Микро- и макровзаимодействия в природе

23

1. Охарактеризуйте четыре фундаментальных взаимодействия в природе. Объясните, какие взаимодействия и где играют основополагающую роль (мегамир, макромир, микромир).

	Вид взаимодействия	Источник взаимодействия	Сила взаимодействия	Радиус взаимодействия	Квант-переносчик	Константа взаимодействия
1	Гравитационное взаимодействие	Присуще всем материальным объектам	Определяется законами Всемирного тяготения Между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо противоположная произведению их масс, и обратно противоположная квадрату расстояний между ними.	Не ограничен	Гравитационные волны	6х
2	Электромагнитное взаимодействие	Электрическое и магнитное поле	Действующие между заряженными частицами электромагнитные силы. Общее описание дают уравнения электромагнитной теории Д. Максвелла	Не ограничен	Фотоны
3	Сильное взаимодействие	В границах размера ядра	Ядерные силы (чем нуклоны в ядре взаимодействуют сильнее, тем оно устойчивей). Данные силы - короткодействующие.	(0,1 - 1) хсм	Глюоны	1
4	Слабое взаимодействие	В отдельных видах ядерных процессов, медленно протекающих с элементарными частицами	Распад ядер. Взаимодействие лептонов, либо вещества с нейтрино, к примеру: np++v	0,1 хсм	Слабые бозоны

Из представленных в таблице данных видно: гравитационное взаимодействие (при его классическом представлении) в процессах микромира важной роли не играет.

С другой стороны, в процессах макромира ведущая роль принадлежит именно ему.

Так, гелиоцентрическое планетарное движение Солнечной системы происходит в точном соответствии с законами гравитационного взаимодействия. Ему же подчиняется и скопление звёзд в галактики, и взаиморасположение галактик во вселенной.

Наличие сильного (внутриядерного) взаимодействия было подтверждено опытами Резерфорда в 1919 году, и главная роль в микромире принадлежит именно ему.

Короткий (в пределах ядра) радиус сильного взаимодействия объясняется формулой комптоновской длиной волны частицы. Макро и мегамиру сильное взаимодействие не присуще.

Слабое взаимодействие также характерно для микромира. Оно играет основную роль в исследовании микропроцессов, однако в 1967 году появилась теория (Салам, Вайнберг), объединявшая слабое взаимодействие с электромагнитным. Следовательно, исходя из неограниченного радиуса электромагнитного взаимодействия, оно может существовать и в макро, и в мегамире.

3. Что такое ядерная и термоядерная реакции? Определите энергию при следующих реакциях. Использовать формулу:

ЭЛЕМЕНТ	ИЗОТОП	МАССА а.е.м.
Водород		1,00783 2,01410 3,01605
Гелий		3,01603 4,00260
Литий		6,01513
Бериллий		9,01505
Бор		10,01294
Протон	p	1,00728
Нейтрон	n	1,00867

Ядерная реакция - процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии друг с другом, с элементарными частицами или гамма-квантами. Данная реакция часто характеризуется выделением громадного количества энергии и радиоактивностью - явлением спонтанного превращения одних ядер в другие с испусканием различных частиц.

Термоядерная реакция (реакция термоядерного синтеза) - является разновидностью ядерной реакции, в которой при высокой, больше К, из лёгких ядер синтезируются более тяжёлые.

Для определения изначально определяем энергию связи нуклонов в ядрах.

Е = 931 МэВ/а.е.м. х 2,01410 = 1875, 1721 МэВ;

Е = 931 МэВ/а.е.м. х 2,01410 = 1875, 1721 МэВ;

Е = 931 МэВ/а.е.м. х 3,01603 = 2807,9239 МэВ;

Е = 931 МэВ/а.е.м. х 1,00867 = 939,07177 МэВ.

Таким образом:

1875,1271 МэВ + 1875,1271 МэВ = 3750,2542 МэВ;

2807,9239 МэВ + 939,07177 МэВ = 3746,9956 МэВ.

Отсюда: 3750,2542 МэВ - 3746,9956 МэВ = 3,2586 МэВ.

Следовательно, при слиянии двух лёгких ядер образуется одно тяжёлое ядро с большой энергией связи. А также выделяется энергия 3,2586 МэВ, равная разности энергий связи тяжёлого ядра и двух лёгких ядер, порядка 30% которой приобретает образующийся при реакции нейтрон.

