ, ìåòåîðèòû); áèîêîñíîå âåùåñòâî, ïðåäñòàâëÿþùåå ñîáîé ñîâìåñòíûé ðåçóëüòàò æèçíåäåÿòåëüíîñòè îðãàíèçìîâ è àáèîãåííûõ ïðîöåññîâ (ïî÷âû).

Ýâîëþöèÿ áèîñôåðû îáóñëîâëåíà òåñíî âçàèìîñâÿçàííûìè ìåæäó ñîáîé òðåìÿ ãðóïïàìè ôàêòîðîâ: ðàçâèòèåì íàøåé ïëàíåòû êàê êîñìè÷åñêîãî òåëà è ïðîòåêàþùèõ â åå íåäðàõ õèìè÷åñêèõ ïðåîáðàçîâàíèé, áèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèåé æèâûõ îðãàíèçìîâ è ðàçâèòèåì ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà. Ãðàíèöû æèçíè îïðåäåëÿþòñÿ ôàêòîðàìè çåìíîé ñðåäû, êîòîðûå ïðåïÿòñòâóþò ñóùåñòâîâàíèþ æèâûõ îðãàíèçìîâ. Âåðõíÿÿ ãðàíèöà áèîñôåðû ïðîõîäèò íà âûñîòå îêîëî 20 êì îò ïîâåðõíîñòè Çåìëè è îòãðàíè÷åíà îçîíîâûì ñëîåì, êîòîðûé çàäåðæèâàåò êîðîòêîâîëíîâóþ ÷àñòü óëüòðàôèîëåòîâîãî èçëó÷åíèÿ Ñîëíöà, ãóáèòåëüíóþ äëÿ æèçíè. Â ãèäðîñôåðå çåìíîé êîðû æèâûå îðãàíèçìû íàñåëÿþò âñå âîäû Ìèðîâîãî îêåàíà — äî 10–11 êì â ãëóáèíó. Â ëèòîñôåðå æèçíü âñòðå÷àåòñÿ íà ãëóáèíå 3,5–7,5 êì, ÷òî îáóñëîâëåíî òåìïåðàòóðîé çåìíûõ íåäð è óðîâíåì ïðîíèêíîâåíèÿ âîäû â æèäêîì ñîñòîÿíèè. Àòìîñôåðà. Ãàçîâàÿ îáîëî÷êà Çåìëè ñîñòîèò â îñíîâíîì èç àçîòà è êèñëîðîäà. Â íåáîëüøèõ êîëè÷åñòâàõ â íåé ñîäåðæàòñÿ äèîêñèä óãëåðîäà (0,003%) è îçîí. Ñîñòîÿíèå àòìîñôåðû îêàçûâàåò áîëüøîå âëèÿíèå íà ôèçè÷åñêèå, õèìè÷åñêèå è áèîëîãè÷åñêèå ïðîöåññû íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè è â âîäíîé ñðåäå. Äëÿ ïðîöåññîâ æèçíåäåÿòåëüíîñòè îñîáåííî âàæíû: êèñëîðîä, èñïîëüçóåìûé äëÿ äûõàíèÿ è ìèíåðàëèçàöèè ìåðòâîãî îðãàíè÷åñêîãî âåùåñòâà; äèîêñèä óãëåðîäà, èñïîëüçóåìûé çåëåíûìè ðàñòåíèÿìè â ôîòîñèíòåçå; îçîí, ñîçäàþùèé ýêðàí, çàùèùàþùèé çåìíóþ ïîâåðõíîñòü îò óëüòðàôèîëåòîâîãî èçëó÷åíèÿ. Àòìîñôåðà îáðàçîâàëàñü â ðåçóëüòàòå ìîùíîé âóëêàíè÷åñêîé è ãîðîîáðàçîâàòåëüíîé äåÿòåëüíîñòè, êèñëîðîä ïîÿâèëñÿ çíà÷èòåëüíî ïîçäíåå êàê ïðîäóêò ôîòîñèíòåçà. Ãèäðîñôåðà. Âîäà — âàæíûé êîìïîíåíò áèîñôåðû è íåîáõîäèìîå óñëîâèå ñóùåñòâîâàíèÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ. Áîëüøîå çíà÷åíèå èìåþò ãàçû, ðàñòâîðåííûå â âîäå: êèñëîðîä è äèîêñèä óãëåðîäà. Èõ ñîäåðæàíèå øèðîêî âàðüèðóåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò òåìïåðàòóðû è ïðèñóòñòâèÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ. Â âîäå ñîäåðæèòñÿ â 60 ðàç áîëüøå äèîêñèäà óãëåðîäà, ÷åì â àòìîñôåðå. Ãèäðîñôåðà ôîðìèðîâàëàñü â ñâÿçè ñ ðàçâèòèåì ãåîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â ëèòîñôåðå, ïðè êîòîðûõ âûäåëÿëîñü áîëüøîå êîëè÷åñòâî âîäÿíîãî ïàðà.

9.2. Æèâîå âåùåñòâî êàê ñèñòåìîîáðàçóþùèé ôàêòîð áèîñôåðû

261

Ëèòîñôåðà. Îñíîâíàÿ ìàññà îðãàíèçìîâ ëèòîñôåðû íàõîäèòñÿ â ïî÷âåííîì ñëîå, ãëóáèíà êîòîðîãî íå ïðåâûøàåò íåñêîëüêèõ ìåòðîâ. Ïî÷âà ñîñòîèò èç íåîðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ (ïåñîê, ãëèíà, ìèíåðàëüíûå ñîëè), îáðàçóþùèõñÿ ïðè ðàçðóøåíèè ãîðíûõ ïîðîä, è îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ — ïðîäóêòîâ æèçíåäåÿòåëüíîñòè îðãàíèçìîâ.

9.2. Æèâîå âåùåñòâî êàê ñèñòåìîîáðàçóþùèé ôàêòîð áèîñôåðû Îãðîìíîé çàñëóãîé Â. È. Âåðíàäñêîãî ÿâëÿåòñÿ îáîñíîâàíèå íîâîãî ñîäåðæàíèÿ ïðåäñòàâëåíèé î æèâîì âåùåñòâå. Æèâûì âåùåñòâîì Âåðíàäñêèé íàçûâàë «ñîâîêóïíîñòü îðãàíèçìîâ, ñâåäåííûõ ê èõ âåñó, õèìè÷åñêîìó ñîñòàâó è ýíåðãèè». Æèâîå âåùåñòâî ïî ñâîåé ìàññå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íè÷òîæíóþ ÷àñòü áèîñôåðû. Åñëè âñå æèâîå âåùåñòâî Çåìëè ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåëèòü ïî åå ïîâåðõíîñòè, òî îíî ïîêðîåò íàøó ïëàíåòó ñëîåì òîëùèíîé 2 ñì. Îäíàêî èìåííî æèâîå âåùåñòâî, ïî ìíåíèþ Â. È. Âåðíàäñêîãî, âûïîëíÿåò âåäóùèå ôóíêöèè â ôîðìèðîâàíèè çåìíîé êîðû. Æèâîå âåùåñòâî îáëàäàåò ðÿäîì ñïåöèôè÷åñêèõ ñâîéñòâ: 1. Æèâîå âåùåñòâî õàðàêòåðèçóåòñÿ îãðîìíîé ñâîáîäíîé ýíåðãèåé. 2. Â æèâîì âåùåñòâå õèìè÷åñêèå ðåàêöèè ïðîòåêàþò â òûñÿ÷è (èíîãäà è â ìèëëèîíû) ðàç áûñòðåå, ÷åì â íåæèâîì âåùåñòâå. Ïîýòîìó äëÿ õàðàêòåðèñòèêè èçìåíåíèé â æèâîì âåùåñòâå ïîëüçóþòñÿ ïîíÿòèåì èñòîðè÷åñêîãî, à â êîñíîì âåùåñòâå — ãåîëîãè÷åñêîãî âðåìåíè. 3. Õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, âõîäÿùèå â ñîñòàâ æèâîãî âåùåñòâà (ôåðìåíòû, áåëêè è äð.), óñòîé÷èâû òîëüêî â æèâûõ îðãàíèçìàõ. 4. Æèâîìó âåùåñòâó ïðèñóùå ïðîèçâîëüíîå äâèæåíèå — ïàññèâíîå, îáóñëîâëåííîå ðîñòîì è ðàçìíîæåíèåì, è àêòèâíîå — â âèäå íàïðàâëåííîãî ïåðåìåùåíèÿ îðãàíèçìîâ. Ïåðâîå ÿâëÿåòñÿ ñâîéñòâîì âñåõ æèâûõ îðãàíèçìîâ, âòîðîå õàðàêòåðíî äëÿ æèâîòíûõ è â ðåäêèõ ñëó÷àÿõ — äëÿ ðàñòåíèé. 5. Äëÿ æèâîãî âåùåñòâà õàðàêòåðíî ãîðàçäî áîëüøåå õèìè÷åñêîå è ìîðôîëîãè÷åñêîå ðàçíîîáðàçèå, ÷åì äëÿ íåæèâîãî. 6. Æèâîå âåùåñòâî â áèîñôåðå Çåìëè íàõîäèòñÿ â âèäå äèñïåðñíûõ òåë — èíäèâèäóàëüíûõ îðãàíèçìîâ. Ðàçìåðû è ìàññà æèâûõ îðãàíèçìîâ ñèëüíî êîëåáëþòñÿ (äèàïàçîí áîëåå 109).

262 Ãëàâà 9. Ó÷åíèå î áèîñôåðå 7. Æèâîå âåùåñòâî âîçíèêàåò òîëüêî èç æèâîãî è ñóùåñòâóåò íà Çåìëå â ôîðìå íåïðåðûâíîãî ÷åðåäîâàíèÿ ïîêîëåíèé. Æèâûå îðãàíèçìû â ïðåäåëàõ áèîñôåðû ðàñïðåäåëåíû î÷åíü íåðàâíîìåðíî. Íà áîëüøîé âûñîòå è ãëóáèíàõ ãèäðîñôåðû è ëèòîñôåðû îðãàíèçìû âñòðå÷àþòñÿ äîñòàòî÷íî ðåäêî. Æèçíü ñîñðåäîòî÷åíà ãëàâíûì îáðàçîì íà ïîâåðõíîñòè çåìëè, â ïî÷âå è ïîâåðõíîñòíîì ñëîå Ìèðîâîãî îêåàíà. Â. È. Âåðíàäñêèé âûäåëèë äâå ôîðìû êîíöåíòðàöèè æèâîãî âåùåñòâà: æèçíåííûå ïëåíêè, çàíèìàþùèå îãðîìíûå ïëîùàäè, è ñãóùåíèÿ æèçíè, ïðåäñòàâëåííûå íåáîëüøèìè ïëîùàäÿìè (íàïðèìåð, ïðóä). Âñÿ îñòàëüíàÿ ÷àñòü áèîñôåðû ÿâëÿåòñÿ çîíîé ðàçðÿæåíèÿ æèâîãî âåùåñòâà. Â îêåàíå ìîæíî âûäåëèòü äâå æèçíåííûå ïëåíêè — ïëàíêòîííóþ è äîííóþ, êîòîðûå íàõîäÿòñÿ íà ãðàíèöå ðàçäåëà ôàç. Ïëàíêòîííàÿ ëåæèò íà ãðàíèöå àòìîñôåðû è ãèäðîñôåðû, äîííàÿ — íà ãðàíèöå ãèäðîñôåðû è ëèòîñôåðû. Ñãóùåíèÿ æèçíè â îêåàíå ðàçëè÷àþò òðåõ òèïîâ: ïðèáðåæíûå, ñàðãàññîâûå è ðèôîâûå. Íà ñóøå òàêæå èìåþòñÿ ðàçëè÷íûå ôîðìû êîíöåíòðàöèè æèçíè. Âåðõíÿÿ ïëåíêà æèçíè íà ñóøå — íàçåìíàÿ, ðàñïîëîæåííàÿ íà ãðàíèöå àòìîñôåðû è ëèòîñôåðû. Ïîä íåé íàõîäèòñÿ ïî÷âåííàÿ ïëåíêà æèçíè, ïðåäñòàâëÿþùàÿ ñîáîé ñëîæíóþ ñèñòåìó, íàñåëåííóþ îãðîìíûì êîëè÷åñòâîì áàêòåðèé, ïðîñòåéøèõ è äðóãèõ ïðåäñòàâèòåëåé æèâûõ îðãàíèçìîâ. Ñãóùåíèÿ æèçíè ïðåäñòàâëåíû íà ñóøå áåðåãîâûìè, ïîéìåííûìè è òðîïè÷åñêèìè ôîðìàìè. Âàæíàÿ çàêîíîìåðíîñòü íàáëþäàåòñÿ â ñîîòíîøåíèè âèäîâîãî ñîñòàâà æèâûõ îðãàíèçìîâ íà Çåìëå. Ðàñòåíèÿ ñîñòàâëÿþò 21% îò îáùåãî ÷èñëà âèäîâ, îáðàçóÿ 99% îáùåé áèîìàññû. Ñðåäè æèâîòíûõ 96% âèäîâ ïðåäñòàâëåíû áåñïîçâîíî÷íûìè è òîëüêî 4% — ïîçâîíî÷íûå, èç êîòîðûõ òîëüêî 10% — ìëåêîïèòàþùèå. Òàêèì îáðàçîì, îðãàíèçìû, ñòîÿùèå íà îòíîñèòåëüíî íèçêîì óðîâíå ýâîëþöèîííîãî ðàçâèòèÿ, â êîëè÷åñòâåííîì îòíîøåíèè çíà÷èòåëüíî ïðåîáëàäàþò. Ìàññà æèâîãî âåùåñòâà î÷åíü ìàëà ïî ñðàâíåíèþ ñ ìàññîé íåæèâîãî âåùåñòâà è ñîñòàâëÿåò âñåãî 0,01–0,02% îò êîñíîãî âåùåñòâà áèîñôåðû. Â òî æå âðåìÿ æèâîå âåùåñòâî èãðàåò ãëàâåíñòâóþùóþ ðîëü â ãåîõèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ. Åæåãîäíî áëàãîäàðÿ æèçíåäåÿòåëüíîñòè ðàñòåíèé è æèâîòíûõ âîñïðîèçâîäèòñÿ îêîëî 10% áèîìàññû.

9.3. Áèîñôåðà — ýêîñèñòåìà ïëàíåòàðíîãî ìàñøòàáà

263

Æèâûì âåùåñòâîì â áèîñôåðå âûïîëíÿþòñÿ âàæíûå ôóíêöèè: 1. Ýíåðãåòè÷åñêàÿ ôóíêöèÿ — ïîãëîùåíèå ñîëíå÷íîé ýíåðãèè è ýíåðãèè ïðè õåìîñèíòåçå, äàëüíåéøàÿ ïåðåäà÷à ýíåðãèè ïî ïèùåâîé öåïè. 2. Êîíöåíòðàöèîííàÿ ôóíêöèÿ — èçáèðàòåëüíîå íàêîïëåíèå îïðåäåëåííûõ õèìè÷åñêèõ âåùåñòâ. 3. Ñðåäîîáðàçóþùàÿ ôóíêöèÿ — ïðåîáðàçîâàíèå ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ñðåäû. 4. Òðàíñïîðòíàÿ ôóíêöèÿ — ïåðåíîñ âåùåñòâ â âåðòèêàëüíîì è ãîðèçîíòàëüíîì íàïðàâëåíèÿõ. 5. Äåñòðóêòèâíàÿ ôóíêöèÿ — ìèíåðàëèçàöèÿ íåîáèîãåííîãî âåùåñòâà, ðàçëîæåíèå íåæèâîãî íåîðãàíè÷åñêîãî âåùåñòâà. Æèâûå îðãàíèçìû îñóùåñòâëÿþò ìèãðàöèþ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ â áèîñôåðå â ïðîöåññå äûõàíèÿ, ïèòàíèÿ, îáìåíà âåùåñòâ è ýíåðãèè. Ãëàâíàÿ ôóíêöèÿ áèîñôåðû çàêëþ÷àåòñÿ â îáåñïå÷åíèè êðóãîâîðîòà õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, êîòîðûé âûðàæàåòñÿ â öèðêóëÿöèè âåùåñòâ ìåæäó àòìîñôåðîé, ïî÷âîé, ãèäðîñôåðîé è æèâûìè îðãàíèçìàìè.

9.3. Áèîñôåðà — ýêîñèñòåìà ïëàíåòàðíîãî ìàñøòàáà Â óñëîâèÿõ íàó÷íî-òåõíè÷åñêîãî ïðîãðåññà ÷åëîâå÷åñòâî âñå ÷àùå âñòóïàåò â êîíôëèêò ñ ïðèðîäîé. Àêòèâíàÿ äåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà íå òîëüêî ñóùåñòâåííî ìåíÿåò íå òîëüêî îáëèê íàøåé ïëàíåòû, íî è âëèÿåò íà õàðàêòåð ïðîöåññîâ â áèîñôåðå. Äåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà ïðèâîäèò ê íàðóøåíèþ áèîòè÷åñêîãî êðóãîâîðîòà âåùåñòâ, èñòîùåíèþ ïðèðîäíûõ ðåñóðñîâ, íàðóøåíèþ òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ è ò. ä. Äàëüíåéøåå óãëóáëåíèå ýòîãî êîíôëèêòà ìîæåò ïðèâåñòè ê ãëîáàëüíîé êàòàñòðîôå, êîòîðàÿ ãðîçèò ãèáåëüþ âñåãî æèâîãî íà ïëàíåòå, â òîì ÷èñëå è ÷åëîâåêà. Â ñâÿçè ñ ýòèì äîëæíû áûòü êîðåííûì îáðàçîì ïåðåñìîòðåíû âçàèìîîòíîøåíèÿ ÷åëîâåêà ñ îêðóæàþùåé åãî ñðåäîé, åãî ìåñòî â ïðèðîäå. Ñóùåñòâîâàíèå è ðàçâèòèå ÷åëîâå÷åñòâà äîëæíû ñîèçìåðÿòüñÿ ñ çàêîíàìè ðàçâèòèÿ áèîñôåðû. Îñíîâîïîëàãàþùåå çíà÷åíèå äëÿ ðàçðàáîòêè ñòðàòåãè÷åñêîé êîíöåïöèè âçàèìîîòíîøåíèé ìåæäó ÷åëîâå÷åñêèì îáùåñòâîì è îêðóæàþùåé ñðåäîé èìåþò ó÷åíèå î áèîñôåðå (Â. È. Âåðíàäñêèé, 1926) è ïîíÿòèÿ î áèîãåîöåíîçàõ (Â. Í. Ñóêà÷åâ, 1940) è ýêîëîãè÷åñêèõ ñèñòåìàõ (À. Òåíñëè, 1935) êàê ýëåìåíòàðíûõ ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíûõ åäèíèöàõ áèîñôåðû. Áèîãåîöåíîç (ýêîñèñòåìà) — ýòî óñòîé÷èâîå

264 Ãëàâà 9. Ó÷åíèå î áèîñôåðå ñîîáùåñòâî îðãàíèçìîâ ðàçíûõ âèäîâ (ðàñòåíèé, æèâîòíûõ è ìèêðîîðãàíèçìîâ), òåñíî ñâÿçàííûõ ìåæäó ñîáîé è ñ îêðóæàþùåé èõ íåæèâîé ïðèðîäîé (áèîòîïîì) îáìåíîì âåùåñòâ è ýíåðãèè. Áèîãåîöåíîç ïðîñòðàíñòâåííî îãðàíè÷åí (íàïðèìåð, áèîãåîöåíîç äóáðàâû) è îòíîñèòåëüíî îäíîðîäåí (êàê ïî âèäîâîìó ñîñòàâó æèâûõ ñóùåñòâ, òàê è ïî êîìïëåêñó àáèîòè÷åñêèõ ôàêòîðîâ — ñâåò, òåìïåðàòóðà, äàâëåíèå è äð.). Ïîñòîÿííîå ïîñòóïëåíèå ýíåðãèè Ñîëíöà, ìèíåðàëüíûõ âåùåñòâ ïî÷âû, ãàçîâ è âîäû îáåñïå÷èâàåò æèçíåííûå ïðîöåññû îðãàíèçìîâ, ïðè êîòîðûõ âûäåëÿþòñÿ òåïëîòà, êèñëîðîä, äèîêñèä óãëåðîäà, ïðîäóêòû æèçíåäåÿòåëüíîñòè. Îñíîâíûå ôóíêöèè áèîãåîöåíîçà — àêêóìóëÿöèÿ è ïåðåðàñïðåäåëåíèå ýíåðãèè è êðóãîâîðîò âåùåñòâ. Âåäóùàÿ àêòèâíàÿ ðîëü â ïðîöåññàõ âçàèìîäåéñòâèÿ êîìïîíåíòîâ áèîãåîöåíîçà ïðèíàäëåæèò æèâûì ñóùåñòâàì. Îðãàíèçìû, âõîäÿùèå â áèîãåîöåíîç, ìîæíî îòíåñòè ê òðåì ôóíêöèîíàëüíûì ãðóïïàì — ïðîäóöåíòàì, êîíñóìåíòàì è ðåäóöåíòàì. Ïðîäóöåíòû ñîñòàâëÿþò ãðóïïó àâòîòðîôíûõ îðãàíèçìîâ (ôîòî- è õåìîñèíòåòèêîâ), êîòîðûå ïîòðåáëÿþò íåîðãàíè÷åñêèå âåùåñòâà èç áèîòîïà, èñïîëüçóþò ýíåðãèþ ñîëíå÷íîãî ñâåòà (ëèáî ýíåðãèþ, âûäåëÿåìóþ ïðè îêèñëåíèè èìè íåîðãàíè÷åñêîãî ñóáñòðàòà) è ñèíòåçèðóþò îðãàíè÷åñêîå âåùåñòâî. Ê ýòîé ãðóïïå îòíîñÿòñÿ ðàñòåíèÿ è íåêîòîðûå áàêòåðèè. Êîíñóìåíòû — ãåòåðîòðîôíûå îðãàíèçìû, èñïîëüçóþùèå ãîòîâûå îðãàíè÷åñêèå âåùåñòâà (â âèäå ïèùè) êàê èñòî÷íèêè ýíåðãèè è âåùåñòâ, íåîáõîäèìûõ äëÿ èõ æèçíåäåÿòåëüíîñòè. Ê íèì îòíîñÿòñÿ âñå æèâîòíûå, íåêîòîðûå ãðèáû, áàêòåðèè è ðàñòåíèÿ (ðàñòåíèÿ-õèùíèêè è ðàñòåíèÿ-ïàðàçèòû). Ðåäóöåíòû — ýòî îðãàíèçìû-äåñòðóêòîðû, ðàçëàãàþùèå îñòàòêè îðãàíèçìîâ, ïðåâðàùàÿ èõ â ïðîñòûå íåîðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ. Òðîôè÷åñêèå îòíîøåíèÿ ìåæäó òðåìÿ íàçâàííûìè êîìïîíåíòàìè áèîöåíîçà îïðåäåëÿþò âñþ «ýêîíîìèêó» áèîãåîöåíîçà — ïîòîêè ýíåðãèè è êðóãîâîðîò âåùåñòâ. Ïðîäóöåíòû, ïîãëîùàÿ ìèíåðàëüíûå âåùåñòâà è óëàâëèâàÿ ñîëíå÷íóþ ýíåðãèþ, ñîçäàþò îðãàíè÷åñêèå âåùåñòâà, èç êîòîðûõ ñòðîèòñÿ èõ òåëî (ñîëíå÷íàÿ ýíåðãèÿ, òàêèì îáðàçîì, ïåðåâîäèòñÿ â ýíåðãèþ õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé). Êîíñóìåíòû, ïîåäàÿ ïðîäóöåíòîâ è äðóã äðóãà (ðàñòèòåëüíîÿäíûå, õèùíûå, ïàðàçèòè÷åñêèå îðãàíèçìû), ðàñùåïëÿþò îðãàíè÷åñêèå âåùåñòâà ïèùè, èñïîëüçóÿ èõ è âûñâîáîæäàþùóþñÿ ýíåðãèþ äëÿ ïîñòðîåíèÿ ñîáñòâåííîãî òåëà è îáåñïå÷åíèÿ æèçíåäåÿòåëüíîñòè. Íàêîíåö, ðåäóöåíòû ðàçëàãàþò îðãàíè÷åñêèå âåùåñòâà ìåðòâûõ îðãàíèçìîâ, ïîëó÷àÿ íåîáõîäèìûå èì ìàòåðèàëû è ýíåðãèþ. Ðåäóöåíòû îáåñïå÷èâàþò âîçâðàò íåîðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ, êîòîðûå âíîâü ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû ïðîäóöåíòàìè. Ïîñòîÿííîå îñóùåñòâëåíèå êðóãîâîðîòà âåùåñòâ ÿâëÿåòñÿ çàëîãîì äëèòåëüíîãî ñóùåñòâî-

9.4. Ïðèíöèïû óñòðîéñòâà áèîñôåðû

265

âàíèÿ áèîãåîöåíîçà, íåñìîòðÿ íà îãðàíè÷åííûé çàïàñ ìèíåðàëüíûõ âåùåñòâ. Âçàèìîäåéñòâèÿ âñåõ îðãàíèçìîâ áèîãåîöåíîçà ìåæäó ñîáîé è ñ ôèçè÷åñêîé ñðåäîé õàðàêòåðèçóþòñÿ äèíàìè÷åñêèì ðàâíîâåñèåì (ýêîëîãè÷åñêèé ãîìåîñòàç ñèñòåìû). Áèîãåîöåíîçû ÿâëÿþòñÿ ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíûìè åäèíèöàìè áèîñôåðû, åå ìàòåðèàëüíî-ýíåðãåòè÷åñêèìè ÿ÷åéêàìè è âçàèìîñâÿçàíû êðóãîâîðîòîì âåùåñòâ è ïîòîêîì ýíåðãèè. Îáìåí âåùåñòâàìè ìåæäó áèîãåîöåíîçàìè ìîæåò îñóùåñòâëÿòüñÿ â ãàçîîáðàçíîì, æèäêîì è òâåðäîì ñîñòîÿíèÿõ, à òàêæå â ôîðìå æèâîãî âåùåñòâà (íàïðèìåð, ìèãðàöèè æèâîòíûõ). Áèîòè÷åñêèé êðóãîâîðîò îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ — îñíîâà è óñëîâèå ñóùåñòâîâàíèÿ áèîñôåðû. Åãî íåïðåðûâíîñòü — çàëîã ðàçâèòèÿ è ñàìîãî ñóùåñòâîâàíèÿ æèçíè íà Çåìëå. Êàæäûé âèä ÿâëÿåòñÿ çâåíîì â ïðîöåññå áèîòè÷åñêîãî êðóãîâîðîòà. Íåïðåðûâíîñòü æèçíè îáåñïå÷èâàåòñÿ ïðîöåññàìè ñèíòåçà è ðàñïàäà. Ïîñòóïàþùàÿ â áèîñôåðó ñîëíå÷íàÿ ýíåðãèÿ ÷àñòè÷íî ðàñõîäóåòñÿ íà ñèíòåç âûñîêîìîëåêóëÿðíîãî áîãàòîãî ýíåðãèåé îðãàíè÷åñêîãî âåùåñòâà. Ïåðåäàâàÿñü ñ îäíîãî òðîôè÷åñêîãî óðîâíÿ íà äðóãîé, ýíåðãèÿ ïîñòåïåííî ðàññåèâàåòñÿ. Îñîáàÿ ðîëü â êðóãîâîðîòå ïðèíàäëåæèò ìèêðîîðãàíèçìàì, êîòîðûå ïðåâðàùàþò ìåðòâûå îñòàòêè ðàñòåíèé è æèâîòíûõ â íåîðãàíè÷åñêèå âåùåñòâà, èñïîëüçóåìûå â äàëüíåéøåì çåëåíûìè ðàñòåíèÿìè äëÿ ôîòîñèíòåçà. Îáíîâëåíèå âñåãî æèâîãî âåùåñòâà áèîñôåðû Çåìëè ïðîèñõîäèò ïðèáëèçèòåëüíî çà 8 ëåò. Âåùåñòâî íàçåìíûõ ðàñòåíèé îáíîâëÿåòñÿ çà 14 ëåò, à âñÿ áèîìàññà îêåàíà — çà 33 äíÿ. Â. È. Âåðíàäñêèé ðàññìàòðèâàë áèîòè÷åñêèé êðóãîâîðîò êàê îñíîâó îðãàíèçàöèè æèçíè â ïëàíåòàðíîì ìàñøòàáå.

9.4. Ïðèíöèïû óñòðîéñòâà áèîñôåðû Èòàê, áèîñôåðà — ñîâîêóïíîñòü âñåõ æèâûõ îðãàíèçìîâ âìåñòå ñî ñðåäîé îáèòàíèÿ. Ñðåäà îáèòàíèÿ âêëþ÷àåò âîäó, íèæíþþ ÷àñòü àòìîñôåðû è âåðõíþþ ÷àñòü çåìíîé êîðû. Æèâûå è íåæèâûå âåùåñòâà áèîñôåðû íàõîäÿòñÿ â íåïðåðûâíîì âçàèìîäåéñòâèè è åäèíñòâå, îáðàçóÿ öåëîñòíóþ ñèñòåìó. Ìíîãîëåòíÿÿ ðàáîòà Â. È. Âåðíàäñêîãî íàä ïðîáëåìàìè âçàèìîäåéñòâèÿ æèâîé ìàòåðèè è ãåîõèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ íà Çåìëå áûëà çàâåðøåíà ñîçäàíèåì ó÷åíèÿ î áèîñôåðå, îñíîâíûìè ïîëîæåíèÿìè êîòîðîãî ÿâëÿþòñÿ ñëåäóþùèå. 1. Öåëîñòíîñòü áèîñôåðû îïðåäåëÿåòñÿ ñàìîñîãëàñîâàííîñòüþ âñåõ ïðîöåññîâ â áèîñôåðå, îãðàíè÷åííûõ ôèçè÷åñêèìè êîíñòàíòàìè, óðîâíåì ðàäèàöèè è ïð.

266 Ãëàâà 9. Ó÷åíèå î áèîñôåðå 2. Çåìíûå çàêîíû äâèæåíèÿ àòîìîâ, ïðåîáðàçîâàíèÿ ýíåðãèè ÿâëÿþòñÿ îòðàæåíèåì ãàðìîíèè êîñìîñà, îáåñïå÷èâàÿ ãàðìîíèþ è îðãàíèçîâàííîñòü áèîñôåðû. Ñîëíöå êàê îñíîâíîé èñòî÷íèê ýíåðãèè áèîñôåðû ðåãóëèðóåò æèçíåííûå ïðîöåññû íà Çåìëå. 3. Æèâîå âåùåñòâî áèîñôåðû ñ äðåâíåéøèõ ãåîëîãè÷åñêèõ âðåìåí àêòèâíî òðàíñôîðìèðóåò ñîëíå÷íóþ ýíåðãèþ â ýíåðãèþ õèìè÷åñêèõ ñâÿçåé ñëîæíûõ îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ. Ïðè ýòîì ñóùíîñòü æèâîãî ïîñòîÿííà, èçìåíÿåòñÿ ëèøü ôîðìà ñóùåñòâîâàíèÿ æèâîãî âåùåñòâà. Ñàìî æèâîå âåùåñòâî íå ÿâëÿåòñÿ ñëó÷àéíûì ñîçäàíèåì, à åñòü ðåçóëüòàò ïðåâðàùåíèÿ ñîëíå÷íîé ñâåòîâîé ýíåðãèè â äåéñòâèòåëüíóþ ýíåðãèþ Çåìëè. 4. ×åì ìåëü÷å îðãàíèçìû, òåì ñ áîëüøåé ñêîðîñòüþ îíè ðàçìíîæàþòñÿ. Ñêîðîñòü ðàçìíîæåíèÿ çàâèñèò îò ïëîòíîñòè æèâîãî âåùåñòâà. Ðàñòåêàíèå æèçíè — ðåçóëüòàò ïðîÿâëåíèÿ åå ãåîõèìè÷åñêîé ýíåðãèè. 5. Àâòîòðîôíûå îðãàíèçìû ïîëó÷àþò âñå íåîáõîäèìûå äëÿ æèçíè âåùåñòâà èç îêðóæàþùåé êîñíîé ìàòåðèè. Äëÿ æèçíè ãåòåðîòðîôîâ íåîáõîäèìû ãîòîâûå îðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ. Ðàñïðîñòðàíåíèå ôîòîñèíòåçèðóþùèõ îðãàíèçìîâ (àâòîòðîôîâ) îãðàíè÷èâàåòñÿ âîçìîæíîñòüþ ïðîíèêíîâåíèÿ ñîëíå÷íîé ýíåðãèè. 6. Àêòèâíàÿ òðàíñôîðìàöèÿ æèâûì âåùåñòâîì êîñìè÷åñêîé ýíåðãèè ñîïðîâîæäàåòñÿ ñòðåìëåíèåì ê ìàêñèìàëüíîé ýêñïàíñèè, ñòðåìëåíèåì ê çàïîëîíåíèþ âñåãî âîçìîæíîãî ïðîñòðàíñòâà. Ýòîò ïðîöåññ Â. È. Âåðíàäñêèé íàçâàë «äàâëåíèåì æèçíè». 7. Ôîðìàìè íàõîæäåíèÿ õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ÿâëÿþòñÿ ãîðíûå ïîðîäû, ìèíåðàëû, ìàãìà, ðàññåÿííûå ýëåìåíòû è æèâîå âåùåñòâî. Â çåìíîé êîðå ïðîèñõîäÿò ïîñòîÿííûå ïðåâðàùåíèÿ âåùåñòâ, êðóãîâîðîòû, äâèæåíèå àòîìîâ è ìîëåêóë. 8. Ðàñïðîñòðàíåíèå æèçíè íà íàøåé ïëàíåòå îïðåäåëÿåòñÿ ïîëåì óñòîé÷èâîñòè çåëåíûõ ðàñòåíèé. Ìàêñèìàëüíîå ïîëå æèçíè îãðàíè÷èâàåòñÿ êðàéíèìè ïðåäåëàìè âûæèâàíèÿ îðãàíèçìîâ, êîòîðîå çàâèñèò îò óñòîé÷èâîñòè õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, ñîñòàâëÿþùèõ æèâîå âåùåñòâî, ê îïðåäåëåííûì óñëîâèÿì ñðåäû. 9. Êîëè÷åñòâî æèâîãî âåùåñòâà â áèîñôåðå ïîñòîÿííî è ñîîòâåòñòâóåò êîëè÷åñòâó ãàçîâ â àòìîñôåðå, ïðåæäå âñåãî êèñëîðîäà. 10. Âñÿêàÿ ñèñòåìà äîñòèãàåò óñòîé÷èâîãî ðàâíîâåñèÿ, ïðè êîòîðîì ñâîáîäíàÿ ýíåðãèÿ ñèñòåìû ïðèáëèæàåòñÿ ê íóëþ. Îñîáîå ìåñòî â òðóäàõ Â. È. Âåðíàäñêîãî çàíèìàåò êîíöåïöèÿ ýâîëþöèè áèîñôåðû. Îí âûäåëÿåò òðè ýòàïà ðàçâèòèÿ áèîñôåðû. Ïåð-

9.5. Ïðåâðàùåíèå áèîñôåðû â íîîñôåðó

267

âûé — âîçíèêíîâåíèå ïåðâè÷íîé áèîñôåðû ñ áèîòè÷åñêèì êðóãîâîðîòîì âåùåñòâ. Âåäóùèå ôàêòîðû íà ýòîì ýòàïå — ãåîëîãè÷åñêèå è êëèìàòè÷åñêèå èçìåíåíèÿ íà Çåìëå. Âòîðîé ýòàï — óñëîæíåíèå ñòðóêòóðû áèîñôåðû â ðåçóëüòàòå ïîÿâëåíèÿ îäíîêëåòî÷íûõ è ìíîãîêëåòî÷íûõ ýóêàðèîòíûõ îðãàíèçìîâ. Äâèæóùèì ôàêòîðîì âûñòóïàåò áèîëîãè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ. È íàêîíåö, òðåòèé ýòàï — âîçíèêíîâåíèå ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà è ïîñòåïåííîå ïðåâðàùåíèå áèîñôåðû â íîîñôåðó. Âåäóùèì ôàêòîðîì â ýòîì ïðîöåññå ÿâëÿåòñÿ ðàçóìíàÿ äåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà, õàðàêòåðèçóþùàÿñÿ ðàöèîíàëüíûì ðåãóëèðîâàíèåì âçàèìîîòíîøåíèé ÷åëîâåêà è ïðèðîäû.

