- •Основы современного естествознания введение
- •Раздел 1. Тематический план дисциплины
- •Раздел 2.
- •Краткий курс лекций
- •Лекция 1.
- •Естествознание в мировой культуре
- •1. Предмет, задачи, структура курса «Основы современного естествознания».
- •2. Естествознание в системе форм общественного сознания.
- •3. Философия, математика, гуманитарные и естественные науки и их объекты
- •4. Естественнонаучная и гуманитарная культуры. Специфика и взаимосвязь естественнонаучного и гуманитарного типов культур
- •5. Проблема постнеклассического межкультурного диалога естественных и гуманитарных наук
- •Лекция 2. Особенности физического описания реальности Современные представления о движении, пространстве и времени.
- •1. Идеальные образы объектов реального мира (твердое тело, материальная точка, частица, вакуум, среда, поле, вихрь, волна)
- •2. Физические характеристики идеальных объектов и представление о способах их описания ( масса; заряды и их действие на расстоянии; заряды как источники полей; «свободные» поля, суперпозиция полей)
- •3. Единицы физических величин
- •Лекция 3. Современные представления о движении, пространстве и времени
- •1. Движение и его виды. Относительность движения
- •2. Законы сохранения и их роль в формировании научной картины мира (законы сохранения энергии, импульса и момента импульса)
- •3. Пространство и время как основные свойства материи
- •Лекция 4. Понятие теплоты и термодинамический способ описания действительности
- •1. Термодинамические системы и их макроскопические храктеристики
- •2. Теплота и механическая работа (закон сохранения энергии)
- •3. Обратимые и необратимые процессы. Равновесное состояние и флуктуации. Закон возрастания энтропии
- •4. Неравновесные системы и их характеристики
- •Реакция Белоусова-Жаботинского
- •5. Бифуркации и аттракторы. Спонтанная самоорганизация в природе и обществе
- •Лекция 5. Квантовые представления о строении вещества и физическая Вселенная
- •1. Квантовые представления о строении вещества (фотоэффект и эффект Комптона, опыты по дифракции электронов и фотонов).
- •2. Современные представления о строении атома (волновые свойства атомов и молекул; лазерное излучение)
- •3. Соотношение неопределенностей и квантово-волновой дуализм
- •4. Представление об элементарных частицах и их взаимодействии. Ядерные взаимодействия. Атомная и термоядерная энергетика
- •5. Квантовая инженерия в наномире
- •Лекция 6. Элементарные частицы и физический эксперимент
- •1. Современные ускорители
- •2. Рождение и аннигиляция элементарных частиц
- •3. Виды взаимодействий элементарных частиц
- •4. Теория кварков
- •Лекция 7. Элементы современной космологии (физическая Вселенная)
- •1. Космические объекты и методы их исследования
- •2. Солнечная система в мире галактик
- •3. Модель Большого взрыва
- •4. Звезды и их эволюция
- •5. Земля в свете антропного принципа
- •Геохронологическая и стратиграфическая шкалы
- •Географическая оболочка Земли
- •Лекция 8. Система современного химического знания
- •1. Химия как наука, современная химическая картина мира (структурные уровни организации материи с точки зрения химии).
- •2. Основные понятия и законы химии (периодический закон и его значение)
- •3. Классификация химических веществ
- •§ 2. Теория строения органических соединений
- •§ 3. Классификация органических соединений
- •§ 4. Высокомолекулярные соединения (полимеры)
- •4. Теория химического строения вещества. Взаимосвязь между строением, свойствами и реакционной способностью вещества
- •Лекция 9. Растворы. Химическая идентификация
- •1. Растворы и их особенности
- •2. Химическая идентификация
- •3. Химические процессы (реакции)
- •4. Химия экстремальных состояний
- •Лекция 10. Современная химия: экономический и социальный аспекты
- •1. Масштабы современного химического производства
- •2. Проблемы сырьевых ресурсов и химия
- •Металлы и их коррозия
- •3. Химические процессы и материалы (традиционные материалы - дерево, стекло, керамика; применение металлов и сплавов, силикатных материалов, полимеров, биологически активных веществ)
- •6.11. Традиционные материалы с новыми свойствами
- •Синтетические материалы.