4. Исходя из положения элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева, укажите

1). Сколько протонов и сколько нейтронов в ядре атома?

2). Сколько электронов в атоме?

3). Сколько электронных уровней?

4. 2	Магний; Водород

а). Магний Mg 12

24,312

магний

Согласно периодической системе элементов:

1. В ядре атома 12 протонов (в соответствии с порядковым номером элемента);

В ядре атома 12 нейтронов (разность между атомной массой элемента и его порядковым номером в системе).

2. Число электронов в атоме тождественно порядковому номеру элемента, следовательно, атом Mg имеет 12 электронов.

3. Так как магний является химическим элементом III периода периодической системы, соответственно и электронных уровня у него три.

б). Водород H 1

1,00797

водород

Согласно периодической системе элементов:

1. В ядре атома 1 протон (плюс - заряженная частица).

2. Число электронов в атоме равно его порядковому номеру, следовательно, атом Н имеет 1 электрон.

3. Так как водород является химическим элементом I периода периодической системы, соответственно и электронный уровень у него один.

5. Какие химические элементы являются самыми главными для жизни и почему? Поясните. Напишите о значении для организмов каждого химического элемента

5. 2	азот	калий	магний	углерод	кислород	марганец

Наиболее важными для жизни являются углерод, азот и кислород.

Углерод. От латинского «carboneum». Существует в свободном виде в двух формах - графит и алмаз. Углерод является одним из важнейших элементов в природе. Его соединения составляют основу флоры и фауны, а сам химический элемент участвует в образовании углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот.

Круговорот углерода в биосфере начинается с фиксации атмосферного углекислого газа в процессе фотосинтеза растениями и некоторыми микроорганизмами. Часть поглощённого углерода расходуется при дыхании растений, а часть потребляется животными, которые тоже выделяют . Погибшие растения и животные разлагаются, углерод их тканей окисляется и в виде диоксида поступает в атмосферу. При отсутствии кислорода, в процессе разложения мёртвых организмов образуются нефть, торф и каменный уголь. Они используются человеком для получения энергии, а выделившийся диоксид углерода возвращается в атмосферу.

Подобный круговорот углерода присутствует и в гидросфере. Только часть углерода, образованная и захороненная в литосфере, становится элементом горных пород, а попавшая в водоёмы - участвует в образовании карбонатных пород (известняков, доломитов).

До активного вмешательства человека в естественные экосистемы и их резкого сокращения, равновесие между связыванием и высвобождением углерода поддерживалось на планете с большой точностью. Сейчас же оно приводит к разбалансировке углеродного цикла, а значит и к снижению стабильности концентрации ряда других химических веществ. Помимо природного, особое место в круговороте углерода наших дней приобретает массовое сжигание органических веществ с постепенным возрастанием содержания в атмосфере, и как следствие - возникновение «парникового эффекта» с вероятным резким изменением климата.

Азот. Название «азот» происходит от греческого слова «azoos» - безжизненный, по-латыни Азот - один из самых распространенных элементов на Земле, причем основная его масса сосредоточена в свободном состоянии в атмосфере. В воздухе свободный азот (в виде молекул N₂) составляет 78,09% от общего объёма. Круговорот этого элемента в природе - один из наиболее сложных, и в то же время - он практически идеален. Ведь биогеохимический цикл азота включает в себя несколько основных этапов:

- фиксация азота из воздуха живыми организмами (бактериями и водорослями), обогащающими почву азотом при минерализации;

- поглощение азота корнями растений и транспортировка его в листья со стеблями, где в процессе биосинтеза строятся белки;

- использование растительных белков в качестве питания животными;

- разложение животных останков с выделением аммиака, используемого бактериями, и образование нитратов, частично восстанавливаемых до элементарного азота, возвращаемого в атмосферу.

Кислород. Назван переводом с латинского слова «oxygenium». При нормальных условиях - газ без цвета и запаха. Вместе с азотом и незначительным количеством других газов свободный кислород образует атмосферу Земли (23, 15% по массе или 20,95% по объёму, всего кг). В гидросфере содержится кг растворённого кислорода (то есть 1% атмосферного). Велики также запасы связанного кислорода: 58% атомов в земной коре - это атомы связанного кислорода.