9.5. Ïðåâðàùåíèå áèîñôåðû â íîîñôåðó Ñîâðåìåííàÿ áèîñôåðà ñëîæèëàñü â ðåçóëüòàòå äëèòåëüíîãî ýâîëþöèîííîãî ïðîöåññà æèâîãî è êîñíîãî âåùåñòâà íàøåé ïëàíåòû. Ðîëü ÷åëîâåêà â ðàçâèòèè áèîñôåðû îïðåäåëÿåòñÿ ïðåæäå âñåãî åãî áèîñîöèàëüíîé ïðèðîäîé. Ñóùåñòâîâàíèå ÷åëîâåêà êàê ãåòåðîòðîôíîãî îðãàíèçìà çàâèñèò îò íàëè÷èÿ îðãàíè÷åñêîé ïèùè, âîçäóõà, âîäû è ò. ä. Â òî æå âðåìÿ ÷åëîâåê îáëàäàåò ñóùåñòâåííûìè îñîáåííîñòÿìè, âûäåëÿþùèìè åãî èç æèâîé ïðèðîäû, — ýòî ðàçóì, ñïîñîáíîñòü ê òðóäó, òâîð÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè, ïðîèçâîäñòâåííûì îòíîøåíèÿì. Íà ðàííèõ ýòàïàõ ñóùåñòâîâàíèÿ ÷åëîâåêà åãî äåÿòåëüíîñòü íå íàðóøàëà ðàâíîâåñèÿ â áèîñôåðå. Ïîòðåáëÿåìûå ÷åëîâå÷åñòâîì ðåñóðñû ïðèðîäû è ïðîäóêòû åãî æèçíåäåÿòåëüíîñòè öèðêóëèðîâàëè â îáùåì êðóãîâîðîòå âåùåñòâ, òàê æå êàê è ïðîäóêòû äåÿòåëüíîñòè äðóãèõ âèäîâ æèâûõ ñóùåñòâ. Ïîñòåïåííî äåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà ñòàëà íå ïðîñòî ïðèñïîñîáëåíèåì ê óñëîâèÿì ñðåäû, íî ïðèîáðåëà ðàçóìíûé öåëåíàïðàâëåííûé õàðàêòåð, èçìåíÿÿ îêðóæàþùóþ ïðèðîäó. ×åëîâåê âûâåë ìíîãî íîâûõ ñîðòîâ ðàñòåíèé è ïîðîä æèâîòíûõ, óâåëè÷èâàÿ ðàçíîîáðàçèå ïðèðîäíûõ âèäîâ, íî â òî æå âðåìÿ ìíîãèå âèäû èñ÷åçëè èëè íàõîäÿòñÿ íà ãðàíè óíè÷òîæåíèÿ (äðîíò, ñòåëëåðîâà êîðîâà, ñòðàíñòâóþùèé ãîëóáü è äð.). Äåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà ñòàíîâèòñÿ ìîùíûì ýêîëîãè÷åñêèì ôàêòîðîì, íàðóøàþùèì ðàâíîâåñèå â ïðèðîäå, áèîñôåðå. Âîçäåéñòâèÿ ÷åëîâåêà íà îêðóæàþùóþ ïðèðîäó äîñòèãëè ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè ïëàíåòàðíûõ ìàñøòàáîâ. Â ðåçóëüòàòå äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà ïðîèñõîäÿò èçìåíåíèÿ êëèìàòà, ëàíäøàôòîâ, ñîñòàâà àòìîñôåðû, âèäîâîãî è ÷èñëåííîãî ñîñòàâà æèâûõ ñóùåñòâ. Ïîâñåìåñòíîå óíè÷òîæåíèå ëåñîâ ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ âûäåëåíèÿ â àòìîñôåðó êèñëîðîäà è óòèëèçàöèè óãëåêèñëîãî ãàçà, ê ýðîçèè ïî÷â, èçìåíåíèþ êëèìàòà, íà-

268 Ãëàâà 9. Ó÷åíèå î áèîñôåðå ðóøåíèþ âîäíîãî ðåæèìà. Ñãîðàíèå îðãàíè÷åñêîãî òîïëèâà ñíèæàåò ñîäåðæàíèå êèñëîðîäà â àòìîñôåðå (òàê, íàïðèìåð, ïðè ïðîáåãå àâòîìîáèëåì 100 êì ïóòè ðàñõîäóåòñÿ ãîäîâàÿ íîðìà êèñëîðîäà äëÿ îäíîãî ÷åëîâåêà). Â ïîñëåäíèå ãîäû îòìå÷àåòñÿ ïîâûøåíèå ñîäåðæàíèÿ óãëåêèñëîãî ãàçà â àòìîñôåðå, íàêîïëåíèå ïðîìûøëåííîé ïûëè. Ýòî âåäåò ê âîçíèêíîâåíèþ «ïàðíèêîâîãî ýôôåêòà» — íàðóøåíèþ ðàññåèâàíèÿ òåïëà ñ ïîâåðõíîñòè Çåìëè â êîñìîñ, ÷òî ïðèâîäèò ê ïîñòåïåííîìó ïîòåïëåíèþ êëèìàòà íà ïëàíåòå. Â àòìîñôåðó åæåãîäíî ïîñòóïàþò ìèëëèîíû òîíí çàãðÿçíåííûõ âåùåñòâ. Îñîáóþ îïàñíîñòü ïðåäñòàâëÿåò ñåðíèñòûé ãàç, êîòîðûé ñîåäèíÿåòñÿ ñ ïàðàìè âîäû è ÿâëÿåòñÿ ïðè÷èíîé âûïàäåíèÿ êèñëîòíûõ äîæäåé. Ïîâñåìåñòíî íà íàøåé ïëàíåòå îòìå÷àåòñÿ óõóäøåíèå ñîñòîÿíèÿ âîäíûõ ñèñòåì â ðåçóëüòàòå èððèãàöèîííûõ è ìåëèîðàòèâíûõ ìåðîïðèÿòèé. Ïðîèñõîäèò èñòîùåíèå ïîäçåìíûõ âîä, ìàññîâàÿ ãèáåëü ìàëûõ ðåê, ñîêðàùåíèå êðóïíûõ ðåê, âûñûõàíèå êðóïíûõ âîäîåìîâ (íàïðèìåð, èñ÷åçëî ñ ëèöà Çåìëè Àðàëüñêîå ìîðå-îçåðî). Çíà÷èòåëüíî âîçäåéñòâèå ÷åëîâåêà íà ëèòîñôåðó — ðàñïàõèâàíèå çåìåëü äëÿ ñåëüñêîõîçÿéñòâåííûõ íóæä (ñåãîäíÿ 30% ñóøè çàíÿòî óãîäüÿìè) ïðèâîäèò ê ýðîçèè ïî÷â, èõ çàñàëèâàíèþ, ïîäíÿòèþ ãðóíòîâûõ âîä. ×åëîâåê ñîçäàåò òåõíîñôåðó, íå ñîñòàâëÿþùóþ öåëîñòíóþ ñèñòåìó ñ áèîñôåðîé, íå ñîçäàþùóþ íîâûõ çàïàñîâ ýíåðãèè. Äåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà ïðåäñòàâëÿåò óãðîçó äëÿ ýêîëîãè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ, äëÿ ñóùåñòâîâàíèÿ áèîñôåðû. Âûõîäîì èç ýêîëîãè÷åñêîãî êðèçèñà äîëæíî ñòàòü ñîçäàíèå íà Çåìëå íîîñôåðû. Êîíöåïöèÿ íîîñôåðû ÿâèëàñü ëîãè÷åñêèì ðåçóëüòàòîì íàó÷íîé äåÿòåëüíîñòè Â. È. Âåðíàäñêîãî, êîòîðûé ãîâîðèë, ÷òî «áèîñôåðà ïåðåéäåò îäíàæäû â ñôåðó ðàçóìà – íîîñôåðó. Ïðîèçîéäåò âåëèêîå îáúåäèíåíèå, â ðåçóëüòàòå êîòîðîãî ðàçâèòèå ïëàíåòû ñäåëàåòñÿ íàïðàâëåííûì ñèëîé ðàçóìà». Î ôîðìèðîâàíèè íà Çåìëå íîîñôåðû îí íàèáîëåå ïîäðîáíî ïèñàë â íåçàâåðøåííîé ðàáîòå «Íàó÷íàÿ ìûñëü êàê ïëàíåòíîå ÿâëåíèå». Ðàññìàòðèâàÿ ïåðåõîä áèîñôåðû â íîîñôåðó («ñôåðó ðàçóìà»), Â. È. Âåðíàäñêèé óêàçàë ðÿä êîíêðåòíûõ óñëîâèé, íåîáõîäèìûõ äëÿ ñòàíîâëåíèÿ è ñóùåñòâîâàíèÿ íîîñôåðû. Íóæíî, ÷òîáû: u u u

÷åëîâå÷åñòâî ñòàëî åäèíûì öåëûì, çàñåëèâ è ïðåîáðàçîâàâ âñþ ïëàíåòó; ðåçêî ïðåîáðàçîâàëèñü — ñòàëè ìîáèëüíûìè — ñðåäñòâà ñâÿçè è îáìåíà èíôîðìàöèåé ìåæäó ñòðàíàìè; óñèëèëèñü ñâÿçè, â òîì ÷èñëå ïîëèòè÷åñêèå, ìåæäó âñåìè ñòðàíàìè Çåìëè;

9.5. Ïðåâðàùåíèå áèîñôåðû â íîîñôåðó u u

u u

u u

269

ðàñøèðèëèñü ãðàíèöû áèîñôåðû, ïðîèçîøåë âûõîä â êîñìîñ; áûëè îòêðûòû è íà÷àëè àêòèâíî èñïîëüçîâàòüñÿ íîâûå èñòî÷íèêè ýíåðãèè, ðàçâèâàëàñü ýíåðãåòèêà; óñòàíîâèëîñü ðåàëüíîå ðàâåíñòâî ëþäåé âñåõ ðàñ è ðåëèãèé; íàëàäèëîñü ðàçóìíîå ïðåîáðàçîâàíèå ïåðâè÷íîé ïðèðîäû Çåìëè ñ öåëüþ ñäåëàòü åå ñïîñîáíîé óäîâëåòâîðèòü âñå ìàòåðèàëüíûå, ýñòåòè÷åñêèå è äóõîâíûå ïîòðåáíîñòè ÷èñëåííî âîçðàñòàþùåãî íàñåëåíèÿ; áûëè èñêëþ÷åíû âîéíû èç æèçíè îáùåñòâà; ïðîèçîøåë ðîñò îáùåãî óðîâíÿ æèçíè, áûëè ïîáåæäåíû ãîëîä è áîëåçíè.

Íîîñôåðà — ýòî âûñøàÿ ñòàäèÿ ðàçâèòèÿ áèîñôåðû, êîãäà ïðåîáðàçóþùàÿ äåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà îñíîâûâàåòñÿ íà íàó÷íîì ïîíèìàíèè åñòåñòâåííûõ è ñîöèàëüíûõ ïðîöåññîâ ñ ó÷åòîì îáùèõ çàêîíîâ ðàçâèòèÿ ïðèðîäû. Íîîñôåðà íå ìîæåò ôîðìèðîâàòüñÿ ñòèõèéíî, äëÿ åå ôîðìèðîâàíèÿ íåîáõîäèìû ñîçíàòåëüíàÿ äåÿòåëüíîñòü ëþäåé, àêòèâíîå âìåøàòåëüñòâî ðàçóìà â ñóäüáó ïðèðîäû. Èçìåíåíèÿ áèîñôåðû äîëæíû ïðîèñõîäèòü â èíòåðåñàõ ÷åëîâå÷åñòâà, íî áåç óùåðáà äëÿ ñàìîé áèîñôåðû. Òàêîå âçàèìîîòíîøåíèå ÷åëîâåêà è áèîñôåðû íàçûâàåòñÿ êîýâîëþöèåé. Â ñòðóêòóðå íîîñôåðû âûäåëÿþò ñëåäóþùèå êîìïîíåíòû: ÷åëîâå÷åñòâî, ñîâîêóïíîñòü íàó÷íûõ çíàíèé, ñóììó òåõíèêè è òåõíîëîãèé â åäèíñòâå ñ áèîñôåðîé. Íîîñôåðà ïðåäïîëàãàåò íå âûæèâàíèå ÷åëîâå÷åñòâà, à ñîõðàíåíèå ýêîñôåðû â ãàðìîíèè æèâîé è íåæèâîé ïðèðîäû, ñîõðàíåíèå ïðèðîäû ñ ñîõðàíåíèåì ðåñóðñà îðãàíè÷åñêîãî ìèðà â áèîãåîöåíîçàõ. Èäåè Â. È. Âåðíàäñêîãî íàøëè îòðàæåíèå â ñîâðåìåííîé êîíöåïöèè óñòîé÷èâîãî ðàçâèòèÿ. ×åëîâå÷åñêàÿ öèâèëèçàöèÿ äîñòèãëà êðèòè÷åñêîãî óðîâíÿ, ïîñëå êîòîðîãî îäèíàêîâî âîçìîæíû è êà÷åñòâåííî íîâàÿ ñòåïåíü ðàçâèòèÿ, è êàòàñòðîôà. Óñòîé÷èâîå ðàçâèòèå ïðåäïîëàãàåò êàê óñòàíîâëåíèå áàëàíñà ìåæäó ïîòðåáëåíèåì è âîñïðîèçâîäñòâîì ïðèðîäíûõ ðåñóðñîâ, òàê è îáåñïå÷åíèå óñòîé÷èâîãî ðîñòà áëàãîñîñòîÿíèÿ, ñîöèàëüíîé çàùèùåííîñòè è âîçìîæíîñòè ãàðìîíè÷íîãî ðàçâèòèÿ ëè÷íîñòè. Óñòîé÷èâîå ðàçâèòèå — ýòî ïîñòóïàòåëüíîå äâèæåíèå òåìïîâ ýêîíîìè÷åñêîãî ðîñòà, ïðè êîòîðîì äàâëåíèå íà îêðóæàþùóþ ñðåäó êîìïåíñèðóåòñÿ âîññòàíîâëåíèåì åå ñâîéñòâ. Íîîñôåðíûå ïðåîáðàçîâàíèÿ òðåáóþò îò ÷åëîâå÷åñòâà ñïîñîáíîñòè ê ðàöèî-

270 Ãëàâà 9. Ó÷åíèå î áèîñôåðå íàëüíîìó ìûøëåíèþ, íàó÷íîìó ïðåäâèäåíèþ, åäèíñòâà ýêîëîãèè, ýêîíîìèêè è ïîëèòèêè.

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

×òî òàêîå áèîñôåðà? Êàêîâà ñòðóêòóðà áèîñôåðû? Íàçîâèòå âåùåñòâà, ñîñòàâëÿþùèå áèîñôåðó. ×åì îïðåäåëÿþòñÿ ãðàíèöû æèçíè? Êàêèìè ñâîéñòâàìè îáëàäàåò æèâîå âåùåñòâî? Íàçîâèòå ôîðìû êîíöåíòðàöèè æèâîãî âåùåñòâà â áèîñôåðå. Â ÷åì çàêëþ÷àåòñÿ êîñìè÷åñêàÿ ðîëü áèîñôåðû? ×òî òàêîå áèîãåîöåíîç? Íàçîâèòå ãðóïïû îðãàíèçìîâ áèîãåîöåíîçà, îáúåäèíåííûõ òðîôè÷åñêèìè ñâÿçÿìè. 10. ×òî òàêîå êîýâîëþöèÿ?

Ãëàâà 10 ×ÅËÎÂÅÊ ÊÀÊ ÏÐÅÄÌÅÒ ÑÎÂÐÅÌÅÍÍÎÃÎ ÅÑÒÅÑÒÂÎÇÍÀÍÈß

10.1. Ïðîèñõîæäåíèå ÷åëîâåêà Îäíèì èç öåíòðàëüíûõ âîïðîñîâ ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ, íà êîòîðûé íàóêà íå äàåò îäíîçíà÷íîãî îòâåòà, ÿâëÿåòñÿ âîïðîñ î ïîÿâëåíèè ÷åëîâåêà íà Çåìëå. Èçó÷åíèåì ïðîèñõîæäåíèÿ è ýâîëþöèè ÷åëîâåêà, äâèæóùèõ ñèë è çàêîíîìåðíîñòåé àíòðîïîãåíåçà, ñîîòíîøåíèÿ áèîëîãè÷åñêîãî è ñîöèàëüíîãî â ïðîöåññå ðàçâèòèÿ ÷åëîâåêà çàíèìàåòñÿ îòðàñëü åñòåñòâîçíàíèÿ àíòðîïîëîãèÿ (îò ãðå÷. anthropos — ÷åëîâåê). Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ñóùåñòâóåò íåñêîëüêî êîíöåïöèé ïðîèñõîæäåíèÿ ÷åëîâåêà. 1. Êîíöåïöèÿ êðåàöèîíèçìà. Â äðåâíèõ ìèôàõ è ëåãåíäàõ ðàçíûõ íàðîäîâ íàøëè îòðàæåíèå ïðåäñòàâëåíèÿ î áîæåñòâåííîì ïðîèñõîæäåíèè ÷åëîâåêà, ñîãëàñíî êîòîðûì âñåìîãóùèé áîã (áîãè) ñîçäàë îêðóæàþùèé ìèð è ÷åëîâåêà. Íåðåäêî â ìèôàõ ãîâîðèòñÿ, ÷òî ïðåäêàìè ÷åëîâåêà áûëè ðàçëè÷íûå æèâîòíûå: ó æèòåëåé ëåñà — âîëêè, ìåäâåäè; ó æèòåëåé ïðèìîðüÿ — ìîðæè èëè ðûáû. Ðåëèãèîçíûå ó÷åíèÿ óêàçûâàþò íà áîæåñòâåííîå ïðîèñõîæäåíèå ÷åëîâåêà. Ãîñïîäñòâóþùàÿ â åâðîïåéñêèõ ñòðàíàõ ðåëèãèÿ — õðèñòèàíñòâî — ïðèçíàåò òâîðöîì ìèðà è ÷åëîâåêà åäèíîãî Áîãà, êîòîðûé ñîçäàë ÷åëîâåêà íà øåñòîé äåíü òâîðåíèÿ ìèðà ïî ñâîåìó îáðàçó è ïîäîáèþ. 2. Êîíöåïöèÿ ýâîëþöèè. Ïîïûòêè îïðåäåëèòü ïîëîæåíèå ÷åëîâåêà â ïðèðîäå, îáúÿñíèòü åãî ñõîäñòâî ñ äðóãèìè æèâîòíûìè èìåëè ìåñòî óæå â òðóäàõ àíòè÷íûõ ó÷åíûõ-ôèëîñîôîâ. Êàðë Ëèííåé â 1735 ã., ñîçäàâàÿ ñâîþ êëàññèôèêàöèþ îðãàíè÷åñêîãî ìèðà, ïîìåùàåò ÷åëîâåêà â îòðÿä ïðèìàòîâ âìåñòå ñ ëåìóðîì è îáåçüÿíîé. Èäåÿ ðîäñòâà ìåæäó âûñøèìè ïðèìàòàìè è ÷åëîâåêîì íàøëà ïîääåðæêó è íàó÷íîå îáîñíîâàíèå â ðàáîòàõ Æ. Á. Ëàìàðêà (1809),

272 Ãëàâà 10. ×åëîâåê êàê ïðåäìåò ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ Æ. Áþôôîíà (1749). Êðóïíåéøèì âêëàäîì â ðàçâèòèå ñèìèàëüíîé (îáåçüÿíüåé) òåîðèè àíòðîïîãåíåçà ñòàëà êíèãà ×. Äàðâèíà «Ïðîèñõîæäåíèå ÷åëîâåêà è ïîëîâîé îòáîð» (1871), â êîòîðîé âûäâèãàåòñÿ ãèïîòåçà î ïðîèñõîæäåíèè ÷åëîâåêà îò îáåçüÿíîïîäîáíîãî ïðåäêà, ïðåäñêàçàíû ãðÿäóùèå èñêîïàåìûå íàõîäêè, ïîä÷åðêèâàåòñÿ îñîáîå ñõîäñòâî ÷åëîâåêà, øèìïàíçå è ãîðèëëû è ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî ðîäèíîé ïåðâûõ ëþäåé áûëà Àôðèêà. Â äàëüíåéøåì îòêðûòèÿ â îáëàñòè ñðàâíèòåëüíîé àíàòîìèè, ôèçèîëîãèè, áèîõèìèè, ãåíåòèêè ïðåäîñòàâèëè ðÿä äîêàçàòåëüñòâ ðîäñòâà ÷åëîâåêà ñ âûñøèìè ïðèìàòàìè. Íàéäåííûå ïàëåîíòîëîãàìè îñòàíêè îáùèõ ïðåäêîâ ÷åëîâåêà è ÷åëîâåêîîáðàçíûõ îáåçüÿí ïîäòâåðäèëè ïðàâèëüíîñòü êîíöåïöèè àíòðîïîãåíåçà. 3. Òðóäîâàÿ êîíöåïöèÿ. Ôðèäðèõ Ýíãåëüñ â ñâîåé ðàáîòå «Ðîëü òðóäà â ïðîöåññå ïðåâðàùåíèÿ îáåçüÿíû â ÷åëîâåêà» ðàññìàòðèâàåò îñîáåííîñòè ýâîëþöèè ïðèìàòîâ, ñâÿçàííûå ñ òðóäîâîé äåÿòåëüíîñòüþ. Ñóùåñòâåííûì ìîìåíòîì â ïðîöåññå àíòðîïîãåíåçà ÿâëÿåòñÿ ïðÿìîõîæäåíèå, âûçâàâøåå èíòåíñèâíîå ðàçâèòèå íåðâíîé ñèñòåìû, ïðåæäå âñåãî ãîëîâíîãî ìîçãà. Áëàãîäàðÿ ïðÿìîõîæäåíèþ ïðîèçîøëî ðàçäåëåíèå ôóíêöèé âåðõíèõ è íèæíèõ êîíå÷íîñòåé, ñôîðìèðîâàëàñü íåñïåöèàëèçèðîâàííàÿ ðóêà — îðóäèå òðóäà, ñïîñîáíîå ïðîèçâîäèòü ñîòíè ðàçíîîáðàçíûõ è òîíêèõ äâèæåíèé. Ñîâìåñòíàÿ òðóäîâàÿ äåÿòåëüíîñòü â òÿæåëûõ óñëîâèÿõ ïîìîãëà ëþäÿì âûæèòü è ñïðàâèòüñÿ ñ ìíîãî÷èñëåííûìè óãðîçàìè îêðóæàþùåãî ìèðà, ñîçäàòü ñâîé ìèð, êîìôîðòíûé è áåçîïàñíûé. Òðóä ÿâèëñÿ ïðåäïîñûëêîé çàðîæäåíèÿ è äàëüíåéøåãî ðàçâèòèÿ îáùåñòâåííûõ îòíîøåíèé, ðå÷è, ìûøëåíèÿ, ñîçíàíèÿ — âñåãî, ÷òî îòëè÷àåò ÷åëîâåêà îò æèâîòíîãî. ×åëîâåê — åäèíñòâåííîå ñóùåñòâî íà Çåìëå, ñïîñîáíîå ñîçíàòåëüíî, öåëåíàïðàâëåííî ïðåîáðàçîâûâàòü îêðóæàþùèé ìèð, ïëàíèðîâàòü è ïðåäâèäåòü ðåçóëüòàòû. Ïîñòåïåííî áèîëîãè÷åñêèå ôàêòîðû ýâîëþöèè ÷åëîâåêà óñòóïàþò ìåñòî ñîöèàëüíûì ôàêòîðàì. 4. Êîíöåïöèÿ ìóòàãåíåçà. Â êîíöå 20-õ ãã. XX â. èññëåäîâàòåëè ïðèøëè ê âûâîäó, ÷òî âèäîîáðàçîâàíèå íå ìîæåò áûòü îáúÿñíåíî òîëüêî èçìåíåíèÿìè óñëîâèé îêðóæàþùåé ñðåäû (Ñ. Ñ. ×åòâåðèêîâ, Ð. À. Ôèøåð, Í. Ï. Äóáàíèí è äð.). Îñíîâíóþ ðîëü â ýâîëþöèè äîëæíû èãðàòü äîìèíàíòíûå ìóòàöèè — èçìåíåíèÿ ãåíåòè÷åñêîãî êîäà îñîáè. Óñëîâèÿ ñðåäû è îáðàç æèçíè ñïîñîáñòâóþò òîëüêî åñòåñòâåííîìó îòáîðó ñðåäè ìíîæåñòâà ìóòàöèé îñîáåé, îòëè÷àþùèõñÿ íåêîòîðûì ïðåèìóùåñòâîì, ëó÷øåé ïðèñïîñîáëåííîñòüþ ê äàí-

10.1. Ïðîèñõîæäåíèå ÷åëîâåêà

273

íûì óñëîâèÿì. Ïðè÷èíîé âîçíèêíîâåíèÿ òàêîãî ðîäà ìóòàöèé, êàê ïðåäïîëàãàþò ó÷åíûå, ìîãóò áûòü ýêñòðåìàëüíûå ãåîôèçè÷åñêèå ôàêòîðû, íàïðèìåð èçìåíåíèå óðîâíÿ ðàäèàöèè èëè ãåîìàãíèòíàÿ èíâåðñèÿ. Ó÷åíûìè óñòàíîâëåíî, ÷òî ìåñòîì âîçíèêíîâåíèÿ àíòðîïîèäîâ ÿâëÿåòñÿ Âîñòî÷íàÿ è Þæíàÿ Àôðèêà, õàðàêòåðèçóþùàÿñÿ âûñîêèì óðîâíåì ðàäèàöèè è àêòèâíîé âóëêàíè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòüþ. Â ðåçóëüòàòå çåìëåòðÿñåíèé ñìåùåíèå ãåîëîãè÷åñêèõ ïëàñòîâ âûçâàëî îáíàæåíèå ðàäèîàêòèâíûõ ïîðîä è ðåçêîå óâåëè÷åíèå ðàäèîàêòèâíîãî èçëó÷åíèÿ, ÷òî ïðèâåëî ê èíòåíñèâíîìó ìóòàãåíåçó. Ñîâïàäåíèå ïî âðåìåíè ñ äàííûìè ïðîöåññàìè ãåîìàãíèòíîé èíâåðñèè ñäåëàëî âîçìîæíûì ïîÿâëåíèå ðàçíîîáðàçíûõ ãåíåòè÷åñêèõ ìóòàöèé, â òîì ÷èñëå è áèîëîãè÷åñêè ïîëåçíûõ. Ãèïîòåçà ãåîìàãíèòíîé èíâåðñèè (ñìåíû ìàãíèòíûõ ïîëþñîâ Çåìëè) áûëà âûäâèíóòà àíòðîïîëîãîì Ã. Í. Ìàòþøêèíûì. Óñòàíîâëåíî, ÷òî ñåâåðíûé è þæíûé ìàãíèòíûå ïîëþñà Çåìëè ïåðèîäè÷åñêè ìåíÿþòñÿ, ïðè ýòîì çàùèòíàÿ ôóíêöèÿ ìàãíèòîñôåðû îñëàáåâàåò, ÷òî óñèëèâàåò ïðîíèêíîâåíèå íà ïîâåðõíîñòü Çåìëè êîñìè÷åñêîé ðàäèàöèè íà 60%. Ãåîìàãíèòíûå èíâåðñèè ñîïðîâîæäàþòñÿ óâåëè÷åíèåì ÷àñòîòû ìóòàöèé â äâà ðàçà, à ýòî ïðèâîäèò ê ìîùíûì âñïûøêàì áèîëîãè÷åñêîãî ôîðìîîáðàçîâàíèÿ. Íàéäåííûå â Àôðèêå îñòàíêè äðåâíèõ îáåçüÿíîëþäåé àíòðîïîëîãè îòíîñÿò ê ïåðèîäó ãåîìàãíèòíîé èíâåðñèè, ïîÿâëåíèå ïèòåêàíòðîïà òàêæå ïî âðåìåíè ñîâïàäàåò ñ î÷åðåäíîé ãåîìàãíèòíîé èíâåðñèåé (690 òûñ. ëåò íàçàä). Ñëåäóþùàÿ ñìåíà ïîëþñîâ ïðîèçîøëà 250–300 òûñ. ëåò íàçàä, â ýòî æå âðåìÿ íà Çåìëå ñóùåñòâîâàëè íåàíäåðòàëüöû. Ïîÿâëåíèå ñîâðåìåííîãî ÷åëîâåêà (30–40 òûñ. ëåò íàçàä) òàêæå ñîâïàäàåò ñ ïåðèîäîì î÷åðåäíîé ãåîìàãíèòíîé èíâåðñèè. 5. Êîñìè÷åñêàÿ êîíöåïöèÿ, êîíöåïöèÿ ïàíñïåðìèè. Æèçíü çàðîäèëàñü â êîñìîñå è áûëà çàíåñåíà íà Çåìëþ â âèäå êîñìè÷åñêèõ çà÷àòêîâ — êîñìîçîåâ (Ðèõòåð Ã., 1865). Êîñìè÷åñêóþ êîíöåïöèþ ïîääåðæèâàëè ðóññêèå ó÷åíûå Ñ. Ï. Êîñòû÷åâ, Ë. Ñ. Áåðã, Â. È. Âåðíàäñêèé, ñâÿçûâàÿ âîçíèêíîâåíèå æèçíè ñ ïîÿâëåíèåì íà Çåìëå ÷àñòè÷åê âåùåñòâà, ïûëèíîê, ñïîð èç êîñìè÷åñêîãî ïðîñòðàíñòâà, êîòîðûå ëåòàþò âî Âñåëåííîé çà ñ÷åò ñâåòîâîãî äàâëåíèÿ. Â êîíöå 1960-õ ãã. áëàãîäàðÿ óñïåõàì êîñìîíàâòèêè, èçó÷åíèþ íåîïîçíàííûõ ëåòàþùèõ îáúåêòîâ (ÍËÎ), îïèñàíèþ íàñêàëüíûõ ðèñóíêîâ âíîâü âîçíèê èíòåðåñ ê ãèïîòåçàì ïàíñïåðìèè. Òàê, Á. È. ×óâàøîâ (1966) ïèñàë, ÷òî æèçíü âî Âñåëåííîé ñóùåñòâóåò âå÷íî è ìîæåò áûòü ïåðåíåñåíà ñ îäíîé ïëàíåòû íà äðóãóþ.

274 Ãëàâà 10. ×åëîâåê êàê ïðåäìåò ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ

10.2. Ñõîäñòâî è îòëè÷èå ÷åëîâåêà è æèâîòíûõ Â íàóêå íàêîïëåíî äîñòàòî÷íî áîëüøîå ÷èñëî ôàêòîâ, ñâèäåòåëüñòâóþùèõ î ïîðàçèòåëüíîì ñõîäñòâå ÷åëîâåêà è æèâîòíûõ, ÷òî ïîçâîëÿåò ñäåëàòü âûâîä î åäèíñòâå ïðîèñõîæäåíèÿ æèâûõ ñóùåñòâ. Ýëåìåíòíûé ñîñòàâ æèâûõ îðãàíèçìîâ íà Çåìëå îäèíàêîâ, òî åñòü â ñîñòàâå òåë æèâûõ îðãàíèçìîâ ïðèñóòñòâóþò îäíè è òå æå õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû. Â êëåòêàõ æèâîòíûõ ñîäåðæàòñÿ ïîõîæèå áåëêè è íóêëåèíîâûå êèñëîòû, âûïîëíÿþùèå îäèíàêîâûå ôóíêöèè. Îñîáåííî áîëüøîå ñõîäñòâî âûÿâëåíî ìåæäó ÷åëîâåêîì è îáåçüÿíàìè: òàê, ÄÍÊ ÷åëîâåêà è ìàêàêè ñîäåðæàò 66% ñõîäíûõ ãåíîâ, à ÄÍÊ ÷åëîâåêà è øèìïàíçå — 92%. Ñõîäíû è èììóíîëîãè÷åñêèå ñâîéñòâà êðîâè: è ó ÷åëîâåêà, è ó ÷åëîâåêîîáðàçíûõ îáåçüÿí ðàçëè÷àþòñÿ ãðóïïû êðîâè è èìååòñÿ ðåçóñ-ôàêòîð. Â ñòðîåíèè òåëà ÷åëîâåêà è æèâîòíûõ âûäåëÿþò àíàëîãè÷íûå îðãàíû è ÷àñòè òåëà. Ñõîäñòâî îáùåãî ïëàíà ñòðîåíèÿ ÷åëîâåêà è æèâîòíûõ äîêàçûâàåò ðîäñòâî è îáùíîñòü ïðîèñõîæäåíèÿ æèâîòíûõ. Ïðè÷åì ÷åì âûøå íà ýâîëþöèîííîé ëåñòíèöå íàõîäèòñÿ æèâîòíîå, òåì áîëüøåå ñõîäñòâî ñ ÷åëîâåêîì ìîæíî íàáëþäàòü. Êàê è ó âñåõ îáåçüÿí, ïåðåäíèå êîíå÷íîñòè ÷åëîâåêà õâàòàòåëüíûå, èìåþò êèñòü, ñâîáîäíî ñãèáàþùóþñÿ è ðàçãèáàþùóþñÿ; áîëüøîé ïàëåö ïðîòèâîïîñòàâëåí îñòàëüíûì; êîíöåâûå ôàëàíãè ñíàáæåíû ñâîä÷àòûìè íîãòÿìè. Â ïëå÷åâîì ïîÿñå õîðîøî ðàçâèòû êëþ÷èöû, îáåñïå÷èâàþùèå ðàçíîîáðàçíûå è ñëîæíûå äâèæåíèÿ ïåðåäíèõ êîíå÷íîñòåé. ×åðåïíàÿ êîðîáêà êðóïíàÿ. Ãëàçíèöû ðàñïîëîæåíû íà ôðîíòàëüíîé ñòîðîíå ÷åðåïà è îáðàùåíû âïåðåä. Ïîëÿ âèäèìîñòè êàæäîãî ãëàçà íå èçîëèðîâàíû, êàê ó áîëüøèíñòâà ìëåêîïèòàþùèõ, à ïåðåêðûâàþòñÿ îäíî äðóãèì, ÷òî îáåñïå÷èâàåò áèíîêóëÿðíîå, îáúåìíîå çðåíèå. ×åëîâåê è ïðèìàòû, â îòëè÷èå îò äðóãèõ ìëåêîïèòàþùèõ, îáëàäàþò âûñîêîðàçâèòûì ãîëîâíûì ìîçãîì, èìåþùèì çàòûëî÷íóþ äîëþ è âûäåëÿþùèåñÿ ëîáíûå äîëè. Íàëè÷èå çàòûëî÷íûõ äîëåé ñâÿçàíî ñ ðàçâèòèåì çðåíèÿ, à ëîáíûõ — ñ èíòåëëåêòóàëüíûìè ñïîñîáíîñòÿìè. Âåñü æå êîìïëåêñ — ñïîñîáíûå ê ìàíèïóëÿöèÿì ïåðåäíèå êîíå÷íîñòè, âûñîêîðàçâèòûå îðãàíû çðåíèÿ è ãîëîâíîé ìîçã îáåçüÿí — ôóíäàìåíòàëüíàÿ ïðåäïîñûëêà ñïîñîáíîñòè ê òðóäó. Ðàçâèòèå çàðîäûøåé æèâîòíûõ îäíîãî òèïà âî ìíîãîì ñõîäíî. Ó âñåõ õîðäîâûõ íà ðàííèõ ñòàäèÿõ ýìáðèîãåíåçà çàêëàäûâàåòñÿ îñåâîé ñêåëåò (õîðäà), ïîÿâëÿåòñÿ íåðâíàÿ òðóáêà, îáðàçóþòñÿ æàáåðíûå

10.2. Ñõîäñòâî è îòëè÷èå ÷åëîâåêà è æèâîòíûõ

275

ùåëè. Ñòðîåíèå ñåðäöà çàðîäûøà ÷åëîâåêà íàïîìèíàåò ñòðîåíèå ñåðäöà ðûá – îäíî ïðåäñåðäèå è îäèí æåëóäî÷åê. Èññëåäîâàíèå ýìáðèîíàëüíîãî ðàçâèòèÿ ðàçëè÷íûõ æèâîòíûõ ïðèâåëî ê âûâîäó, ÷òî ÷åëîâåê â ñâîåì ýìáðèîíàëüíîì ðàçâèòèè ïðîõîäèò âñå ñòàäèè ýâîëþöèè âèäà. Òàêàÿ îñîáåííîñòü áûëà ñôîðìóëèðîâàíà âî âòîðîé ïîëîâèíå XIX â. íåìåöêèìè ó÷åíûìè Ô. Ìþëëåðîì è Ý. Ãåêêåëåì êàê áèîãåíåòè÷åñêèé çàêîí — «â îíòîãåíåçå ïîâòîðÿåòñÿ ôèëîãåíåç», ñîãëàñíî êîòîðîìó èíäèâèäóàëüíîå ðàçâèòèå îñîáè (îíòîãåíåç) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êðàòêîå ïîâòîðåíèå ôèëîãåíåçà (èñòîðè÷åñêîãî ðàçâèòèÿ âèäà). ×åðòû ïîâåäåíèÿ ÷åëîâåêà è æèâîòíûõ âî ìíîãîì ñõîæè. Ó æèâîòíûõ, òàê æå êàê ó ÷åëîâåêà, ðàçâèòà ñèñòåìà îáùåíèÿ ñ ïîìîùüþ ñîîòâåòñòâóþùèõ ñèãíàëîâ. Ìåõàíèçìû ïîâåäåíèÿ ÷åëîâåêà êàê áèîëîãè÷åñêîãî âèäà è æèâîòíûõ åäèíû. Âûäàþùèåñÿ ðóññêèå ó÷åíûå È. Ì. Ñå÷åíîâ (1863) è È. Ï. Ïàâëîâ (1926) ñîçäàëè ðåôëåêòîðíóþ òåîðèþ ïîâåäåíèÿ, áàçèðóþùóþñÿ íà ñëîæíûõ è ìíîãîîáðàçíûõ ïðîÿâëåíèÿõ äåÿòåëüíîñòè íåðâíîé ñèñòåìû, ôóíêöèîíàëüíîé åäèíèöåé êîòîðîé ÿâëÿåòñÿ ðåôëåêñ. Âìåñòå ñ òåì â ñòðîåíèè è ôèçèîëîãèè ÷åëîâåêà èìåþòñÿ ñóùåñòâåííûå îòëè÷èÿ îò æèâîòíûõ. Ïðÿìîõîæäåíèå ñòàëî âîçìîæíûì âñëåäñòâèå ñèëüíîãî ðàçâèòèÿ ìóñêóëàòóðû íèæíèõ êîíå÷íîñòåé, ïîÿâëåíèÿ â ïîçâîíî÷íèêå âûðàæåííûõ èçãèáîâ (øåéíûé, ãðóäíîé, ïîÿñíè÷íûé, êðåñòöîâî-êîï÷èêîâûé), èçìåíåíèÿ ïîëîæåíèÿ òàçà (ïîä óãëîì 60° ê ãîðèçîíòàëè), ôîðìèðîâàíèÿ ñâîä÷àòîé ñòîïû ñ õîðîøî ðàçâèòûì ïåðâûì ïàëüöåì. Â ñîîòâåòñòâèè ñ âåðòèêàëüíûì ïîëîæåíèåì òåëà èçìåíèëîñü è ðàñïîëîæåíèå âíóòðåííèõ îðãàíîâ. Ñëåäóåò îòìåòèòü ôóíêöèîíàëüíîå ðàçäåëåíèå âåðõíèõ è íèæíèõ êîíå÷íîñòåé ÷åëîâåêà. Ðóêà ÷åëîâåêà õàðàêòåðèçóåòñÿ âûñîêîé ñòåïåíüþ ðàçâèòèÿ — ãèáêàÿ ïîäâèæíàÿ êèñòü ðóêè, íàëè÷èå áîëüøîãî êîëè÷åñòâà ìåëêèõ ìûøö, áîëüøîé ïàëåö ïðîòèâîïîñòàâëåí ëàäîíè, ÷òî ïîçâîëÿåò êðåïêî óäåðæèâàòü ïðåäìåòû. Ðóêà ÷åëîâåêà íåñïåöèôè÷íà, îíà ìîæåò âûïîëíÿòü ðàçíîîáðàçíûå ñëîæíûå è òîíêèå äâèæåíèÿ. Ãëàâíûì îòëè÷èåì â ñòðîåíèè ÷åëîâåêà è æèâîòíîãî ÿâëÿåòñÿ ðàçâèòèå ãîëîâíîãî ìîçãà — ìàòåðèàëüíîé îñíîâû ìûøëåíèÿ, ñîçíàíèÿ, ðå÷è. Ãîëîâíîé ìîçã ÷åëîâåêà íå òîëüêî çíà÷èòåëüíî êðóïíåå, íî è ãîðàçäî áîëåå ñëîæíî óñòðîåí, ÷åì ìîçã æèâîòíûõ. Ýòî ñâÿçàíî ñ ïîÿâëåíèåì íîâûõ ñòðóêòóð, àíñàìáëåé íåéðîíîâ, ðåãóëèðóþùèõ ñëîæíûå äâèæåíèÿ, ðå÷ü, ìûøëåíèå. Ïîëóøàðèÿ ãîëîâíîãî ìîçãà ÷åëîâåêà íåðàâíîöåííû, îíè ôóíêöèîíàëüíî àñèììåòðè÷íû. Ó÷åíûå äîêàçàëè, ÷òî ëåâîå ïîëóøàðèå ñâÿçàíî ñ ëîãè÷åñêèì ìûøëåíèåì, öåëåíàïðàâëåííîñòüþ äåéñòâèé, à ïðàâîå — ñ ýìîöèîíàëüíîé ñôåðîé, ñ èíòóèöèåé.