- •4. Материалы для создания носителей информации. Химия и нанотехнологии
- •5. Химико-энергетические процессы в природе и технике (альтернативные виды топлива, «зеленая химия»)
- •Аккумуляторы для сотовых телефонов. Эффект памяти
- •А теперь подведем итоги.
- •Лекция 11. Роль химии в современном обществе
- •1. Экологические и социальные аспекты химии
- •2. Проблема переработки вторичных ресурсов
- •3. Химия и окружающая среда
- •4. Защита биосферы от химических загрязнений
- •5. Роль химии в решении проблем устойчивого развития цивилизации
- •Лекция 12. Особенности современного биологического знания и его эволюция
- •1. Биология как наука и особенности биологического познания мира
- •2. Фундаментальные и частные биологические теории
- •3. Традиционный, физико-химический, эволюционный и биоинженерный периоды развития биологии. Основные достижения биологии в эти периоды
- •4. Генетическая революция в биологии
- •5. Синергетическая теория эволюции (глобальная эволюция)
- •6. Этические проблемы современной биологии
- •Лекция 13. Современные концепции происхождения и сущности жизни
- •1. Феномен жизни и его исследование
- •2. Отличительные особенности живой и неживой материи
- •3. Основные концепции происхождения жизни
- •5. Идея трансформации биосферы в ноосферу и глобальный эволюционизм
- •Лекция 14. Концепция структурных уровней организации живой материи
- •1. Уровни организации живой природы: молекулярно-генетический, онтогенетический, надорганизменный (популяционно-видовой), популяционно-биоценотический (биогеоценотический)
- •2. Биосферный уровень организации живой материи
- •3. В.И. Вернадский о роли «живого вещества»
- •4. Материальные основы появления жизни на Земле
- •Концепция происхождения живого по гипотезе Опарина-Холдейна
- •5. Возникновение и роль многоклеточных организмов в формировании биосферы Земли Лекция 15. Человек, его место и роль в едином социоприродном комплексе
- •1. Человек как единство биологического, социального и духовного. Генезис человека
- •2. Факторы, закономерности и этапы антропосоциогенеза
- •3. Культура как фактор регуляции (агрессии) человека
- •4. Социобиология и проблема геннокультурной коэволюции
- •5. Биологические предпосылки возникновения социальности человека. Роль социальных факторов в становлении человека
- •4. Перспективы исследования космобиосоциальной сущности человека в современной биологии
- •Биокатализ
- •Генные технологии
- •8 8. Проблемы клонирования
- •2. Достижения и возможные негативные последствия биотехнологий
- •3. Поиск путей развития общества, сохраняющих целостность природы Глава 11 гармония трудовой деятельности людей и природы
- •11.1. Обновление энергосистем
- •11.2. Промышленность, автотранспорт и окружающая среда
- •11.3. Города и природа
- •11.4. Решение проблем утилизации
- •11.5. Перспективные материалы, технологии и окружающая среда
- •4. Ресурсы биосферы и демографические проблемы
- •Лекция 17. Социальное измерение современного естествознания
- •1. Роль научного знания на современном этапе развития общества
- •2. Нелинейное освоение культурой результатов научной деятельности
- •3. Наука и сми
- •5.4. Экологические проблемы сегодня
- •4. Естествознание как основа современных технологий
- •5. Проблема моделирования социокультурных явлений
- •Раздел 3.