Практически весь свободный кислород планеты возник и сохраняется в результате фотосинтеза. Фотосинтезом же, (от греческих слов «фотос» - свет и «синтез - соединение), называют процесс создания растениями органических молекул из неорганических за счёт энергии солнечного света. Происходит он из-за наличия в растениях хлоропластов, содержащих хлорофилл - вещество, которому своим существованием обязано всё живое на Земле. Ведь за исключением редчайших анаэробных бактерий, кислород при дыхании использует каждый организм, а следовательно - для живого он имеет первостепенное значение и является самым важным химическим элементом.

Кислород - сильнейший окислитель (кислород - «рождающий кислоту»). Практически все реакции с участием кислорода - реакции окисления, в результате которых образуются вещества - оксиды. И в живом мире, попадая в организм через дыхание, кислород вступает в реакцию с углеродом и выводит отходы дыхания в виде молекул , способствуя росту и развитию клетки.

Прочие химические элементы, хотя и не имеют столь ярко выраженного для жизни значения, тем не менее - тоже необходимы в его физиологических процессах.

Калий. Серебристо-белый метал, название которого происходит от латинского «kali-um». По распространённости в земной коре калий занимает седьмое место (порядка 2,5% по массе). В свободном состоянии в природе не встречается, а представлен минералами, солями и силикатами.

Наиболее важное значение для жизни калий имеет в виде калийных удобрений. Они существенно увеличивают способность растений к фотосинтезу, особенно для сахаристых культур. К калийным удобрениям относятся природные соли калия: сильвин, сильвинит, каинит, а также продукты их переработки: поташ, сульфат и другие химические вещества. Кроме того - калий способствует быстрейшему оттоку органических веществ от листьев к корням.

Магний. В свободном состоянии представляет собой серебристо-белый, очень лёгкий металл с ярко выраженными металлическими свойствами, широко распространённый в природе. В больших объёмах он встречается в виде карбоната магния, образуя минералы магнезит и доломит. Ион представлен в морской воде, придавая ей горький вкус, а общее количество магния в земной коре составляет около 2% от массы.

Магний является составной частью многих ферментов живой клетки, участвующих в энергетическом обмене и синтезе ДНК. В растительном организме магний входит в состав молекулы хлорофилла, а ион образует с пектиновыми веществами соли. В животном организме металл является значимой частью ферментов, необходимых для функционирования мышечной, нервной и костных тканей.

Марганец. Принадлежит к довольно распространённым элементам, составляя 0,1% от массы земной коры. Марганец - серебристо-белый твёрдый, но хрупкий металл. Из соединений, содержащих марганец, наиболее часто встречается минерал пиролюзит, представляющий собой диоксид марганца.

Находясь в составе ферментов, участвующих в дыхании и окислении жирных кислот, марганец существенно повышает активность фермента карбоксилазы. В структуре растений, химический элемент находится в составе ферментов, участвующих в темновых реакциях фотосинтеза и восстановлении нитратов. Для организма животного роль марганца не менее значима: он входит в структуру фосфатаз-ферментов, необходимых для роста костей.

6. Постройте схему из следующих понятий: 1) клетка; 2) вид; 3) молекула; 4) органы, ткани; 5) биосфера; 6) целостный организм; 7) биоценоз. Объясните последовательность схемы. Укажите, где проходит граница между живым и неживым. Укажите основные признаки живого

Схема:

Молекула клетка органы, ткани целостный организм вид биоценоз биосфера.

Методика построения последовательности:

Молекула - наименьшая частица вещества, которая может обладать его свойствами.

Клетка - основная структурно-функциональная и генетическая единица живого организма. Клетка является наименьшей единицей живого и в биологической цепочке стоит на следующей после молекулы ступени, так как формируется непосредственно из молекул или молекулярных соединений.

Орган, ткань - надклеточного уровня образование, состоящее из объединённых по функционально-типовому признаку клеток, формирующее своей совокупностью организм и служащее для выполнения в нём определённой функции.

Целостный организм - открытая, самообновляемая, саморегулируемая, самовоспроизводящаяся система, построенная из тканей и органов и проходящая путь необратимого развития.

Вид - естественное объединение живых организмов по сходным признакам.

Биоценоз - понятие, объединяющее уже всех животных, растения и микроорганизмы, обитающие в относительно однородном жизненном пространстве (биотопе).