276 Ãëàâà 10. ×åëîâåê êàê ïðåäìåò ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ Ê ìîðôîôóíêöèîíàëüíûì îñîáåííîñòÿì òåëà ÷åëîâåêà ìîæíî òàêæå îòíåñòè ïðåèìóùåñòâåííî ðàçâèòûé ìîçãîâîé îòäåë ÷åðåïà ïî ñðàâíåíèþ ñ ëèöåâûì, áîëüøîé îáúåì ãîëîâíîãî ìîçãà, áèíîêóëÿðíîå çðåíèå, êîæó, ëèøåííóþ âîëîñÿíîãî ïîêðîâà, ìàëóþ ïëîäîâèòîñòü è äðóãèå. Ðåçóëüòàòîì ýâîëþöèè ñòàëè ôóíäàìåíòàëüíûå áèîñîöèàëüíûå îòëè÷èÿ ÷åëîâåêà, êîòîðûå ïîÿâëÿþòñÿ â ïðîöåññå îíòîãåíåçà ïðè óñëîâèè æèçíè ÷åëîâåêà ñðåäè ëþäåé, â ñîöèóìå. Ýòè îñîáåííîñòè êàñàþòñÿ è ôèçèîëîãèè, è ïîâåäåíèÿ, è îáðàçà æèçíè ÷åëîâåêà. Ðàçâèòèå ðàçóìà. ×åëîâåê â îòëè÷èå îò æèâîòíûõ îáëàäàåò îñîáîé ôîðìîé ìûøëåíèÿ — ïîíÿòèéíûì ìûøëåíèåì. Â ïîíÿòèè çàêëþ÷àþòñÿ íàèáîëåå âàæíûå ñóùåñòâåííûå ïðèçíàêè è ñâîéñòâà, ïîíÿòèÿ àáñòðàêòíû. Îòðàæåíèå äåéñòâèòåëüíîñòè æèâîòíûìè âñåãäà êîíêðåòíî, ïðåäìåòíî, ñâÿçàíî ñ îïðåäåëåííûìè ïðåäìåòàìè îêðóæàþùåãî ìèðà. Òîëüêî ìûøëåíèå ÷åëîâåêà ìîæåò áûòü ëîãè÷íûì, îáîáùàþùèì, îòâëå÷åííûì. Æèâîòíûå ìîãóò ñîâåðøàòü î÷åíü ñëîæíûå äåéñòâèÿ, íî â èõ îñíîâå ëåæàò èíñòèíêòû — ãåíåòè÷åñêèå ïðîãðàììû, ïåðåäàþùèåñÿ ïî íàñëåäñòâó. Íàáîð òàêèõ äåéñòâèé ñòðîãî îãðàíè÷åí, îïðåäåëåíà ïîñëåäîâàòåëüíîñòü, êîòîðàÿ íå ìåíÿåòñÿ ñ èçìåíåíèåì óñëîâèé, äàæå åñëè äåéñòâèå ñòàíîâèòñÿ íåöåëåñîîáðàçíûì. ×åëîâåê æå âíà÷àëå ñòàâèò öåëü, ñîñòàâëÿåò ïëàí, êîòîðûé ìîæåò èçìåíèòüñÿ ïðè íåîáõîäèìîñòè, àíàëèçèðóåò ðåçóëüòàòû, äåëàåò âûâîäû. Ðå÷ü. È. Ï. Ïàâëîâ (1925), èññëåäóÿ îñîáåííîñòè âûñøåé íåðâíîé äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà, âûÿâëÿåò åå êà÷åñòâåííûå îòëè÷èÿ îò íåðâíîé äåÿòåëüíîñòè æèâîòíûõ — íàëè÷èå âòîðîé ñèãíàëüíîé ñèñòåìû, òî åñòü ðå÷è. Îðãàíàìè ÷óâñòâ æèâîòíûå è ÷åëîâåê ñïîñîáíû óëàâëèâàòü ðàçëè÷íûå èçìåíåíèÿ êà÷åñòâ è ñâîéñòâ îêðóæàþùèõ ïðåäìåòîâ è ÿâëåíèé (çâóê, öâåò, ñâåò, çàïàõ, âêóñ, òåìïåðàòóðó è ò. ä.). Èìåííî ðàáîòà ñåíñîðíûõ ìåõàíèçìîâ ëåæèò â îñíîâå äåéñòâèÿ ïåðâîé ñèãíàëüíîé ñèñòåìû, îáùåé ó ÷åëîâåêà è æèâîòíûõ. Â òî æå âðåìÿ ó ÷åëîâåêà ðàçâèâàåòñÿ âòîðàÿ ñèãíàëüíàÿ ñèñòåìà. Ñèãíàëàìè çäåñü ñëóæàò ñëîâà, ðå÷ü, îòäåëåííàÿ îò ñàìîãî ïðåäìåòà, àáñòðàêòíàÿ è îáîáùåííàÿ. Ñëîâî çàìåíÿåò íåïîñðåäñòâåííûå ðàçäðàæèòåëè, ÿâëÿåòñÿ «ñèãíàëîì ñèãíàëîâ». Ìíîãî÷èñëåííûå íàáëþäåíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî âòîðàÿ ñèãíàëüíàÿ ñèñòåìà ìîæåò áûòü ðàçâèòà òîëüêî ïðè îáùåíèè ñ ëþäüìè, òî åñòü ðàçâèòèå ðå÷è èìååò ñîöèàëüíûé õàðàêòåð. Òðóäîâàÿ äåÿòåëüíîñòü. Ìíîãèå æèâîòíûå ñïîñîáíû ê îïðåäåëåííîé ñîçèäàòåëüíîé äåÿòåëüíîñòè. Íî òîëüêî ÷åëîâåê ñïîñîáåí èçãîòàâëèâàòü ñëîæíûå îðóäèÿ òðóäà, ïëàíèðîâàòü òðóäîâóþ äåÿòåëüíîñòü,

10.3. Ñòàäèè ýâîëþöèè ÷åëîâåêà

277

êîððåêòèðîâàòü åå, ïðåäâèäåòü ðåçóëüòàòû è àêòèâíî èçìåíÿòü îêðóæàþùèé ìèð. Èñïîëüçîâàíèå îãíÿ. Îãðîìíîå çíà÷åíèå äëÿ ðàçâèòèÿ ÷åëîâåêà è îáùåñòâåííûõ îòíîøåíèé èìåëî îñâîåíèå îãíÿ. Ýòîò ôàêò ïîçâîëèë ÷åëîâåêó âûäåëèòüñÿ èç ìèðà ïðèðîäû, ñòàòü ñâîáîäíûì, íå çàâèñåòü îò óñëîâèé ñòèõèè. Ïîëîæèòåëüíûì â ðàçâèòèè ÷åëîâå÷åñòâà ñòàëè òåïëîâàÿ îáðàáîòêà ïèùè è èñïîëüçîâàíèå îãíÿ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ áîëåå ñîâåðøåííûõ îðóäèé òðóäà. Ðàçäåëåíèå òðóäà. Óæå íà íà÷àëüíûõ ýòàïàõ ðàçâèòèÿ ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà ïðîèñõîäèëî ðàçäåëåíèå òðóäà ïî âîçðàñòíûì è ïîëîâûì ïðèçíàêàì. Ýòî ïðèâåëî ê ðàçâèòèþ îáùåñòâåííûõ îòíîøåíèé, ê ðîñòó ïðîèçâîäèòåëüíîñòè òðóäà, ïîçâîëèëî ïåðåäàâàòü îïûò è çíàíèÿ íîâîìó ïîêîëåíèþ. Ñåìåéíî-áðà÷íûå îòíîøåíèÿ. Ðåãóëèðîâàíèå áðà÷íûõ îòíîøåíèé îáùåñòâîì ÿâèëîñü ïîëîæèòåëüíûì ôàêòîðîì íå òîëüêî äëÿ ðàçâèòèÿ ñîöèóìà, íî è äëÿ áèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèè ÷åëîâåêà. Çàïðåò ðîäñòâåííûõ áðàêîâ ïðåäóïðåæäàåò íàêîïëåíèå íåãàòèâíûõ ìóòàöèé, ïðèâîäèò ê îáîãàùåíèþ ãåíîôîíäà îáùåñòâà.

10.3. Ñòàäèè ýâîëþöèè ÷åëîâåêà Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïàëåîíòîëîãèÿ ðàñïîëàãàåò îáøèðíûìè ñâåäåíèÿìè îá èñòîðè÷åñêîì ðàçâèòèè ïðåäêîâ ÷åëîâåêà. Àíòðîïîëîãàìè íàéäåíî è èçó÷åíî áîëüøîå êîëè÷åñòâî èñêîïàåìûõ îñòàíêîâ âûìåðøèõ ÷åëîâåêîîáðàçíûõ îáåçüÿí è äðåâíåéøèõ ëþäåé, êîòîðûå äàþò âîçìîæíîñòü ñîñòàâèòü êàðòèíó âîçíèêíîâåíèÿ è ñòàíîâëåíèÿ ÷åëîâåêà. Ñàìûå ðàííèå îñòàíêè ïîëóîáåçüÿí èìåþò âîçðàñò 70–90 ìëí ëåò. ×åëîâåêîîáðàçíûå îáåçüÿíû ïîÿâèëèñü 50 ìëí ëåò íàçàä. Ïðèìåðíî 20– 26 ìëí ëåò íàçàä âûäåëèëàñü âåòâü, ÿâèâøàÿñÿ ïðåäêîì âñåõ ñîâðåìåííûõ ïðåäñòàâèòåëåé ñåìåéñòâà. Ãîìèíèäû-äðèîïèòåêè. Ýòè äðåâíèå ÷åëîâåêîîáðàçíûå îáåçüÿíû, îáèòàâøèå íà Àôðèêàíñêîì è Åâðîïåéñêîì êîíòèíåíòàõ, âåëè äðåâåñíûé îáðàç æèçíè è ïèòàëèñü, ïî-âèäèìîìó, ïëîäàìè. Ïåðåäâèæåíèå ïî äåðåâüÿì ñ ðàçëè÷íîé ñêîðîñòüþ, ìåíÿþùèìèñÿ íàïðàâëåíèåì è ðàññòîÿíèÿìè ïðèâåëî ê âûñîêîìó ðàçâèòèþ äâèãàòåëüíûõ öåíòðîâ ãîëîâíîãî ìîçãà. Äðåâåñíûé îáðàç æèçíè ñïîñîáñòâîâàë óìåíüøåíèþ ïëîäîâèòîñòè, ÷òî êîìïåíñèðîâàëîñü áîëåå òùàòåëüíûì óõîäîì çà ïîòîìñòâîì. Ïðèìåðíî 6–8 ìëí ëåò íàçàä â ñâÿçè ñ ìîùíûìè ãîðîîáðàçîâàòåëüíûìè ïðîöåññàìè â Þæíîé Àôðèêå íàñòóïèëî ïîõîëîäàíèå, ïîÿâè-

278 Ãëàâà 10. ×åëîâåê êàê ïðåäìåò ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ ëèñü îáøèðíûå îòêðûòûå ïðîñòðàíñòâà. Â òàêèõ óñëîâèÿõ ïðåèìóùåñòâîì äëÿ âûæèâàíèÿ ÿâèëèñü ïðÿìîõîæäåíèå, ñòàäíûé îáðàç æèçíè è èñïîëüçîâàíèå îñâîáîäèâøèõñÿ ïåðåäíèõ êîíå÷íîñòåé. Â ðåçóëüòàòå äèâåðãåíöèè ïðîèçîøëî ôîðìèðîâàíèå äâóõ ýâîëþöèîííûõ âåòâåé — îäíîé, âåäóùåé ê ñîâðåìåííûì ÷åëîâåêîîáðàçíûì îáåçüÿíàì, è äðóãîé — âåäóùåé ê ÷åëîâåêó. Ïåðâûìè â ðÿäó ïðåäêîâ ñîâðåìåííîãî ÷åëîâåêà ñòîÿò àâñòðàëîïèòåêè (îò ëàò. australis — þæíûé + ãðå÷. pithÂkos — îáåçüÿíà), êîòîðûå ïîÿâèëèñü â Àôðèêå îêîëî 4 ìëí ëåò íàçàä. Àâñòðàëîïèòåêè, òàê íàçûâàåìûå «îáåçüÿíîëþäè», íàñåëÿëè îòêðûòûå ðàâíèíû è ïîëóïóñòûíè, æèëè ñòàäàìè, õîäèëè íà íèæíèõ (çàäíèõ) êîíå÷íîñòÿõ, ïðè÷åì ïîëîæåíèå òåëà áûëî ïî÷òè âåðòèêàëüíûì. Ðóêè, îñâîáîäèâøèåñÿ îò ôóíêöèè ïåðåäâèæåíèÿ, ìîãëè èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ äîáûâàíèÿ ïèùè è çàùèòû îò âðàãîâ. Àâñòðàëîïèòåêè èìåëè ìàññó 20–50 êã, ðîñò 120– 150 ñì, ãîëîâíîé ìîçã äîñòèãàë îáúåìà 550 ñì3. Îêîëî 2–1,5 ìëí ëåò íàçàä â Âîñòî÷íîé è Þæíîé Àôðèêå, â ÞãîÂîñòî÷íîé Àçèè æèëè ñóùåñòâà, áîëåå áëèçêèå ê ÷åëîâåêó, ÷åì àâñòðàëîïèòåêè. Homo habilis («÷åëîâåê óìåëûé») óìåë îáðàáàòûâàòü ãàëüêó äëÿ èçãîòîâëåíèÿ îðóäèé, ñòðîèë ïðèìèòèâíûå óêðûòèÿ è õèæèíû, íà÷àë ïðèìåíÿòü îãîíü. Ðîñòîì «÷åëîâåê óìåëûé» áûë îêîëî 1,5 ì. Åãî ëèöî èìåëî åùå àðõàè÷íóþ ôîðìó ñ íàäãëàçíè÷íûìè âàëèêàìè, ïëîñêèì íîñîì è âûñòóïàþùèìè âïåðåä ÷åëþñòÿìè. Íî ìîçã ñòàë êðóïíåå (îêîëî 700 ã). Èñïîëüçîâàíèå îðóäèé, ñòàäíûé îáðàç æèçíè ñïîñîáñòâîâàëè äàëüíåéøåìó ðàçâèòèþ ìîçãà è âîçíèêíîâåíèþ ðå÷è. Ïðèçíàêîì, îòëè÷àþùèì ÷åëîâåêîîáðàçíûõ îáåçüÿí îò ëþäåé, ñ÷èòàåòñÿ ìàññà ãîëîâíîãî ìîçãà, ðàâíàÿ 750 ã. Â ïðîöåññå ñòàíîâëåíèÿ ÷åëîâåêà óñëîâíî âûäåëÿþò òðè ýòàïà: 1) äðåâíåéøèå ëþäè; 2) äðåâíèå ëþäè; 3) ñîâðåìåííûå ëþäè. Äðåâíåéøèå ëþäè. Èçâåñòíî íåñêîëüêî ðàçíîâèäíîñòåé äðåâíåéøèõ ëþäåé: ïèòåêàíòðîï, ñèíàíòðîï, ãåéäåëüáåðãñêèé ÷åëîâåê è äðóãèå. Áîëåå êðóïíûå, îáëàäàþùèå áîëüøèì îáúåìîì ìîçãà è áîëåå âûñîêîðàçâèòûì èíòåëëåêòîì, ñ áîëåå ñîâåðøåííîé òåõíèêîé èçãîòîâëåíèÿ îðóäèé, ýòè ëþäè îñâîèëè íîâûå ìåñòà îáèòàíèÿ, çàñåëèâ íåáîëüøèìè ãðóïïàìè Àôðèêó, Åâðîïó è Àçèþ. Ïî ñòðîåíèþ òåëà âî ìíîãèõ îòíîøåíèÿõ îíè ïîõîäèëè íà ñîâðåìåííîãî ÷åëîâåêà (ðîñò 1,6– 1,8 ì, à âåñ — 50–70 êã). Ìàññà ãîëîâíîãî ìîçãà äîñòèãàëà 800–1000 ã. Äðåâíåéøèå ëþäè øèðîêî ïîëüçîâàëèñü ðàçëè÷íûìè îðóäèÿìè èç

10.3. Ñòàäèè ýâîëþöèè ÷åëîâåêà

279

êàìíÿ, äåðåâà è êîñòè, àêòèâíî îõîòèëèñü íà áóéâîëîâ, íîñîðîãîâ, îëåíåé. Æèëè îíè â îñíîâíîì â ïåùåðàõ. Âíóòðè æèëüÿ óñòðàèâàëñÿ ïðèìèòèâíûé î÷àã. Îãîíü óæå ñèñòåìàòè÷åñêè èñïîëüçîâàëñÿ äëÿ îáîãðåâà è ïðèãîòîâëåíèÿ ïèùè, ñîõðàíÿëñÿ è ïîääåðæèâàëñÿ. Äðåâíèå ëþäè (íåàíäåðòàëüöû). Â ëåäíèêîâûé ïåðèîä íà Çåìëå ñóùåñòâîâàë Homo sapiens neanderthalensis — íåàíäåðòàëåö. Íåàíäåðòàëüöû ïðåäñòàâëÿëè ñîáîé íåîäíîðîäíóþ ãðóïïó, â êîòîðîé ìîæíî âûäåëèòü äâå âåòâè. Ïåðâàÿ õàðàêòåðèçîâàëàñü ìîùíûì ôèçè÷åñêèì ðàçâèòèåì — îíè áûëè íèçêîðîñëûå è êîðåíàñòûå (ðîñò — äî 1,7 ì, âåñ — äî 75 êã), ñ ñèëüíî âûðàæåííîé ìóñêóëàòóðîé. ×åðåï ìàññèâíûé, ñ òîëñòûìè íàäãëàçíè÷íûìè âàëèêàìè, ïîêàòûì ëáîì, ñëàáîðàçâèòûì ïîäáîðîäî÷íûì âûñòóïîì è êðóïíûìè çóáàìè. Îáúåì ãîëîâíîãî ìîçãà äîñòèãàë 1500 ñì3. Äðóãàÿ ãðóïïà íåàíäåðòàëüöåâ èìåëà áîëåå òîíêèå ÷åðòû — ìåíüøèå íàäáðîâíûå âàëèêè, âûñîêèé ëîá, ìåíåå ìàññèâíûå ÷åëþñòè. Â ôèçè÷åñêîì ðàçâèòèè îíè çàìåòíî óñòóïàëè ïåðâîé ãðóïïå. Â òî æå âðåìÿ îíè èìåëè áîëüøèé îáúåì ëîáíûõ äîëåé ãîëîâíîãî ìîçãà. Ó÷åíûå ñ÷èòàþò, ÷òî ýâîëþöèÿ ýòîé ãðóïïû íåàíäåðòàëüöåâ â íàïðàâëåíèè ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ âíóòðèãðóïïîâûõ ñâÿçåé ïðèâåëà ê ïîÿâëåíèþ 40–50 òûñ. ëåò íàçàä âèäà ÷åëîâåêà ðàçóìíîãî (Homo sapiens). Íåàíäåðòàëüöû çàíèìàëèñü îõîòîé è ðûáîëîâñòâîì (îõîòèëèñü, â ÷àñòíîñòè, íà òàêèõ êðóïíûõ æèâîòíûõ, êàê ìàìîíòû), èçãîòàâëèâàëè îäåæäó èç øêóð, ñòðîèëè æèëèùà, óìåëè äîáûâàòü îãîíü. Ïðåäïîëîæèòåëüíî, íåàíäåðòàëüöàì áûëà ñâîéñòâåííà ðå÷ü. Íåàíäåðòàëüöû ÿâèëèñü ïåðâûìè ëþäüìè, êîòîðûå ñèñòåìàòè÷åñêè õîðîíèëè óìåðøèõ. Ïîãðåáåíèå óìåðøèõ áûëî îáðÿäîì. Ñîâðåìåííûå ëþäè. Â 1868 ã. íà þãî-çàïàäå Ôðàíöèè â ãðîòå ÊðîÌàíüîí áûëè íàéäåíû îñòàíêè âïîëíå ñîâðåìåííîãî ÷åëîâåêà, îòíîñÿùåãîñÿ ê ïîäâèäó Homo sapiens. Âïîñëåäñòâèè ìíîãî÷èñëåííûå îñòàíêè êðîìàíüîíöåâ áûëè îáíàðóæåíû â ðàçëè÷íûõ ðàéîíàõ Åâðîïû, Àôðèêè, Àçèè, Àìåðèêè è Àâñòðàëèè. Êðîìàíüîíöû èìåëè âûñîêèé ðîñò (äî 1,8 ì), ýòî áûëè ëþäè ñ âûñîêèì ëáîì, ñ õîðîøî ðàçâèòûì ïîäáîðîäî÷íûì âûñòóïîì. Ñðåäíèé îáúåì ãîëîâíîãî ìîçãà êðîìàíüîíöà ñîñòàâëÿë 1500 ñì3. Èìåëèñü è äðóãèå õàðàêòåðíûå îñîáåííîñòè — ãîëîâà ïîñàæåíà ïðÿìî, ëèöåâàÿ ÷àñòü ïðÿìàÿ è íå âûñòóïàåò âïåðåä, íàäãëàçíûå âàëèêè îòñóòñòâóþò èëè ðàçâèòû ñëàáî, íîñ è ÷åëþñòè ñðàâíèòåëüíî íåâåëèêè. Ïî ñðàâíåíèþ ñ íåàíäåðòàëüöàìè êðîìàíüîíöû ïðîèçâîäèëè çíà÷èòåëüíî áîëåå òùàòåëüíî èçãîòîâëåííûå êàìåííûå îðóäèÿ. Îêîëî ïîëîâèíû âñåõ èíñòðóìåíòîâ áûëî ñäåëàíî èç êîñòè. Äëÿ èçãîòîâëåíèÿ èçäåëèé èç ðîãà, äåðåâà è êîñòè ïðèìåíÿ-

280 Ãëàâà 10. ×åëîâåê êàê ïðåäìåò ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ ëèñü êàìåííûå ðåçöû. Íîâûå îðóäèÿ ñïîñîáñòâîâàëè îñâîåíèþ ÷åëîâåêîì îêðóæàþùåãî ìèðà, óìåíüøåíèþ çàâèñèìîñòè îò âíåøíåé ñðåäû. Â ýòîò ïåðèîä íà÷èíàåòñÿ îäîìàøíèâàíèå æèâîòíûõ è îêóëüòóðèâàíèå ðàñòåíèé ÷åëîâåêîì. Âîçìîæíîñòü æèòü â óñëîâèÿõ ëåäíèêîâîãî ïåðèîäà îáåñïå÷èâàëàñü áîëåå ñîâåðøåííûìè æèëèùàìè è ïîÿâèâøèìèñÿ íîâûìè ñðåäñòâàìè çàùèòû îò íåáëàãîïðèÿòíûõ óñëîâèé ñðåäû (îäåæäà, ñèñòåìàòè÷åñêîå èñïîëüçîâàíèå îãíÿ). Ñîâìåñòíàÿ ïðîèçâîäèòåëüíàÿ äåÿòåëüíîñòü, ðàçâèòèå îáùåñòâåííûõ îòíîøåíèé, ïîÿâëåíèå áîëåå ñîâåðøåííûõ îðóäèé òðóäà, æèëèùà, îäåæäû ïðèâåëè ê ñíèæåíèþ ðîëè áèîëîãè÷åñêîãî ôàêòîðà ýâîëþöèè è óñèëåíèþ âåäóùåãî äåéñòâèÿ ñîöèàëüíûõ çàêîíîâ ðàçâèòèÿ.

10.4. Ñîîòíîøåíèå áèîëîãè÷åñêîãî è ñîöèàëüíîãî â ÷åëîâåêå Âñå ñîâðåìåííîå ÷åëîâå÷åñòâî ïðèíàäëåæèò ê îäíîìó áèîëîãè÷åñêîìó âèäó — ÷åëîâåê ðàçóìíûé (Homo sapiens), ïðåäñòàâëÿþùåìó ñîáîé óíèêàëüíóþ æèçíåííóþ ôîðìó, ñîåäèíÿþùóþ áèîëîãè÷åñêóþ è ñîöèàëüíóþ ñóùíîñòè. Æèçíåäåÿòåëüíîñòü ÷åëîâå÷åñêîãî îðãàíèçìà îñíîâûâàåòñÿ íà ôóíäàìåíòàëüíûõ áèîëîãè÷åñêèõ ìåõàíèçìàõ, çàêîíîìåðíîñòÿõ îáìåíà âåùåñòâ è ýíåðãèè, îáóñëîâëåííûõ ìîðôîôóíêöèîíàëüíûìè îñîáåííîñòÿìè îðãàíèçìà, êîòîðûå îáåñïå÷èâàþò àäàïòàöèþ ê îêðóæàþùåé ñðåäå. Â òî æå âðåìÿ áèîëîãè÷åñêàÿ ñóùíîñòü ïðîÿâëÿåòñÿ â óñëîâèÿõ äåéñòâèÿ çàêîíîâ âûñøåé, ñîöèàëüíîé ôîðìû äâèæåíèÿ ìàòåðèè. Â ïðîöåññå àíòðîïîãåíåçà ôîðìèðîâàëàñü ñîöèàëüíàÿ ñóùíîñòü ÷åëîâåêà êàê ñèñòåìà ìàòåðèàëüíûõ è äóõîâíûõ ôàêòîðîâ, ìåæ÷åëîâå÷åñêèõ è ïñèõîýìîöèîíàëüíûõ îòíîøåíèé, âîçíèêàþùèõ â ñîâìåñòíîé òðóäîâîé äåÿòåëüíîñòè. Ñîöèàëüíûé ôàêòîð îêàçûâàåò ñóùåñòâåííîå âëèÿíèå íà æèçíåäåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà, íà åãî çäîðîâüå. Âîïðîñ ñîîòíîøåíèÿ áèîëîãè÷åñêîãî è ñîöèàëüíîãî â ÷åëîâåêå âñåãäà èíòåðåñîâàë ó÷åíûõ. Ñóùåñòâóþò äâà ïðîòèâîïîëîæíûõ ïðåäñòàâëåíèÿ î çàêîíîìåðíîñòÿõ ñòàíîâëåíèÿ ëè÷íîñòè. Ñòîðîííèêè ïàíáèîëîãèçìà îáúÿñíÿþò âñå îñîáåííîñòè ÷åëîâåêà åãî áèîëîãè÷åñêîé ñóùíîñòüþ, íàñëåäñòâåííûìè ãåíåòè÷åñêèìè ïðîãðàììàìè. Ïàíñîöèîëîãèçì ñ÷èòàåò, ÷òî íàñëåäñòâåííûå ôàêòîðû ó âñåõ ëþäåé îäèíàêîâû, à èíäèâèäóàëüíûå îñîáåííîñòè ëè÷íîñòè ðàçâèâàþòñÿ ïîä âëèÿíèåì îáùåñòâåííûõ îòíîøåíèé, îáó÷åíèÿ è âîñïèòàíèÿ. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ â íàóêå ðàñïðîñòðàíåíû ïðåäñòàâëåíèÿ î òîì, ÷òî ÷åëîâåê ÿâëÿåòñÿ ñâîåîáðàçíûì è íåîòúåìëåìûì êîìïîíåíòîì

10.4. Ñîîòíîøåíèå áèîëîãè÷åñêîãî è ñîöèàëüíîãî â ÷åëîâåêå

281

áèîñôåðû. Îñîáåííîñòü áèîëîãè÷åñêîé ñóùíîñòè ÷åëîâåêà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî îíà ïðîÿâëÿåòñÿ â óñëîâèÿõ äåéñòâèÿ çàêîíîâ âûñøåé, ñîöèàëüíîé ôîðìû äâèæåíèÿ ìàòåðèè. Èç ñîöèàëüíîé ñóùíîñòè ëþäåé âûòåêàþò çàêîíîìåðíîñòè è íàïðàâëåíèÿ èñòîðè÷åñêîãî ðàçâèòèÿ ÷åëîâå÷åñòâà. Áèîëîãè÷åñêèì ïðîöåññàì, ïðîèñõîäÿùèì â îðãàíèçìå ÷åëîâåêà, ïðèíàäëåæèò ôóíäàìåíòàëüíàÿ ðîëü â îáåñïå÷åíèè âàæíåéøèõ ñòîðîí æèçíåñïîñîáíîñòè è ðàçâèòèÿ. Òåì íå ìåíåå â ïîïóëÿöèÿõ ëþäåé ýòè ïðîöåññû íå ïðèâîäÿò ê ðåçóëüòàòàì, îáû÷íûì äëÿ îñòàëüíîãî ìèðà æèâûõ ñóùåñòâ. Òàê, åñòåñòâåííûé îòáîð — äâèæóùèé ôàêòîð ýâîëþöèè æèâûõ îðãàíèçìîâ — óòðàòèë ñâîå çíà÷åíèå (íàïðèìåð, â âèäîîáðàçîâàíèè) â ðàçâèòèè ÷åëîâåêà, óñòóïèâ âåäóùóþ ðîëü ñîöèàëüíûì ôàêòîðàì. Ïðîöåññ èíäèâèäóàëüíîãî ðàçâèòèÿ ÷åëîâåêà áàçèðóåòñÿ íà èíôîðìàöèè äâóõ âèäîâ. Ïåðâûé âèä ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé áèîëîãè÷åñêè öåëåñîîáðàçíóþ èíôîðìàöèþ, êîòîðàÿ îòáèðàëàñü è ñîõðàíÿëàñü â ïðîöåññå ýâîëþöèè ïðåäêîâûõ ôîðì è çàôèêñèðîâàíà â âèäå ãåíåòè÷åñêîé èíôîðìàöèè â ÄÍÊ (óíèâåðñàëüíûé äëÿ âñåõ æèâûõ îðãàíèçìîâ ìåõàíèçì êîäèðîâàíèÿ, õðàíåíèÿ, ðåàëèçàöèè è ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè èç ïîêîëåíèÿ â ïîêîëåíèå). Áëàãîäàðÿ ýòîìó â èíäèâèäóàëüíîì ðàçâèòèè ÷åëîâåêà ñêëàäûâàåòñÿ óíèêàëüíûé êîìïëåêñ ñòðóêòóðíûõ è ôóíêöèîíàëüíûõ ïðèçíàêîâ, îòëè÷àþùèõ åãî îò äðóãèõ æèâûõ îðãàíèçìîâ. Âòîðîé âèä èíôîðìàöèè ïðåäñòàâëåí ñóììîé çíàíèé, óìåíèé, êîòîðûå ïðèîáðåòàþòñÿ, ñîõðàíÿþòñÿ è èñïîëüçóþòñÿ ïîêîëåíèÿìè ëþäåé â õîäå ðàçâèòèÿ ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà. Îñâîåíèå ýòîé èíôîðìàöèè èíäèâèäóóìîì ïðîèñõîäèò â ïðîöåññå åãî âîñïèòàíèÿ, îáó÷åíèÿ è æèçíè â ñîöèóìå. Äàííàÿ îñîáåííîñòü ÷åëîâåêà îïðåäåëÿåòñÿ ïîíÿòèåì ñîöèàëüíîé íàñëåäñòâåííîñòè, ïðèñóùåé èñêëþ÷èòåëüíî ÷åëîâå÷åñêîìó îáùåñòâó. Ïðîèñõîæäåíèå ÷åëîâåêà êàê ñóùåñòâà áèîñîöèàëüíîãî ÿâèëîñü åñòåñòâåííûì è çàêîíîìåðíûì ðåçóëüòàòîì ðàçâèòèÿ îäíîé èç âåòâåé ýâîëþöèè æèâîòíîãî öàðñòâà. Ñîâðåìåííîå ÷åëîâå÷åñòâî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îäèí âèä — Homo sapiens, â ïðåäåëàõ êîòîðîãî òðàäèöèîííî âûäåëÿþò òðè îñíîâíûå ðàñû: åâðîïåîèäíóþ (åâðàçèéñêóþ), àâñòðàëî-íåãðîèäíóþ (ýêâàòîðèàëüíóþ) è ìîíãîëîèäíóþ (àçèàòñêî-àìåðèêàíñêóþ). Ðàñû — ýòî èñòîðè÷åñêè ñëîæèâøèåñÿ ãðóïïû ëþäåé, õàðàêòåðèçóþùèåñÿ îáùíîñòüþ íàñëåäñòâåííûõ ôèçè÷åñêèõ îñîáåííîñòåé (öâåò êîæè, ãëàç è âîëîñ, ðàçðåç ãëàç, î÷åðòàíèÿ ãîëîâû è ò. ï.), ÿâëÿþùèõñÿ âòîðîñòåïåííûìè. Ïî îñíîâíûì æå ïðèçíàêàì, õàðàêòåðíûì äëÿ ÷åëîâåêà (îáúåì è ñòðîåíèå ãîëîâíîãî ìîçãà, ñòðîåíèå êèñòè è ñòîïû, ôîðìà ïîçâîíî÷íîãî ñòâîëà, ñòðîåíèå ãîëîñîâûõ ñâÿçîê, ñïîñîáíîñòè ê òâîð÷åñêîé è òðóäîâîé äåÿòåëüíîñòè), ðàñû íå ðàçëè÷àþò-

282 Ãëàâà 10. ×åëîâåê êàê ïðåäìåò ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ ñÿ. Îáðàçîâàíèå ðàñ — ñëîæíûé ïðîöåññ, ìíîãèå ðàñîâûå ïðèçíàêè âîçíèêàëè ïóòåì ìóòàöèé, íî îíè ìîãëè âîçíèêàòü è â ðåçóëüòàòå òàêèõ ýâîëþöèîííûõ ôàêòîðîâ, êàê äðåéô ãåíîâ è èçîëÿöèÿ. Ñ ðàçâèòèåì öèâèëèçàöèè ðîëü åñòåñòâåííîãî îòáîðà è èçîëÿöèè íà÷èíàåò ñíèæàòüñÿ. Â ðåçóëüòàòå óñèëåíèÿ âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó íàðîäàìè íà÷èíàåò ïðîÿâëÿòüñÿ ìåòèñàöèÿ (ñìåøåíèå ðàñ), îñîáåííî óñêîðÿþùàÿñÿ â íàøè äíè áëàãîäàðÿ âîçðàñòàþùèì ìàñøòàáàì ìèãðàöèè ëþäåé, ðàçðóøåíèþ ñîöèàëüíî-ðàñîâûõ áàðüåðîâ è ò. ï. Ïî-âèäèìîìó, ýòè ïðîöåññû ïðèâåäóò ê èñ÷åçíîâåíèþ ðàñîâûõ ðàçëè÷èé, õîòÿ íà ýòî è óéäóò òûñÿ÷è è òûñÿ÷è ëåò.

10.5. Çäîðîâüå ÷åëîâåêà. Äåìîãðàôè÷åñêèå ïðîáëåìû Ïðîáëåìà ñîõðàíåíèÿ çäîðîâüÿ íàñåëåíèÿ îñîáåííî àêòóàëüíà â ñîâðåìåííîì îáùåñòâå, îòëè÷àþùåìñÿ íåãàòèâíîé õàðàêòåðèñòèêîé îñíîâíûõ äåìîãðàôè÷åñêèõ ïîêàçàòåëåé íàðÿäó ñ ïðîãðåññèðóþùèì ðàñïðîñòðàíåíèåì àëêîãîëèçìà, íàðêîòîêñèêîìàíèè è çàáîëåâàíèé, ïåðåäàþùèõñÿ ïîëîâûì ïóòåì. Îñîáóþ òðåâîãó âûçûâàåò ñîñòîÿíèå çäîðîâüÿ ìîëîäåæè, äåòåé è ïîäðîñòêîâ. Ñîâåðøåííî çäîðîâûõ, ãàðìîíè÷íî ðàçâèòûõ äåòåé — íå áîëåå 2–3%. Åùå 14–15% äåòåé — ïðàêòè÷åñêè çäîðîâû, à ó 35–40% èìåþòñÿ ðàçëè÷íûå õðîíè÷åñêèå çàáîëåâàíèÿ. Íå ìåíåå ïîëîâèíû äåòåé èìåþò òå èëè èíûå ôóíêöèîíàëüíûå îòêëîíåíèÿ. Äàííûå ìåäèöèíñêèõ îñìîòðîâ ñâèäåòåëüñòâóþò î òîì, ÷òî çà ïåðèîä îáó÷åíèÿ â øêîëå ñîñòîÿíèå çäîðîâüÿ äåòåé óõóäøàåòñÿ â 4–5 ðàç. Òàê, ê ìîìåíòó îêîí÷àíèÿ ñðåäíåé øêîëû êàæäûé ÷åòâåðòûé âûïóñêíèê èìååò ïàòîëîãèþ ñåðäå÷íî-ñîñóäèñòîé ñèñòåìû, à êàæäûé òðåòèé — áëèçîðóêîñòü, íàðóøåíèå îñàíêè. Îñîáîå ìåñòî ñðåäè øêîëüíîé ïàòîëîãèè çàíèìàåò äåòñêèé òðàâìàòèçì. Íàèáîëåå ÷àñòî ñðåäè ó÷àùèõñÿ âñòðå÷àþòñÿ ÷åðåïíî-ìîçãîâûå òðàâìû, ïåðåëîìû êîñòåé êîíå÷íîñòåé, ðàíû, âûâèõè, ðàñòÿæåíèÿ ñâÿçîê, óøèáû. Áîëüøèíñòâî ïîäîáíûõ òðàâì (äî 60%) âîçíèêàåò âî âíåóðî÷íîå âðåìÿ: íà ïåðåìåíàõ â øêîëå è âî âðåìÿ èãð — âî äâîðå, íà ñïîðòïëîùàäêå, íà óëèöå. Ñåðüåçíóþ óãðîçó çäîðîâüþ äåòåé ïðåäñòàâëÿåò äîðîæíî-òðàíñïîðòíûé òðàâìàòèçì, ÷àñòîòà êîòîðîãî íàðàñòàåò ãîä îò ãîäà. Îñîáåííî áîëüøîå ÷èñëî òðàâì ïðèõîäèòñÿ íà ñðåäíèé øêîëüíûé âîçðàñò. Êàê ïîêàçàëè ìíîãî÷èñëåííûå èññëåäîâàíèÿ, ñîñòîÿíèå çäîðîâüÿ ÷åëîâåêà áîëåå âñåãî çàâèñèò îò ñàìîãî ÷åëîâåêà. Íåçíàíèå ïðàâèë

10.5. Çäîðîâüå ÷åëîâåêà. Äåìîãðàôè÷åñêèå ïðîáëåìû

283

áåçîïàñíîãî ïîâåäåíèÿ, íåñîáëþäåíèå çäîðîâîãî îáðàçà æèçíè, áåñïå÷íîå îòíîøåíèå ê ñâîåìó çäîðîâüþ — âîò ïðè÷èíà âûñîêîãî óðîâíÿ òðàâìàòèçìà, ïîÿâëåíèÿ ðàçëè÷íûõ çàáîëåâàíèé, óõóäøåíèÿ çäîðîâüÿ ìîëîäåæè. Â ñîâðåìåííîé ìåäèöèíå çäîðîâüå è áîëåçíü íå ïðîòèâîïîñòàâëÿþòñÿ äðóã äðóãó, à ðàññìàòðèâàþòñÿ â òåñíîé âçàèìîñâÿçè. Óñòàíîâëåíî, ÷òî ïîä «íîðìîé» íå âñåãäà ñëåäóåò ïîäðàçóìåâàòü ïîëíîå çäîðîâüå, à ïîä íåñîîòâåòñòâèåì íîðìå ñëåäóåò èìåòü â âèäó íå òîëüêî ïàòîëîãèþ, íî è ðÿä ïîãðàíè÷íûõ ñîñòîÿíèé ìåæäó çäîðîâüåì è áîëåçíüþ. Ñîãëàñíî îïðåäåëåíèþ Âñåìèðíîé îðãàíèçàöèè çäðàâîîõðàíåíèÿ (ÂÎÇ), «çäîðîâüå — ýòî ñîñòîÿíèå ôèçè÷åñêîãî, äóõîâíîãî è ñîöèàëüíîãî áëàãîïîëó÷èÿ, íå ñâîäÿùååñÿ ê îòñóòñòâèþ áîëåçíè». Ýòî «òàêîå ñîñòîÿíèå îðãàíèçìà ÷åëîâåêà, êîãäà ôóíêöèè âñåõ åãî îðãàíîâ è ñèñòåì óðàâíîâåøåíû ñ âíåøíåé ñðåäîé è îòñóòñòâóþò êàêèå-ëèáî áîëåçíåííûå èçìåíåíèÿ». Ðàçëè÷àþò èíäèâèäóàëüíîå çäîðîâüå (÷åëîâåêà) è êîëëåêòèâíîå çäîðîâüå (ñåìüè, ïðîôåññèîíàëüíîé ãðóïïû, ñîöèàëüíîãî ñëîÿ, íàñåëåíèÿ). Çäîðîâüå ÷åëîâåêà äàâíî ñòàëî íå òîëüêî åãî ëè÷íîé ïðîáëåìîé, íî è êðèòåðèåì æèçíè â ðàçëè÷íûõ ñòðàíàõ ìèðà. Îñíîâíûìè ïîêàçàòåëÿìè óäîáñòâà è äîñòàòêà ÷åëîâå÷åñêîé æèçíè ÿâëÿþòñÿ: u u u u u u

ñîñòîÿíèå ñèñòåìû çäðàâîîõðàíåíèÿ; ñàíèòàðíûå óñëîâèÿ è îêðóæàþùàÿ ñðåäà; ïðîöåíò èñòîùåííûõ ìàëîëåòíèõ äåòåé; îòíîøåíèå ê æåíùèíå â îáùåñòâå; óðîâåíü ãðàìîòíîñòè íàñåëåíèÿ; îðãàíèçàöèÿ ðîäîâñïîìîæåíèÿ.

Ýêîíîìè÷åñêèé ðîñò, íàöèîíàëüíûé âàëîâîé ïðîäóêò, èñïîëüçîâàíèå ñîâðåìåííûõ òåõíîëîãèé íå ìîãóò ÿâëÿòüñÿ ãàðàíòèåé áëàãîïîëó÷èÿ íàöèè, ïîñêîëüêó ñîïðîâîæäàþòñÿ óñèëåíèåì ðàçðûâà ìåæäó áîãàòûìè è áåäíûìè, ðîñòîì ñîöèàëüíîé íàïðÿæåííîñòè, òåððîðèçìîì è âîåííûìè êîíôëèêòàìè. Çäîðîâüå íàñåëåíèÿ îïðåäåëÿþò è ñîöèàëüíûå ôàêòîðû: u u u

çàùèùåííîñòü íàñåëåíèÿ (ïîëèòè÷åñêàÿ, ïðàâîâàÿ, þðèäè÷åñêàÿ); ðåàëèçàöèÿ ïðàâ íà òðóä, îáðàçîâàíèå, çäðàâîîõðàíåíèå, îòäûõ, èíôîðìàöèþ è äð.; õàðàêòåð ïèòàíèÿ (åãî äîñòàòî÷íîñòü è ïîëíîöåííîñòü);

284 Ãëàâà 10. ×åëîâåê êàê ïðåäìåò ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ u u

ðåàëüíàÿ çàðàáîòíàÿ ïëàòà è óñëîâèÿ òðóäà; æèëèùíûå óñëîâèÿ è ò. ä.

Ïîíÿòèå çäîðîâüÿ îïðåäåëÿåòñÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ îñíîâíûìè ôóíêöèÿìè, âûïîëíÿåìûìè ÷åëîâåêîì. Êàêîâû ýòè ôóíêöèè? ×åëîâåê — êà÷åñòâåííî íîâàÿ, âûñøàÿ ñòóïåíü æèçíè íà Çåìëå, ñóáúåêò îáùåñòâåííî-èñòîðè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè è êóëüòóðû. ×åëîâåê îäàðåí ïîíÿòèéíûì ìûøëåíèåì, ðàçóìîì, ñâîáîäíîé âîëåé è ñëîâåñíîé ðå÷üþ. ×åëîâåê — æèâàÿ ñèñòåìà, â îñíîâå êîòîðîé â íåðàçðûâíîé ñâÿçè ëåæàò: ôèçè÷åñêîå è äóõîâíîå, ïðèðîäíîå è ñîöèàëüíîå, íàñëåäñòâåííîå è ïðèîáðåòåííîå íà÷àëà.

} Èíäèâèäóàëüíîå çäîðîâüå ìîæíî îïðåäåëèòü êàê ñïîñîáíîñòü âçàè-

ìîñâÿçàííûõ ôóíêöèîíàëüíûõ ñòðóêòóð îðãàíèçìà îáåñïå÷èâàòü ðåàëèçàöèþ íàñëåäñòâåííûõ ïðîãðàìì è ðåïðîäóêòèâíûõ ôóíêöèé, óìñòâåííûõ ñïîñîáíîñòåé è ñîçèäàòåëüíîé äåÿòåëüíîñòè.

Ïîëíîöåííîå çäîðîâüå — ñîñòîÿíèå îðãàíèçìà, õàðàêòåðèçóþùååñÿ ñîñòîÿíèåì äèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ ìåæäó ôóíêöèÿìè åãî ñèñòåì è îðãàíîâ è ôàêòîðàìè âíåøíåé ñðåäû. Ïîíÿòèå çäîðîâüÿ âêëþ÷àåò áèîëîãè÷åñêèå è ñîöèàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ÷åëîâåêà è îöåíêó åãî ôóíêöèîíàëüíûõ ðåçåðâîâ, ïîçâîëÿþùèå îðãàíèçìó àäàïòèðîâàòüñÿ ê ðàçëè÷íûì óñëîâèÿì îêðóæàþùåé ñðåäû. Âàæíåéøèì ïîêàçàòåëåì çäîðîâüÿ ÿâëÿþòñÿ íå òîëüêî ôèçè÷åñêèå ïîêàçàòåëè, íî è ñïîñîáíîñòü êîìôîðòíî ñóùåñòâîâàòü â îáùåñòâå, óìåíèå êîíòàêòèðîâàòü (ñîöèàëèçàöèÿ), ñïîñîáíîñòü âîñïðèíèìàòü è óñâàèâàòü èíôîðìàöèþ. Èçó÷åíèå ôóíêöèîíàëüíîãî ñîñòîÿíèÿ îðãàíèçìà, óðîâíÿ åãî àäàïòàöèè ïîçâîëÿåò êîíòðîëèðîâàòü çäîðîâüå â äèíàìèêå ðàçâèòèÿ, îïðåäåëÿÿ ñòåïåíü ðèñêà áîëåçíè è âûÿâëÿÿ òðåâîæíûå ñèìïòîìû îíòîãåíåçà. Ðàçëè÷àþò ÷åòûðå âàðèàíòà ôóíêöèîíàëüíîãî ñîñòîÿíèÿ îðãàíèçìà ÷åëîâåêà: u u u u

óäîâëåòâîðèòåëüíóþ àäàïòàöèþ ê óñëîâèÿì ñðåäû; íàïðÿæåíèå ìåõàíèçìîâ àäàïòàöèè; íåäîñòàòî÷íóþ, íåóäîâëåòâîðèòåëüíóþ àäàïòàöèþ; ñðûâ àäàïòàöèè.

Óðîâåíü ôèçèîëîãè÷åñêîé àäàïòàöèè âàðüèðóåòñÿ â ïðåäåëàõ îäíîé âîçðàñòíîé ãðóïïû, òàê æå êàê è ñïîñîáíîñòü êîìïåíñèðîâàòü âíåøíèå âîçäåéñòâèÿ ïóòåì âêëþ÷åíèÿ ðåçåðâíûõ ôóíêöèé. ×åì øèðå äèàïàçîí àäàïòèâíûõ ðåàêöèé, òåì ëó÷øå àäàïòèðîâàí îðãàíèçì. Îðãàíè÷åñêèé äèàïàçîí ïðèñïîñîáèòåëüíûõ ðåàêöèé, íåñïîñîáíîñòü ïîääåð-

10.5. Çäîðîâüå ÷åëîâåêà. Äåìîãðàôè÷åñêèå ïðîáëåìû

285

æèâàòü íîðìàëüíóþ æèçíåäåÿòåëüíîñòü ïðîÿâëÿþòñÿ ïîâûøåííûì ðèñêîì çàáîëåâàåìîñòè. Ñîâðåìåííîå îáùåñòâî çàèíòåðåñîâàíî â ïîâûøåíèè óðîâíÿ êàê çäîðîâüÿ êàæäîãî èíäèâèäà, òàê è êîëëåêòèâíîãî çäîðîâüÿ. Âñå áîëüøåå çíà÷åíèå ïðèîáðåòàåò âàëåîëîãèÿ — ó÷åíèå î çäîðîâüå, ïðîòèâîïîñòàâëåííîå ìåäèöèíå áîëåçíåé, íî, ïî ñóòè, îñíîâàííîå íà ïðèíöèïàõ ïðîôèëàêòè÷åñêîé ìåäèöèíû. Ãëàâíîé çàäà÷åé âàëåîëîãèè ñòàíîâèòñÿ ïîâûøåíèå ïîòåíöèàëà çäîðîâüÿ ïîïóëÿöèè çà ñ÷åò ïðåäóïðåæäåíèÿ çàáîëåâàåìîñòè è èíâàëèäèçàöèè. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî êîíå÷íûå öåëè ìåäèöèíû áîëåçíåé è âàëåîëîãèè ñîâïàäàþò — ýòî çäîðîâüå. Îäíàêî ìåäèöèíà áîëåçíåé ñòðåìèòñÿ èçó÷èòü è ðàñïîçíàòü âîçìîæíûå áîëåçíè è ïîâðåæäåíèÿ, à çàòåì, âûëå÷èâàÿ èõ, âåðíóòü ÷åëîâåêó çäîðîâüå. Ó÷åíèå î çäîðîâüå, èëè âàëåîëîãèÿ, îðèåíòèðóåòñÿ íà âåðîÿòíûé ðèñê çàáîëåâàíèé, íà ðàííèå ïðèçíàêè ïîãðàíè÷íûõ ñîñòîÿíèé, íà èõ óñòîé÷èâîñòü èëè îãðàíè÷åííîñòü âî âðåìåíè ïðîÿâëåíèÿ. Âàæíîé çàäà÷åé âàëåîëîãèè ÿâëÿåòñÿ êîíñòðóèðîâàíèå ïîëîæèòåëüíûõ îðèåíòèðîâ, çàêëàäêà óñòàíîâîê íà öåííîñòü çäîðîâüÿ è ÷åëîâå÷åñêîé æèçíè, ôîðìèðîâàíèå äîñòóïíîé è äîõîä÷èâîé ìîòèâàöèè çäîðîâîãî îáðàçà æèçíè. Ñîñòîÿíèå çäîðîâüÿ çàâèñèò áîëåå ÷åì íà 50% îò èíäèâèäóàëüíîãî îáðàçà æèçíè, îò âëèÿíèÿ ôàêòîðîâ îêðóæàþùåé ñðåäû — íà 25%. Ýòî ñâèäåòåëüñòâóåò î òîì, ÷òî ðåçåðâ â ñîõðàíåíèè çäîðîâüÿ ÷åëîâåêà çàëîæåí â îðãàíèçàöèè åãî îáðàçà æèçíè, êîòîðûé çàâèñèò îò âàëåîëîãè÷åñêîé êóëüòóðû. Ïîíÿòèå âàëåîëîãè÷åñêàÿ êóëüòóðà âêëþ÷àåò â ñåáÿ: u u u

çíàíèå èíäèâèäîì ãåíåòè÷åñêèõ, ôèçèîëîãè÷åñêèõ, ïñèõîëîãè÷åñêèõ âîçìîæíîñòåé ñâîåãî îðãàíèçìà; çíàíèå ìåòîäîâ è ñðåäñòâ êîíòðîëÿ è ñîõðàíåíèÿ ñâîåãî ïñèõîôèçèîëîãè÷åñêîãî ñòàòóñà è óêðåïëåíèÿ çäîðîâüÿ; óìåíèå ðàñïðîñòðàíÿòü âàëåîëîãè÷åñêèå çíàíèÿ íà ñâîå îêðóæåíèå è íà ñîöèàëüíóþ ñðåäó â öåëîì.

Îáðàç æèçíè òàêæå çàâèñèò îò íàñëåäñòâåííûõ è ïðèîáðåòåííûõ ñîñòîÿíèé, íàðóøåíèé ðàáîòû àäàïòèâíûõ è çàùèòíûõ ìåõàíèçìîâ, ýêîëîãèè, âàëåîëîãè÷åñêîãî âîñïèòàíèÿ. Ïðè÷èíîé ìíîãèõ çàáîëåâàíèé âñå ÷àùå ñòàíîâÿòñÿ ãèïîäèíàìèÿ, ïñèõîýìîöèîíàëüíûé ñòðåññ, èíôîðìàöèîííîå ïåðåíàñûùåíèå. Ñîõðàíåíèå çäîðîâüÿ âî ìíîãîì ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì áåçîïàñíîé æèçíåäåÿòåëüíîñòè. Êàæäûé ÷åëîâåê îáÿçàí çíàòü è ñîáëþäàòü ïðèíöèïû

286 Ãëàâà 10. ×åëîâåê êàê ïðåäìåò ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ îáåñïå÷åíèÿ áåçîïàñíîñòè, ïîñëåäñòâèÿ âîçäåéñòâèÿ òðàâìèðóþùèõ è âðåäíûõ ôàêòîðîâ, äîëæåí ïðåäâèäåòü îïàñíîñòü è óìåòü èçáåæàòü åå èëè îñëàáèòü íåãàòèâíîå äåéñòâèå. Îäíà èç âåäóùèõ çàäà÷ øêîëüíîãî êóðñà Îñíîâû áåçîïàñíîñòè æèçíåäåÿòåëüíîñòè ñîñòîèò â ñîçäàíèè ó ó÷àùèõñÿ ìîòèâàöèè çäîðîâîãî îáðàçà æèçíè è âûðàáîòêè èíäèâèäóàëüíîãî ñïîñîáà âàëåîëîãè÷åñêè îáîñíîâàííîãî áåçîïàñíîãî ïîâåäåíèÿ. Çäîðîâûé îáðàç æèçíè — ýòî ïîâåäåíèå ÷åëîâåêà, íàïðàâëåííîå íà ñîõðàíåíèå è óêðåïëåíèå çäîðîâüÿ, ñïîñîáñòâóþùåå ïîëíîöåííîé, ñîäåðæàòåëüíîé, óñïåøíîé æèçíè, â êîòîðîé ÷åëîâåê â ïîëíîé ìåðå ìîã áû ðàñêðûòü è ðåàëèçîâàòü ñâîè ñïîñîáíîñòè è âîçìîæíîñòè. «Çäîðîâüå íå âñå, íî âñå áåç çäîðîâüÿ — íè÷òî», — ãîâîðèë Ñîêðàò. Òîëüêî çäîðîâîìó ÷åëîâåêó ñâîéñòâåííî îùóùåíèå ïîëíîòû æèçíè. Çäîðîâûé îáðàç æèçíè — ýòî îáðàç æèçíè, âîñïèòûâàþùèé ãàðìîíè÷íî ðàçâèòóþ ëè÷íîñòü, ïîìîãàþùèé ñòîéêî ïåðåíîñèòü æèçíåííûå íåâçãîäû, ïñèõè÷åñêèå è ôèçè÷åñêèå íàãðóçêè, âêëþ÷àÿ ïðèðîäíûå, ñîöèàëüíûå è ëè÷íîñòíûå. Íåïîñðåäñòâåííî ñ ïðîáëåìàìè ïîääåðæàíèÿ çäîðîâüÿ ñâÿçàíû äåìîãðàôè÷åñêèå ïðîáëåìû. Ðîñò ÷èñëåííîñòè íàñåëåíèÿ Çåìëè ïîäâåðæåí îïðåäåëåííûì çàêîíîìåðíîñòÿì. Òàê, äåìîãðàôû îòìå÷àþò, ÷òî ïðè íèçêîì óðîâíå ïðîìûøëåííîãî ðàçâèòèÿ ðîæäàåìîñòü è ñìåðòíîñòü äîñòàòî÷íî âûñîêè, âñëåäñòâèå ÷åãî ÷èñëåííîñòü íàñåëåíèÿ ðàñòåò ìåäëåííî. Â âûñîêîðàçâèòîì èíäóñòðèàëüíîì îáùåñòâå ðîæäàåìîñòü ñíèæàåòñÿ è òåìïû ðîñòà ÷èñëåííîñòè íàñåëåíèÿ òîæå ñíèæàþòñÿ. Â òî æå âðåìÿ â âûñîêîðàçâèòûõ ñòðàíàõ ñíèæàåòñÿ ñìåðòíîñòü è ðàñòåò ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè, ÷òî ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ ÷èñëåííîñòè íàñåëåíèÿ. Òàê, ñðåäíÿÿ ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè â íåêîòîðûõ ñòðàíàõ ñâûøå 80 ëåò (Àíäîððà, Ìàêàî, ßïîíèÿ, Àâñòðàëèÿ è äð.). Â ñîâðåìåííîé Ðîññèè ñêëàäûâàåòñÿ îñîáåííî íåáëàãîïðèÿòíàÿ äèíàìèêà äåìîãðàôè÷åñêèõ ïîêàçàòåëåé çà ïîñëåäíèå 15 ëåò. Çà ýòî âðåìÿ ÷èñëåííîñòü íàñåëåíèÿ Ðîññèè óìåíüøèëàñü ñî 150 ìëí äî 143 ìëí ÷åëîâåê, ñíèçèëàñü ðîæäàåìîñòü è ïîâûñèëàñü ñìåðòíîñòü. Ïî îöåíêàì ñïåöèàëèñòîâ, ÷èñëåííîñòü íàñåëåíèÿ Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè ê 2015 ã. ñîñòàâèò 137 ìëí ÷åëîâåê, à ê 2050 ã. — ìåíåå 100 ìëí ÷åëîâåê. Ñðåäíÿÿ ïðîäîëæèòåëüíîñòü æèçíè â íàøåé ñòðàíå ñîñòàâëÿåò 67 ëåò: äëÿ æåíùèí — 71 ãîä, äëÿ ìóæ÷èí — 60 ëåò. Òàêàÿ áîëüøàÿ ðàçíèöà ìîæåò áûòü îáúÿñíèìà ðàñïðîñòðàíåííîñòüþ ñðåäè ìóæ÷èí ïðèâû÷åê íåçäîðîâîãî îáðàçà æèçíè. Îñíîâíûìè ïðè÷èíàìè ñìåðòíîñòè â íàøåé ñòðàíå îñòàþòñÿ ñåðäå÷íî-ñîñóäèñòûå è îíêîëîãè÷åñêèå çàáî-

10.6. Ðàáîòîñïîñîáíîñòü è òâîð÷åñòâî

287

ëåâàíèÿ, òðàâìû è íåñ÷àñòíûå ñëó÷àè, ÷òî ÿâëÿåòñÿ ñëåäñòâèåì íåçäîðîâîãî îáðàçà æèçíè è çëîóïîòðåáëåíèÿ ïñèõîàêòèâíûìè âåùåñòâàìè — àëêîãîëåì, òàáàêîì, íàðêîòèêàìè. Äëÿ ðåøåíèÿ äåìîãðàôè÷åñêèõ ïðîáëåì îñîáîå çíà÷åíèå èìååò ïîëèòèêà ãîñóäàðñòâà — ðåàëèçàöèÿ ïðîãðàìì, íàïðàâëåííûõ íà ñîçäàíèå áëàãîïðèÿòíûõ ñîöèàëüíûõ è ïðèðîäíûõ óñëîâèé æèçíåäåÿòåëüíîñòè íàñåëåíèÿ. Îñîáóþ ïîääåðæêó ãîñóäàðñòâà äîëæíû ïîëó÷àòü íàèáîëåå íåçàùèùåííûå ñëîè íàñåëåíèÿ — ìîëîäûå ñåìüè, äåòè-ñèðîòû, ìàòåðè-îäèíî÷êè è äð.

10.6. Ðàáîòîñïîñîáíîñòü è òâîð÷åñòâî Òðóäîâàÿ äåÿòåëüíîñòü, ÿâëÿÿñü îäíîé èç ãëàâíûõ ñîöèàëüíûõ îñîáåííîñòåé ÷åëîâåêà, íà ïðîòÿæåíèè ìíîãèõ âåêîâ èçìåíÿëà íå òîëüêî îêðóæàþùèé ìèð, íî è ñàìîãî ÷åëîâåêà. Íà íà÷àëüíûõ ñòàäèÿõ ðàçâèòèÿ òðóä ïðåèìóùåñòâåííî áûë ôèçè÷åñêèì, îñíîâàííûì íà ðàáîòå ìûøö. Ðàáîòà ìûøö îáóñëîâëèâàåòñÿ ñëîæíûìè áèîõèìè÷åñêèìè è ýëåêòðè÷åñêèìè ïðîöåññàìè â ìûøå÷íîé ïîïåðå÷íî-ïîëîñàòîé òêàíè. Âàæíåéøèì ñâîéñòâîì ìûøå÷íîé òêàíè ÿâëÿåòñÿ ðàáîòîñïîñîáíîñòü, òî åñòü ñïîñîáíîñòü âûïîëíÿòü ðàáîòó â òå÷åíèå îïðåäåëåííîãî âðåìåíè. Â äèíàìèêå ðàáîòîñïîñîáíîñòè ïðè âûïîëíåíèè ðàáîòû ìîæíî âûäåëèòü òðè ñòàäèè: u

u

u

âðàáàòûâàíèå — ïîñòåïåííîå óâåëè÷åíèå ðàáîòîñïîñîáíîñòè äî îïòèìàëüíîé, ïðè ýòîì ÷åëîâåê âîññòàíàâëèâàåò íàâûêè, çíàêîìèòñÿ ñ íîâûì âèäîì äåÿòåëüíîñòè; îïòèìàëüíàÿ ðàáîòîñïîñîáíîñòü — âûñîêèé óðîâåíü ðàáîòîñïîñîáíîñòè, ñîïðîâîæäàþùèéñÿ ÷åòêîé ðèòìè÷åñêîé ðàáîòîé ñ âûñîêîé ïðîèçâîäèòåëüíîñòüþ è ìèíèìàëüíûì êîëè÷åñòâîì îøèáîê; óòîìëåíèå — ñíèæåíèå óðîâíÿ ðàáîòîñïîñîáíîñòè, íåòî÷íîñòü â ðàáîòå, óâåëè÷åíèå ÷èñëà îøèáîê;

Óòîìëåíèå — çàêîíîìåðíûé ïðîöåññ, îáðàòèìîå ñîñòîÿíèå, âîçíèêàþùåå ïðè ðàáîòå. Îíî ìîæåò áûòü äîâîëüíî ëåãêî ñíÿòî íåáîëüøèì îòäûõîì, ïåðåðûâîì, ñìåíîé ôîðìû äåÿòåëüíîñòè. Îäíàêî åñëè óòîìëåíèå íå ñíÿòü, òî îíî áóäåò íàêàïëèâàòüñÿ è ïåðåðàñòåò â ïåðåóòîìëåíèå. Ïåðåóòîìëåíèå — ïàòîëîãè÷åñêîå ñîñòîÿíèå, êîòîðîå òðåáóåò âðà÷åáíîãî âìåøàòåëüñòâà. Ïåðåóòîìëåíèå ìîæåò áûòü ñíÿòî ôèçèîòåðàïåâòè÷åñêèìè ïðîöåäóðàìè, èçìåíåíèåì ðåæèìà òðóäà è îòäûõà, âèòàìèíîòåðàïèåé è äð.

288 Ãëàâà 10. ×åëîâåê êàê ïðåäìåò ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ Ëþáàÿ òðóäîâàÿ äåÿòåëüíîñòü òðåáóåò ôèçè÷åñêèõ è ïñèõè÷åñêèõ çàòðàò îðãàíèçìà. Ñ ðàçâèòèåì, ñîâåðøåíñòâîâàíèåì òðóäîâûõ ïðîöåññîâ ÷åëîâåê ïðè èñïîëíåíèè ðàáîòû èñïûòûâàåò âñå ìåíüøåå ôèçè÷åñêîå íàïðÿæåíèå è âñå áîëüøå îò íåãî òðåáóåòñÿ ïñèõè÷åñêèõ è óìñòâåííûõ óñèëèé. Óìñòâåííàÿ ðàáîòîñïîñîáíîñòü ÿâëÿåòñÿ ñâîéñòâîì íåðâíûõ êëåòîê è ðàçâèâàåòñÿ â ïðîöåññå ðàáîòû ïî òåì æå ýòàïàì, ÷òî è ôèçè÷åñêàÿ. Äëèòåëüíûé óìñòâåííûé è ôèçè÷åñêèé òðóä ïðèâîäèò ê óòîìëåíèþ, ïðîÿâëÿþùåìóñÿ â óñòàëîñòè — îáåññèëåííîñòè, ðàçäðàæèòåëüíîñòè, óïàäêå ñèë. Ðàáîòîñïîñîáíîñòü ÷åëîâåêà çàâèñèò îò âíåøíèõ è âíóòðåííèõ óñëîâèé. Âíåøíèå óñëîâèÿ — ýòî ñðåäñòâà è îðóäèÿ òðóäà, óñëîâèÿ òðóäà, îêðóæàþùàÿ îáñòàíîâêà. Âíóòðåííèå óñëîâèÿ — ýòî çíàíèÿ è óìåíèÿ ÷åëîâåêà, åãî ïðîôåññèîíàëèçì, ìîòèâàöèîííàÿ íàïðàâëåííîñòü è çàèíòåðåñîâàííîñòü â ðåçóëüòàòàõ. Íåîáõîäèìûì óñëîâèåì âûñîêîé ðàáîòîñïîñîáíîñòè ÷åëîâåêà ÿâëÿåòñÿ åãî ñîñòîÿíèå çäîðîâüÿ — êàê ôèçè÷åñêîãî, òàê è íðàâñòâåííîãî. Òðóäîâàÿ äåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà ñóùåñòâåííî îòëè÷àåòñÿ îò òðóäîâîé äåÿòåëüíîñòè æèâîòíûõ âîçìîæíîñòüþ âíåñåíèÿ â äåÿòåëüíîñòü íîâîãî, îðèãèíàëüíîãî, òâîð÷åñêîãî. Áëàãîäàðÿ òâîð÷åñòâó ìèð ÷åëîâåêà ñòàíîâèòñÿ ðàçíîîáðàçíûì, êîìôîðòíûì, áåçîïàñíûì, ìåíåå çàâèñèìûì îò óñëîâèé ïðèðîäû. Òâîð÷åñòâî — ýòî ýôôåêòèâíîå ïðèìåíåíèå èìåþùåãîñÿ îïûòà äëÿ ñîçäàíèÿ êà÷åñòâåííî íîâûõ ïðåäìåòîâ ìàòåðèàëüíîé èëè äóõîâíîé êóëüòóðû. Äëÿ òâîð÷åñòâà íåîáõîäèìû âîîáðàæåíèå, èíòóèöèÿ, ñïîñîáíîñòü ê ðåôëåêñèâíîé îöåíêå ñîáñòâåííîé äåÿòåëüíîñòè, âûñîêàÿ óìñòâåííàÿ àêòèâíîñòü. Ïîä òâîð÷åñòâîì ïîíèìàþò äåÿòåëüíîñòü, ïîðîæäàþùóþ íå÷òî íîâîå íà îñíîâå ðåîðãàíèçàöèè èìåþùåãîñÿ îïûòà è ôîðìèðîâàíèÿ íîâûõ êîìáèíàöèé çíàíèé, óìåíèé, ïðîäóêòîâ. Âûäåëÿþò ÷åòûðå ñòàäèè òâîð÷åñêîãî ïðîöåññà. 1. Ñîçíàòåëüíàÿ ïåðåðàáîòêà èíôîðìàöèè. Â ýòîò ïåðèîä ÷åëîâåê âû÷ëåíÿåò è óòî÷íÿåò èíòåðåñóþùóþ åãî ïðîáëåìó, ïðåîáðàçîâûâàÿ èìåþùóþñÿ èíôîðìàöèþ. Àêòèâíûé ëîãè÷åñêèé ïîèñê ðåøåíèÿ ïðîáëåìû ïðèâîäèò ê âîçíèêíîâåíèþ â ñîçíàíèè ìíîæåñòâà íåàäåêâàòíûõ âàðèàíòîâ, ïóòåé äîñòèæåíèÿ öåëè, ïîÿâëåíèå íîâûõ íåðåøåííûõ çàäà÷.


289

2. Ñîçðåâàíèå èäåè â ïîäñîçíàíèè. Áîëüøîé îáúåì èíôîðìàöèè, ïîÿâèâøåéñÿ â ñîçíàíèè â ðåçóëüòàòå íàïðÿæåííîé óìñòâåííîé äåÿòåëüíîñòè, íà÷èíàåò âûòåñíÿòüñÿ â ïîäñîçíàíèå. Àêòèâíàÿ óìñòâåííàÿ äåÿòåëüíîñòü, âçàèìîäåéñòâèå ñîçíàòåëüíîãî è áåññîçíàòåëüíîãî ìîãóò ñîïðîâîæäàòüñÿ íåãàòèâíûìè ðåàêöèÿìè — ÷óâñòâîì íåóäîâëåòâîðåííîñòè, äèñêîìôîðòà, îòðèöàòåëüíûìè ýìîöèÿìè. Â ýòî âðåìÿ ÷åëîâåêó ëó÷øå îñòàâèòü ðåøåíèå ïðîáëåìû, ïåðåêëþ÷èòüñÿ íà äðóãóþ äåÿòåëüíîñòü èëè îòäîõíóòü. 3. Îçàðåíèå. Òðåòèé ýòàï â ðàçâèòèè òâîð÷åñêîãî ïðîöåññà íàñòóïàåò âíåçàïíî, ÷àñòî âî ñíå, êîãäà ñîçíàíèå íå êîíòðîëèðóåòñÿ ëè÷íîñòüþ. Ïîÿâëÿåòñÿ âàðèàíò ðåøåíèÿ ïðîáëåìû, êîòîðûé ìãíîâåííî âîñïðèíèìàåòñÿ ñîçíàíèåì êàê åäèíñòâåííî ïðàâèëüíûé, îïòèìàëüíûé. ×åëîâåê èñïûòûâàåò ìîùíûå ïîëîæèòåëüíûå ýìîöèè — ÷óâñòâî âîñòîðãà, áëàæåíñòâà. 4. Ñîçíàòåëüíîå ðàçâèòèå èäåè. Äàëåå ïîëó÷åííîå ðåøåíèå, èäåÿ ïåðåâîäèòñÿ ñîçíàíèåì â ðå÷åâîå âûðàæåíèå, àíàëèçèðóåòñÿ, ïðîâåðÿåòñÿ èñòèííîñòü ðåçóëüòàòà. ×åòâåðòûé ýòàï íåðåäêî áûâàåò äîñòàòî÷íî äëèòåëüíûì è òðóäîåìêèì. ×åëîâåê, èñïîëüçóÿ ñâîé îïûò, ýðóäèöèþ, èùåò îáúÿñíåíèå ïîëó÷åííîãî ðåçóëüòàòà, åãî ïîäòâåðæäåíèå, ýêñïåðèìåíòàëüíî ïðîâåðÿåò åãî èñòèííîñòü.

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Êàêèå êîíöåïöèè àíòðîïîãåíåçà âû çíàåòå? Íàçîâèòå ôàêòû, ïîäòâåðæäàþùèå ñõîäñòâî ÷åëîâåêà è æèâîòíûõ. Íàçîâèòå áèîñîöèàëüíûå îòëè÷èÿ ÷åëîâåêà è æèâîòíûõ. Êàêèå ìîðôîôóíêöèîíàëüíûå îñîáåííîñòè îòëè÷àþò ÷åëîâåêà îò æèâîòíûõ? ×òî òàêîå çäîðîâüå? Êàêèå ôàêòîðû îïðåäåëÿþò ñîñòîÿíèå çäîðîâüÿ íàñåëåíèÿ? Íàçîâèòå ïðè÷èíû çàáîëåâàíèé, õàðàêòåðíûå äëÿ æèòåëåé ìåãàïîëèñà. Êàêîâû äåìîãðàôè÷åñêèå ïðîáëåìû ñîâðåìåííîé Ðîññèè?

Ãëàâà 11 ÎÑÍÎÂÛ ÝÊÎËÎÃÈÈ

11.1. Çàäà÷è, ìåòîäû ýêîëîãèè êàê íàóêè

Ýêîëîãèÿ (îò ãðå÷. oikos — äîì, æèëèùå, logos — çíàíèå, ó÷åíèå) — ýòî íàóêà, èçó÷àþùàÿ óñëîâèÿ ñóùåñòâîâàíèÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ è âçàèìîñâÿçè ìåæäó îðãàíèçìàìè è ñðåäîé, â êîòîðîé îíè îáèòàþò. Òåðìèí «ýêîëîãèÿ» ïðåäëîæèë íåìåöêèé áèîëîã Ýðíåñò Ãåêêåëü â 1866 ã. Ïîä ýêîëîãèåé îí ïîíèìàë ñóììó çíàíèé, îòíîñÿùèõñÿ ê ïðèðîäå. Îñíîâíîé ÷àñòüþ ýêîëîãèè, åå ôóíäàìåíòîì ÿâëÿåòñÿ îáùàÿ ýêîëîãèÿ, êîòîðàÿ èçó÷àåò îáùèå çàêîíîìåðíîñòè âçàèìîîòíîøåíèé ëþáûõ æèâûõ îðãàíèçìîâ è ñðåäû. Ïðåäìåòîì èçó÷åíèÿ îáùåé ýêîëîãèè ÿâëÿþòñÿ îáúåêòû îðãàíèçìåííîãî, ïîïóëÿöèîííî-âèäîâîãî, áèîöåíîòè÷åñêîãî è áèîñôåðíîãî óðîâíåé îðãàíèçàöèè â èõ âçàèìîäåéñòâèè ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé. Â ñâÿçè ñ ýòèì âûäåëÿþò ñëåäóþùèå îñíîâíûå ðàçäåëû ýêîëîãèè: u

u

u

ýêîëîãèÿ îðãàíèçìîâ (àóòýêîëîãèÿ), êîòîðàÿ èçó÷àåò èíäèâèäóàëüíûå ñâÿçè îòäåëüíîé îñîáè èëè ãðóïï îñîáåé îäíîãî âèäà ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé; ýêîëîãèÿ ïîïóëÿöèé (äåìýêîëîãèÿ), â çàäà÷è êîòîðîé âõîäèò èçó÷åíèå ñòðóêòóðû, äèíàìèêè ïîïóëÿöèé îòäåëüíûõ âèäîâ (ìåõàíèçìû ðåãóëÿöèè ÷èñëåííîñòè îðãàíèçìîâ, îïòèìàëüíàÿ ïëîòíîñòü, äîïóñòèìûå íîðìû èõ èçúÿòèÿ è äð.); ýêîëîãèÿ ñîîáùåñòâ, èëè áèîöåíîëîãèÿ (ñèíýêîëîãèÿ), êîòîðàÿ èçó÷àåò âçàèìîîòíîøåíèÿ ïîïóëÿöèé, ñîîáùåñòâ è ýêîñèñòåì ñî ñðåäîé, ñòðóêòóðó è ìåõàíèçìû ôóíêöèîíèðîâàíèÿ áèîãåîöåíîçîâ.

Êðîìå òîãî, ýêîëîãèÿ êëàññèôèöèðóåòñÿ ïî êîíêðåòíûì îáúåêòàì è ñðåäàì èññëåäîâàíèÿ. Íàïðèìåð, âûäåëÿþò ýêîëîãèþ ðàñòåíèé, æèâîòíûõ, ýêîëîãèþ ìèêðîîðãàíèçìîâ. Â ñòðóêòóðå ñîâðåìåííîé ýêîëîãèè âûäåëÿþò ñëåäóþùèå íàïðàâëåíèÿ:


291

ãëîáàëüíàÿ ýêîëîãèÿ (îñíîâíûì îáúåêòîì èçó÷åíèÿ ÿâëÿåòñÿ áèîñôåðà êàê ãëîáàëüíàÿ ýêîñèñòåìà); u ýêîëîãèÿ ÷åëîâåêà (ðàññìàòðèâàåòñÿ âçàèìîäåéñòâèå ÷åëîâåêà êàê áèîñîöèàëüíîãî ñóùåñòâà ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé); u ñîöèàëüíàÿ ýêîëîãèÿ (èçó÷àþòñÿ âçàèìîîòíîøåíèÿ â ñèñòåìå «÷åëîâå÷åñêîå îáùåñòâî — ïðèðîäà»); u óðáîýêîëîãèÿ (ýêîëîãèÿ ãîðîäà), íàóêà î âçàèìîäåéñòâèè ÷åëîâåêà è îêðóæàþùåé ãîðîäñêîé ñðåäû; u ïðèêëàäíàÿ ýêîëîãèÿ (èíæåíåðíàÿ, ìåäèöèíñêàÿ, àãðîýêîëîãèÿ, ñòðîèòåëüíàÿ è äð.). Â ïîñëåäíèå ãîäû ñôîðìèðîâàëîñü íîâîå íàïðàâëåíèå — ýêîëîãè÷åñêàÿ áåçîïàñíîñòü — ýòî ñîñòîÿíèå çàùèùåííîñòè ïðèðîäíîé ñðåäû è æèçíåííî âàæíûõ èíòåðåñîâ ÷åëîâåêà îò âîçìîæíîãî íåãàòèâíîãî âîçäåéñòâèÿ õîçÿéñòâåííîé è èíîé äåÿòåëüíîñòè, ÷ðåçâû÷àéíûõ ñèòóàöèé ïðèðîäíîãî è òåõíîãåííîãî õàðàêòåðà, èõ ïîñëåäñòâèé (Çàêîí «Îá îõðàíå îêðóæàþùåé ñðåäû»). Òàêèì îáðàçîì, ýêîëîãèÿ êàê íàóêà îñíîâàíà íà ðàçíûõ ðàçäåëàõ áèîëîãèè (ôèçèîëîãèè, ãåíåòèêå, áèîôèçèêå, çîîëîãèè, áîòàíèêå è äð.) è ñâÿçàíà ñ äðóãèìè íàóêàìè (íàïðèìåð, ñ ôèçèêîé, õèìèåé, ãåîãðàôèåé, ïñèõîëîãèåé, ïåäàãîãèêîé, ïðàâîì). Òîëüêî íà îñíîâå èíòåãðàöèè ýòèõ äèñöèïëèí âîçìîæíî ïðåîäîëåòü òåõíîêðàòè÷åñêóþ ïàðàäèãìó ìûøëåíèÿ, âûðàáîòàòü íîâûé òèï ýêîëîãè÷åñêîãî ñîçíàíèÿ, ìûøëåíèå, êîðåííûì îáðàçîì ìåíÿþùåå ïîâåäåíèå ëþäåé ïî îòíîøåíèþ ê ïðèðîäå. Èñõîäÿ èç ïðèâåäåííûõ âûøå íàïðàâëåíèé ñëåäóåò, ÷òî çàäà÷è ýêîëîãèè ìíîãîîáðàçíû: u

1. Èññëåäîâàíèå âëèÿíèÿ ñðåäû íà ñòðîåíèå, æèçíåäåÿòåëüíîñòü è ïîâåäåíèå îðãàíèçìîâ. 2. Èññëåäîâàíèå çàêîíîìåðíîñòåé îðãàíèçàöèè æèçíè, â òîì ÷èñëå â ñâÿçè ñ àíòðîïîãåííûìè âîçäåéñòâèÿìè íà ïðèðîäíûå ñèñòåìû. 3. Èçó÷åíèå ýêîëîãè÷åñêèõ ìåõàíèçìîâ àäàïòàöèè ê ñðåäå. 4. Èññëåäîâàíèå ïðîöåññîâ, ïðîòåêàþùèõ â áèîñôåðå, ñ öåëüþ ïîääåðæàíèÿ åå óñòîé÷èâîñòè. 5. Ñîçäàíèå íàó÷íîé îñíîâû ðàöèîíàëüíîé ýêñïëóàòàöèè ïðèðîäíûõ ðåñóðñîâ, ïðîãíîçèðîâàíèå èçìåíåíèé ïðèðîäû ïîä âëèÿíèåì äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà è óïðàâëåíèÿ ïðîöåññàìè, ïðîòåêàþùèìè â áèîñôåðå.

292 Ãëàâà 11. Îñíîâû ýêîëîãèè 6. Ïðîãíîçèðîâàíèå è îöåíêà âîçìîæíûõ îòðèöàòåëüíûõ ïîñëåäñòâèé â ïðèðîäíîé ñðåäå ïîä âëèÿíèåì äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà. 7. Îïòèìèçàöèÿ ýêîíîìè÷åñêèõ, ïðàâîâûõ, ñîöèàëüíûõ è èíûõ ðåøåíèé äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ýêîëîãè÷åñêè áåçîïàñíîãî, óñòîé÷èâîãî ðàçâèòèÿ. 8. Âîññòàíîâëåíèå íàðóøåííûõ ïðèðîäíûõ ñèñòåì, ñîõðàíåíèå ýòàëîííûõ ó÷àñòêîâ áèîñôåðû. 9. Ôîðìèðîâàíèå ýêîëîãè÷åñêîãî ìèðîâîççðåíèÿ, ðàçâèòèå ýêîëîãè÷åñêîãî ñîçíàíèÿ è êóëüòóðû ó ëþäåé âñåõ âîçðàñòîâ è ïðîôåññèé. 10. Ñîçäàíèå íîâûõ òåõíîëîãèé, îñíîâàííûõ íà ïîíèìàíèè ýêîëîãè÷åñêèõ âîçìîæíîñòåé äàííîãî ðåãèîíà, åãî ñïåöèôè÷íîñòè. Ýêîëîãèÿ èñïîëüçóåò øèðîêèé íàáîð ìåòîäîâ èññëåäîâàíèÿ. Ìåòîäû ýêîëîãè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé — ýòî ïóòè è ñïîñîáû èçó÷åíèÿ ýêîëîãè÷åñêèõ ÿâëåíèé, êîòîðûå ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà ïîëåâûå è ëàáîðàòîðíûå (Ïîíîìàðåâà È. Í. Ýêîëîãèÿ. — Ì., 2001). Ïîëåâûå ñïîñîáû ïðåäïîëàãàþò èçó÷åíèå ýêîëîãè÷åñêèõ ÿâëåíèé â ïðèðîäíîé ñðåäå. Îíè ïîìîãàþò óñòàíîâèòü âçàèìîñâÿçè îðãàíèçìîâ, âèäîâ è ñîîáùåñòâ ñî ñðåäîé, âûÿñíèòü îáùóþ êàðòèíó ðàçâèòèÿ è æèçíåäåÿòåëüíîñòè áèîñèñòåì. Ïîëåâûå ìåòîäû, â ñâîþ î÷åðåäü, ïîäðàçäåëÿþòñÿ: u u u

u

íà ìàðøðóòíûå (ïðÿìîå íàáëþäåíèå, îöåíêà ñîñòîÿíèÿ, èçìåðåíèå, îïèñàíèå, ñîñòàâëåíèå ñõåì, êàðò); íà ñòàöèîíàðíûå (äëèòåëüíîå íàáëþäåíèå çà îáúåêòàìè, çàìåðû, îïèñàíèå, èíñòðóìåíòàëüíûé îò÷åò); íà îïèñàòåëüíûå (ïåðâîíà÷àëüíîå çíàêîìñòâî ñ îáúåêòîì, ïðèìåíÿåòñÿ ïðè ðåãèñòðàöèè îñíîâíûõ îñîáåííîñòåé èçó÷àåìûõ îáúåêòîâ, ïðÿìîì íàáëþäåíèè, êàðòèðîâàíèè, èíâåíòàðèçàöèè); íà ýêñïåðèìåíòàëüíûå (îïûò, ýêñïåðèìåíò, êîëè÷åñòâåííàÿ îöåíêà, õèìè÷åñêèå ìåòîäû àíàëèçà è äð.), ìîíèòîðèíã (íàáëþäåíèå, îöåíêà è ïðîãíîç ñîñòîÿíèÿ ïðèðîäíîé ñðåäû).

Ëàáîðàòîðíûå ìåòîäû èñïîëüçóþòñÿ ïðè ïðîâåäåíèè ðàáîò â ëàáîðàòîðíûõ óñëîâèÿõ, íî ïåðåñåêàþòñÿ ñ ìåòîäàìè ïîëåâûõ èññëåäîâàíèé. Îñîáîå âíèìàíèå â ýêîëîãèè îòâîäèòñÿ ìåòîäó ìîäåëèðîâàíèÿ. Ìîäåëèðîâàíèå — ìåòîä îïîñðåäîâàííîãî ïðàêòè÷åñêîãî è òåîðåòè÷åñêîãî îïåðèðîâàíèÿ îáúåêòîì, êîãäà èññëåäóåòñÿ íå ñàì èíòåðåñóþùèé îáúåêò íåïîñðåäñòâåííî, à âñïîìîãàòåëüíàÿ, èñêóññòâåííàÿ èëè åñòåñòâåííàÿ ñèñòåìà (ìîäåëü), ñîîòâåòñòâóþùàÿ ñâîéñòâàì ðåàëüíî-


293

ãî îáúåêòà. Ëþáàÿ ìîäåëü âñåãäà óïðîùåíà, îòðàæàåò îáùóþ ñóòü ïðîöåññà. Ìîíèòîðèíã îêðóæàþùåé ñðåäû — êîìïëåêñíàÿ ñèñòåìà íàáëþäåíèé çà ñîñòîÿíèåì îêðóæàþùåé ñðåäû, îöåíêè è ïðîãíîçà èçìåíåíèé ñîñòîÿíèÿ îêðóæàþùåé ñðåäû ïîä âîçäåéñòâèåì ïðèðîäíûõ è àíòðîïîãåííûõ ôàêòîðîâ. Â ïðîöåññå ïðîâåäåíèÿ ìîíèòîðèíãà ñòàâÿòñÿ ñëåäóþùèå öåëè: u

u

u

u

êîëè÷åñòâåííàÿ è êà÷åñòâåííàÿ îöåíêà ñîñòîÿíèÿ âîçäóõà, ïîâåðõíîñòíûõ âîä, ïî÷âåííîãî ïîêðîâà, ôëîðû è ôàóíû, à òàêæå ïîñòîÿííûé êîíòðîëü ñòîêîâ è âûáðîñîâ íà ïðîìûøëåííûõ ïðåäïðèÿòèÿõ; ñîñòàâëåíèå ïðîãíîçà î ñîñòîÿíèè îêðóæàþùåé ñðåäû è âîçìîæíûõ åãî èçìåíåíèÿõ; íàáëþäåíèå çà ïðîèñõîäÿùèìè â îêðóæàþùåé ïðèðîäíîé ñðåäå ôèçè÷åñêèìè, õèìè÷åñêèìè, áèîëîãè÷åñêèìè ïðîöåññàìè, çà óðîâíåì çàãðÿçíåíèÿ àòìîñôåðíîãî âîçäóõà, ïî÷â, âîäíûõ îáúåêòîâ, ïîñëåäñòâèÿìè åãî âëèÿíèÿ íà ðàñòèòåëüíûé è æèâîòíûé ìèð; îáåñïå÷åíèå çàèíòåðåñîâàííûõ îðãàíèçàöèé è íàñåëåíèÿ òåêóùåé è ýêñòðåííîé èíôîðìàöèåé îá èçìåíåíèÿõ â îêðóæàþùåé ïðèðîäíîé ñðåäå, à òàêæå ïðåäóïðåæäåíèå è ïðîãíîçèðîâàíèå åå ñîñòîÿíèÿ.