Биосфера - оболочка Земли, содержащая в себе полную совокупность живых организмов и часть вещества планеты, находящуюся в непрерывном обмене с данными организмами. Под биосферой В. И. Вернадский подразумевал «область существования живого вещества», включающую околоземную (до озонового слоя) область атмосферы, гидросферу до максимальной глубины и литосферу (до глубины 2-3 километра).

Таким образом, граница живого и неживого проходит на уровне молекула клетка, ведь именно органические (неживые) молекулярные соединения являются основой, строительным веществом для клеток живого организма. Доказательством данному утверждению могут служить опыты в области исследования возникновения «живого из неживого»:

Американский биохимик С. Миллер после ряда экспериментов в 1953 году смоделировал условия, схожие с существовавшими на первобытной Земле. Он создал оснащённую источником энергии установку, где удалось синтезировать многие играющие важную биологическую роль соединения. Опыты Миллера продемонстрировали, как под воздействием излучений такие органические вещества могут образовываться в самых разнообразных, содержащих азот, углекислый газ, водород, аммиак, воду, синильную кислоту или метан смесях.

А.И. Опарин же, рассматривая проблему возникновения жизни путём биохимической эволюции, выделяет следующие этапы предположительного перехода от неживой материи к живой:

- синтез исходных органических соединений из неорганических веществ в условиях первичной атмосферы первобытной планеты;

- формирование в первичных водоёмах из скопившихся там органических соединений биоплоимеров, углеводородов и липидов.

- самоорганизация сложных органических соединений. Возникновение и эволюционное совершенствование на их основе процессов обмена веществом с воспроизводством органических структур, завершившееся образованием простейшей клетки.

Теория А.И. Опарина послужила началом физико-химического моделирования процесса образования молекул аминокислот, углеводородов и нуклеиновых оснований в первичной атмосфере Земли.

А с точки зрения академика В.И. Вернадского, живое и неживое вещество биосферы тесно связаны между собой биогеохимическими циклами. Само же учение Вернадского о биосфере представляет систему взглядов на планетарное и космическое значение жизни, взаимосвязь и взаимодействие живой и неживой природы.

Так, с позиции учёного: биогеохимический цикл - процесс обмена энергией и веществом между компонентами биосферы, имеющий циклический характер и обусловленный жизнедеятельностью поглощающих из внешней среды одни вещества и выделяющих в неё другие живых организмов.

Основным энергетическим источником и катализатором подобных циклов является солнечное излучение в видимой части спектра. Оно используется зелёными растениями для создания в процессе фотосинтеза органических веществ, которые обеспечивают энергией и пищей все остальные организмы.

Живое вещество представлено среди общего вещества биосферы лишь ничтожной долей - порядка 0,25%. Однако, благодаря происходящему в живых организмах обмену веществ, в биогеохимических процессах именно ему принадлежит основная роль. Ведь наличием живых организмов обусловлены, как формирование почвенного покрова литосферы, так и химический состав атмосферы с гидросферой.

Живое вещество является самой мощной и активной в геологическом плане субстанцией нашей планеты, способной произвести громадную по последствиям и масштабам геохимическую работу, которая заключается в его функциях:

- Энергетическая. Проявляется в усвоении живым веществом солнечной энергии и передаче её по пищевой (трофической) цепи;

- Газовая. Способствует сохранению и поддержанию современного состава атмосферы, а заключается в поглощении и выделении кислорода, углекислого газа с некоторыми другими газообразными веществами (сероводород, метан);

- Концентрационная. Реализуется путём извлечения и избирательного накопления организмами химических элементов окружающей среды (азот, кремний, кальций, магний и прочие), благодаря которому образовались залежи полезных ископаемых;

- Окислительно-восстановительная. Проявляется в реакциях, лежащих у основы любого вида биологического обмена веществ. К примеру, восстановление диоксида углерода из углеводов в ходе фотосинтеза и их окисление до диоксида углерода при дыхании;

- Репродуктивная. Универсальная функция на основе процесса деления клеток, благодаря которой жизнь на Земле не прекращается. Существует в двух основных формах: бесполое и половое размножение;

- Деструктивная. В её процессе происходит разрушение отмершего органического вещества до минеральных соединений.

Следовательно, признаками живого является способность к поглощению различных необходимых для жизнедеятельности веществ, их накоплению, выделению, саморегуляции, саморазмножению и разрушению по окончании жизненного цикла.