Â çàâèñèìîñòè îò ñòåïåíè âûðàæåííîñòè àíòðîïîãåííîãî âîçäåéñòâèÿ ðàçëè÷àþò ìîíèòîðèíã ôîíîâûé è èìïàêòíûé. Ôîíîâûé (áàçîâûé) ìîíèòîðèíã — ñëåæåíèå çà ïðèðîäíûìè ÿâëåíèÿìè è ïðîöåññàìè, ïðîòåêàþùèìè â åñòåñòâåííîé îáñòàíîâêå, áåç àíòðîïîãåííîãî âëèÿíèÿ. Èìïàêòíûé ìîíèòîðèíã — ñëåæåíèå çà àíòðîïîãåííûìè âîçäåéñòâèÿìè â îñîáî îïàñíûõ çîíàõ. Â çàâèñèìîñòè îò ìàñøòàáîâ íàáëþäåíèÿ ðàçëè÷àþò ìîíèòîðèíã ãëîáàëüíûé, ðåãèîíàëüíûé è ëîêàëüíûé. Ãëîáàëüíûé ìîíèòîðèíã — ñëåæåíèå çà ðàçâèòèåì îáùåìèðîâûõ áèîñôåðíûõ ïðîöåññîâ è ÿâëåíèé; ðåãèîíàëüíûé ìîíèòîðèíã — ñëåæåíèå çà ïðèðîäíûìè è àíòðîïîãåííûìè ïðîöåññàìè è ÿâëåíèÿìè â ïðåäåëàõ êàêîãî-òî ðåãèîíà; ëîêàëüíûé — ìîíèòîðèíã â ïðåäåëàõ íåáîëüøîé òåððèòîðèè. Â ðàìêàõ ïðîãðàììû ÞÍÅÏ (ïðîãðàììà ÎÎÍ ïî ïðîáëåìàì îêðóæàþùåé ñðåäû) â 1973–1974 ãã. áûëè ðàçðàáîòàíû îñíîâíûå ïîëîæåíèÿ ôóíêöèîíèðîâàíèÿ Ãëîáàëüíîé ñèñòåìû ìîíèòîðèíãà îêðóæàþùåé ñðåäû, îñíîâíàÿ çàäà÷à êîòîðîé — ïðåäîñòàâëåíèå èíôîðìàöèè, íåîáõîäèìîé äëÿ çàùèòû çäîðî-

294 Ãëàâà 11. Îñíîâû ýêîëîãèè âüÿ, áëàãîïîëó÷èÿ, áåçîïàñíîñòè è ñâîáîäû ëþäåé è óïðàâëåíèÿ îêðóæàþùåé ñðåäîé è åå ðåñóðñàìè. Òàêèì îáðàçîì, ýêîëîãèÿ ÿâëÿåòñÿ ìèðîâîççðåí÷åñêîé, ñèíòåòè÷åñêîé îáëàñòüþ çíàíèé, èíòåãðèðóþùåé åñòåñòâåííîíàó÷íûå è ãóìàíèòàðíûå çíàíèÿ. Ñòðàòåãè÷åñêîé çàäà÷åé ýêîëîãèè ÿâëÿåòñÿ ðàçâèòèå òåîðèè âçàèìîäåéñòâèÿ ïðèðîäû è îáùåñòâà íà îñíîâå íîâîãî âçãëÿäà, ðàññìàòðèâàþùåãî ÷åëîâå÷åñêîå îáùåñòâî êàê íåîòúåìëåìóþ ÷àñòü áèîñôåðû.

11.2. Ñðåäû æèçíè, ýêîëîãè÷åñêèå ôàêòîðû Âñå ðàçíîîáðàçèå ïðèðîäíûõ óñëîâèé, êîòîðîå âñòðå÷àåòñÿ íà Çåìëå, íàçûâàþò ñðåäîé æèçíè. Èç ñðåäû îðãàíèçìû ïîëó÷àþò âñå íåîáõîäèìîå äëÿ æèçíè è â íåå âûäåëÿþò ïðîäóêòû ñâîåãî îáìåíà âåùåñòâ. Íà íàøåé ïëàíåòå æèâûå îðãàíèçìû îñâîèëè ÷åòûðå ñðåäû æèçíè: âîäíóþ, íàçåìíî-âîçäóøíóþ, ïî÷âåííóþ è îðãàíèçìåííóþ. Îðãàíèçìû âåäóò ñâîå ñóùåñòâîâàíèå â îäíîé èëè íåñêîëüêèõ ñðåäàõ æèçíè. Ïåðâîé ñðåäîé îáèòàíèÿ íà Çåìëå ñòàëà âîäà. Çàòåì æèâûå îðãàíèçìû îñâîèëè íàçåìíî-âîçäóøíóþ ñðåäó, ñîçäàëè è çàñåëèëè ïî÷âó. Îðãàíèçìåííóþ ñðåäó îñâîèëè ïàðàçèòû è ñèìáèîíòû (òàáë. 9.1). Òàêèì îáðàçîì, ñâîåîáðàçèå óñëîâèé êàæäîé ñðåäû æèçíè îáóñëîâèëî ñâîåîáðàçèå æèâûõ îðãàíèçìîâ, ñâîéñòâåííîå ðàçíûì ñðåäàì. Ó âñåõ îðãàíèçìîâ â ïðîöåññå ýâîëþöèè âûðàáîòàëèñü ñïåöèôè÷åñêèå, ìîðôîëîãè÷åñêèå, ôèçèîëîãè÷åñêèå, ïîâåäåí÷åñêèå è äðóãèå ïðèñïîñîáëåíèÿ ê îáèòàíèþ â ñâîåé ñðåäå. Âñå ñðåäû æèçíè, îáåñïå÷èâàÿ íåîáõîäèìûìè óñëîâèÿìè æèâóùèå â íèõ îðãàíèçìû, ïîñòîÿííî ïðåòåðïåâàþò ñóùåñòâåííûå èçìåíåíèÿ îò æèçíåäåÿòåëüíîñòè ýòèõ îðãàíèçìîâ. Âëèÿíèå ñðåäû íà îðãàíèçìû îáû÷íî îöåíèâàþò ÷åðåç îòäåëüíûå ôàêòîðû. Ïîä ýêîëîãè÷åñêèìè ôàêòîðàìè ïîíèìàåòñÿ ëþáîé ýëåìåíò èëè óñëîâèå ñðåäû, íà êîòîðûå îðãàíèçìû ðåàãèðóþò ïðèñïîñîáèòåëüíûìè ðåàêöèÿìè èëè àäàïòàöèÿìè. Êàæäàÿ èç ñðåä îáèòàíèÿ îòëè÷àåòñÿ îñîáåííîñòÿìè âîçäåéñòâèÿ ýêîëîãè÷åñêèõ ôàêòîðîâ. Âñå ìíîãîîáðàçèå ýêîëîãè÷åñêèõ ôàêòîðîâ ïîäðàçäåëÿþò íà òðè ãðóïïû — àáèîòè÷åñêèå, áèîòè÷åñêèå è àíòðîïîãåííûå. Àáèîòè÷åñêèå ôàêòîðû — êîìïîíåíòû íåæèâîé ïðèðîäû. Ê íèì îòíîñÿò: êëèìàòè÷åñêèå (ñâåò, òåìïåðàòóðà, âëàæíîñòü, âåòåð, äàâëåíèå è äð.), ãåîëîãè÷åñêèå (çåìëåòðÿñåíèÿ, èçâåðæåíèÿ âóëêàíîâ, äâèæåíèå ëåäíèêîâ, ðàäèîàê-

11.2. Ñðåäû æèçíè, ýêîëîãè÷åñêèå ôàêòîðû

295

Òàáëèöà 9.1

Ñðàâíèòåëüíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñðåä æèçíè è àäàïòàöèé ê íèì æèâûõ îðãàíèçìîâ Ñðåäà

Õàðàêòåðèñòèêà

Àäàïòàöèè îðãàíèçìîâ ê ñðåäå

Âîäíàÿ

Âûñîêàÿ ïëîòíîñòü, òåïëîïðîâîäíîñòü, ïðîçðà÷íîñòü, ñèëüíûå ïåðåïàäû äàâëåíèÿ, ñëàáàÿ àýðàöèÿ, îñâåùåííîñòü óáûâàåò ñ ãëóáèíîé; îòíîñèòåëüíî îäíîðîäíàÿ (ãîìîãåííàÿ) â ïðîñòðàíñòâå è ñòàáèëüíàÿ âî âðåìåíè)

Îáòåêàåìàÿ, ïðîäîëãîâàòàÿ ôîðìà òåëà, ïëàâó÷åñòü, ñëèçèñòûå ïîêðîâû, ðàçâèòèå âîçäóõîíîñíûõ ïîëîñòåé, îñìîðåãóëÿöèÿ

Íàçåìíî-âîçäóøíàÿ

Îáèëèå ñâåòà è êèñëîðîäà, íèçêàÿ ïëîòíîñòü âîçäóõà, ðåçêèå êîëåáàíèÿ òåìïåðàòóðû, âûñîêàÿ ïîäâèæíîñòü àòìîñôåðû, äåôèöèò âëàãè; ãåòåðîãåííàÿ. Íàèáîëåå ñëîæíàÿ êàê ïî ñâîéñòâàì, òàê è ïî ðàçíîîáðàçèþ â ïðîñòðàíñòâå

Âûðàáîòêà îïîðíîãî ñêåëåòà, ìåõàíèçìîâ òåðìîðåãóëÿöèè, ýêîíîìíîãî ðàñõîäîâàíèÿ âîäû, âûñîêàÿ ýôôåêòèâíîñòü îêèñëèòåëüíî-âîññòàíîâèòåëüíûõ ïðîöåññîâ, ðàçâèòû îðãàíû óñâîåíèÿ àòìîñôåðíîãî êèñëîðîäà

Ïî÷âåí- Äåôèöèò èëè ïîëíîå îòñóòñòâèå íàÿ ñâåòà, âûñîêàÿ ïëîòíîñòü, íåäîñòàòîê èëè èçáûòîê âëàãè, íåäîñòàòîê êèñëîðîäà, ñðàâíèòåëüíî âûñîêîå ñîäåðæàíèå óãëåêèñëîãî ãàçà, ðûõëàÿ ñòðóêòóðà ñóáñòðàòà, çàïîëíåííàÿ ñìåñüþ ãàçîâ è âîäîé. Ñîçäàíà æèâûìè îðãàíèçìàìè

Âàëüêîâàòàÿ ôîðìà òåëà, ìàëûå ðàçìåðû, ïðî÷íûå ïîêðîâû òåëà, êîæíîå äûõàíèå, ðåäóêöèÿ îðãàíîâ çðåíèÿ, ó íåêîòîðûõ èìååòñÿ êîïàòåëüíûé àïïàðàò, ðàçâèòà ìóñêóëàòóðà

ÎðãàÍàëè÷èå ëåãêîóñâîÿåìîé ïèùè, íèçìåí- ïîñòîÿíñòâî òåìïåðàòóðíîãî, îñìîíàÿ òè÷åñêîãî, ñîëåâîãî ðåæèìîâ, îòñóòñòâèå óãðîçû âûñûõàíèÿ, çàùèùåííîñòü îò âðàãîâ, íåõâàòêà êèñëîðîäà, îãðàíè÷åííîñòü æèçíåííîãî ïðîñòðàíñòâà

Óïðîùåíèå âñåõ ñèñòåì îðãàíîâ, ðåäóêöèÿ íåêîòîðûõ èç íèõ, ïîÿâëåíèå îðãàíîâ ïðèêðåïëåíèÿ, âûñîêàÿ ïëîäîâèòîñòü, ñëîæíûå öèêëû ðàçâèòèÿ ñî ñìåíîé îäíîãî èëè íåñêîëüêèõ õîçÿåâ

òèâíîå èçëó÷åíèå è äð.), ýäàôè÷åñêèå èëè ïî÷âåííûå (ïëîòíîñòü, ñòðóêòóðà, ñîñòàâ ïî÷âû), ãèäðîëîãè÷åñêèå (âîäà, òå÷åíèå, ñîëåíîñòü, äàâëåíèå) è äðóãèå. Áèîòè÷åñêèå ôàêòîðû — ôàêòîðû æèâîé ïðèðîäû. Â çàâèñèìîñòè îò âîçäåéñòâóþùåãî îðãàíèçìà áèîòè÷åñêèå ôàêòîðû äåëÿò íà ôèòîãåííûå (âëèÿíèå ðàñòåíèé), çîîãåííûå (æèâîòíûõ), ìèêðîáîãåííûå (ìèêðîîðãàíèçìû), ìèêîãåííûå (ãðèáû). Âëèÿíèå áèîòè÷åñêèõ ôàêòîðîâ âûçûâàåò ðÿä ïðèñïîñîáèòåëüíûõ ðåàêöèé ñî

296 Ãëàâà 11. Îñíîâû ýêîëîãèè ñòîðîíû ðàñòåíèé è æèâîòíûõ. Àíòðîïîãåííûå ôàêòîðû — ôàêòîðû ÷åëîâå÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè. ×åëîâåê âûçûâàåò ñåðüåçíûå èçìåíåíèÿ â áèîãåîöåíîçàõ. Ïðè ýòîì èçìåíåíèÿ, ïðîèçâîäèìûå èì, ñîçäàþò äëÿ îäíèõ âèäîâ áëàãîïðèÿòíûå óñëîâèÿ ðàçâèòèÿ, à äëÿ äðóãèõ — íåáëàãîïðèÿòíûå. Â ðåçóëüòàòå ìåæäó âèäàìè âîçíèêàþò íîâûå ÷èñëåííûå îòíîøåíèÿ, ïåðåñòðàèâàþòñÿ ïèùåâûå öåïè, ïîÿâëÿþòñÿ ïðèñïîñîáëåíèÿ, íåîáõîäèìûå äëÿ ñóùåñòâîâàíèÿ îðãàíèçìîâ â èçìåíåííîé ñðåäå. Ýêîëîãè÷åñêèå ôàêòîðû ìîãóò îêàçûâàòü íà îðãàíèçì ïðÿìîå äåéñòâèå è êîñâåííîå, ïîëîæèòåëüíîå è îòðèöàòåëüíîå; îíè îáëàäàþò ðàçëè÷íîé èçìåí÷èâîñòüþ âî âðåìåíè è â ïðîñòðàíñòâå. Îäíè èç íèõ îòíîñèòåëüíî ïîñòîÿííû (ñîëíå÷íàÿ ðàäèàöèÿ, ñîëåíîñòü îêåàíà), äðóãèå î÷åíü èçìåí÷èâû (òåìïåðàòóðà è âëàæíîñòü âîçäóõà). Èçìåíåíèÿ ôàêòîðîâ ñðåäû ìîãóò áûòü ïåðèîäè÷åñêèìè è íåïåðèîäè÷åñêèìè. Ýêîëîãè÷åñêèå ôàêòîðû îêàçûâàþò íà æèâûå îðãàíèçìû ðàçëè÷íûå âîçäåéñòâèÿ: îãðàíè÷èâàþùåå (äåëàþò íåâîçìîæíûì ñóùåñòâîâàíèå â äàííûõ óñëîâèÿõ), ðàçäðàæàþùåå (âûçûâàþò áèîõèìè÷åñêèå è ôèçèîëîãè÷åñêèå àäàïòàöèè), ìîäèôèöèðóþùåå (âûçûâàþò ìîðôîëîãè÷åñêèå è àíàòîìè÷åñêèå èçìåíåíèÿ îðãàíèçìîâ), ñèãíàëüíîå (èíôîðìèðóþò îá èçìåíåíèÿõ äðóãèõ ôàêòîðîâ ñðåäû). Êàæäûé ýêîëîãè÷åñêèé ôàêòîð õàðàêòåðèçóåòñÿ îïðåäåëåííûìè êîëè÷åñòâåííûìè ïîêàçàòåëÿìè (ñèëîé è äèàïàçîíîì äåéñòâèÿ). Äèàïàçîí îïðåäåëÿåòñÿ êàê îòðåçîê (àìïëèòóäà) â äåéñòâèè ôàêòîðà, êîíêðåòíûé äëÿ êàæäîãî îðãàíèçìà. Ïîýòîìó ôàêòîð èìååò íà÷àëüíóþ ãðàíèöó äåéñòâèÿ, òî åñòü ïîðîã âêëþ÷åíèÿ ôàêòîðà, è êîíå÷íóþ, «âåðõíþþ» ãðàíèöó äåéñòâèÿ ôàêòîðà. Áëàãîïðèÿòíàÿ ñèëà âîçäåéñòâèÿ íàçûâàåòñÿ îïòèìàëüíîé çîíîé ýêîëîãè÷åñêîãî ôàêòîðà èëè îïòèìóìîì. Óãíåòàþùåå äåéñòâèå (ìàêñèìàëüíîå èëè ìèíèìàëüíîå) íàçûâàåòñÿ çîíîé ïåññèìóìà. Ýêîëîãè÷åñêèå ôàêòîðû îáû÷íî äåéñòâóþò íå ïîîäèíî÷êå, à öåëûì êîìïëåêñîì. Ïðè ýòîì äåéñòâèå îäíîãî êàêîãî-ëèáî ôàêòîðà çàâèñèò îò óðîâíÿ äåéñòâèÿ äðóãèõ. Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî ñîâîêóïíîñòü ôàêòîðîâ äåéñòâóåò ñèëüíåå âñåãî íà òå ôàçû ðàçâèòèÿ îðãàíèçìîâ, êîòîðûå èìåþò íàèìåíüøóþ ýêîëîãè÷åñêóþ âàëåíòíîñòü – ìèíèìàëüíóþ ñïîñîáíîñòü ê ïðèñïîñîáëåíèþ.

11.3. Ñîâðåìåííûå ýêîëîãè÷åñêèå ïðîáëåìû

Ýêîëîãè÷åñêèå ïðîáëåìû ñîâðåìåííîñòè â îñíîâíîì ñâÿçàíû ñ àíòðîïîãåííûìè âîçäåéñòâèÿìè, ïîä êîòîðûìè ïîíèìàþò äåÿòåëüíîñòü, ñâÿçàííóþ ñ ðåàëèçàöèåé ýêîíîìè÷åñêèõ, ðåêðåàöèîííûõ, âîåííûõ,

11.3. Ñîâðåìåííûå ýêîëîãè÷åñêèå ïðîáëåìû

297

êóëüòóðíûõ è äðóãèõ èíòåðåñîâ ÷åëîâåêà, âíîñÿùóþ èçìåíåíèÿ â ïðèðîäíóþ ñðåäó. Îíè ìîãóò áûòü ïîëîæèòåëüíûìè è îòðèöàòåëüíûìè, äëèòåëüíûìè è êðàòêîâðåìåííûìè, öåëåíàïðàâëåííûìè è ñòèõèéíûìè, òî÷å÷íûìè è ïëîùàäíûìè, äëèòåëüíûìè è êðàòêîâðåìåííûìè, à òàêæå ãëîáàëüíûìè, ðåãèîíàëüíûìè è ëîêàëüíûìè. Ñðåäè îñíîâíûõ ãëîáàëüíûõ ýêîëîãè÷åñêèõ ïðîáëåì ñîâðåìåííîñòè ó÷åíûå âûäåëÿþò ñëåäóþùèå: «ïàðíèêîâûé ýôôåêò», èñòîùåíèå îçîíîâîãî ñëîÿ, «êèñëîòíûå îñàäêè», ïðîáëåìó óòèëèçàöèè îòõîäîâ, çàãðÿçíåíèå îêðóæàþùåé ñðåäû, îïóñòûíèâàíèå, äåãðàäàöèþ ïî÷âû, ýðîçèþ ïî÷âû, âûðóáêó ëåñîâ, ñîêðàùåíèå ÷èñëåííîñòè è âûìèðàíèå æèâîòíûõ, èçìåíåíèå êëèìàòà, èñòîùåíèå ïðèðîäíûõ ðåñóðñîâ, çàáîëåâàåìîñòü íàñåëåíèÿ, ôîòîõèìè÷åñêèé ñìîã è äðóãèå. Ïàðíèêîâûé ýôôåêò — ðàçîãðåâ íèæíèõ ñëîåâ àòìîñôåðû âñëåäñòâèå ñïîñîáíîñòè àòìîñôåðû ïðîïóñêàòü êîðîòêîâîëíîâóþ ñîëíå÷íóþ ðàäèàöèþ, íî çàäåðæèâàòü äëèííîâîëíîâîå òåïëîâîå èçëó÷åíèå çåìíîé ïîâåðõíîñòè. Àòìîñôåðà ïî÷òè öåëèêîì ïðîïóñêàåò èçëó÷åíèå Ñîëíöà ê Çåìëå, íî èç-çà íàëè÷èÿ â àòìîñôåðå ïàðíèêîâûõ ãàçîâ (äèîêñèäà óãëåðîäà, ìåòàíà, ôðåîíà, îêñèäîâ àçîòà è äð.) ñóùåñòâåííî çàäåðæèâàåòñÿ îáðàòíîå òåïëîâîå èçëó÷åíèå çåìíîé ïîâåðõíîñòè. Ïàðíèêîâûå ãàçû îáðàçóþò êàê áû ñòåêëÿííóþ êðûøó ïàðíèêà íàä ïëàíåòîé, è áîëüøàÿ ÷àñòü èçëó÷àåìîãî Çåìëåé òåïëà âîçâðàùàåòñÿ íàçàä. Òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ íàêàïëèâàåòñÿ â ïðèïîâåðõíîñòíûõ ñëîÿõ àòìîñôåðû òåì èíòåíñèâíåå, ÷åì áîëüøå â íèõ êîíöåíòðàöèÿ ïàðíèêîâûõ ãàçîâ. Îòðèöàòåëüíûå äëÿ ÷åëîâå÷åñòâà ïîñëåäñòâèÿ ïàðíèêîâîãî ýôôåêòà çàêëþ÷àþòñÿ â ïîâûøåíèè óðîâíÿ Ìèðîâîãî îêåàíà â ðåçóëüòàòå òàÿíèÿ ëüäîâ, óâåëè÷åíèè êîëè÷åñòâà îñàäêîâ, èçìåíåíèè íàïðàâëåíèé âåòðîâ, îêåàíè÷åñêèõ òå÷åíèé, ïîâûøåíèè òåìïåðàòóðû, ïîòåïëåíèè êëèìàòà è äð. Óâåëè÷åíèå ñåçîííîãî ïðîòàèâàíèÿ ãðóíòîâ â ðàéîíàõ ñ âå÷íîé ìåðçëîòîé ñîçäàñò óãðîçó ñòðîåíèÿì, äîðîãàì, êîììóíèêàöèÿì, àêòèâèçèðóåò ïðîöåññû çàáîëà÷èâàíèÿ è ò. ä. Îäíàêî ïîâûøåíèå òåìïåðàòóðû íà 1–2 °Ñ â öåëîì áóäåò áëàãîïðèÿòíûì äëÿ ñåëüñêîãî õîçÿéñòâà åâðîïåéñêîé ÷àñòè íàøåé ñòðàíû, òàê êàê ïîçâîëèò âûðàùèâàòü òåïëîëþáèâûå ñåëüñêîõîçÿéñòâåííûå êóëüòóðû íà îáøèðíûõ òåððèòîðèÿõ. Â äåêàáðå 1997 ã. â Êèîòî áûëà ïðîâåäåíà ìåæäóíàðîäíàÿ êîíôåðåíöèÿ ïî ãëîáàëüíîìó èçìåíåíèþ êëèìàòà íà ïëàíåòå, â êîòîðîé ïðèíÿëè ó÷àñòèå ïðåäñòàâèòåëè 159 ñòðàí. Áûë ïðèíÿò äîãîâîð, ïðåäóñìàòðèâàþùèé îáùåå ñîêðàùåíèå âûáðîñîâ â àòìîñôåðó ïàðíèêîâûõ ãàçîâ íà 5,2%. Êèñëîòíûå îñàäêè. Êèñëîòíûìè íàçûâàþò ëþáûå àòìîñôåðíûå îñàäêè (äîæäè, òóìàíû, ñíåã), êèñëîòíîñòü êîòîðûõ âûøå íîðìàëü-

298 Ãëàâà 11. Îñíîâû ýêîëîãèè íîé. Êèñëîòíûå ñâîéñòâà ñðåäû îïðåäåëÿþòñÿ èîíàìè âîäîðîäîâ. ×åì áîëüøå êîíöåíòðàöèÿ âîäîðîäíûõ èîíîâ â ðàñòâîðå, òåì âûøå åãî êèñëîòíîñòü. Äëÿ âûðàæåíèÿ êîíöåíòðàöèè èîíîâ âîäîðîäà èñïîëüçóþò åäèíèöû âîäîðîäíîãî ïîêàçàòåëÿ, èëè pH. Øêàëà pH ñîäåðæèò âåëè÷èíû îò 0 (êðàéíå âûñîêàÿ êèñëîòíîñòü) ÷åðåç 7 (íåéòðàëüíàÿ ñðåäà) äî 14 (êðàéíå ñèëüíàÿ ùåëî÷íîñòü). Êèñëîòíûå äîæäè ñîäåðæàò ðàñòâîðû ñåðíîé, àçîòíîé è äðóãèõ êèñëîò, â êîòîðûå ïðåâðàùàåòñÿ âëàãà âîçäóõà, ïîãëîùàÿ ñåðíèñòûé è äðóãèå ãàçû, ñîäåðæàùèåñÿ â âîçäóõå. Êèñëîòíûå äîæäè óãíåòàþò ðàñòèòåëüíîñòü, ñíèæàþò ïðèðîñò ëåñà è óðîæàéíîñòü ñåëüñêîõîçÿéñòâåííûõ êóëüòóð, ÿâëÿþòñÿ ïðè÷èíîé çàêèñëåíèÿ îçåð, ÷òî ïðèâîäèò ê ãèáåëè èêðû, ìàëüêîâ, ïëàíêòîíà, âîäîðîñëåé è ðûá. Îòðèöàòåëüíûå ïîñëåäñòâèÿ êèñëîòíûõ äîæäåé çàôèêñèðîâàíû â ÑØÀ, Åâðîïå, Êàíàäå, Ðîññèè, íà Óêðàèíå, â Áåëîðóññèè è äðóãèõ ñòðàíàõ. Ðàçðóøåíèå îçîíîâîãî ñëîÿ. Îçîíîâîé ñëîé — ýòî ñëîé àòìîñôåðû ñ ïîâûøåííûì ñîäåðæàíèåì îçîíà. Êîíöåíòðàöèÿ îçîíà â ñëîå î÷åíü íèçêàÿ, è åñëè âûäåëèòü åãî â ÷èñòîì âèäå è ñæàòü äî ïëîòíîñòè, êîòîðóþ èìååò âîçäóõ ó ïîâåðõíîñòè Çåìëè, òî òîëùèíà îçîíîâîãî ñëîÿ íå ïðåâûñèò 5 ìì. Îçîí ïîãëîùàåò êîðîòêîâîëíîâîå èçëó÷åíèå Ñîëíöà, ïðåäîõðàíÿÿ æèâûå îðãàíèçìû îò åãî ãóáèòåëüíîãî âîçäåéñòâèÿ. Âïåðâûå èñòîùåíèå îçîíîâîãî ñëîÿ ïðèâëåêëî âíèìàíèå øèðîêîé îáùåñòâåííîñòè â 1985 ã., êîãäà íàä Àíòàðêòèäîé áûëî îáíàðóæåíî áîëüøîå ïðîñòðàíñòâî ñ ïîíèæåííûì (äî 50%) ñîäåðæàíèåì îçîíà, ïîëó÷èâøåå íàçâàíèå «îçîíîâîé äûðû». Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî îñíîâíîé ïðè÷èíîé âîçíèêíîâåíèÿ «îçîíîâûõ äûð» ÿâëÿåòñÿ çíà÷èòåëüíîå ñîäåðæàíèå â àòìîñôåðå ôðåîíîâ. Ôðåîíû (õëîðôòîðóãëåðîäû) — âûñîêîëåòó÷èå õèìè÷åñêè èíåðòíûå ó çåìíîé ïîâåðõíîñòè âåùåñòâà, øèðîêî ïðèìåíÿåìûå â ïðîèçâîäñòâå è áûòó â êà÷åñòâå õëàäîàãåíòîâ (êîíäèöèîíåðû, ðåôðèæåðàòîðû, õîëîäèëüíèêè), ðàñïûëèòåëåé (àýðîçîëè), ïåíîîáðàçîâàòåëåé. Ôðåîíû, ïîäíèìàÿñü â âåðõíèå ñëîè àòìîñôåðû, ïîäâåðãàþòñÿ ôîòîõèìè÷åñêîìó ðàçëîæåíèþ ñ îáðàçîâàíèåì îêñèäà õëîðà, èíòåíñèâíî ðàçðóøàþùåãî îçîí. Îäíàêî ðÿä ó÷åíûõ ïðîäîëæàþò íàñòàèâàòü íà åñòåñòâåííîì ïðîèñõîæäåíèè «îçîíîâîé äûðû». Ïðè÷èíû åå âîçíèêíîâåíèÿ îíè âèäÿò â åñòåñòâåííîé èçìåí÷èâîñòè îçîíîñôåðû, öèêëè÷åñêîé àêòèâíîñòè Ñîëíöà, ïðîöåññàõ äåãàçàöèè Çåìëè è äð. Èñòîùåíèå îçîíîâîãî ñëîÿ ïðèâîäèò ê áîëåå âûñîêèì óðîâíÿì óëüòðàôèîëåòîâîãî èçëó÷åíèÿ íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè, ÷òî ñïîñîáñòâóåò óâåëè÷åíèþ ñëó÷àåâ çàáîëåâàíèé ðàêîì êîæè, ñíèæåíèþ ïðîäóêòèâíîñòè ñåëüñêîõîçÿéñòâåííûõ êóëüòóð, çàìåäëåíèþ ïðîöåññà ôîòîñèíòåçà â ðàñòåíèÿõ è äð.

11.4. Çàãðÿçíåíèå îêðóæàþùåé ñðåäû

299

Ïðîáëåìà óòèëèçàöèè îòõîäîâ. Îòõîäû — íåèñïîëüçóåìûå îñòàòêè ñûðüÿ, ìàòåðèàëîâ, ïîëóôàáðèêàòîâ, èíûõ èçäåëèé è ïðîäóêòîâ, îáðàçóþùèåñÿ â ïðîöåññå ïðîèçâîäñòâà ïðîäóêöèè èëè åå ïîòðåáëåíèÿ è óòðàòèâøèå ñâîè ïîòðåáèòåëüñêèå ñâîéñòâà. Ïî àãðåãàòíîìó ñîñòîÿíèþ îòõîäû äåëÿòñÿ íà æèäêèå, òâåðäûå è ãàçîîáðàçíûå. Ïî ïðîèñõîæäåíèþ îòõîäû êëàññèôèöèðóþòñÿ íà áûòîâûå (êîììóíàëüíûå), ïðîìûøëåííûå, ñåëüñêîõîçÿéñòâåííûå, ñòðîèòåëüíûå, ðàäèîàêòèâíûå è äð. Íàèáîëåå ñåðüåçíûå ýêîëîãè÷åñêèå ïðîáëåìû ñâÿçàíû ñ îïàñíûìè îòõîäàìè, ñîäåðæàùèìè â ñâîåì ñîñòàâå âåùåñòâà, êîòîðûå îáëàäàþò îäíèì èç îïàñíûõ ñâîéñòâ (òîêñè÷íîñòü, âçðûâ÷àòîñòü, èíôåêöèîííîñòü, ïîæàðîîïàñíîñòü è ò. ä.) è ïðèñóòñòâóþò â êîëè÷åñòâå, îïàñíîì äëÿ çäîðîâüÿ ëþäåé è îêðóæàþùåé ïðèðîäíîé ñðåäû. Âûäåëÿþò ÷åòûðå êëàññà îïàñíîñòè îòõîäîâ: ïåðâûé — âåùåñòâà (îòõîäû) ÷ðåçâû÷àéíî îïàñíûå, âòîðîé — âåùåñòâà (îòõîäû) âûñîêîîïàñíûå, òðåòèé — óìåðåííî îïàñíûå, ÷åòâåðòûé — ìàëîîïàñíûå. Îòõîäû ÿâëÿþòñÿ èñòî÷íèêîì çàãðÿçíåíèÿ àòìîñôåðíîãî âîçäóõà, ïîäçåìíûõ è ïîâåðõíîñòíûõ âîä, ïî÷â è ðàñòèòåëüíîñòè. Ïåðâîíà÷àëüíî ðåøåíèå ïðîáëåìû îòõîäîâ âèäåëîñü ïðåèìóùåñòâåííî â èõ óíè÷òîæåíèè — çàêàïûâàíèè èëè ñæèãàíèè, íî ñ óâåëè÷åíèåì çàãðÿçíåíèÿ îêðóæàþùåé ñðåäû íà ïåðâûé ïëàí âûøëè ýêîëîãè÷åñêè áîëåå ïðèåìëåìûå ìåðû óñòðàíåíèÿ îòõîäîâ — èõ ñîðòèðîâêà è ïîâòîðíîå èñïîëüçîâàíèå, òî åñòü ðåöèêëèíã, à òàêæå èñïîëüçîâàíèå ìàëîîòõîäíûõ òåõíîëîãèé. Ìàëîîòõîäíûì ñ÷èòàåòñÿ òàêîå ïðîèçâîäñòâî, ïðè êîòîðîì âðåäíîå âîçäåéñòâèå íà îêðóæàþùóþ ñðåäó íå ïðåâûøàåò óðîâíÿ, äîïóñòèìîãî ñàíèòàðíî-ãèãèåíè÷åñêèìè íîðìàìè, ïðè ýòîì ÷àñòü ñûðüÿ è ìàòåðèàëîâ ïåðåõîäèò â îòõîäû, êîòîðûå íàïðàâëÿþòñÿ íà ïåðåðàáîòêó èëè çàõîðîíåíèå. Ìèíèìèçàöèÿ îòõîäîâ â ðàçëè÷íûõ îòðàñëÿõ ïðîìûøëåííîñòè ìîæåò áûòü äîñòèãíóòà ñëåäóþùèìè ñïîñîáàìè: óñîâåðøåíñòâîâàíèåì òåõíîëîãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â íàïðàâëåíèè ñîêðàùåíèÿ êîëè÷åñòâà îáðàçóþùèõñÿ îòõîäîâ; ðåöèêëèçàöèåé îòõîäîâ, ïðåäïî÷òèòåëüíî â ïðîöåññå èõ îáðàçîâàíèÿ, ïåðåðàáîòêîé îòõîäîâ â ïîëåçíûå ïîáî÷íûå ïðîäóêòû; ñíèæåíèåì îáúåìîâ è òîêñè÷íîñòè îòõîäîâ äëÿ îáëåã÷åíèÿ ïîñëåäóþùåãî óäàëåíèÿ è ïåðåðàáîòêè.

11.4. Çàãðÿçíåíèå îêðóæàþùåé ñðåäû Íåñáàëàíñèðîâàííûå âçàèìîîòíîøåíèÿ îáùåñòâà è ïðèðîäû, òî åñòü íåðàöèîíàëüíîå ïðèðîäîïîëüçîâàíèå, ÷àñòî ïðèâîäÿò ê ýêîëîãè÷åñêîìó êðèçèñó è ýêîëîãè÷åñêîé êàòàñòðîôå. Ýêîëîãè÷åñêèé êðèçèñ (÷ðåç-

300 Ãëàâà 11. Îñíîâû ýêîëîãèè âû÷àéíàÿ ýêîëîãè÷åñêàÿ ñèòóàöèÿ) — ýòî ýêîëîãè÷åñêîå íåáëàãîïîëó÷èå, õàðàêòåðèçóþùååñÿ óñòîé÷èâûìè îòðèöàòåëüíûìè èçìåíåíèÿìè îêðóæàþùåé ñðåäû è ïðåäñòàâëÿþùåå óãðîçó äëÿ çäîðîâüÿ ëþäåé. Ïîä ýêîëîãè÷åñêîé êàòàñòðîôîé (ýêîëîãè÷åñêèì áåäñòâèåì) ïîíèìàþò ýêîëîãè÷åñêîå íåáëàãîïîëó÷èå, õàðàêòåðèçóþùååñÿ íåîáðàòèìûìè èçìåíåíèÿìè îêðóæàþùåé ñðåäû è ñóùåñòâåííûì óõóäøåíèåì çäîðîâüÿ íàñåëåíèÿ. Îñíîâíûì è íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûì âèäîì îòðèöàòåëüíîãî âîçäåéñòâèÿ ÷åëîâåêà íà áèîñôåðó ÿâëÿåòñÿ çàãðÿçíåíèå. Ïîä çàãðÿçíåíèåì ïîíèìàþò ïîñòóïëåíèå â îêðóæàþùóþ ñðåäó âåùåñòâà è (èëè) ýíåðãèè, ñâîéñòâà, ìåñòîïîëîæåíèå èëè êîëè÷åñòâî êîòîðûõ îêàçûâàþò íåãàòèâíîå âîçäåéñòâèå íà îêðóæàþùóþ ñðåäó (Çàêîí «Îá îõðàíå îêðóæàþùåé ñðåäû»). Çàãðÿçíåíèåì òàêæå íàçûâàþò ïîñòóïëåíèå â îêðóæàþùóþ ïðèðîäíóþ ñðåäó ëþáûõ òâåðäûõ, æèäêèõ è ãàçîîáðàçíûõ âåùåñòâ, ìèêðîîðãàíèçìîâ èëè ýíåðãèé (â âèäå çâóêîâ, øóìîâ, èçëó÷åíèé) â êîëè÷åñòâàõ, âðåäíûõ äëÿ çäîðîâüÿ ÷åëîâåêà, æèâîòíûõ, ñîñòîÿíèÿ ðàñòåíèé è ýêîñèñòåì. Îáû÷íî ðàññìàòðèâàþò äâà ðàçëè÷íûõ ïî ïðîèñõîæäåíèþ âèäà çàãðÿçíåíèÿ: åñòåñòâåííîå, âîçíèêàþùåå â ðåçóëüòàòå äåéñòâèé ïðèðîäíûõ ÿâëåíèé áåç ó÷àñòèÿ ëþäåé; àíòðîïîãåííîå, ñâÿçàííîå ñ ÷åëîâå÷åñêîé äåÿòåëüíîñòüþ, ãëàâíîé ñîñòàâíîé ÷àñòüþ êîòîðîãî ÿâëÿåòñÿ òåõíîãåííîå çàãðÿçíåíèå, îáóñëîâëåííîå äåÿòåëüíîñòüþ ïðîìûøëåííûõ ïðîèçâîäñòâ. Ïî àãðåãàòíîìó ñîñòîÿíèþ âñå çàãðÿçíÿþùèå âåùåñòâà àíòðîïîãåííîãî ïðîèñõîæäåíèÿ ïîäðàçäåëÿþòñÿ íà òâåðäûå, æèäêèå è ãàçîîáðàçíûå. Ïî ïðèðîäå çàãðÿçíèòåëåé ðàçëè÷àþò ñëåäóþùèå âèäû çàãðÿçíåíèÿ: áèîëîãè÷åñêîå (ïàòîãåííûå ìèêðîîðãàíèçìû, ïðîäóêòû ãåííîé èíæåíåðèè è äð.), õèìè÷åñêîå (çàãðÿçíåíèå áèîñôåðû ïåñòèöèäàìè, òÿæåëûìè ìåòàëëàìè, ïëàñòìàññàìè, îòäåëüíûìè õèìè÷åñêèìè âåùåñòâàìè è ýëåìåíòàìè), ôèçè÷åñêîå (øóìîâîå, òåïëîâîå, ýëåêòðîìàãíèòíîå, ðàäèàöèîííîå). Ïî ïðîñòðàíñòâåííîìó ïðèçíàêó âûäåëÿþò ãëîáàëüíîå, ðåãèîíàëüíîå, ëîêàëüíîå (íàáëþäàåìîå íà íåáîëüøîé òåððèòîðèè) çàãðÿçíåíèÿ. Ïî îáúåêòàì çàãðÿçíåíèÿ ðàçëè÷àþò çàãðÿçíåíèå àòìîñôåðíîãî âîçäóõà, çàãðÿçíåíèå ïîâåðõíîñòíûõ è ïîäçåìíûõ âîä, çàãðÿçíåíèå ïî÷â è ò. ä. è äàæå çàãðÿçíåíèå îêîëîçåìíîãî êîñìè÷åñêîãî ïðîñòðàíñòâà. Â 2005 ã. íà òåððèòîðèè Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè áûëî îòìå÷åíî 78 àâàðèé (â 2004 ã. — 59), ïðèâåäøèõ ê çàãðÿçíåíèþ îêðóæàþùåé ñðåäû. Â ýòîì æå ãîäó ñòàöèîíàðíîé íàáëþäàòåëüíîé ñåòüþ Ðîñãèäðîìåòà áûë çàðåãèñòðèðîâàí 541 ñëó÷àé ýêñòðåìàëüíî âûñîêîãî çàãðÿçíåíèÿ ïîâåðõíîñòíûõ âîä è 3 ñëó÷àÿ ýêñòðåìàëüíî âûñîêîãî çàãðÿçíåíèÿ àòìîñôåðíîãî âîçäóõà ïî âèçóàëüíûì è îðãàíîëåïòè÷åñêèì ïðèçíàêàì.


301

Çàãðÿçíåíèå ïî÷âû. Ïî÷âà — ðûõëûé ïîâåðõíîñòíûé ñëîé çåìíîé êîðû, îáðàçîâàâøèéñÿ â ðåçóëüòàòå äëèòåëüíîãî âîçäåéñòâèÿ íà ëèòîñôåðó àòìîñôåðû, âîäû, æèâîòíûõ è ðàñòåíèé. Ïî÷âà ñîñòîèò èç õîðîøî âûðàæåííûõ ñëîåâ – ïî÷âåííûõ ãîðèçîíòîâ, ðàçëè÷àþùèõñÿ ïî ñòðóêòóðå è öâåòó. Ñîñòîÿíèå ïî÷â, ãðóíòîâ èìååò âàæíåéøåå çíà÷åíèå äëÿ îöåíêè ýêîëîãè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ òîé èëè èíîé òåððèòîðèè, òàê êàê ïî÷âû ïðåäñòàâëÿþò òðîéíîé èíòåðåñ: êàê íà÷àëüíîå çâåíî ïèùåâûõ öåïåé, êàê èíòåãðàëüíûé ïîêàçàòåëü ýêîëîãè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ îêðóæàþùåé ñðåäû è êàê èñòî÷íèê âòîðè÷íîãî çàãðÿçíåíèÿ ïðèçåìíîãî ñëîÿ àòìîñôåðû, ïîâåðõíîñòíûõ è ãðóíòîâûõ âîä. Êðîìå âòîðè÷íîãî íåãàòèâíîãî âîçäåéñòâèÿ íà çäîðîâüå íàñåëåíèÿ ÷åðåç ïðîäóêòû ïèòàíèÿ èëè çàãðÿçíåíèå âîä è âîçäóõà, âîçìîæíî è ïðÿìîå âîçäåéñòâèå çàãðÿçíåííûõ ïî÷â íà çäîðîâüå íàñåëåíèÿ, îñîáåííî äåòåé, çà ñ÷åò íåïîñðåäñòâåííîãî êîíòàêòà è ïîñòóïëåíèÿ ïî÷âû â îðãàíèçì. Ïî ðàñïðîñòðàíåííîñòè è òîêñèêîëîãè÷åñêîìó âîçäåéñòâèþ ðàçëè÷àåòñÿ çàãðÿçíåíèå ïî÷â íåîðãàíè÷åñêèìè è îðãàíè÷åñêèìè òîêñèêàíòàìè. Â ãðóïïå íåîðãàíè÷åñêèõ òîêñèêàíòîâ îñîáîå ìåñòî çàíèìàþò òÿæåëûå ìåòàëëû, ê êîòîðûì óñëîâíî îòíîñÿò õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû ñ àòîìíîé ìàññîé áîëåå 50. Ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ñðåäè õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ òÿæåëûå ìåòàëëû ÿâëÿþòñÿ íàèáîëåå òîêñè÷íûìè, òàê êàê îáëàäàþò áîëüøèì ñðîäñòâîì ñ ôèçèîëîãè÷åñêè âàæíûìè îðãàíè÷åñêèìè ñîåäèíåíèÿìè, ñïîñîáíû ê ìåäëåííîìó íàêîïëåíèþ â æèâûõ îðãàíèçìàõ, âûçûâàþò îòðèöàòåëüíîå âîçäåéñòâèå íà ðîñò è ðàçâèòèå. Íàïðèìåð, èçáûòî÷íîå êîëè÷åñòâî ìàðãàíöà, ìåäè, õðîìà, ñâèíöà, íèêåëÿ è äðóãèõ ýëåìåíòîâ, ñîäåðæàùèõñÿ â ïî÷âàõ âáëèçè êðóïíûõ ïðîìûøëåííûõ ïðåäïðèÿòèé, ñíèæàåò óðîæàéíîñòü çåðíîâûõ íà 20–30%, êàðòîôåëÿ — íà 47%, áîáîâûõ — íà 40%. Ïîýòîìó áîðüáà ñ âûáðîñàìè ïðîìûøëåííûõ ïðåäïðèÿòèé ÿâëÿåòñÿ îäíîâðåìåííî ñïîñîáîì áîðüáû çà ïëîäîðîäèå ïî÷â. Îñíîâíûìè îðãàíè÷åñêèìè çàãðÿçíèòåëÿìè ïî÷âû ÿâëÿþòñÿ áåíçàïèðåí, ïîëèõëîðèðîâàííûå áèôåíèëû, õëîðîðãàíè÷åñêèå ïåñòèöèäû è íåôòåïðîäóêòû. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïî÷âû âîêðóã áîëüøèõ ãîðîäîâ è êðóïíûõ ïðåäïðèÿòèé öâåòíîé è ÷åðíîé ìåòàëëóðãèè, õèìè÷åñêîé è íåôòåõèìè÷åñêîé ïðîìûøëåííîñòè, ìàøèíîñòðîåíèÿ, ÒÝÖ íà ðàññòîÿíèè â íåñêîëüêî äåñÿòêîâ êèëîìåòðîâ çàãðÿçíåíû òÿæåëûìè ìåòàëëàìè, íåôòåïðîäóêòàìè, ñîåäèíåíèÿìè ñåðû, ñâèíöà è äðóãèìè òîêñè÷íûìè âåùåñòâàìè, êîòîðûå â ñîâîêóïíîñòè ñ áûòîâûìè îòõîäàìè ñóùåñòâåííî âëèÿþò íà õèìè÷åñêèé ñîñòàâ ïî÷âû, âûçûâàÿ óõóäøåíèå åå êà÷åñòâà. Òàêæå â ïî÷âå ïðèñóòñòâóþò êàíöåðîãåííûå âåùåñòâà, âûçûâàþùèå îïóõîëåâûå çàáîëåâàíèÿ ó æèâûõ îðãàíèçìîâ, â òîì ÷èñëå ðà-

302 Ãëàâà 11. Îñíîâû ýêîëîãèè êîâûå. Îñíîâíûìè èñòî÷íèêàìè çàãðÿçíåíèÿ ïî÷âû êàíöåðîãåííûìè âåùåñòâàìè ÿâëÿþòñÿ âûõëîïû àâòîòðàíñïîðòà, âûáðîñû ïðåäïðèÿòèé, ïðîäóêòû íåôòåïåðåðàáîòêè. Ê îñîáî îïàñíûì ïîñëåäñòâèÿì âëèÿíèÿ ÷åëîâåêà íà ïî÷âû ñëåäóåò îòíåñòè ýðîçèþ, çàãðÿçíåíèå õèìè÷åñêèìè âåùåñòâàìè, çàñîëåíèå, çàáîëà÷èâàíèå, èçúÿòèå ïî÷â ïîä ðàçëè÷íûå ñîîðóæåíèÿ. Ïîä ýðîçèåé ïî÷â ïîíèìàåòñÿ ðàçðóøåíèå è ñíîñ âåðõíèõ, íàèáîëåå ïëîäîðîäíûõ ãîðèçîíòîâ è ïîäñòèëàþùèõ ïîðîä âåòðîì (âåòðîâàÿ ýðîçèÿ) èëè ïîòîêàìè âîäû (âîäíàÿ ýðîçèÿ). Ýðîçèÿ — ýòî åñòåñòâåííûé ïðîöåññ, ñóùåñòâóþùèé â ïðèðîäå, êîòîðûé ïðîòåêàåò î÷åíü ìåäëåííî, ïîýòîìó ðàçðóøåíèå è ïîòåðè ïî÷âû îò âûäóâàíèÿ è ñìûâà óðàâíîâåøèâàþòñÿ ïðîöåññàìè ïî÷âîîáðàçîâàíèÿ. Îäíàêî íàðÿäó ñ åñòåñòâåííîé, èëè ãåîëîãè÷åñêîé, ýðîçèåé ñóùåñòâóåò óñêîðåííàÿ (ðàçðóøèòåëüíàÿ), âîçíèêàþùàÿ ïîä âëèÿíèåì àíòðîïîãåííîé äåÿòåëüíîñòè. Îòðèöàòåëüíîå âëèÿíèå íà ïî÷âó îêàçûâàþò ïåñòèöèäû. Îíè âûçûâàþò èçìåíåíèÿ â ýêîñèñòåìå, äåéñòâóÿ íà âñå æèâûå îðãàíèçìû, â òî âðåìÿ êàê èñïîëüçóþòñÿ äëÿ óíè÷òîæåíèÿ âåñüìà îãðàíè÷åííîãî ÷èñëà âèäîâ. Â èòîãå íàáëþäàåòñÿ èíòîêñèêàöèÿ îãðîìíîãî ÷èñëà äðóãèõ áèîëîãè÷åñêèõ âèäîâ âïëîòü äî èõ èñ÷åçíîâåíèÿ. Ñðåäè ïåñòèöèäîâ íàèáîëüøóþ îïàñíîñòü ïðåäñòàâëÿþò ñòîéêèå õëîðîðãàíè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, êîòîðûå ñîõðàíÿþòñÿ â ïî÷âàõ â òå÷åíèå ìíîãèõ ëåò è â ðåçóëüòàòå áèîëîãè÷åñêîãî íàêîïëåíèÿ ìîãóò ñòàòü îïàñíûìè äëÿ æèçíè ìíîãèõ îðãàíèçìîâ, òàê êàê îáëàäàþò ìóòàãåííûìè è êàíöåðîãåííûìè ñâîéñòâàìè. Çàãðÿçíåíèå àòìîñôåðíîãî âîçäóõà. Àòìîñôåðíûé âîçäóõ — ýòî ñìåñü ãàçîâ, èç êîòîðûõ ñîñòîèò àòìîñôåðà Çåìëè. Îñíîâíûìè ñîñòàâíûìè ÷àñòÿìè àòìîñôåðû ÿâëÿþòñÿ: àçîò, êèñëîðîä, àðãîí è óãëåêèñëûé ãàç. Êðîìå àðãîíà â ìàëûõ êîíöåíòðàöèÿõ ñîäåðæàòñÿ äðóãèå èíåðòíûå ãàçû. Â àòìîñôåðíîì âîçäóõå âñåãäà ïðèñóòñòâóþò ïàðû âîäû è òâåðäûå ÷àñòèöû — ïûëü. Çàãðÿçíåíèå àòìîñôåðíîãî âîçäóõà — ýòî ïîñòóïëåíèå â àòìîñôåðíûé âîçäóõ èëè îáðàçîâàíèå â íåì âðåäíûõ (çàãðÿçíÿþùèõ) âåùåñòâ â êîíöåíòðàöèÿõ, ïðåâûøàþùèõ óñòàíîâëåííûå ãîñóäàðñòâîì ãèãèåíè÷åñêèå è ýêîëîãè÷åñêèå íîðìàòèâû êà÷åñòâà àòìîñôåðíîãî âîçäóõà (Çàêîí «Îá îõðàíå àòìîñôåðíîãî âîçäóõà). Îíî ìîæåò áûòü åñòåñòâåííûì (ïðèðîäíûì) è àíòðîïîãåííûì (òåõíîãåííûì). Åñòåñòâåííîå çàãðÿçíåíèå âîçäóõà âûçâàíî ïðèðîäíûìè ïðîöåññàìè: âóëêàíè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòüþ, âåòðîâîé ýðîçèåé, äûìîì îò ëåñíûõ ïîæàðîâ, ìàññîâûì öâåòåíèåì ðàñòåíèé è äð. Àíòðîïîãåííîå çàãðÿçíåíèå ñâÿçàíî ñ âûáðîñîì çàãðÿçíÿþùèõ âåùåñòâ â ðåçóëüòàòå äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà. Ïî ìàñøòàáàì îíî çíà÷èòåëüíî ïðåâîñõîäèò ïðèðîäíîå è ìîæåò


303

áûòü ìåñòíûì, êîòîðîå õàðàêòåðèçóåòñÿ ïîâûøåííûì ñîäåðæàíèåì çàãðÿçíÿþùèõ âåùåñòâ íà íåáîëüøèõ òåððèòîðèÿõ, ðåãèîíàëüíûì — êîãäà ïîä âîçäåéñòâèå ïîïàäàþò áîëüøèå ïðîñòðàíñòâà ïëàíåòû, è ãëîáàëüíûì – ñâÿçàíî ñ èçìåíåíèÿìè âî âñåé àòìîñôåðå. Ñòåïåíü çàãðÿçíåíèÿ àòìîñôåðíîãî âîçäóõà çàâèñèò îò êîëè÷åñòâà âûáðîñîâ âðåäíûõ âåùåñòâ è èõ õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà, îò âûñîòû, íà êîòîðîé îñóùåñòâëÿþòñÿ âûáðîñû, îò êëèìàòè÷åñêèõ óñëîâèé, îïðåäåëÿþùèõ ïåðåíîñ, ðàññåèâàíèå è ïðåâðàùåíèå âûáðàñûâàåìûõ âåùåñòâ. Îñîáîå ìåñòî ñðåäè èñòî÷íèêîâ çàãðÿçíåíèÿ àòìîñôåðû çàíèìàåò õèìè÷åñêàÿ ïðîìûøëåííîñòü. Îíà ïîñòàâëÿåò äèîêñèä ñåðû, ñåðîâîäîðîä, îêñèäû àçîòà, óãëåâîäîðîäû, ãàëîãåíû è äðóãèå âåùåñòâà, êîòîðûå ìîãóò âñòóïàòü â õèìè÷åñêèå ðåàêöèè äðóã ñ äðóãîì, îáðàçóÿ âûñîêîòîêñè÷íûå ñîåäèíåíèÿ. Âìåñòå ñ òóìàíîì è íåêîòîðûìè äðóãèìè ïðèðîäíûìè ÿâëåíèÿìè â ìåñòàõ ïîâûøåííîé êîíöåíòðàöèè õèìè÷åñêèõ âåùåñòâ âîçíèêàåò ôîòîõèìè÷åñêèé ñìîã. Îí îáðàçóåòñÿ ïðè èíòåíñèâíîì âîçäåéñòâèè ñîëíå÷íîé ðàäèàöèè íà âîçäóõ, íàñûùåííûé âûõëîïíûìè ãàçàìè àâòîìîáèëåé. Ïðè áåçâåòðèè â âîçäóõå èäóò ñëîæíûå ðåàêöèè ñ îáðàçîâàíèåì íîâûõ âûñîêîòîêñè÷íûõ çàãðÿçíèòåëåé — ôîòîîêñèäàíòîâ, êîòîðûå ðàçäðàæàþò ñëèçèñòûå îáîëî÷êè æåëóäî÷íî-êèøå÷íîãî òðàêòà, ëåãêèõ è îðãàíîâ çðåíèÿ. Â íåêîòîðûõ ãîðîäàõ, ðàñïîëîæåííûõ â íèçèíàõ, â ñâÿçè ñ áûñòðûì óâåëè÷åíèåì àâòîòðàíñïîðòíûõ ñðåäñòâ âåðîÿòíîñòü îáðàçîâàíèÿ ôîòîõèìè÷åñêîãî ñìîãà âåñüìà âåëèêà. Íà îñíîâàíèè äàííûõ îá óðîâíÿõ çàãðÿçíåíèÿ àòìîñôåðíîãî âîçäóõà ðàçëè÷íûìè âåùåñòâàìè â áîëåå ÷åì 100 ãîðîäàõ Ðîññèè áûëà îïðåäåëåíà îðèåíòèðîâî÷íàÿ ÷èñëåííîñòü íàñåëåíèÿ, íàõîäÿùåãîñÿ íà çàãðÿçíåííûõ òåððèòîðèÿõ. Óñòàíîâëåíî, ÷òî íàèáîëåå ìíîãî÷èñëåííàÿ ãðóïïà íàñåëåíèÿ — 15 ìëí ÷åëîâåê — ïîäâåðãàåòñÿ âîçäåéñòâèþ ïîâûøåííûõ êîíöåíòðàöèé âçâåøåííûõ âåùåñòâ, âòîðîå ìåñòî ïî ìàñøòàáó ïîïóëÿöèîííîãî âîçäåéñòâèÿ çàíèìàåò áåíçàïèðåí. Ïîâûøåííîå ñîäåðæàíèå â àòìîñôåðíîì âîçäóõå âçâåøåííûõ âåùåñòâ ìîæåò ïðèâåñòè ê íåêîòîðîìó óâåëè÷åíèþ ñìåðòíîñòè íàñåëåíèÿ (ãëàâíûì îáðàçîì îò áîëåçíåé îðãàíîâ äûõàíèÿ), à çàãðÿçíåíèå àòìîñôåðíîãî âîçäóõà áåíçàïèðåíîì îïðåäåëÿåò âûñîêóþ êàíöåðîãåííóþ îïàñíîñòü àòìîñôåðíîãî âîçäóõà â ãîðîäàõ, ãäå ðàñïîëîæåíû àëþìèíèåâûå, ñòàëåïëàâèëüíûå ïðîèçâîäñòâà è íåôòåïåðåðàáàòûâàþùèå çàâîäû. Âî ìíîãèõ ãîðîäàõ îáíàðóæåíî ïðåâûøåíèå â âîçäóõå êîíöåíòðàöèè ôåíîëà, äèîêñèäà àçîòà, àììèàêà, ñòèðîëà è äð. Â ÑàíêòÏåòåðáóðãå ïî êîëè÷åñòâó íåñòàíäàðòíûõ ïðîá âîçäóõà íàèáîëåå íåáëàãîïðèÿòíàÿ ñèòóàöèÿ ñëîæèëàñü â Ìîñêîâñêîì, Ïåòðîãðàäñêîì,

304 Ãëàâà 11. Îñíîâû ýêîëîãèè Êàëèíèíñêîì, Íåâñêîì, Öåíòðàëüíîì ðàéîíàõ. Ýòè ðàéîíû õàðàêòåðèçóþòñÿ íàëè÷èåì ìàãèñòðàëåé ñ èíòåíñèâíûì äâèæåíèåì àâòîòðàíñïîðòà, âêëþ÷àÿ ìåæäóíàðîäíûå. Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî âñå ïðîàíàëèçèðîâàííûå çàãðÿçíÿþùèå âåùåñòâà âîçäóõà âõîäÿò â ñîñòàâ àâòîòðàíñïîðòíûõ âûáðîñîâ, êîòîðûå ñîñòàâëÿþò áîëåå 75% îáùåãî âàëîâîãî âûáðîñà âðåäíûõ âåùåñòâ â àòìîñôåðó. Çàãðÿçíåíèå ãèäðîñôåðû. Âîäà — êîìïëåêñíûé ïðèðîäíûé ðåñóðñ, ñîñòîÿùèé èç âîä Ìèðîâîãî îêåàíà (94%), ïîäçåìíûõ âîä (4%), ëüäà è ñíåãà (2%), âîäû ðåê, îçåð è áîëîò (0,4%). Âîäíûå ïðîñòðàíñòâà çàíèìàþò áîëüøóþ ÷àñòü ïîâåðõíîñòè çåìíîãî øàðà: àêâàòîðèÿ Ìèðîâîãî îêåàíà ñîñòàâëÿåò 70,8%, à íà äîëþ ñóøè ïðèõîäèòñÿ ëèøü 29,2% ïîâåðõíîñòè Çåìëè. Ìàñøòàáíàÿ ýêñïëóàòàöèÿ Ìèðîâîãî îêåàíà îêàçûâàåò ñèëüíîå âîçäåéñòâèå íà åãî ýêîñèñòåìó. Îäíàêî èìåþòñÿ ìîùíûå âíåøíèå èñòî÷íèêè çàãðÿçíåíèÿ — àòìîñôåðíûå ïîòîêè è ìàòåðèêîâûé ñòîê. Â ðåçóëüòàòå íà ñåãîäíÿøíèé äåíü ìîæíî êîíñòàòèðîâàòü íàëè÷èå çàãðÿçíÿþùèõ âåùåñòâ íå òîëüêî â çîíàõ, ïðèëåãàþùèõ ê ìàòåðèêàì, è â ðàéîíàõ èíòåíñèâíîãî ñóäîõîäñòâà, íî è â îòêðûòûõ ÷àñòÿõ îêåàíîâ, âêëþ÷àÿ Àðêòèêó è Àíòàðêòèêó. Èíòåíñèâíîå ðàçâèòèå ïðîìûøëåííîñòè, òðàíñïîðòà, ïåðåíàñåëåíèå ðÿäà ðåãèîíîâ ïëàíåòû ïðèâåëî ê çíà÷èòåëüíîìó çàãðÿçíåíèþ ãèäðîñôåðû. Ïî äàííûì Âñåìèðíîé îðãàíèçàöèè çäðàâîîõðàíåíèÿ (ÂÎÇ), îêîëî 80% âñåõ èíôåêöèîííûõ çàáîëåâàíèé â ìèðå ñâÿçàíî ñ íåóäîâëåòâîðèòåëüíûì êà÷åñòâîì ïèòüåâîé âîäû è íàðóøåíèåì ñàíèòàðíî-ãèãèåíè÷åñêèõ íîðì âîäîñíàáæåíèÿ. Ïî ýêñïåðòíûì îöåíêàì, äî 80% âñåõ õèìè÷åñêèõ ñîåäèíåíèé, ïîñòóïàþùèõ âî âíåøíþþ ñðåäó, ïîïàäàþò â âîäîèñòî÷íèêè. Íàèáîëåå èíòåíñèâíîìó àíòðîïîãåííîìó âîçäåéñòâèþ ïîäâåðãàþòñÿ âîäû ñóøè. Îäíàêî çàãðÿçíåíèþ ïîäâåðæåíû íå òîëüêî ïîâåðõíîñòíûå âîäû, íî è ïîäçåìíûå, êîòîðûå çàãðÿçíÿþòñÿ íåôòÿíûìè ïðîìûñëàìè è ïðåäïðèÿòèÿìè ãîðíî-äîáûâàþùåé ïðîìûøëåííîñòè, øëàêîíàêîïèòåëÿìè è îòâàëàìè ìåòàëëóðãè÷åñêèõ çàâîäîâ, õðàíèëèùàìè õèìè÷åñêèõ îòõîäîâ è óäîáðåíèé, ñâàëêàìè, æèâîòíîâîä÷åñêèìè êîìïëåêñàìè, êàíàëèçàöèîííûìè ñòîêàìè íàñåëåííûõ ïóíêòîâ. Èç çàãðÿçíÿþùèõ âîäû âåùåñòâ ïðåîáëàäàþò íåôòåïðîäóêòû, òÿæåëûå ìåòàëëû (ìåäü, êàäìèé, ñâèíåö, öèíê, ðòóòü, íèêåëü), ôåíîëû, õëîðèäû, ñóëüôàòû, ñîåäèíåíèÿ àçîòà. Îñíîâíûìè èñòî÷íèêàìè çàãðÿçíåíèÿ ãèäðîñôåðû ÿâëÿþòñÿ: õîçÿéñòâåííî-áûòîâûå ñòî÷íûå âîäû, ïðîìûøëåííûå ñòî÷íûå âîäû, âîäíûé òðàíñïîðò, ñåëüñêîõîçÿéñòâåííûå ïîëÿ è êðóïíûå æèâîòíîâîä÷åñêèå ôåðìû, óòå÷êè íåôòè è íåôòåïðîäóêòîâ, ñòîê ñ òåððèòîðèé

11.5. Âëèÿíèå íåáëàãîïðèÿòíûõ ýêîëîãè÷åñêèõ ôàêòîðîâ íà çäîðîâüå

305

íàñåëåííûõ ïóíêòîâ è ïðîìûøëåííûõ ïëîùàäîê, äðåíàæíûå âîäû ñ îðîøàåìûõ çåìåëü. Îñíîâíûìè âèäàìè çàãðÿçíåíèé ãèäðîñôåðû ñ÷èòàþòñÿ: ìåõàíè÷åñêîå, ôèçè÷åñêîå, õèìè÷åñêîå, îðãàíè÷åñêîå, áèîëîãè÷åñêîå, òåïëîâîå, ðàäèîàêòèâíîå. Ê íàèáîëåå ñóùåñòâåííûì çàãðÿçíåíèÿì ãèäðîñôåðû â 2005 ã. îòíîñèòñÿ àâàðèÿ, ïðîèçîøåäøàÿ 13 íîÿáðÿ íà õèìè÷åñêîì çàâîäå â ÊÍÐ, â ðåçóëüòàòå êîòîðîé â ð. Ñóíãàðè (ïðèòîê ð. Àìóð) áûëî ñáðîøåíî 100 ò áåíçîëà è íèòðîáåíçîëà. Âîçíèêëà ðåàëüíàÿ óãðîçà çàãðÿçíåíèÿ ð. Àìóð — èñòî÷íèêà âîäîñíàáæåíèÿ ãîðîäîâ Õàáàðîâñêà, Àìóðñêà, Êîìñîìîëüñêà-íà-Àìóðå.

11.5. Âëèÿíèå íåáëàãîïðèÿòíûõ ýêîëîãè÷åñêèõ ôàêòîðîâ íà ñîñòîÿíèå çäîðîâüÿ ÷åëîâåêà Êà÷åñòâî îêðóæàþùåé ñðåäû ñóùåñòâåííî âëèÿåò íà çäîðîâüå íàñåëåíèÿ. Ïðàêòè÷åñêè âñå õèìè÷åñêèå âåùåñòâà è ôèçè÷åñêèå èçëó÷åíèÿ â òîé èëè èíîé ñòåïåíè îêàçûâàþò âðåäíîå âîçäåéñòâèå íà çäîðîâüå ëþäåé, ïðè÷åì âàæíûì ÿâëÿåòñÿ óðîâåíü èõ ïðèñóòñòâèÿ â îêðóæàþùåé ñðåäå. Ñîãëàñíî äàííûì ýêñïåðèìåíòàëüíûõ è ýïèäåìèîëîãè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé, ýêîëîãè÷åñêèå ôàêòîðû äàæå ïðè íåâûñîêîì óðîâíå âîçäåéñòâèÿ ìîãóò âûçûâàòü çíà÷èòåëüíûå ðàññòðîéñòâà çäîðîâüÿ ëþäåé. Çàãðÿçíåíèå ñðåäû ìîæåò ïðèâîäèòü ê ñåðüåçíûì íàðóøåíèÿì â ñîñòîÿíèè çäîðîâüÿ, îñîáåííî òàêèõ ìàëîóñòîé÷èâûõ ãðóïï, êàê äåòè, áåðåìåííûå æåíùèíû, ïîæèëûå ëþäè, áîëüíûå õðîíè÷åñêèìè çàáîëåâàíèÿìè. Ê ôàêòîðàì âíåøíåé ñðåäû, îêàçûâàþùèì âëèÿíèå íà îðãàíèçì, ñëåäóåò îòíåñòè: õàðàêòåð ïèùè, ýíåðãåòè÷åñêèå âîçäåéñòâèÿ, äèíàìè÷åñêèé è õèìè÷åñêèé õàðàêòåð àòìîñôåðû, âîäíûé êîìïîíåíò, áèîëîãè÷åñêèå âîçäåéñòâèÿ, ñáàëàíñèðîâàííîñòü è ñòàáèëüíîñòü êëèìàòè÷åñêèõ è ëàíäøàôòíûõ óñëîâèé, ðèòìû ïðèðîäíûõ ÿâëåíèé è äð. Ïî ñòåïåíè îïàñíîñòè äëÿ çäîðîâüÿ ÷åëîâåêà ñðåäè õèìè÷åñêèõ çàãðÿçíèòåëåé ïåðâåíñòâî ïðèíàäëåæèò òÿæåëûì ìåòàëëàì, õëîðèðîâàííûì óãëåâîäîðîäàì, ïåñòèöèäàì, íèòðàòàì, íèòðîñîåäèíåíèÿì, àñáåñòó. Î÷åíü îïàñíûìè äëÿ çäîðîâüÿ ÿâëÿþòñÿ ðàäèîíóêëèäû, òîêñèíû ìèêðîîðãàíèçìîâ, ëåêàðñòâåííûå ñðåäñòâà (ñèíòåòè÷åñêèå õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ, àíòèáèîòèêè è äð.), à òàêæå çàãðÿçíèòåëè áèîëîãè÷åñêîãî ïðîèñõîæäåíèÿ (áàêòåðèè, âèðóñû, ïàðàçèòû, ïðîñòåéøèå, ãðèáêîâûå). Íàèáîëåå îïàñíûìè è òîêñè÷íûìè èç òÿæåëûõ ìåòàëëîâ ÿâëÿþòñÿ ñâèíåö, ðòóòü, êàäìèé, íèêåëü, ìûøüÿê è äð. Ó÷åíûìè óñòàíîâ-

306 Ãëàâà 11. Îñíîâû ýêîëîãèè ëåíà ñâÿçü ìåæäó êîëè÷åñòâîì îáíàðóæåííûõ â âîäå è ïî÷âå êàäìèÿ è óðîâíåì ïîÿâëåíèÿ çëîêà÷åñòâåííûõ íîâîîáðàçîâàíèé ðàçëè÷íûõ ôîðì ñðåäè íàñåëåíèÿ ýêîëîãè÷åñêè íåáëàãîïðèÿòíûõ ðàéîíîâ. Çàãðÿçíåíèå êàäìèåì ïèùåâûõ ïðîäóêòîâ, êàê ïðàâèëî, ïðîèñõîäèò èç-çà çàãðÿçíåíèÿ ïî÷âû è ïèòüåâîé âîäû ñòî÷íûìè âîäàìè ãàëüâàíè÷åñêèõ è äðóãèõ ïðîèçâîäñòâ, â êîòîðûõ ïðèìåíÿþòñÿ êàäìèéñîäåðæàùèå ñòàáèëèçàòîðû, ïèãìåíòû, êðàñêè; îòõîäàìè îò ìåòàëëóðãè÷åñêèõ ïðîèçâîäñòâ, à òàêæå ïðè èñïîëüçîâàíèè ôîñôàòíûõ óäîáðåíèé. Íàèáîëåå òÿæåëîé ôîðìîé õðîíè÷åñêîãî îòðàâëåíèÿ êàäìèåì ÿâëÿåòñÿ áîëåçíü Èòàé-Èòàé, îáíàðóæåííàÿ â 1946 ã. â ßïîíèè. Ýòà áîëåçíü õàðàêòåðèçóåòñÿ äåôîðìàöèåé ñêåëåòà ñ çàìåòíûì óìåíüøåíèåì ðîñòà, ñîïðîâîæäàåòñÿ áîëÿìè â ïîÿñíèöå è ìûøöàõ íîã. Îðãàíàìè — ìèøåíÿìè êàäìèÿ ÿâëÿþòñÿ ïå÷åíü, ïî÷êè, êîñòíûé ìîçã, òðóá÷àòûå êîñòè è îò÷àñòè ñåëåçåíêà. Êàäìèé äåïîíèðóåòñÿ â ïå÷åíè è ïî÷êàõ, ãäå åãî ñîäåðæèòñÿ äî 30% îò îáùåãî êîëè÷åñòâà â îðãàíèçìå. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïðàêòè÷åñêè âñå êîìïîíåíòû îêðóæàþùåé ñðåäû çàãðÿçíåíû ñâèíöîì. Åæåãîäíî ïðåäïðèÿòèÿìè öâåòíîé ìåòàëëóðãèè âûáðàñûâàëîñü â âîçäóõ áîëåå 600 ò ñâèíöà, ñòåêîëüíîé ïðîìûøëåííîñòè – äî 100 ò, ïðè ñæèãàíèè òîïëèâà ïîñòóïàåò â âîçäóõ äî 0,4 ò. Íàèáîëüøèå êîíöåíòðàöèè ñâèíöà îáíàðóæèâàþòñÿ â àòìîñôåðíîì âîçäóõå ãîðîäîâ è âäîëü êðóïíûõ àâòîìàãèñòðàëåé. Îñíîâíàÿ ÷àñòü ñâèíöà (70–85%) ïîñòóïàåò â îðãàíèçì ÷åëîâåêà ñ ïèùåé, íå áîëåå 10% — ñ ïèòüåâîé âîäîé è äî 25% — èç àòìîñôåðíîãî âîçäóõà. Ïðè âêëþ÷åíèè â ïèùåâûå öåïè ñâèíåö ìîæåò ïîñòóïàòü â îðãàíèçì ÷åëîâåêà ñ ïðîäóêòàìè êàê ðàñòèòåëüíîãî, òàê è æèâîòíîãî ïðîèñõîæäåíèÿ. Ñâèíåö ñïîñîáåí íàêàïëèâàòüñÿ â îðãàíèçìå, îñîáåííî â êîñòíîé òêàíè. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå ñâèäåòåëüñòâóþò, ÷òî äëÿ ðàçâèòèÿ ðàêà â ïðèñóòñòâèè ñâèíöà òðåáóåòñÿ â 5 ðàç ìåíüøåå êîëè÷åñòâî êàíöåðîãåííûõ óãëåâîäîðîäîâ. Âîçäåéñòâèå ïîâûøåííûõ êîíöåíòðàöèé ñâèíöà ïðèâîäèò ê èçìåíåíèþ ðåïðîäóêòèâíîé, íåðâíîé, ñåðäå÷íî-ñîñóäèñòîé, èììóííîé, ýíäîêðèííîé ñèñòåì. Åãî òîêñèêîëîãè÷åñêîå äåéñòâèå ïðîÿâëÿåòñÿ â èçìåíåíèÿõ ôóíêöèîíàëüíîãî ñîñòîÿíèÿ ïî÷åê, ñèíòåçà ãåììà — îñíîâû ãåìîãëîáèíà. Ñòîéêèìè â ýêîëîãè÷åñêèõ öåïÿõ îêàçûâàþòñÿ ðàäèîíóêëèäû, ïîñòóïàþùèå â îðãàíèçì ÷åëîâåêà òàêæå â îñíîâíîì ñ ïðîäóêòàìè ïèòàíèÿ. Èç ïðîäóêòîâ ðàñùåïëåíèÿ óðàíà ïðåäñòàâëÿþò îñîáóþ îïàñíîñòü ñòðîíöèé-90 è öåçèé-137 (èìåþùèå ïåðèîä ïîëóðàñïàäà ïîðÿäêà 30 ëåò): ñòðîíöèé î÷åíü ëåãêî ïðîíèêàåò â êîñòíóþ òêàíü ïîçâîíî÷íûõ, à öåçèé íàêàïëèâàåòñÿ â ìóñêóëüíûõ òêàíÿõ, çàìåùàÿ êàëèé. Îíè ñïîñîáíû íàêàïëèâàòüñÿ â îðãàíèçìå â êîëè÷åñòâàõ, äîñòàòî÷íûõ äëÿ

11.6. Ñîòðóäíè÷åñòâî â îáëàñòè îõðàíû îêðóæàþùåé ñðåäû

307

ïðè÷èíåíèÿ óùåðáà çäîðîâüþ, è çàäåðæèâàòüñÿ ïðàêòè÷åñêè äî êîíöà æèçíè, âûçûâàÿ êàíöåðîãåííûå, ìóòàãåííûå è äðóãèå çàáîëåâàíèÿ. Âîçäåéñòâèå àòìîñôåðíûõ çàãðÿçíèòåëåé ÷àùå âñåãî ïðèâîäèò ê îñëàáëåíèþ èììóíèòåòà, ÷òî ñîïðîâîæäàåòñÿ ñíèæåíèåì ñîïðîòèâëÿåìîñòè îðãàíèçìà è ïîâûøåííîé çàáîëåâàåìîñòüþ. Èññëåäîâàíèÿìè Èíñòèòóòà ýêîëîãèè è ãèãèåíû îêðóæàþùåé ñðåäû ÐÀÌÍ óñòàíîâëåíà ñâÿçü ìåæäó óðîâíåì ñóììàðíîãî çàãðÿçíåíèÿ âîçäóõà è ïîêàçàòåëÿìè àëëåðãè÷åñêîé çàáîëåâàåìîñòè ó äåòåé. Òàê, â Ìîñêâå äîëÿ ÷àñòî áîëåþùèõ îñòðûìè ðåñïèðàòîðíûìè çàáîëåâàíèÿìè äåòåé â î÷åíü çàãðÿçíåííûõ ðàéîíàõ ñîñòàâèëà 8%, à â ìåíåå çàãðÿçíåííûõ — 1,2%. Â ïîñëåäíèå äåñÿòèëåòèÿ ñóùåñòâåííî âîçðîñëè ñóììàðíûå âûáðîñû â àòìîñôåðó îò àâòîòðàíñïîðòà, ïðè÷åì â ðàçíûõ ãîðîäàõ íà äîëþ ýòèõ âûáðîñîâ ïðèõîäèòñÿ îò 45 äî 85% çàãðÿçíåíèÿ âîçäóõà. Â ðåçóëüòàòå ïðèìåðíî 30% ãîðîäñêîãî íàñåëåíèÿ ñòðàíû äûøàò âîçäóõîì, â êîòîðîì êîíöåíòðàöèÿ âðåäíûõ âåùåñòâ ïðåâûøàåò ñàíèòàðíî-ãèãèåíè÷åñêèå íîðìàòèâû â 10 è áîëåå ðàç. Â ãîðîäàõ ñ ðàçâèòîé ìåòàëëóðãè÷åñêîé ïðîìûøëåííîñòüþ âçðîñëîå íàñåëåíèå ÷àùå âñåãî ñòðàäàåò áîëåçíÿìè îðãàíîâ êðîâîîáðàùåíèÿ è îðãàíîâ ïèùåâàðåíèÿ, à äåòè — áîëåçíÿìè îðãàíîâ äûõàíèÿ è ïèùåâàðåíèÿ, êîæè è ñëèçèñòûõ îáîëî÷åê ãëàç. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ íåãàòèâíîå âîçäåéñòâèå îêðóæàþùåé ÷åëîâåêà ñðåäû ïðîÿâëÿåòñÿ â ðàçâèòèè ñëåäóþùèõ ïðîöåññîâ: àëëåðãèçàöèè íàñåëåíèÿ, ðîñòå îíêîëîãè÷åñêîé çàáîëåâàåìîñòè, íàðóøåíèè áèîðèòìîâ, ðîñòå ÷èñëà ëèö ñ èçáûòî÷íûì âåñîì, ðîñòå ÷èñëà äåòåé, ðîäèâøèõñÿ íåäîíîøåííûìè, àêñåëåðàöèè, ðàçâèòèè ïðîôåññèîíàëüíûõ çàáîëåâàíèé, âîçðàñòàíèè óäåëüíîãî âåñà õðîíè÷åñêèõ çàáîëåâàíèé è äð.