7. Какие органические вещества входят в состав клетки? Какие органические веществ являются самыми распространёнными на Земле? Охарактеризуйте, какие функции в клетках выполняют органические вещества

7. 2	Углеводы; Жиры

В своём составе клетки живых организмов содержат органические соединения - биополимеры. Это высокомолекулярные природные соединения, участвующие во всех процессах жизнедеятельности организма. Биополимеры включают в себя белки, липиды, нуклеиновые кислоты, углеводы. Органические вещества занимают 20-30% массы клетки, и помимо главных биополимеров в её составе присутствует ряд небольших молекул: гормонов, пигментов, АТФ и множество других.

Самыми распространёнными на Земле являются простейшие органические соединения - углеводороды, содержащие только углерод и водород. Однако, наряду с ними достаточно распространены углеродные соединения, в состав которых входят и другие элементы (кислород, сера, азот). К примеру - диоксид углерода , представленный в атмосфере планеты 1% общего объёма.

В составе клеток всех живых организмов углеводы имеют широчайшее распространение. Это органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. В их большинстве, как правило, водород и кислород находятся в тех же соответствиях, что и в воде (отсюда название - углеводы). Общая формула таких углеводов .

Важнейшая функция углеводов - энергетическая.

Ведь именно они служат основным источником энергии для организмов, питающихся органическими веществами.

К примеру, один из наиболее распространённых углеводов - глюкоза. Являясь простым сахаром, из нескольких остатков она образует уже сложные сахара (диа и полисахариды).

Так, в состав молока входит молочный сахар (диасахарид), а он занимает место основного источника энергии для детёнышей всех млекопитающих Земли.

Также углеводы являются строительным материалом многих организмов (клеточная стенка растений в основном состоит из полисахарида целлюлозы) и выполняют запасающую функцию, накапливаясь в качестве резервного продукта клеток.

Липиды (жиры) клеток достаточно разнообразны по структуре.

Тем не менее, всем им принадлежит одно общее свойство: они труднорастворимы.

Следовательно, и растворяются липиды в таких жидкостях, как хлороформ, эфиры, органические растворители, но практически нерастворимы в воде.

При окислении жиров в клетке образуется большое количество энергии, которая расходуется на различные процессы.

В этом заключается энергетическая функция липидов.

Излишки же попавших в организм жиров имеют свойство накапливаться в клетках и служить запасным питательным веществом, а у многих млекопитающих жировая прослойка является ещё и защитой от переохлаждения.

Помимо вышеуказанных функций, некоторые липиды являются гормонами и принимают участие в регулировании физиологических процессов организма.

А липиды, содержащие фосфор, составляют основу клеточных мембран; то есть выполняют структурную функцию.

8. Объясните значение следующих терминов и понятий

8. 2	Адроны; Витамин; Ген; Гравитон; Изотропность; Интерпретация; Корпускула; Космос; Нейтрино; Парадигма.

АДРОНЫ (от греческого hadros - большой, сильный) - элементарные частицы, принимающие участие в сильном (короткодействующем, в размерах ядра) взаимодействии. В настоящее время к классу адронов относят порядка трёхсот элементарных частиц. В значении от значения спина, данные частицы делятся на две группы: мезоны (от греч. meso - средний), и барионы (от греч. barys - тяжёлый). В свою очередь, в группе барионов выделяются нуклоны (протоны и нейтроны), и гипероны. Адроны являются составными частицами. Так, нуклоны состоят из трёх фундаментальных, электрически заряженных частиц, называемых кварками. Экспериментальное подтверждение данного тезиса было получено в 1969 году в Стэнфорде.

ВИТАМИН (по словарю Ожегова) - органическое вещество, первоисточником которого обычно служат растения, необходимое для нормальной жизнедеятельности организма, а также препарат, содержащий такие вещества). Слово «витамин» образовано от греческих «вита» и «аимн», что значит жизненная кислота. Витамины - участники химических процессов в теле. Организм не может их синтезировать самостоятельно, а получает с пищей. Витамины подразделяются на группы, обозначенные латинскими буквами А, B, C…, и для нормальной жизнедеятельности человеку необходимо 13 витаминов. Особенно важны два из них: витамин С, при недостатке которого он заболевает цингой, и витамин D, необходимый для нормального развития костей и зубов.