11.6. Ìåæäóíàðîäíîå ñîòðóäíè÷åñòâî â îáëàñòè îõðàíû îêðóæàþùåé ñðåäû

Ìåæäóíàðîäíîå ñîòðóäíè÷åñòâî â ðåøåíèè ãëîáàëüíûõ ýêîëîãè÷åñêèõ ïðîáëåì — ýòî ìåæäóíàðîäíàÿ äåÿòåëüíîñòü íà ïðàâèòåëüñòâåííîì è íåïðàâèòåëüñòâåííîì óðîâíÿõ, îñóùåñòâëÿåìàÿ â ðàìêàõ ìåæãîñóäàðñòâåííûõ ñîãëàøåíèé, ìåæäóíàðîäíûõ ïðîãðàìì ÎÎÍ, ÞÍÅÑÊÎ è äð., ýêîëîãè÷åñêèõ ïðîãðàìì è ïðîåêòîâ, îñóùåñòâëÿåìûõ ÷àñòíûìè è ãîñóäàðñòâåííûìè ýêîëîãè÷åñêèìè ôîíäàìè è íàïðàâëåííûõ íà îáúåäèíåíèå óñèëèé ãîñóäàðñòâ, ÷àñòíûõ ëèö è îáùåñòâåííûõ îáúåäèíåíèé â ïðåîäîëåíèè ãëîáàëüíûõ ýêîëîãè÷åñêèõ ïðîáëåì ÷åëîâå÷åñòâà. Ìåæäóíàðîäíîå ñîòðóäíè÷åñòâî â îáëàñòè îõðàíû îêðóæàþùåé ïðè-

308 Ãëàâà 11. Îñíîâû ýêîëîãèè ðîäíîé ñðåäû ðåãóëèðóåòñÿ ìåæäóíàðîäíûì ýêîëîãè÷åñêèì ïðàâîì, â îñíîâå êîòîðîãî ëåæàò îáùåïðèçíàííûå ïðèíöèïû è íîðìû. Âûñîêàÿ ïðèîðèòåòíîñòü ýêîëîãè÷åñêîãî ôàêòîðà â ìåæäóíàðîäíûõ îòíîøåíèÿõ ïîñòîÿííî âîçðàñòàåò, ÷òî ñâÿçàíî ñ óõóäøåíèåì ñîñòîÿíèÿ îêðóæàþùåé ñðåäû. Îáúåêòû ìåæäóíàðîäíîãî ñîòðóäíè÷åñòâà â îáëàñòè îõðàíû îêðóæàþùåé ïðèðîäíîé ñðåäû äåëÿòñÿ íà íåñêîëüêî ãðóïï. Òàê, âûäåëÿþò íàöèîíàëüíûå è ìåæäóíàðîäíûå îáúåêòû. Ê ïåðâûì, òî åñòü âíóòðèãîñóäàðñòâåííûì, îòíîñÿòñÿ íåäðà, çåìëÿ, âîäû, æèâîòíûé è ðàñòèòåëüíûé ìèð, êîòîðûå íàõîäÿòñÿ íà òåððèòîðèè ãîñóäàðñòâà. Ê ìåæäóíàðîäíûì îáúåêòàì îõðàíû îêðóæàþùåé ñðåäû îòíîñÿòñÿ àòìîñôåðíûé âîçäóõ, Ìèðîâîé îêåàí, Àíòàðêòèäà è äðóãèå, êîòîðûå íå âõîäÿò â þðèñäèêöèþ ãîñóäàðñòâ è íå ÿâëÿþòñÿ ÷üèì-ëèáî íàöèîíàëüíûì äîñòîÿíèåì. Îíè îñâàèâàþòñÿ è îõðàíÿþòñÿ íà îñíîâàíèè ðàçëè÷íûõ êîíâåíöèé, äîãîâîðîâ, ïðîòîêîëîâ è äðóãèõ äîêóìåíòîâ, îòðàæàþùèõ ñîâìåñòíûå óñèëèÿ ìåæäóíàðîäíîãî ñîîáùåñòâà. Îñíîâíûå ïðèíöèïû ìåæäóíàðîäíîãî ñîòðóäíè÷åñòâà äëèòåëüíîå âðåìÿ âûðàáàòûâàëèñü è ôîðìóëèðîâàëèñü ìèðîâûì ñîîáùåñòâîì. Ïåðå÷èñëèì ãëàâíûå èç íèõ: u

u

u

u

u

u

êàæäûé ÷åëîâåê èìååò ïðàâî íà æèçíü â íàèáîëåå áëàãîïðèÿòíûõ ýêîëîãè÷åñêèõ óñëîâèÿõ; êàæäîå ãîñóäàðñòâî èìååò ïðàâî íà èñïîëüçîâàíèå ïðèðîäíûõ ðåñóðñîâ è îêðóæàþùåé ñðåäû äëÿ ðàçâèòèÿ è îáåñïå÷åíèÿ íóæä ñâîèõ ãðàæäàí; ýêîëîãè÷åñêîå áëàãîïîëó÷èå îäíîãî ãîñóäàðñòâà íå ìîæåò îáåñïå÷èâàòüñÿ çà ñ÷åò äðóãèõ èëè áåç ó÷åòà èõ èíòåðåñîâ (íàïðèìåð, ïðèðîäíûå ðåñóðñû ñëàáîðàçâèòûõ ñòðàí íå äîëæíû áåçóäåðæíî ýêñïëóàòèðîâàòüñÿ äðóãèìè ãîñóäàðñòâàìè); íåäîïóñòèìû ëþáûå âèäû õîçÿéñòâåííîé è èíîé äåÿòåëüíîñòè, ýêîëîãè÷åñêèå ïîñëåäñòâèÿ êîòîðîé íåïðåäñêàçóåìû; äîëæåí áûòü óñòàíîâëåí êîíòðîëü íà ãëîáàëüíîì, ðåãèîíàëüíîì è íàöèîíàëüíîì óðîâíÿõ çà ñîñòîÿíèåì è èçìåíåíèÿìè îêðóæàþùåé ñðåäû è ïðèðîäíûõ ðåñóðñîâ íà îñíîâå ìåæäóíàðîäíî ïðèçíàííûõ êðèòåðèåâ è ïàðàìåòðîâ; äîëæåí áûòü îáåñïå÷åí ñâîáîäíûé è áåñïðåïÿòñòâåííûé ìåæäóíàðîäíûé îáìåí íàó÷íî-òåõíè÷åñêîé èíôîðìàöèåé ïî ïðîáëåìàì ýêîëîãèè è ïåðåäîâûõ ïðèðîäîñáåðåãàþùèõ òåõíîëîãèé;

11.7. Ýêîëîãè÷åñêîå îáðàçîâàíèå u

309

ãîñóäàðñòâà äîëæíû îêàçûâàòü äðóã äðóãó ïîìîùü â ÷ðåçâû÷àéíûõ ýêîëîãè÷åñêèõ ñèòóàöèÿõ.

Ðîññèéñêàÿ Ôåäåðàöèÿ ÿâëÿåòñÿ àêòèâíûì ó÷àñòíèêîì ìåæäóíàðîäíîãî ñîòðóäíè÷åñòâà â ñôåðå îáåñïå÷åíèÿ ýêîëîãè÷åñêîé áåçîïàñíîñòè. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ Ðîññèÿ ó÷àñòâóåò â ìíîãîñòîðîííèõ ìåæäóíàðîäíûõ äîãîâîðàõ, êîíâåíöèÿõ è ñîãëàøåíèÿõ îá îõðàíå îêðóæàþùåé ñðåäû è ïðèðîäîïîëüçîâàíèÿ ñî ñòðàíàìè Åâðîïû, ÑØÀ, Àçèè. Îäíèì èç àêòóàëüíûõ íàïðàâëåíèé â îðãàíèçàöèè ìåæäóíàðîäíîãî ýêîëîãî-ïðàâîâîãî ñîòðóäíè÷åñòâà ÿâëÿåòñÿ ïðîãíîçèðîâàíèå âîçìîæíîñòåé âîçíèêíîâåíèÿ è ìàñøòàáîâ ðàñïðîñòðàíåíèÿ íîâûõ òåõíîãåííûõ ôàêòîðîâ, îêàçûâàþùèõ âðåäíîå âëèÿíèå íà ýêîëîãè÷åñêóþ îáñòàíîâêó, è ðàçðàáîòêà íà äàííîé îñíîâå ñèñòåìû ìåð ïî ñíèæåíèþ ñòåïåíè íåãàòèâíîãî èõ âîçäåéñòâèÿ íà ïðèðîäíóþ ñðåäó, êëèìàò, çäîðîâüå íàñåëåíèÿ, äóõîâíûå, ñîöèàëüíûå è ïðî÷èå öåííîñòè ÷åëîâåêà è îáùåñòâà. Ïåðñïåêòèâíîé ôîðìîé íàó÷íî-òåõíè÷åñêîé èíòåãðàöèè ñ ó÷åòîì îáåñïå÷åíèÿ ýêîëîãè÷åñêîé áåçîïàñíîñòè ìîæåò ñëóæèòü ðàçðàáîòêà ìíîãîñòîðîííèõ öåëåâûõ ïðîãðàìì ñîòðóäíè÷åñòâà, îðèåíòèðîâàííûõ íà ïðèîðèòåòíîå ðåøåíèå âçàèìîñâÿçàííûõ íàó÷íûõ è òåõíè÷åñêèõ ïðîáëåì íà îñíîâå äîëåâîãî ó÷àñòèÿ â èõ ôèíàíñîâîì, ìàòåðèàëüíî-òåõíè÷åñêîì è äðóãîì îáåñïå÷åíèè.

11.7. Ýêîëîãè÷åñêîå îáðàçîâàíèå Èíòåíñèâíîå ðàçâèòèå ýêîëîãè÷åñêîãî îáðàçîâàíèÿ ñòàíîâèòñÿ àêòóàëüíîé çàäà÷åé âñåõ öèâèëèçîâàííûõ ñòðàí è ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê îäíî èç ñðåäñòâ ïðåîäîëåíèÿ ãëîáàëüíîãî ýêîëîãè÷åñêîãî êðèçèñà. Ýêîëîãèÿ êàê ñèñòåìà íàó÷íûõ è ó÷åáíûõ äèñöèïëèí äîëæíà ñòàòü îäíèì èç ãëàâíûõ êîìïîíåíòîâ ñîäåðæàíèÿ îáðàçîâàíèÿ â XXI âåêå. Ñîãëàñíî Óêàçó Ïðåçèäåíòà Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè «Î ãîñóäàðñòâåííîé ñòðàòåãèè Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè ïî îõðàíå îêðóæàþùåé ñðåäû è îáåñïå÷åíèþ óñòîé÷èâîãî ðàçâèòèÿ», ïåðâîî÷åðåäíûìè ñ÷èòàþòñÿ ñëåäóþùèå ìåðû: u

u

u

ñîçäàíèå èíôðàñòðóêòóðû äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñèñòåìû íåïðåðûâíîãî ýêîëîãè÷åñêîãî îáðàçîâàíèÿ; ïåðåñìîòð âñåõ øêîëüíûõ êóðñîâ ñ òî÷êè çðåíèÿ èäåè ýêîëîãè÷åñêè áåçîïàñíîãî, óñòîé÷èâîãî ðàçâèòèÿ; ñîçäàíèå ñèñòåìû ïðàêòè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè ó÷àùèõñÿ ïî óëó÷øåíèþ ñîñòîÿíèÿ îêðóæàþùåé ñðåäû;

310 Ãëàâà 11. Îñíîâû ýêîëîãèè u

u

êîîðäèíàöèÿ øêîëüíîé è âíåøêîëüíîé ñèñòåì îáðàçîâàíèÿ, íà÷àëüíîãî, ñðåäíåãî, ïðîôåññèîíàëüíîãî îáðàçîâàíèÿ, ýêîëîãî-ïðîñâåòèòåëüñêîé äåÿòåëüíîñòè íåïðàâèòåëüñòâåííûõ îðãàíèçàöèé; ïîäãîòîâêà è ïîâûøåíèå êâàëèôèêàöèè ïåäàãîãè÷åñêèõ êàäðîâ ïî âîïðîñàì ýêîëîãè÷åñêîãî îáðàçîâàíèÿ.

Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ñóùåñòâóåò ìíîæåñòâî àâòîðñêèõ îïðåäåëåíèé ïîíÿòèÿ «ýêîëîãè÷åñêîå îáðàçîâàíèå». Òàê, È. Ä. Çâåðåâ è È. Ò. Ñóðàâåãèíà, àâòîðû Êîíöåïöèè îáùåãî ñðåäíåãî ýêîëîãè÷åñêîãî îáðàçîâàíèÿ, ïîä ýêîëîãè÷åñêèì îáðàçîâàíèåì ïîíèìàþò íåïðåðûâíûé ïðîöåññ îáó÷åíèÿ, âîñïèòàíèÿ è ðàçâèòèÿ ëè÷íîñòè, íàïðàâëåííûé íà ôîðìèðîâàíèå ñèñòåìû íàó÷íûõ è ïðàêòè÷åñêèõ çíàíèé è óìåíèé, öåííîñòíûõ îðèåíòàöèé, ïîâåäåíèÿ è äåÿòåëüíîñòè, îáåñïå÷èâàþùèõ îòâåòñòâåííîå îòíîøåíèå ê îêðóæàþùåé ñîöèàëüíî-ïðèðîäíîé ñðåäå è çäîðîâüþ. Òàêèì îáðàçîì, ýêîëîãè÷åñêîå îáðàçîâàíèå — ýòî öåëåíàïðàâëåííî îðãàíèçîâàííûé, ïëàíîìåðíî è ñèñòåìàòè÷åñêè îñóùåñòâëÿåìûé ïðîöåññ îâëàäåíèÿ ýêîëîãè÷åñêèìè çíàíèÿìè, óìåíèÿìè è íàâûêàìè. Öåëüþ ýêîëîãè÷åñêîãî îáðàçîâàíèÿ ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìîñòü ôîðìèðîâàíèÿ ýêîëîãè÷åñêîé êóëüòóðû íà îñíîâå îâëàäåíèÿ ýêîëîãè÷åñêèìè çíàíèÿìè, óìåíèÿìè è öåííîñòíûìè îðèåíòàöèÿìè â îòíîøåíèÿõ ñ ïðèðîäîé, ïîñêîëüêó ñóùåñòâîâàíèå ÷åëîâåêà áåç ïðèðîäû íåâîçìîæíî. Êëþ÷åâóþ ðîëü â äîñòèæåíèè ýòîé öåëè èãðàåò ðàçâèòèå ýêîëîãè÷åñêîãî ñîçíàíèÿ ëè÷íîñòè. Âåäóùèìè èäåÿìè ðàçâèòèÿ ýêîëîãè÷åñêîãî îáðàçîâàíèÿ ÿâëÿþòñÿ: u u u u u

îñìûñëåíèå åäèíñòâà âñåãî æèâîãî, à òàêæå æèâîãî è íåæèâîãî â ïðèðîäå; ïîíèìàíèå ìíîãîîáðàçèÿ öåííîñòåé ïðèðîäû è íåâîñïîëíèìîñòè æèçíè; ïîíèìàíèå ýêîëîãè÷åñêèõ âçàèìîäåéñòâèé, îáåñïå÷èâàþùèõ öåëîñòíîñòü æèâûõ ñèñòåì è óñòîé÷èâîñòü æèçíè; âîñïèòàíèå ýêîëîãè÷åñêîé îòâåòñòâåííîñòè çà ñîñòîÿíèå îêðóæàþùåé ñðåäû, ñâîåãî çäîðîâüÿ è çäîðîâüÿ äðóãèõ ëþäåé; îñîçíàíèå ìîðàëüíîãî âûáîðà ñïîñîáà öåëåñîîáðàçíîé äåÿòåëüíîñòè, ñîãëàñóþùåéñÿ ñ ýêîëîãè÷åñêèì è íðàâñòâåííûì èìïåðàòèâîì.

Àêòóàëüíîñòü ýêîëîãè÷åñêîãî îáðàçîâàíèÿ îáóñëîâëåíà ãëîáàëüíîñòüþ ýêîëîãè÷åñêèõ ïðîáëåì, ñòîÿùèõ ïåðåä ÷åëîâå÷åñòâîì, è íåâîçìîæíîñòüþ èõ ðåøåíèÿ áåç ñôîðìèðîâàííîñòè ýêîëîãè÷åñêîé îòâåòñòâåííîñòè, ýêîëîãè÷åñêîé êóëüòóðû. Áîëüøóþ ðîëü â ôîðìèðîâà-


311

íèè è ðàçâèòèè ýêîëîãè÷åñêîãî ñîçíàíèÿ, ýêîëîãè÷åñêîé êóëüòóðû, çíàíèé, óìåíèé, íàâûêîâ ó÷àùèõñÿ èãðàåò îðãàíèçàöèÿ âíåóðî÷íîé è âíåêëàññíîé ðàáîòû. Ê òàêèì ôîðìàì ðàáîòû îòíîñÿòñÿ: ýêîëîãè÷åñêèå èãðû (ñîðåâíîâàòåëüíûå, ðîëåâûå, èìèòàöèîííûå), äåòñêèå ýêîëîãè÷åñêèå äâèæåíèÿ, ýêñêóðñèè, êîíêóðñû ýêîëîãè÷åñêîé íàïðàâëåííîñòè, ýêîëîãî-êðàåâåä÷åñêàÿ äåÿòåëüíîñòü, øêîëüíûå ïðîåêòû, ýêñïåäèöèè, ôàêóëüòàòèâû, íàó÷íûå âå÷åðà, êîíôåðåíöèè, èññëåäîâàòåëüñêèå ðàáîòû ó÷àùèõñÿ, èçäàíèå ñòåíãàçåò, àëüáîìîâ, ó÷àñòèå â ýêîëîãè÷åñêèõ îëèìïèàäàõ, ïðîñìîòð âèäåîôèëüìîâ, øêîëüíûé ýêîëîãè÷åñêèé ìîíèòîðèíã è äð. Â íàñòîÿùåå âðåìÿ ìîæíî îïðåäåëèòü íåñêîëüêî âîçìîæíûõ íàïðàâëåíèé ðàçâèòèÿ ñèñòåìû ýêîëîãè÷åñêîãî îáðàçîâàíèÿ, ïðåäñòàâëåííûõ â ñëåäóþùèõ ìîäåëÿõ: îò ýêîëîãè÷åñêîãî îáðàçîâàíèÿ — ê îáðàçîâàíèþ äëÿ óñòîé÷èâîãî ðàçâèòèÿ (ñîöèàëüíî-ýêîíîìè÷åñêîãî àñïåêò); ê ýêîëîãè÷åñêîé êóëüòóðå — ÷åðåç ýêîëîãè÷åñêîå ïðîñâåùåíèå íàñåëåíèÿ (ýêîëîãî-êóëüòóðîëîãè÷åñêèé àñïåêò); ýêîëîãè÷åñêàÿ êîìïåòåíòíîñòü — îáÿçàòåëüíûé êîìïîíåíò ïðîôåññèîíàëüíîé äåÿòåëüíîñòè ëþáîãî ñïåöèàëèñòà. Òàêèì îáðàçîì, ïðåîáðàçóþùåå âîçäåéñòâèå ÷åëîâå÷åñêîãî îáùåñòâà íà ïðèðîäó íåèçáåæíî, îíî óñèëèâàåòñÿ ïî ìåðå ðîñòà ÷èñëåííîñòè íàñåëåíèÿ, â ðåçóëüòàòå íàó÷íî-òåõíè÷åñêîãî ïðîãðåññà, óâåëè÷åíèÿ ÷èñëà è ìàññû âåùåñòâ, âîâëåêàåìûõ â õîçÿéñòâåííûé îáîðîò. Ñòèõèéíîå èñïîëüçîâàíèå ïðèðîäíûõ ðåñóðñîâ áåç ñîîòâåòñòâóþùèõ ìåð èõ çàùèòû è âîçìîæíîñòè âîññòàíîâëåíèÿ, èíòåíñèâíîå è âñå âîçðàñòàþùåå çàãðÿçíåíèå îêðóæàþùåé ñðåäû ïðèâîäÿò ê íåïîïðàâèìûì èçìåíåíèÿì â ïðèðîäå, êàòàñòðîôè÷åñêèì èçìåíåíèÿì â áèîñôåðå. Â ñâÿçè ñ ýòèì îáåñïå÷åíèå ýêîëîãè÷åñêîé áåçîïàñíîñòè ÿâëÿåòñÿ âàæíåéøåé åñòåñòâåííîíàó÷íîé è ñîöèàëüíî-ïîëèòè÷åñêîé ïðîáëåìîé ñîâðåìåííîñòè, îò ïðàâèëüíîãî ðåøåíèÿ êîòîðîé çàâèñèò áëàãîïîëó÷èå ÷åëîâå÷åñòâà. Ñîõðàíèòü ãàðìîíè÷íûå îòíîøåíèÿ ÷åëîâåêà è ïðèðîäû — îñíîâíàÿ çàäà÷à, êîòîðàÿ ñòîèò ïåðåä íûíåøíèì ïîêîëåíèåì. Ðåøåíèå ýòîé çàäà÷è òðåáóåò èçìåíåíèÿ ìíîãèõ ðàíåå ñëîæèâøèõñÿ ïðåäñòàâëåíèé î ñîèçìåðåíèè ÷åëîâå÷åñêèõ öåííîñòåé, íåîáõîäèìîñòè ðàçâèòèÿ ó êàæäîãî ÷åëîâåêà ýêîëîãè÷åñêîãî ñîçíàíèÿ, ýêîëîãè÷åñêîé êóëüòóðû.

Âîïðîñû äëÿ ñàìîïðîâåðêè 1. Äàéòå îïðåäåëåíèå ýêîëîãèè êàê íàóêè. Íàçîâèòå àâòîðà òåðìèíà. 2. Íàçîâèòå è ïðîàíàëèçèðóéòå îñíîâíûå çàäà÷è ýêîëîãèè.

312 Ãëàâà 11. Îñíîâû ýêîëîãèè 3. ×òî ïîíèìàåòñÿ ïîä ñðåäîé îáèòàíèÿ, ýêîëîãè÷åñêèì ôàêòîðîì? Ïðèâåäèòå ïðèìåðû. 4. Íàçîâèòå ãëîáàëüíûå ýêîëîãè÷åñêèå ïðîáëåìû ñîâðåìåííîñòè, èõ îñîáåííîñòè. 5. ×òî âû ïîíèìàåòå ïîä çàãðÿçíåíèåì îêðóæàþùåé ñðåäû, êàêîâû åãî îñíîâíûå âèäû? 6. Ïðèâåäèòå ïðèìåðû âëèÿíèÿ ýêîëîãè÷åñêèõ ôàêòîðîâ íà çäîðîâüå ÷åëîâåêà. 7. Â ÷åì çàêëþ÷àåòñÿ ñóùíîñòü ïðîâåäåíèÿ ìîíèòîðèíãà îêðóæàþùåé ñðåäû? 8. Ïî÷åìó íåîáõîäèìî ìåæäóíàðîäíîå ñîòðóäíè÷åñòâî â îðãàíèçàöèè îõðàíû ïðèðîäû? 9. Ïåðå÷èñëèòå îñíîâíûå ïðèíöèïû ìåæäóíàðîäíîãî ñîòðóäíè÷åñòâà â îáëàñòè îõðàíû îêðóæàþùåé ïðèðîäíîé ñðåäû. 10. Íàçîâèòå è îáúÿñíèòå âåäóùèå èäåè ýêîëîãè÷åñêîãî îáðàçîâàíèÿ.

ÇÀÊËÞ×ÅÍÈÅ

Ñîâðåìåííóþ íàóêó õàðàêòåðèçóåò ñìåíà ïàðàäèãì, òî åñòü ñëîæèâøèõñÿ íàó÷íûõ ñòåðåîòèïîâ. Ñìåíà íàó÷íîé ïàðàäèãìû îïðåäåëÿåòñÿ, â ïåðâóþ î÷åðåäü, ïåðåõîäîì îò àíòðîïîöåíòðèçìà ê áèîñôåðîöåíòðèçìó, óñèëèâàþùèìè ïðîöåññàìè èíòåãðàöèè íàó÷íîãî çíàíèÿ. Ñôîðìèðîâàëàñü ñîâðåìåííàÿ íàó÷íàÿ êàðòèíà ìèðà êàê öåëîñòíàÿ ñèñòåìà ïðåäñòàâëåíèé î ìèðå, åãî îáùèõ ñâîéñòâàõ è çàêîíîìåðíîñòÿõ, âîçíèêøàÿ â ðåçóëüòàòå îáîáùåíèÿ îñíîâíûõ åñòåñòâåííî-íàó÷íûõ òåîðèé. Îñíîâîé äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ íàó÷íîé êàðòèíû ìèðà ÿâëÿåòñÿ åñòåñòâîçíàíèå. Ñîâðåìåííîå åñòåñòâîçíàíèå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ðàçâåòâëåííóþ îáëàñòü íàó÷íîãî çíàíèÿ î ïðèðîäå, õàðàêòåðèçóþùóþñÿ îäíîâðåìåííî èäóùèìè ïðîöåññàìè íàó÷íîé äèôôåðåíöèàöèè è ñîçäàíèÿ ñèíòåòè÷åñêèõ äèñöèïëèí è îðèåíòèðîâàííóþ íà èíòåãðàöèþ íàó÷íûõ çíàíèé. Êàæäàÿ äèñöèïëèíà åñòåñòâîçíàíèÿ âèäèò â ïðèðîäå ñâîé àñïåêò èçó÷åíèÿ. Ýòî ìíîãîîáðàçèå íàøëî ñâîå îòðàæåíèå â áîëüøîì êîëè÷åñòâå êîíöåïöèé, ïîñâÿùåííûõ ïðàêòè÷åñêè âñåì ïðèðîäíûì îáúåêòàì, ÿâëåíèÿì è ïðîöåññàì. Åãî îòëè÷àþò ÿñíîå ïîíèìàíèå öåëîñòíîñòè ïðèðîäû, ýâîëþöèîííûé ïîäõîä ê åå èçó÷åíèþ è ê îñìûñëåíèþ ðåçóëüòàòîâ èññëåäîâàíèé, èíòåíñèâíî èäóùèå ïðîöåññû èíòåãðàöèè ðàçíûõ íàó÷íûõ íàïðàâëåíèé. Ñèñòåìíîå èçó÷åíèå ïðèðîäû ïîêàçûâàåò, ÷òî ìàòåðèÿ ñîñòîèò èç àòîìîâ è ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö; ñâîéñòâà îáúåêòîâ çàâèñÿò îò êîëè÷åñòâà è ðàñïîëîæåíèÿ ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö; Âñåëåííàÿ âîçíèêëà äàâíî è ñ òåõ ïîð èçìåíÿåòñÿ; êëåòêà ÿâëÿåòñÿ åäèíèöåé âñåõ æèâûõ îðãàíèçìîâ; âñå îðãàíèçìû ïîÿâèëèñü â ðåçóëüòàòå åñòåñòâåííîãî îòáîðà. Â öåëîì ìèð ìíîãîîáðàçåí è ïîñòîÿííî íàõîäèòñÿ â ïðîöåññå ïðåâðàùåíèÿ îäíèõ ñèñòåì â äðóãèå. Â òî æå âðåìÿ îáùåå ñîñòîÿíèå çíàíèé î ïðèðîäíûõ îáúåêòàõ ïðèâîäèò ê âûâîäó, ÷òî ìèð äî êîíöà íå ïîçíàí è ìíîãèå ïðèðîäíûå ÿâëåíèÿ åùå íå ïîëó÷èëè ñâîå îáúÿñíåíèå, òàê êàê äëÿ ýòîãî åùå íå ñëîæèëèñü ïðåäïîñûëêè. Ñîõðàíåíèå âûñîêîãî ñòàòóñà ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé ñî÷åòàåòñÿ ñ ðàñøèðåíèåì ðàçðàáîòîê ïðèêëàäíîãî õàðàêòåðà. Â áó-

314 Çàêëþ÷åíèå äóùåì âðÿä ëè ÷åëîâå÷åñòâî îòêàæåòñÿ îò ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé, íå ïðèíîñÿùèõ ñèþìèíóòíûõ âûãîä, íî òðåáóþùèõ çíà÷èòåëüíûõ çàòðàò, — îñâîåíèÿ êîñìè÷åñêîãî ïðîñòðàíñòâà, èçó÷åíèÿ ìèêðîìèðà è äð. Òåì íå ìåíåå íàèáîëåå àêòèâíî, âåðîÿòíî, áóäóò ðàçâèâàòüñÿ òå íàïðàâëåíèÿ íàóêè, êîòîðûå ïðåäóñìàòðèâàþò óäîâëåòâîðåíèå ñîöèàëüíûõ ïîòðåáíîñòåé. Ñðåäè òàêèõ ïåðñïåêòèâíûõ íàïðàâëåíèé ìîæíî âûäåëèòü ñëåäóþùèå: u

u

u

u

ðàçâèòèå ôèçèêè âûñîêèõ ýíåðãèé, ñïîñîáñòâóþùåå óòî÷íåíèþ ñïåöèôèêè ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö, ïðèáëèæàþùåé ê ïîñòðîåíèþ åäèíîé òåîðèè ïîëÿ; èññëåäîâàíèÿ â îáëàñòè òåðìîÿäåðíîãî ñèíòåçà: èõ ïåðåõîä â ñôåðó ïðèêëàäíûõ ðàçðàáîòîê äîëæíû äîêàçàòü ýôôåêòèâíîñòü è áåçîïàñíîñòü ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ïðîìûøëåííûõ òåðìîÿäåðíûõ ðåàêòîðîâ; õèìè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ, îáåñïå÷èâàþùèå âûõîä íà óðîâåíü ìàñøòàáíîãî ïîëó÷åíèÿ ïðèðîäíûõ ñîåäèíåíèé, ÷òî áóäåò ñïîñîáñòâîâàòü ñìÿã÷åíèþ ïðîáëåìû ìèðîâîãî ðåñóðñíîãî äåôèöèòà; ïðîãíîç è ïðåäîòâðàùåíèå âîçìîæíûõ ýêîëîãè÷åñêèõ ïîñëåäñòâèé êîíêðåòíûõ íàó÷íûõ è òåõíîëîãè÷åñêèõ ðàçðàáîòîê, êîòîðûå îáåñïå÷èâàþòñÿ â ïðîöåññå âçàèìîñâÿçè ôóíäàìåíòàëüíûõ è ïðèêëàäíûõ èññëåäîâàíèé.

Óñèëèâàþùàÿ òåíäåíöèÿ ê èíòåãðàöèè åñòåñòâåííûõ íàóê ïîçâîëÿåò ïðåäïîëîæèòü, ÷òî â äàëüíåéøåì íà êàêîé-òî áîëåå ãëóáîêîé îñíîâå áóäóò îáúåäèíåíû âñå íàóêè î íåæèâîé è æèâîé ïðèðîäå. Åñòåñòâîçíàíèå, âåðîÿòíî, áóäåò âûñòóïàòü êàê åäèíàÿ è ìíîãîãðàííàÿ íàóêà î ïðèðîäå. Ó÷èòûâàÿ äèíàìèçì íàóêè, äîâîëüíî òðóäíî ðåàëüíî îöåíèòü åå áóäóùåå. Ïðè ýòîì ìîæíî îòìåòèòü ñëåäóþùèå ïðîãíîñòè÷åñêèå òåíäåíöèè íàó÷íîãî ðàçâèòèÿ: u

u

u

ïîâûøåíèå ñòàòóñà íàóêè â äèíàìèêå öèâèëèçàöèîííîãî ïðîöåññà; èìåííî ñ ðàçâèòèåì íàó÷íîãî çíàíèÿ ñêëàäûâàþòñÿ ïîçèòèâíûå ïåðñïåêòèâû öèâèëèçàöèè; ñî÷åòàíèå ïðîäîëæàþùåéñÿ äèôôåðåíöèàöèè åñòåñòâåííûõ, òåõíè÷åñêèõ è ãóìàíèòàðíûõ íàóê ñ óñèëåíèåì èíòåãðàòèâíûõ òåíäåíöèé; èíòåãðàöèÿ ñèñòåìû íàó÷íîãî çíàíèÿ â öåëÿõ ðàçðåøåíèÿ ïðîòèâîðå÷èé ãëîáàëüíîãî ìàñøòàáà; ïåðåõîä ëèäåðñòâà ê ñèñòåìå íàóê î ÷åëîâåêå è áèîñôåðå: ñ îäíîé ñòîðîíû, ñîõðàíÿþòñÿ àêòèâíûå ïîçíàâàòåëüíûå è äåÿòåëüíîñòíûå

Çàêëþ÷åíèå

u

315

ôóíêöèè ÷åëîâåêà, à ñ äðóãîé ñòîðîíû, åãî àêòèâíîñòü îãðàíè÷èâàåòñÿ íåîáõîäèìîñòüþ ñîõðàíåíèÿ ðàâíîâåñèÿ åñòåñòâåííûõ ýêîñèñòåì; ðåàëèçàöèÿ äèíàìèçìà íàóêè â ðàìêàõ ñòðàòåãèè óñòîé÷èâîãî ðàçâèòèÿ, îáåñïå÷èâàþùåé åå ïðîðûâ â íåïîçíàííîå ïðè ñîõðàíåíèè ñëîæèâøèõñÿ ôóíäàìåíòàëüíûõ öåííîñòåé.

Äèíàìèêà ðàçâèòèÿ ñîâðåìåííîé íàóêè ñòîëü âïå÷àòëÿþùà, ÷òî ìûøëåíèå âûíóæäåíî ïðèñïîñàáëèâàòüñÿ ê ñìåíå íàó÷íûõ ïàðàäèãì åùå ïðè æèçíè îäíîãî ïîêîëåíèÿ. Ýòî ñâèäåòåëüñòâóåò î íåïðåõîäÿùåé öåííîñòè è çíà÷èìîñòè íàóêè — ñâÿçóþùåãî ìîñòà ìåæäó ïðîøëûì è áóäóùèì ñîâðåìåííîé êóëüòóðû.

Ïðèëîæåíèå ÒÅÑÒÎÂÛÅ ÇÀÄÀÍÈß

Ê ãëàâå 1 «Ïðåäìåò è ñòðóêòóðà åñòåñòâîçíàíèÿ» 1. Íàóêà ñôîðìèðîâàëàñü: 1) â Äðåâíåé Ãðåöèè; 2) â Åâðîïå â XVI–XVIII ââ.; 3) â Åâðîïå â XIII–XV ââ.; 4) â Äðåâíåì Ðèìå. 2. Íàóêó îò îáûäåííîãî ïîçíàíèÿ îòëè÷àåò: 1) àêòóàëüíîñòü îáúåêòà ïîçíàíèÿ; 2) äîñòîâåðíîñòü ïîëó÷åííûõ çíàíèé; 3) çíà÷èìîñòü ðåçóëüòàòîâ ïîçíàíèÿ; 4) èñïîëüçóåìûé ÿçûê. 3. Îïðåäåëåííûé ñïîñîá ïîíèìàíèÿ êàêîãî-ëèáî ïðåäìåòà, ïðîöåññà èëè ÿâëåíèÿ — ýòî: 1) êîíöåïöèÿ; 2) çàêîí; 3) ãèïîòåçà; 4) òåîðèÿ. 4. Â íàó÷íîì èññëåäîâàíèè âûäåëÿþòñÿ óðîâíè: 1) ñîçåðöàòåëüíûé è ýìïèðè÷åñêèé; 2) ñîçåðöàòåëüíûé è êîíöåïòóàëüíûé; 3) ýìïèðè÷åñêèé è òåîðåòè÷åñêèé; 4) òåîðåòè÷åñêèé è êîíöåïòóàëüíûé. 5. Äèôôåðåíöèàöèÿ åñòåñòâåííûõ íàóê íà÷àëà ïðîèñõîäèòü íà ñòàäèè: 1) íàòóðôèëîñîôèè; 2) àíàëèòè÷åñêîãî åñòåñòâîçíàíèÿ;

Òåñòîâûå çàäàíèÿ

6.

7.

8.

9.

317

3) ñèíòåòè÷åñêîãî åñòåñòâîçíàíèÿ; 4) èíòåãðàëüíîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. Ñîâîêóïíûì îáúåêòîì åñòåñòâîçíàíèÿ ÿâëÿåòñÿ: 1) Çåìëÿ; 2) Ãàëàêòèêà; 3) ïðèðîäà; 4) ãåîãðàôè÷åñêàÿ îáîëî÷êà Çåìëè. Òåîðèÿ — ýòî: 1) ïðåäïîëîæèòåëüíîå çíàíèå, êîòîðîå íîñèò âåðîÿòíîñòíûé õàðàêòåð; 2) èñòèííîå, äîêàçàííîå, ïîäòâåðæäåííîå çíàíèå î ñóùíîñòè ÿâëåíèé; 3) óòâåðæäåíèå, ðàñêðûâàþùåå îáùèå ñâÿçè èçó÷àåìûõ ÿâëåíèé. Ìåòîäîì ýìïèðè÷åñêîãî óðîâíÿ ïîçíàíèÿ ÿâëÿåòñÿ: 1) àíàëîãèÿ; 2) íàáëþäåíèå; 3) ìîäåëèðîâàíèå; 4) ñèíòåç. Êëàññèôèêàöèÿ — ýòî: 1) óñòàíîâëåíèå ñõîäñòâà è ðàçëè÷èÿ ïðèçíàêîâ èññëåäóåìûõ îáúåêòîâ; 2) îáúåäèíåíèå ðàçëè÷íûõ ïðèçíàêîâ èññëåäóåìûõ îáúåêòîâ; 3) îòíåñåíèå îáúåêòîâ ê îïðåäåëåííîìó êëàññó ÿâëåíèé.

Ê ãëàâå 2 «Ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ î ìàòåðèè» 1. Êâàðêè — ýòî: 1) êîñìè÷åñêèå òåëà ñ èçáûòî÷íûì ðåíòãåíîâñêèì èçëó÷åíèåì; 2) ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû ñ äðîáíûì çàðÿäîì; 3) õèìè÷åñêèå êàòàëèçàòîðû íîâîãî ïîêîëåíèÿ; 2. Ôèçè÷åñêèé âàêóóì — ýòî: 1) îñîáûé âèä ìàòåðèè, îáåñïå÷èâàþùèé ôèçè÷åñêèå âçàèìîäåéñòâèÿ ìàòåðèàëüíûõ îáúåêòîâ; 2) îñíîâíîé âèä ìàòåðèè, îáëàäàþùèé ìàññîé; 3) íèçøåå ýíåðãåòè÷åñêîå ñîñòîÿíèå êâàíòîâîãî ïîëÿ.

318 Ïðèëîæåíèå. Òåñòîâûå çàäàíèÿ 3. Ñèëüíîå âçàèìîäåéñòâèå îáåñïå÷èâàåò: 1) ñâÿçü íóêëîíîâ â ÿäðå; 2) õèìè÷åñêèå ïðåâðàùåíèÿ âåùåñòâ; 3) ðàñïàä ýëåìåíòàðíûõ ÷àñòèö. 4. Êàêèå ýëåìåíòàðíûå ÷àñòèöû íå îòíîñÿòñÿ ê àíäðîíàì: 1) ïðîòîíû; 2) íåéòðîíû; 3) ýëåêòðîíû; 4) íóêëîíû.

Ê ãëàâå 3 «Ïðîñòðàíñòâî, âðåìÿ, ïðèíöèïû îòíîñèòåëüíîñòè» 1. Íå ïðèáåãàÿ ê âû÷èñëåíèÿì, óêàæèòå, â êàêèõ ïðîöåññàõ ýíòðîïèÿ âîçðàñòàåò: 1) H2O (ã) ® H2O (æ); 2) HCl (ð) ® HCl (ã). 2. Ñïåöèàëüíàÿ òåîðèÿ îòíîñèòåëüíîñòè (ÑÒÎ) ðåøàåò çàäà÷è: 1) êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè; 2) àáñîëþòíîñòè ïðîñòðàíñòâà è âðåìåíè; 3) ïðèñïîñîáëåíèÿ ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííîé ìåòðèêè ê ñîâðåìåííîé ôèçèêå; 4) íåèíåðöèàëüíûõ ñèñòåì îòñ÷åòà. 3. Ýíòðîïèÿ — ýòî: 1) âíóòðåííÿÿ ýíåðãèÿ ñèñòåìû; 2) êîëè÷åñòâî òåïëîòû, êîòîðîå èäåò íà ñîâåðøåíèå ìåõàíè÷åñêîé ðàáîòû; 3) òåðìîäèíàìè÷åñêàÿ ôóíêöèÿ ñîñòîÿíèÿ, êîòîðàÿ õàðàêòåðèçóåò ÷àñòü âíóòðåííåé ýíåðãèè ñèñòåìû, ñïîñîáíîé ïðåîáðàçîâûâàòüñÿ â ìåõàíè÷åñêóþ ðàáîòó; ìåðà õàîñà, êîòîðàÿ â ñîñòîÿíèè òåïëîâîãî ðàâíîâåñèÿ äîñòèãàåò ñâîåãî ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ. 4. Êîðïóñêóëÿðíî-âîëíîâîé äóàëèçì — ýòî: 1) òåîðèÿ êâàíòîâàíèÿ ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí; 2) ïîñòóëàò, ÷òî âñåì ìèêðî÷àñòèöàì îäíîâðåìåííî ïðèñóùè è êîðïóñêóëÿðíûå, è âîëíîâûå ñâîéñòâà; 3) êâàíòîâî-ðåëÿòèâèñòñêèå ïðåäñòàâëåíèÿ î ôèçè÷åñêîé ðåàëüíîñòè íà îñíîâå ÑÒÎ è ÎÒÎ Ýéíøòåéíà.