ГЕН - элементарная единица наследственности, представляющая собой внутриклеточную молекулярную структуру, участок молекулы ДНК. По химическому составу, гены - нуклеиновые кислоты, в основе которых главную роль играют азот и фосфор. Как правило, гены располагаются внутри ядер клеток (в хромосомах) и имеются в каждой клетке. Общее их количество в крупных организмах достигает миллиардов, а совокупность всех генов организма называется генотипом. В генах фиксируются все признаки и свойства организма, передающиеся по наследству.

ГРАВИТОН - квант гравитационного поля ( поля тяготения), который является переносчиком гравитационного взаимодействия. Гравитон обладает нулевой массой покоя, спиновым числом 2 (в единицах постоянной Планка), электрически нейтрален. Экспериментально пока не обнаружен.

ИЗОТРОПНОСТЬ - инвариантность физических законов относительно выбора осей координат системы отсчёта (относительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол). Или же независимость свойств среды или вещества от направления.

ИНТЕРПРЕТАЦИЯ - истолкование, разъяснение смысла какой-либо знаковой системы (символа, выражения, текста). Либо - ретрансляция явления в преломлении через мировоззрение очевидца.

КОРПУСКУЛА - очень малая частица вещества. Данное понятие является специфическим научным термином и используется преимущественно в физике (например - корпускулярная теория света).

КОСМОС (от греческого кохток - вселенная) - понятие, впервые введенное Пифагором для обозначения единства мира в противоположность хаосу. Главным свойством космоса считалась гармония сфер. В истории философской мысли использование данного понятия вело либо к признанию роли творца (демиурга), либо к обожествлению самого космоса в виде пантеизма или космотеизма. С развитием космонавтики понятие космоса стало соизмеряться с освоенной человеческой частью солнечной системы и Вселенной.

НЕЙТРИНО (от итальянского neutrino- нейтрончик) - электрически нейтральная элементарная частица, возникающая при бета-распаде, которая приобретает импульс и уносит с собой часть энергии распада. Спин нейтрино направлен противоположно его импульсу (направлению скорости движения) . В сильном взаимодействии нейтрино не участвует, и его гравитационная масса крайне мала (менее 1/20 000 массы электрона). Зато длина свободного пробега нейтрино с энергией 1 МэВ составляет около 1000 световых лет, и его энергии хватает, чтобы свободно пронзить солнце.

ПАРАДИГМА (от греческого pаradeigma - пример, образец) - понятие, получившее особенно широкое распространение после работ современного американского историка науки Т. Куна. Означает совокупность теоретических, методологических и иных установок, принятых научным сообществом на каждом этапе развития науки, которыми руководствуются в качестве образца (модели, стандарта) при решении научных проблем. Как определенный «набор» предписаний (регулятивов), каждая парадигма включает в себя следующие элементы: символические (знаковые) обобщения, философские компоненты, ценностные установки, схемы решения конкретных задач (головоломок). Понятие парадигмы уточняется с помощью понятия «дисциплинарная матрица», выражающего не только принадлежность ученых к. данной научной дисциплине, но и систему методов, приемов, норм их исследовательской деятельности.

9. Объясните устойчивость биосферного уровня. Опишите круговорот одного из биогенных элементов

9. 2	Азот

В учении Вернадского о биосфере проводится разделение вещества на несколько различных, хотя и геологически взаимосвязанных типов:

- Живое вещество: вещество, образованное совокупностью организмов;

- Биогенное вещество. Создаётся и перерабатывается организмами в процессе их жизнедеятельности (нефть, уголь, известняки, атмосферные газы и прочие соединения);

- Косное вещество. Образуется без участия живых организмов (продукты тектонической или эрозионной деятельности планеты, космические тела);

- Биокосное вещество. Вещество, образующееся в результате совместной деятельности живых организмов и абиогенных факторов (водная среда, почва).

Согласно данному учению, всё живое и неживое вещество биосферы связано между собой биогеохимическими циклами. А под ними можно понимать процесс обмена веществом и энергией между компонентами биосферы, носящими устойчивый циклический характер и обусловленными жизнедеятельностью живых организмов, поглощающих из внешней среды одни вещества и выделяющих в неё другие.

Таким образом, основа организации и устойчивости биосферного уровня кроется в двух причинах:

- многообразие живых организмов;

- бесконечный круговорот важных для живых веществ биогенных элементов (кислород, углерод, сера, кальций, фосфор и другие).

Для понимания устойчивости биосферы, её современного уровня, биохимические циклы основных для жизнедеятельности организмов элементов являются ключевыми. Их круговорот мы рассмотрим на примере азота.

Название химического элемента «азот» происходит от греческого слова «azoos» - безжизненный, по-латыни Nitrogenium. Химический знак элемента - N. Азот - элемент V группы периодической системы Менделеева, порядковый номер 7, относительная атомная масса 14,0067; бесцветный газ, не имеющий запаха и вкуса.

Соединения азота - селитра, азотная кислота и аммиак - были известны задолго до получения азота в свободном состоянии. В 1772 году Д. Резерфорд, сжигая фосфор и другие вещества в стеклянном колоколе, показал, что остающийся после сгорания газ, названный им «удушливым воздухом», не поддерживает дыхания и горения. В 1784 году Г. Кавендиш доказал, что азот входит в состав селитры; отсюда и происходит латинское название азота (от позднелатинского «nitrum» - селитра и греческого «gennao» - рождаю, произвожу). А химическая инертность азота в свободном состоянии и исключительная роль его в соединениях с другими элементами в качестве связанного азота.

Азот - один из самых распространенных элементов на Земле, причем основная его масса (около 4х10¹⁵ тонн) сосредоточена в свободном состоянии в атмосфере. В воздухе свободный азот (в виде молекул N₂) составляет 78,09% по объему (или 75,6% по массе), не считая незначительных примесей его в виде аммиака и окислов. Среднее содержание азота в литосфере 1,9х10^-3% по массе. Природные соединения азота - хлористый аммоний NH₄CI и различные нитраты.

Хотя название «азот» означает «не поддерживающий жизни», на самом деле это один из самых необходимых для жизнедеятельности элемент. Азот входит белок животных и человека, а содержится там его до 16-17%.

В организмах плотоядных животных азот образуется за счет потребляемых белковых веществ, имеющихся в организмах травоядных животных и растениях. Растения же синтезируют белок, усваивая содержащиеся в почве азотистые вещества, главным образом - неорганические. Значительные количества азота поступают в почву благодаря азотфиксирующим микроорганизмам, способным переводить свободный азот воздуха в соединения азота. Или в процессе разложения животных останков с выделением аммиака и образованием нитратов, используемых бактериями. Данные соединения частично восстанавливаются до элементарного азота и возвращаются обратно в атмосферу.

Главную роль в природном круговороте азота играют микроорганизмы - нитрофицирующие, денитрофицирующие, азотфиксирующие и другие. Однако в результате извлечения из почвы растениями огромного количества связанного азота (особенно при интенсивном земледелии) она оказывается обедненной. Дефицит азота характерен для земледелия почти всех стран, наблюдается он и в животноводстве («белковое голодание»). Ведь на почвах, бедных доступным азотом, растения плохо развиваются.

10. Сопоставьте естественнонаучную и гуманитарную культуры

10. 2	Характерные черты науки

Система научных знаний о природе, обществе и мышлении, взятых за единое целое, представляет собой весьма сложное, обладающее различными сторонами и связями явление. Этим и обусловлено её место в общественной жизни, как неотъемлемой части духовной культуры человечества.

Система научных знаний имеет:

Предмет и цели;

то есть, естественнонаучную и связанную с ней гуманитарную культуры, их материальные носители, взаимовлияние, внутреннюю структуру и генезис. При этом изучению подвергаются не только явления и закономерности общего характера, но и специфические нюансы, касающиеся лишь отдельных сторон научного знания.

Собственные закономерности и особенности развития;

С учетом специфики науки, это:

а) Обусловленность практикой.

б) Относительная самостоятельность.

в) Преемственность в развитии идей и принципов.

г) Постепенность развития.

д) Взаимодействие наук и взаимосвязанность всех отраслей естествознания.

е) Противоречивость в развитии.

Методы научного познания, среди которых можно выделить:

а) Эмпирическую сторону знаний.

б) Теоретическую сторону знаний.

в) Прикладную сторону знаний.

В мировоззренческом плане, наука, как единая система познаний обо всём сущем, играет фундаментальную роль, и в конкретный исторический период определяет один из сегментов культуры - доминирующую систему взглядов общества на окружающий мир. Также, на определённых этапах общественного развития именно научная мысль формирует и методологию познания в целом.