319

Ê ãëàâå 4 «Åñòåñòâåííîíàó÷íûå çíàíèÿ î âåùåñòâå» 1. Âåùåñòâî, óìåíüøàþùåå ñêîðîñòü ïðîòåêàíèÿ õèìè÷åñêîãî ïðîöåññà, íàçûâàåòñÿ: 1) êàòàëèçàòîðîì; 2) èíãèáèòîðîì. 2. Ñ ñîâðåìåííîé òî÷êè çðåíèÿ ñèñòåìàòèçèðóþùèì ôàêòîðîì Ïåðèîäè÷åñêîé ñèñòåìû Ä. È. Ìåíäåëååâà ÿâëÿåòñÿ: 1) ìàññà ÿäðà àòîìà; 2) çàðÿä ÿäðà àòîìà; 3) çàðÿä àòîìà; 4) ìàññà àòîìà. 3. Êàê íàçûâàåòñÿ êîíöåïöèÿ î ïðîèñõîæäåíèè æèâîãî èç íåæèâîãî: 1) àáèîãåíåç; 2) ôèëîãåíåç; 3) îíòîãåíåç? 4. Êîëè÷åñòâî îðãàíîãåíîâ, òî åñòü ýëåìåíòîâ, êîòîðûå â ñóììå ÿâëÿþòñÿ îñíîâîé æèâûõ ñèñòåì è îáùàÿ âåñîâàÿ äîëÿ êîòîðûõ, íàïðèìåð, â îðãàíèçìå ÷åëîâåêà 97 %, ñîñòàâëÿåò: 1) 3; 2) 6; 3) 7; 4) 10. 5. Îòáîð õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ âî Âñåëåííîé ïðîÿâëÿåòñÿ òàêèì îáðàçîì, ÷òî áîëüøóþ ÷àñòü âåùåñòâà â íåé ñîñòàâëÿþò âñåãî äâà ýëåìåíòà, à èìåííî: 1) êðåìíèé è óãëåðîä; 2) óãëåðîä è âîäîðîä; 3) êèñëîðîä è ãåëèé; 4) âîäîðîä è ãåëèé. 6. Îïðåäåëèòå ïîñëåäîâàòåëüíîñòü, â êîòîðîé èñòîðè÷åñêè ðàçâèâàëîñü õèìè÷åñêîå çíàíèå ñ ó÷åòîì 4 êîíöåïòóàëüíûõ ýòàïîâ: À — ýâîëþöèîííàÿ õèìèÿ, Â — ñòðóêòóðíàÿ õèìèÿ, Ñ — ó÷åíèå î õèìè÷åñêèõ ïðîöåññàõ, D — ó÷åíèå î ñîñòàâå âåùåñòâà: 1) À-B-C-D; 2) C-D-B-A;

320 Ïðèëîæåíèå. Òåñòîâûå çàäàíèÿ 3) D-B-C-A; 4) A-D-B-C.

Ê ãëàâå 5 «Íàíîòåõíîëîãèè» 1. Íàíîòåõíîëîãèè ÿâëÿþòñÿ: 1) ðàçäåëîì õèìèè; 2) ðàçäåëîì ôèçèêè; 3) ðàçäåëîì àñòðîáèîëîãèè; 4) ìåæäèñöèïëèíàðíûì íàïðàâëåíèåì â åñòåñòâîçíàíèè. 2. Íàíîòåõíîëîãèè îïåðèðóþò îáúåêòàìè, ëèíåéíûå ðàçìåðû êîòîðûõ ñîñòàâëÿþò: 1) îò 1 äî 109 ì; 2) îò 109 äî 10–9 ì; 3) îò 10–7 äî 10 –9 ì.

Ê ãëàâå 6 «Ìåãàìèð è åãî ñâîéñòâà» 1. Êîñìîëîãèÿ — ýòî: 1) ðàçäåë àñòðîíîìèè; 2) ðàçäåë êîñìîíàâòèêè; 3) íåíàó÷íàÿ ôîðìà ïîçíàíèÿ Âñåëåííîé; 4) âòîðîå íàçâàíèå êîñìîãîíèè. 2. Ìàëûå ïëàíåòû, âõîäÿùèå â Ñîëíå÷íóþ ñèñòåìó, íàçûâàþòñÿ: 1) ìåòåîðû; 2) ñïóòíèêè; 3) àñòåðîèäû; 4) êîìåòû. 3. Íàèáîëåå êðóïíàÿ åäèíèöà èçìåðåíèÿ êîñìè÷åñêèõ ðàññòîÿíèé: 1) ïàðñåê; 2) àñòðîíîìè÷åñêàÿ åäèíèöà; 3) ñâåòîâîé ãîä; 4) êèëîìåòð. 4. Âñåëåííàÿ îäíîðîäíà, ïîñêîëüêó îíà: 1) ðàñøèðÿåòñÿ; 2) èìååò îäèíàêîâûå ñâîéñòâà âî âñåõ òî÷êàõ;


5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

3) èìååò îäèíàêîâûå ñâîéñòâà ïî âñåì íàïðàâëåíèÿì; 4) íàõîäèòñÿ â ãîðÿ÷åì ñîñòîÿíèè. Âîçðàñò Âñåëåííîé èñ÷èñëÿåòñÿ: 1) ñî âðåìåíè îáðàçîâàíèÿ ãàëàêòèê; 2) ñî âðåìåíè îáðàçîâàíèÿ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû; 3) ñ ìîìåíòà Áîëüøîãî âçðûâà; 4) ñ íà÷àëà ôàçû èíôëÿöèè. Íàøà Ãàëàêòèêà èìååò ôîðìó: 1) ñïèðàëüíóþ; 2) ýëëèïòè÷åñêóþ; 3) øàðîâèäíóþ; 4) íåïðàâèëüíóþ. Ñîëíå÷íàÿ ñèñòåìà â íàøåé Ãàëàêòèêå ðàñïîëàãàåòñÿ: 1) â ïëîñêîñòè, ïåðïåíäèêóëÿðíîé ãàëàêòè÷åñêîé; 2) ó ãàëàêòè÷åñêîé ïëîñêîñòè; 3) íà ïåðèôåðèè Ãàëàêòèêè; 4) ïîëîæåíèå ïîêà íå âûÿñíåíî. Êâàçàðû — ýòî: 1) íîâûå çâåçäû; 2) äâîéíûå çâåçäû; 3) ìîùíûå èñòî÷íèêè ðàäèîèçëó÷åíèÿ âî Âñåëåííîé; 4) ìàëûå ãàëàêòèêè — ñïóòíèêè íàøåé Ãàëàêòèêè. Çâåçäû ñîñòîÿò ïðåèìóùåñòâåííî: 1) èç âîäîðîäà è àçîòà; 2) èç ãåëèÿ è êèñëîðîäà; 3) èç âîäîðîäà è ãåëèÿ; 4) èç ãåëèÿ è àçîòà. Íîâûå çâåçäû îáðàçóþòñÿ: 1) èç ìåæçâåçäíîãî âåùåñòâà; 2) èç äâîéíûõ çâåçä; 3) èç êðàñíûõ êàðëèêîâ; 4) èç ïåðåìåííûõ çâåçä. Âíåøíÿÿ ÷àñòü Ñîëíöà — àòìîñôåðà — ñîñòîèò: 1) èç ÿäðà, êîíâåêòèâíîé çîíû è êîðîíû; 2) èç ôîòîñôåðû, õðîìîñôåðû è êîðîíû;

321

322 Ïðèëîæåíèå. Òåñòîâûå çàäàíèÿ 3) èç ÿäðà, îáëàñòè ëó÷èñòîãî ïåðåíîñà ýíåðãèè è êîðîíû; 4) èç ôîòîñôåðû, êîíâåêòèâíîé çîíû è îáëàñòè ëó÷èñòîãî ïåðåíîñà ýíåðãèè.

Ê ãëàâå 7 «Ïëàíåòà Çåìëÿ» 1. Èçâåñòíÿê ïîä âëèÿíèåì ïîâûøåííîãî äàâëåíèÿ è âûñîêèõ òåìïåðàòóð ïðåâðàùàåòñÿ: 1) â ìðàìîð; 2) â êâàðöèò; 3) â ãðàíèò. 2. Ìåñòîðîæäåíèÿ íåôòè è ãàçà ñâÿçàíû ñ òåêòîíè÷åñêèìè ñòðóêòóðàìè: 1) ãîð; 2) ðàâíèí; 3) äíà îêåàíà. 3. Ìèðîâîé îêåàí âêëþ÷àåò â ñåáÿ: 1) âñå ìîðÿ è îêåàíû; 2) âñå îêåàíû è íàõîäÿùèåñÿ ïîä íèìè ïîäçåìíûå âîäû; 3) âñå îêåàíû è ëüäû Àíòàðêòèäû; 4) âñå îêåàíû. 4. Â âîäàõ Ìèðîâîãî îêåàíà ñðåäíåå ñîäåðæàíèå ñîëåé îò îáùåé ìàññû âîäû ñîñòàâëÿåò: 1) 35%; 2) 1%; 3) 3,5%; 4) 10%. 5. Ê êîíòèíåíòàëüíûì âîäíûì áàññåéíàì îòíîñÿò: 1) îçåðà, ìîðÿ, ðåêè, áîëîòà; 2) îçåðà, ðåêè, áîëîòà, âîäîõðàíèëèùà; 3) ðåêè, çàëèâû ìîðåé, ìîðÿ, áîëîòà; 4) ðåêè, îçåðà, âîäîõðàíèëèùà, çàëèâû ìîðåé. 6. Íà ãëóáèíå 1 êì ïîäçåìíûå âîäû ìîãóò íàõîäèòüñÿ: 1) òîëüêî â æèäêîì ñîñòîÿíèè; 2) è â òâåðäîì, è â æèäêîì ñîñòîÿíèè;


7.

8.

9.

10.

323

3) òîëüêî â òâåðäîì ñîñòîÿíèè; 4) òîëüêî â ïàðîîáðàçíîì ñîñòîÿíèè. Ãëàâíûå êàòèîíû ìîðñêîé âîäû — êàòèîíû íàòðèÿ, ìàãíèÿ, êàëüöèÿ, êàëèÿ — ïîñòóïèëè â âîäó: 1) â ðåçóëüòàòå âûâåòðèâàíèÿ ãîðíûõ ïîðîä; 2) èç àòìîñôåðû; 3) èç ïî÷âû; 4) âìåñòå ñ ïîäçåìíûìè âîäàìè. Ñ óâåëè÷åíèåì âûñîòû íàä ïîâåðõíîñòüþ Çåìëè òåìïåðàòóðà âîçäóõà âîçðàñòàåò: 1) â òðîïîñôåðå; 2) â ñòðàòîñôåðå; 3) â ìåçîñôåðå; 4) â òåðìîñôåðå. Íà âûñîòå 10 êì íàä ïîâåðõíîñòüþ Çåìëè âîçäóõ ñîñòîèò ïðåèìóùåñòâåííî: 1) èç óãëåêèñëîãî ãàçà è àçîòà; 2) èç âîäîðîäà è ãåëèÿ; 3) èç àçîòà è êèñëîðîäà; 4) èç àçîòà è îçîíà. Ñîñòîÿíèå íèæíåãî ñëîÿ àòìîñôåðû â äàííîì ìåñòå â äàííîå âðåìÿ íàçûâàåòñÿ: 1) àëüáåäî; 2) ïîãîäà; 3) êëèìàò; 4) âåòåð.

Ê ãëàâå 8 «Æèâàÿ ìàòåðèÿ» 1. Ñàìîîðãàíèçóþùàÿñÿ ñèñòåìà íå õàðàêòåðèçóåòñÿ: 1) âûñîêîé óïîðÿäî÷åííîñòüþ; 2) îòêðûòîñòüþ; 3) ðàâíîâåñíîñòüþ; 4) îòñóòñòâèåì óïðàâëåíèÿ èçâíå. 2. Ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ òî÷êè áèôóðêàöèè ñèñòåìà: 1) ïåðåñòàåò âçàèìîäåéñòâîâàòü ñ äðóãèìè ñèñòåìàìè; 2) âîçâðàùàåòñÿ â èñõîäíîå ñîñòîÿíèå;

324 Ïðèëîæåíèå. Òåñòîâûå çàäàíèÿ

3.

4.

5.

6.

7.

3) ñëó÷àéíî âûáèðàåò ïóòü íîâîãî ðàçâèòèÿ; 4) íå ïîä÷èíÿåòñÿ çàêîíàì äåòåðìèíèçìà. Ñèíåðãåòèêà — ýòî íàóêà î ïðåâðàùåíèè: 1) õàîñà â êîñìîñ (ïîðÿäîê); 2) ïðîñòûõ ñèñòåì â ñëîæíûå; 3) ñëîæíûõ ñèñòåì â ïðîñòûå; 4) ïîðÿäêà â õàîñ. ×. Äàðâèí ïîêàçàë, ÷òî ïîä áîðüáîé çà ñóùåñòâîâàíèå ïîíèìàåòñÿ: 1) îæåñòî÷åííàÿ áîðüáà îñîáåé îäíîãî âèäà; 2) óñòàíîâëåíèå ìåæäó æèâûìè îðãàíèçìàìè ôîðì ñîòðóäíè÷åñòâà è âçàèìîïîìîùè; 3) êîíêóðåíöèÿ ìåæäó ïðåäñòàâèòåëÿìè ðàçíûõ âèäîâ æèâîòíûõ; 4) áîðüáà ñ íåáëàãîïðèÿòíûìè óñëîâèÿìè ïðèðîäíîé ñðåäû; 5) ïðîòèâîñòîÿíèå æèâîé ïðèðîäû èíäóñòðèàëüíîé öèâèëèçàöèè. Ýëåìåíòàðíûìè ôàêòîðàìè è ÿâëåíèÿìè ýâîëþöèè íåîáõîäèìî ñ÷èòàòü: 1) îñîáü êàê ýëåìåíòàðíóþ ýâîëþöèîííóþ ñòðóêòóðó; 2) èçìåíåíèå ãåíîòèïè÷åñêîãî ñîñòàâà ïîïóëÿöèè êàê ýëåìåíòàðíîå ýâîëþöèîííîå ÿâëåíèå; 3) ãåíîôîíä ïîïóëÿöèè êàê ýëåìåíòàðíûé ýâîëþöèîííûé ìàòåðèàë; 4) ìóòàöèè êàê ýëåìåíòàðíûå ýâîëþöèîííûå ôàêòîðû; 5) åñòåñòâåííûé îòáîð êàê ýëåìåíòàðíîå ýâîëþöèîííîå ïðîòèâîäåéñòâèå. È. Ïðèãîæèí îòêðûë ñàìîîðãàíèçàöèþ ìàêðîñèñòåì â âèäå: 1) êîíöåíòðàöèîííûõ àâòîâîëí; 2) îòêðûòûõ êàòàëèòè÷åñêèõ ñèñòåì; 3) äèññèïàòèâíûõ ñòðóêòóð; 4) íåñòàöèîíàðíûõ, íåëèíåéíûõ ñèñòåì. Êîýâîëþöèÿ — ýòî: 1) ñîâðåìåííûé ýòàï ýâîëþöèè æèâîãî íà Çåìëå; 2) ðàçðóøåíèå áèîöåíîçà; 3) âçàèìíîå ïðèñïîñîáëåíèå âèäîâ; 4) ñàìàÿ æåñòêàÿ áîðüáà çà ñóùåñòâîâàíèå.


325

8. ×. Äàðâèí äàë íàó÷íîå îáúÿñíåíèå ýâîëþöèè æèâîé ïðèðîäû â ðàáîòå: 1) «Ïðîèñõîæäåíèå ÷åëîâåêà»; 2) «Ïðîèñõîæäåíèå âèäîâ ïóòåì åñòåñòâåííîãî îòáîðà»; 3) «Ðîëü òðóäà â ïðîöåññå ïðåâðàùåíèÿ îáåçüÿíû â ÷åëîâåêà»; 4) «Âûðàæåíèå ýìîöèé ó ÷åëîâåêà è æèâîòíûõ». 9. Ýëåìåíòàðíàÿ ñòðóêòóðà ýâîëþöèè, ïî ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì, — ýòî: 1) êëåòêà; 2) îðãàíèçì; 3) ïîïóëÿöèÿ; 4) áèîöåíîç. 10. Â ñîâðåìåííîé òåîðèè ýâîëþöèè «âîëíû æèçíè» — ýòî: 1) ïåðèîäè÷åñêîå èçìåíåíèå êëèìàòà ïëàíåòû; 2) âîëíû Ìèðîâîãî îêåàíà; 3) êîëè÷åñòâåííûå êîëåáàíèÿ â ÷èñëåííîñòè ïîïóëÿöèè; 4) óâåëè÷åíèå ÷èñëà áëèçêîðîäñòâåííûõ ñêðåùèâàíèé. 11. Åäèíèöà ñòðîåíèÿ è æèçíåäåÿòåëüíîñòè æèâîãî îðãàíèçìà — ýòî: 1) àòîì; 2) ìîëåêóëà; 3) òêàíü; 4) êëåòêà. 12. Ãåí ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé: 1) ó÷àñòîê èíôîðìàöèîííîé ÐÍÊ; 2) ó÷àñòîê ìîëåêóëû ÄÍÊ; 3) ïîëèïåïòèäíóþ öåïü. 13. Ïî íàñëåäñòâó ïåðåäàþòñÿ: 1) ìîäèôèêàöèîííûå èçìåíåíèÿ; 2) ôåíîòèï; 3) ãåííûå ìóòàöèè. 14. Ìóòàãåí — ýòî: 1) îðãàíèçì, â êîòîðîì ïðîèçîøëè ìóòàöèè; 2) ôàêòîð, óâåëè÷èâàþùèé ÷èñëî ìóòàöèé; 3) íàñëåäñòâåííàÿ ïåðåäà÷à ïðèçíàêà.

326 Ïðèëîæåíèå. Òåñòîâûå çàäàíèÿ 15. Ãåíîòèï — ýòî: 1) ñîâîêóïíîñòü íàñëåäñòâåííîãî ìàòåðèàëà ïîïóëÿöèè; 2) ñîâîêóïíîñòü ãåíîâ âñåõ æèâûõ îðãàíèçìîâ; 3) ñîâîêóïíîñòü ãåíîâ îñîáè. 16. Àâòîð õðîìîñîìíîé òåîðèè íàñëåäñòâåííîñòè: 1) Ò. Ìîðãàí; 2) Ã. Ìåíäåëü; 3) Í. Âàâèëîâ.

Ê ãëàâàì 9 «Ó÷åíèå î áèîñôåðå» è 10 «×åëîâåê êàê ïðåäìåò ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ» 1. Íîîñôåðà ýòî: 1) ÷àñòü áèîñôåðû; 2) ìèíåðàëüíàÿ îáîëî÷êà Çåìëè; 3) ñôåðà ðàçóìà; 4) ñôåðà äåÿòåëüíîñòè. 2. Áèîãåííîå âåùåñòâî: 1) ñîçäàåòñÿ â ïðîöåññå æèçíåäåÿòåëüíîñòè îðãàíèçìîâ; 2) îáðàçîâàíî ñîâîêóïíîñòüþ îðãàíèçìîâ; 3) îáðàçóåòñÿ áåç ó÷àñòèÿ æèâûõ îðãàíèçìîâ; 4) ÿâëÿåòñÿ ðåçóëüòàòîì âçàèìîäåéñòâèÿ æèâîãî è íåæèâîãî. 3. Æèçíåííàÿ ïëåíêà, ëåæàùàÿ íà ãðàíèöå àòìîñôåðû è ãèäðîñôåðû, íàçûâàåòñÿ: 1) áåíòîñ; 2) ïëàíêòîí; 3) ôîòîí; 4) ïîéìà. 4. Ïðåâðàùåíèå áèîñôåðû â íîîñôåðó ïðîèñõîäèò ïîä âîçäåéñòâèåì: 1) êëèìàòè÷åñêèõ ôàêòîðîâ; 2) ãåîëîãè÷åñêèõ ôàêòîðîâ; 3) ðàçóìíîé äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà; 4) áèîëîãè÷åñêîé ýâîëþöèè. 5. Ñîñòîÿíèå çäîðîâüÿ çàâèñèò â áîëüøåé ñòåïåíè: 1) îò ñîñòîÿíèÿ çäðàâîîõðàíåíèÿ; 2) îò èíäèâèäóàëüíîãî îáðàçà æèçíè;


327

3) îò íàñëåäñòâåííîñòè; 4) îò ôàêòîðîâ îêðóæàþùåé ñðåäû. 6. Ïîëíîöåííîå çäîðîâüå õàðàêòåðèçóåòñÿ: 1) îòñóòñòâèåì áîëåçíåé; 2) óñòîé÷èâûì ýìîöèîíàëüíûì ñîñòîÿíèåì; 3) ðàâíîâåñèåì ìåæäó ôóíêöèÿìè îðãàíèçìà è ôàêòîðàìè âíåøíåé ñðåäû; 4) âûñîêèìè ôèçè÷åñêèìè ïîêàçàòåëÿìè. 7. Çäîðîâûé îáðàç æèçíè — ýòî: 1) îòñóòñòâèå âðåäíûõ ïðèâû÷åê; 2) ïîâåäåíèå, íàïðàâëåííîå íà äîñòèæåíèå óñïåõà è áëàãîïîëó÷èÿ; 3) îòñóòñòâèå áîëåçíåé; 4) ïîâåäåíèå, íàïðàâëåííîå íà ñîõðàíåíèå è óêðåïëåíèå çäîðîâüÿ.

Ê ãëàâå 11 «Îñíîâû ýêîëîãèè» 1. Òåðìèí «ýêîëîãèÿ» ââåë ó÷åíûé: 1) Ê. Ëèííåé; 2) Æ. Á. Ëàìàðê; 3) Ã. Ãàóçå; 4) Ý. Ãåêêåëü. 2. Ïî÷âó êàê ñðåäó îáèòàíèÿ ñáëèæàåò ñ âîäíîé ñðåäîé: 1) òåìïåðàòóðíûé ðåæèì, ïîíèæåííîå ñîäåðæàíèå êèñëîðîäà, íàëè÷èå âîäû â ðàçíûõ ôîðìàõ, ïðèñóòñòâèå ñîëåé è îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ; 2) ñâåòîâîé ðåæèì, ïåðåïàäû äàâëåíèÿ, èçìåíåíèå ãðàâèòàöèîííîé ñîñòàâëÿþùåé; 3) èçìåíåíèå ñîëåâîãî ñîñòàâà ïî âðåìåíàì ãîäà, ñî÷åòàíèå ïëîòíîñòè è äàâëåíèÿ ãðóíòîâ; 4) îäèíàêîâîå çíà÷åíèå pH ñðåäû, îäèíàêîâûé ñîñòàâ ìèêðîôàóíû è ìèêðîôëîðû. 3. Ñàìàÿ íàñûùåííàÿ (â ïåðåñ÷åòå íà îáúåì) æèçíüþ ñðåäà: 1) ïî÷âà; 2) àòìîñôåðà; 3) ïðåñíûå âîäû; 4) ìîðÿ è îêåàíû.

328 Ïðèëîæåíèå. Òåñòîâûå çàäàíèÿ 4. Íàèáîëåå áûñòðî â êðóïíûõ ïðîìûøëåííûõ ãîðîäàõ èç-çà çàãðÿçíåíèÿ ñðåäû èäåò ðîñò òàêèõ çàáîëåâàíèé, êàê: 1) çàáîëåâàíèÿ æåëóäî÷íî-êèøå÷íîãî òðàêòà; 2) ëåãî÷íûå çàáîëåâàíèÿ è çàáîëåâàíèÿ âåðõíèõ äûõàòåëüíûõ ïóòåé; 3) çàáîëåâàíèÿ êîæè; 4) çàáîëåâàíèÿ ñóñòàâîâ è êîñòåé. 5. Âñå ïðîáëåìû ýêîëîãèè ìîãóò áûòü âûðàæåíû îäíîé ôðàçîé: 1) îêåàí è ñóøà ñâÿçàíû ìåæäó ñîáîé; 2) âñå æèâîå ñâÿçàíî ìåæäó ñîáîé è ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé; 3) âñå íåæèâîå âçàèìîäåéñòâóåò ìåæäó ñîáîé; 4) êîìïîíåíòû ãåîãðàôè÷åñêîé îáîëî÷êè èçîëèðîâàíû. 6. Îñíîâíûìè ýêîëîãè÷åñêèìè ôàêòîðàìè, ñïîñîáíûìè âëèÿòü íà äåìîãðàôè÷åñêóþ ñèòóàöèþ â ìèðå, ïðîäîëæàþò îñòàâàòüñÿ: 1) ïèùåâûå ðåñóðñû è áîëåçíè; 2) îñîáåííîñòè êëèìàòà è ðåëüåôà ìåñòíîñòè; 3) îñîáåííîñòè ãåîãðàôè÷åñêîãî ïîëîæåíèÿ ñòðàíû; 4) êëèìàòè÷åñêèå óñëîâèÿ. 7. Îñíîâíîé ïðè÷èíîé âûïàäåíèÿ êèñëîòíûõ äîæäåé ÿâëÿåòñÿ: 1) ïîïàäàíèå â âîçäóõ îêñèäîâ ñåðû è àçîòà — îòõîäîâ ñãîðàíèÿ ëþáîãî èñêîïàåìîãî òîïëèâà, îñîáåííî íèçêîñîðòíîãî óãëÿ è ìàçóòà; 2) ïîïàäàíèå â âîçäóõ îêñèäîâ ôîñôîðà è óãëåðîäà — îòõîäîâ ñãîðàíèÿ ëþáîãî âèäà òîïëèâà, îñîáåííî ñëàíöåâ è òîðôà; 3) ïîïàäàíèå â âîçäóõ áîëüøîãî êîëè÷åñòâà õëîðà; 4) ïîïàäàíèå â âîçäóõ ïûëè, ñîäåðæàùåé ÷àñòèöû ìåòàëëà. 8. Ñ÷èòàþò, ÷òî îçîíîâûé ýêðàí ðàçðóøàåòñÿ â ðåçóëüòàòå âîçäåéñòâèÿ íà íåãî: 1) ðàäèàöèè; 2) ñåðíèñòîãî ãàçà; 3) ôðåîíà; 4) àçîòà. 9. Íàèáîëüøåå âûïàäåíèå àòìîñôåðíûõ îñàäêîâ ñ ðàñòâîðèìûìè çàãðÿçíÿþùèìè âåùåñòâàìè ïðîèñõîäèò â ðàéîíå: 1) Àðõàíãåëüñêà; 2) Åêàòåðèíáóðãà, Îìñêà;


329

3) Âåðõîÿíñêà; 4) ßêóòñêà. 10. Ìîíèòîðèíã ñðåäû îçíà÷àåò â ïåðâóþ î÷åðåäü: 1) ñèñòåìó çàùèòû ñðåäû îáèòàíèÿ; 2) ñèñòåìó ðåãóëÿðíûõ íàáëþäåíèé çà ñîñòîÿíèåì îêðóæàþùåé ñðåäû; 3) ñèñòåìó ïðàâîâûõ çàêîíîäàòåëüíûõ àêòîâ ïî çàùèòå ïðèðîäíîé ñðåäû; 4) ñèñòåìó íàáëþäåíèé çà îòäåëüíûì âèäîì îðãàíèçìîâ.

330 Ïðèëîæåíèå. Òåñòîâûå çàäàíèÿ

Îòâåòû íà òåñòîâûå çàäàíèÿ Ê ãëàâå 1 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò:

2; 4; 2; 3; 2; 3; 2; 2; 3.

Ê ãëàâå 2 1. 2. 3. 4.

Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò:

2; 3; 1; 3.

Ê ãëàâå 3 1. 2. 3. 4.


2; 3; 3; 2.

Ê ãëàâå 4 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò:

2; 2; 1; 2; 4; 3.

Ê ãëàâå 5 1. Îòâåò: 4; 2. Îòâåò: 3.

Ê ãëàâå 6 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò:

1; 3; 1; 2; 3; 1; 2; 3; 3; 3; 2.

Ê ãëàâå 7 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò:

1; 2; 1; 3; 2; 2; 1; 2, 4; 3; 2.

Ê ãëàâå 8 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò:

3; 3; 1; 1, 3, 4; 2, 3, 4; 3; 3;

Îòâåòû íà òåñòîâûå çàäàíèÿ

8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.

Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò:

2; 3; 3; 4; 2; 3; 2; 3; 1

Ê ãëàâàì 9 è 10 1. 2. 3. 4.


3; 1; 2; 3;

5. Îòâåò: 2; 6. Îòâåò: 3; 7. Îòâåò: 4.

Ê ãëàâå 11 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò: Îòâåò:

4; 1; 1; 2; 2; 1; 1; 3; 2; 2.

331

ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ

Àâåðüÿíîâ À. Í. Ñèñòåìíîå ïîçíàíèå ìèðà. — Ì., 1995.

Àâðàìåíêî È. Ì. Ïðèðîäîïîëüçîâàíèå: Êóðñ ëåêöèé äëÿ ñòóäåíòîâ âóçîâ. — ÑÏá., 2003. Àãàôîíîâà Í. Â. Ïðîãðåññ è òðàäèöèè â íàóêå. — Ì., 1991.

Àçèìîâ À. Êðàòêàÿ èñòîðèÿ áèîëîãèè. Îò àëõèìèè äî ãåíåòèêè: Ïåð. ñ àíãë. Ë. À. Èãîðåâñêîãî. — Ì.: ÇÀÎ «Èçäàòåëüñòâî Öåíòðïîëèãðàô», 2002. Àçèìîâ À. ßçûê íàóêè. — Ì.: Ìèð, 1995.

Àèñòîâ È. À., Ãîëèêîâ Ï. À., Çàéöåâ Â. Â. Êîíöåïöèÿ ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. — ÑÏá.: Ïèòåð, 2005.

Àëåêñååâ Ï. Â., Ïàíèí À. Â. Âîçìîæíîñòè è ãðàíèöû ïîçíàíèÿ. — Ì., 1995.

Àíäðååâ È. ß. — Ïðîèñõîæäåíèå ÷åëîâåêà è îáùåñòâà — Ì., 1982. Àòìîñôåðà: Ñïðàâî÷íèê. — Ë., 1991.

Áèîëîãèÿ. Ñïðàâî÷íèê øêîëüíèêà è ñòóäåíòà / Ïîä ðåä. Ç. Áðåìà è È. Ìåéíêå. — Ì.: Äðîôà, 1999. Áèîëîãèÿ: Ýíöèêëîïåäèÿ / Ïîä ðåä. Ì. Ñ. Ãèëÿðîâà. — Ì.: Áîëüøàÿ Ðîññèéñêàÿ ýíöèêëîïåäèÿ, 2003. ÁÑÝ. — Ì., 1978.

Áóäûêî Ì. È. Êëèìàò â ïðîøëîì è áóäóùåì. — ÑÏá., 1995. Áÿëêî À. Â. Íàøà ïëàíåòà — Çåìëÿ. — Ì.: Íàóêà, 1995.

Âåðíàäñêèé Â. È. Æèâîå âåùåñòâî è áèîñôåðà. — Ì.: Íàóêà, 1994.

Âåðíàäñêèé Â. È. Èçáðàííûå òðóäû ïî èñòîðèè íàóêè. — Ì., 1991.

Âåðíàäñêèé Â. È. Õèìè÷åñêîå ñòðîåíèå áèîñôåðû Çåìëè è åå îêðóæåíèÿ — Ì., 1987. Âîéòêåâè÷ Ã. Â. Õèìè÷åñêàÿ ýâîëþöèÿ Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû. — Ì.: Íàóêà, 1991. Ãèðåíîê Ô. È. Ýêîëîãèÿ, öèâèëèçàöèÿ, íîîñôåðà — Ì., 1987.

Ãîëèöûí À. Í. Îñíîâû ïðîìûøëåííîé ýêîëîãèè: Ó÷åáíèê äëÿ íà÷. ïðîô. îáðàçîâàíèÿ. — Ì.: Èçä-âî «Àêàäåìèÿ», 2004. Ãîðáà÷åâ Â. Â. ÊÑÅ. — Ì.: ÎÍÈÊÑ 21 âåê, 2005.

Ãîðåëîâ À. À. Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. — Ì., 2003.

Ëèòåðàòóðà

333

Ãîðøêîâ Â. Ã. Ôèçè÷åñêèå è áèîëîãè÷åñêèå îñíîâû óñòîé÷èâîñòè æèçíè. — Ì., 1995. Ãðèáîâ Ë. À., Ïðîêîôüåâ Í. È. Îñíîâû ôèçèêè — Ì., 1985.

Ãðóøåâèöêàÿ Ò. Ã., Ñàäîõèí À. Ï. Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. — Ì., 2003. Äàíèëîâà Â. Ñ., Êîæåâíèêîâ Í. Í. Îñíîâíûå êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. — Ì., 2001. Äåâèñ Ï. Ñëó÷àéíàÿ Âñåëåííàÿ. — Ì., 1995.

Äåìèí Â. Í., Ñåëåçíåâ Â. Ï. Ê çâåçäàì áûñòðåå ñâåòà. Ðóññêèé êîñìèçì â÷åðà, ñåãîäíÿ, çàâòðà. — Ì., 1993.

Äîëãîâ À. Ä., Çåëüäîâè÷ ß. Á., Ñàæèí Ì. Â. Êîñìîëîãèÿ ðàííåé Âñåëåííîé. — Ì., 1994.

Äóáíèùåâà Ò. ß. Êîíöåïöèÿ ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. — Íîâîñèáèðñê, 2003. Èãíàòîâà Â. À. Åñòåñòâîçíàíèå. — Ì.: Àêàäåìêíèãà, 2002.

Èíãå-Âå÷òîìîâ Ñ. Ã. Ãåíåòèêà ñ îñíîâàìè ñåëåêöèè. — Ì., 1989.

Èøõàíîâ Á. Ñ., Êàïèòîíîâ È. Ì., Þäèí Í. Ï. ×àñòèöû è àòîìíûå ÿäðà. — Ì.: Èçä-âî ÌÃÓ, 2005.

Êàïêå Â. À. Êîíöåïöèÿ ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. — Ì.: Ëîãîñ, 2002. Êàðïåíêîâ Ñ. Õ. Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. — Ì., 2004. Êåäðîâ Á. Ì. Ïðåäìåò è âçàèìîñâÿçü åñòåñòâåííûõ íàóê. — Ì., 1997. Êèâåíêî Í. Â. Ïðèíöèïû ïîçíàíèÿ æèâîãî. — Êèåâ, 1991. Êëèìèøèí È. À. Ðåëÿòèâèñòñêàÿ àñòðîíîìèÿ. — Ì., 1980.

Êîíöåïöèÿ îáùåãî ñðåäíåãî ýêîëîãè÷åñêîãî îáðàçîâàíèÿ / Ïîä ðåä. È. Ä. Çâåðåâà è È. Ò. Ñóðàâåãèíîé // Ïðîãðàììíî-ìåòîäè÷åñêèå ìàòåðèàëû: Ýêîëîãèÿ. 5–11 êë. Ñîñò. Í. Â. Êóçíåöîâ. — Ì., 1998. Êî÷åðãèí À. Í. Íàó÷íîå ïîçíàíèå: ôîðìû, ìåòîäû, ïîäõîäû. — Ì., 1991. Êóçíåöîâà Í. È. Íàóêà â åå èñòîðèè. — Ì., 1992.

Êóçîâëåâ Â. À. Òåõíè÷åñêàÿ òåðìîäèíàìèêà è îñíîâû òåïëîïåðåäà÷è. — Ì., 1983. Êýððè Ó. Â ïîèñêàõ çàêîíîìåðíîñòåé ðàçâèòèÿ Çåìëè è Âñåëåííîé. — Ì., 1991. Ëîáàøåâ Ì. Å. Ãåíåòèêà (êóðñ ëåêöèé). — 2-å èçä. — Ë: Èçä. ËÃÓ, 1967. Ìàêñàêîâñêèé Â. Ï. Ãåîãðàôè÷åñêàÿ êàðòèíà ìèðà. — ßðîñëàâëü, 1993. Ìîèñååâ Í. Í. Ñóäüáà öèâèëèçàöèè. Ïóòü ðàçóìà. — Ì., 1998.

Íåáåë Â. Íàóêà îá îêðóæàþùåé ñðåäå. Êàê óñòðîåí ìèð. — Ì., 1993. Íèêîëèñ Ã., Ïðèãîæèí È. Ð. Ïîçíàíèå ñëîæíîãî. — Ì., 1990.

334 Ëèòåðàòóðà Îïàðèí À. È. Æèçíü, åå ïðèðîäà, ïðîèñõîæäåíèå è ðàçâèòèå. — Ì., 1960.

Ïàõîìîâ Á. ß. Ñòàíîâëåíèå ñîâðåìåííîé íàó÷íîé êàðòèíû ìèðà. — Ì., 1995.

Ïåòðîâ Þ. À., Íèêèôîðîâ À. Ë. Ëîãèêà è ìåòîäîëîãèÿ íàó÷íîãî ïîçíàíèÿ. — Ì., 1988. Ïîíîìàðåâà È. Í. Ýêîëîãèÿ. — Ì.: Âåíòàíà-Ãðàôô, 2001.

Ïðèãîæèí È. Ð. Êîíåö îïðåäåëåííîñòè. Âðåìÿ, õàîñ è íîâûå çàêîíû ïðèðîäû. — Èæåâñê, 1999. Ðåâè÷ Á. À. Ýêîëîãè÷åñêàÿ ýïèäåìèîëîãèÿ: Ó÷åáíèê äëÿ âóçîâ. — Ì., 2004. Ðåäæå Ò. Ýòþäû î Âñåëåííîé. — Ì., 1995.

Ñàäîõèí À. Ï. Êîíöåïöèè ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. — Ì., 2007.

Ñàäîõèí À. Ï. Êîíöåïöèÿ ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ. — Ì.: Îìåãà, 2006.

Ñèòàðîâ Â. À., Ïóñòîâîéòîâ Â. Â. Ñîöèàëüíàÿ ýêîëîãèÿ: Ó÷åá. ïîñîáèå äëÿ ñòóä. âûñø. ïåä. ó÷åá. çàâåäåíèé. — Ì., 2000. Ñîâðåìåííîå åñòåñòâîçíàíèå: Ýíöèêëîïåäèÿ: Â 10-òè òîìàõ. — Ì.: ÈÄ «ÌÀÃÈÑÒÐ-ÏÐÅÑÑ», 2000. — Ò. 1. — Ôèçè÷åñêàÿ õèìèÿ. Ñîâðåìåííîå åñòåñòâîçíàíèå: Ýíöèêëîïåäèÿ: Â 10-òè òîìàõ. — Ì.: ÈÄ «ÌÀÃÈÑÒÐ-ÏÐÅÑÑ», 2000. — Ò. 2. — Îáùàÿ áèîëîãèÿ. Ñóòò Ò. ß. Èäåÿ ãëîáàëüíîãî ýâîëþöèîíèçìà è ïðèíöèï àíòðîïíîñòè. — Ì., 1986. Òèìîôååâ-Ðåñîâñêèé Í. Â., ßáëîêîâ À. Â., Âîðîíöîâ Í. Í. Êðàòêèé î÷åðê òåîðèè ýâîëþöèè. — Ì., 1969.

Òîïîðíèíà Í. À., Ñòâîëèíñêàÿ Í. Ñ. Ãåíåòèêà ÷åëîâåêà: Ïðàêòèêóì äëÿ âóçîâ. — Ì.: Ãóìàíèò. èçä. öåíòð «ÂËÀÄÎÑ», 2001.

Òîðîñÿí Â. Ã. Êîíöåïöèÿ ñîâðåìåííîãî åñòåñòâîçíàíèÿ (Ó÷åáíîå ïîñîáèå). — Ì.: Âûñøàÿ øêîëà, 2003. Òðàäèöèè è ðåâîëþöèè â ðàçâèòèè íàóêè. — Ì., 1991. Òðîôèìîâà Ò. È. Êóðñ ôèçèêè. — Ì., 2003.

Ôèëîñîôèÿ è ìåòîäîëîãèÿ íàóêè / Ïîä ðåä. Â. È. Êóïöîâà. — Ì., 1996. Ôðîëîâ È. Ò. Æèçíü è ïîçíàíèå. — Ì.: Ìûñëü, 1981.

Õàêåí Ã. Èíôîðìàöèÿ è ñàìîîðãàíèçàöèÿ. — Ì., 1993.

Õîòóíöåâ Þ. Ë. Ýêîëîãèÿ è ýêîëîãè÷åñêàÿ áåçîïàñíîñòü: Ó÷åá. ïîñîáèå äëÿ ñòóä. âûñø. ïåä. ó÷åá. çàâåäåíèé. — Ì.: Àêàäåìèÿ, 2002. Õðîìîâ Ñ. Ï., Ïåòðîñÿíö Ì. À. Ìåòåîðîëîãèÿ è êëèìàòîëîãèÿ. — Ì., 2001. ×èæåâñêèé À. Ë. Êîñìè÷åñêèé ïóëüñ æèçíè. — Ì., 1995.

Øêëîâñêèé È. Ñ. Çâåçäû, èõ ðîæäåíèå, æèçíü è ñìåðòü. — Ì., 1995.

Øðåäèíãåð Ý. ×òî òàêîå æèçíü ñ òî÷êè çðåíèÿ ôèçèêè? — Ì.: Àòîìèçäàò, 1972.

Концепции современного естествознания

Recommend Documents