Сами знания человечества можно разделить на отрасли, в каждой из которых выделить конкретные направления. Так, научные познания могут подразделяться на:

естественные (физика, химия, биология и т.д.)

технические (машиностроительные, архитектурные, микроэлектроника и т.д.)

социальные и гуманитарные (культурологические науки, социологические, политологические и т.д.)

Как видно из приведенной выше классификации, знания в области физики, химии, биологии и связанных с ними наук формируют блок естественных познаний человечества о природе. И в силу этого, играют решающую роль в заполнении сферы мировоззрения, совокупно с которой воссоздают соответствующее эпохе видение картины мира. А с учетом развития других отраслей знаний, естественная наука уже формирует всю культурную надстройку общества, её мировоззрение.

Хотя, изучение становления и развития материального мира имеет не только мировоззренческое значение, но и познавательное. Поэтому синтез современных концепций физической картины мироздания закладывает базис для качественных шагов в её познании, а отсюда - ведёт и к совершенствованию гуманитарной культуры в целом.

Понятие «научная картина мира» стало широко использоваться с конца XIX века, а история науки стоит в неразрывной связи с историей общества. Следовательно, каждому типу и уровню развития цивилизации, её культуры, производительных сил, техники, соответствует своеобразный период в развитии науки и господствующих взглядов на картину мира.

Научно-техническая революция, развернувшаяся в последние десятилетия, внесла много нового в наши представления о естественнонаучной концепции мироздания. К примеру, возникновение системного подхода позволило взглянуть на окружающий мир, как на единое, целостное образование, состоящее из огромного множества взаимодействующих друг с другом систем. С другой стороны, прогресс науки дал возможность представить его в виде совокупности самоорганизующихся процессов, а интеграция современных научных знаний с гуманитарной культурой перешла в разряд наиболее точного пояснения закономерностей глобального мирового развития. Соответственно, характерные черты науки на современном этапе могут проявляться во многих формах:

в организации исследований на стыке смежных научных дисциплин, где большинством и скрываются наиболее интересные или многообещающие научные проблемы;

в разработке научных методов, имеющих значение для многих сфер познания (спектральный анализ, хроматография, компьютерный эксперимент);

в поиске «объединительных» теорий и принципов, к которым можно было бы свести бесконечное разнообразие явлений природы (гипотеза «Великого объединения» всех типов фундаментальных взаимодействий в физике, глобальный эволюционный синтез в биологии, физике, химии и.т.д.);

в разработке теорий, выполняющих общеметодологические функции в науке (общая теория систем, кибернетика, синергетика);

в изменении характера решаемых современной наукой проблем - они все больше становятся комплексными, требующими участия сразу нескольких дисциплин (экологические проблемы, проблема возникновения жизни и прочие общемировые проблемы).

Таким образом, дифференциация и интеграция в развитии современного научного познания - вовсе не взаимоисключающие, а лишь взаимодополняющие тенденции. Являясь элементом гуманитарной культуры, её весомой составляющей, устремлённая в будущее наука наших дней служит и фундаментом для её дальнейшего развития. Ведь не секрет, что именно сейчас мы используем в повседневности всё больше специальных научных терминов и достижений научно-технического прогресса. Ещё нам стали гораздо ближе и доступней, как многие непонятные раньше научные открытия, так и проблемы. Жизнь становится совершеннее, а обязательная обратная сторона любого усовершенствования - усложнение. Казалось бы, познавать мир становится всё немыслимей, но на помощь человеку приходит наука.

Отсюда, главные черты науки начала XXI века: с одной стороны - её глобализация с взаимопроникновением и объединением тех отраслей, которые ещё недавно считались абсолютно несовместимыми. А с другой - всё большая популяризация и интеграция в общегуманитарную культуру.

Библиографический список

1. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов / С.Х. Карпенков. - М.: Юнити, 1998. - 208 с.

2. Грушевицкая Т.Г. Концепции современного естествознания: Учебное пособие/ Т.Г. Грушевицкая, А.П. Садохин. - М.: Высшая школа, 1998. - 383 с.

3. Акимова Т.А. Экология: Учебное пособие для вузов / Т.А. Акимова, В.В. Хаскин. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000. - 566 с.