- •Семинар 2 . Взаимодействие естественнонаучного и гуманитарного знания
- •Семинар 4. Концепции термодинамики
- •Семинар 5 . Квантовые представления о строении вещества и физическая Вселенная
- •Семинар 6 . Элементарные частицы и физический эксперимент
- •Семинар 7 . Элементы современной космологии (физическая вселенная)
- •Раздел 2. Химия в контексте устойчивого развития общества Семинар 8. Система современного химического знания
- •Семинар 9 . Растворы. Химическая идентификация
- •Семинар 10. Современная химия: экономический и социальный аспекты
- •Семинар 11. Роль химии в современном обществе
- •Раздел 3. Специфика, структура и проблемное поле современного биологического познания Семинар 12 . Особенности современного биологического знания и его эволюции
- •Семинар 13 . Современные концепции происхождения и сущности жизни
- •Семинар 14. Концепция структурных уровней организации живой материи
- •Семинар 15. Человек, его место и роль в едином социоприродном комплексе
- •Семинар 16 . Социальный аспект биологического познания
- •Заключение. Социальное измерение современного естествознания Семинар 17. Перспективы развития естествознания и гуманитарных наук в 21 веке
- •3.2. Перечень вопросов к экзамену (зачету)
- •3.3. Учебно-методические материалы по дисциплине
3. Химия и окружающая среда
В природе существует непрерывный круговорот материи, в основе которого лежит трансформация солнечной энергии живым веществом путем фотосинтеза.
Живое вещество имеет химические особенности. Оно образовано из элементов, представляющих собой растворы жидкого и газообразного типов. В живых организмах обнаружены практически все элементы периодической таблицы Д.И. Менделеева, которые также входят и в состав земной коры. Это указывает на общность живой и абиотической природы и их химических характеристик.
Элементы, составляющие живые организмы, могут быть сгруппированы по функциональному критерию. Все элементы в организме можно разделить на три группы: макроэлементы; микроэлементы; ультрамикроэлементы.
Макроэлементы составляют основную массу органических и неорганических соединений живых организмов. Они нужны организмам постоянно в определенных количествах для осуществления жизненного цикла. Это такие вещества как углерод, кислород, водород, азот, калий, кальций, фосфор. Они могут составлять до 60% массы живого организма.
Микроэлементы – это в основном ионы тяжелых метеллов, которые являются компонентами ферментов, гормонов и других элементов организмов. Микроэлемнты содержаться в незначительных концентрациях и могут составлять от 0,001 до 0,00001 % общей массы тела живого организма. К микроэлементам относятся марганец, бор, кобальт, медь, цинк, молибден, бром, алюминий и др. Роль каждого микроэлемента в жизнедеятельности организма очень специфична потому, что биохимические процессы очень избирательны в своем протекании.
В живых организмах также присутствуют такие ультраэлементы как: уран, радий, золото, ртуть, селен, бериллий, цезий и др. Их количество не превышает 0,00001 % массы тела. Химическая наука пока не может дать полного объяснения их роли в жизни растений и животных.
Необходимо отметить, что существует группа биофильных элементов, без которых невозможно существование и развитие живых организмов.
По современным представлениям наземными растениями включена в жизненные циклы основная масса химических элементов в виде минеральных веществ, толь 0,01% от их количества составляют химические элементы, входящие в состав растительности Мирового океана.
Непрерывные химические превращения обеспечивают развитие живых организмов и существование биосферы. Химические превращения веществ из одной формы в другую обеспечивают их пригодность для усвоения различными организмами в определенной закономерности. Возникает циклическая миграция веществ и химических элементов, требующая затрат энергии, источником которой выступает Солнце. Таким образом, круговорот является естественной формой продолжительного во времени использования ограниченного количества химических элементов для существования и повторения широкого разнообразия живых организмов. На это указал академик В.Р. Вильямс.
Исключениями из этого круговорота являются биогенные осадки в виде полезных ископаемых (нефть, газ, уголь), находящиеся в недрах Земли. Однако деятельность человека включает и их в круговорот, хотя остается открытым вопрос о повторного использования этого ресурса.
Круговорот веществ – это процесс многократного участия веществ в процессах атмосферы, гидросферы, литосферы. Наиболее активно он протекает в биосфере. Наука выделяет два основных круговорота – большой (геологический); малый (биогенный и биохимический).
Биогеохимическим циклом называют круговорот химических веществ из неорганической среды посредством деятельности растительного и животного мира обратно в неорганическую среду на основе химических реакций с использованием энергии Солнца. Большой биосферный круг представляет собой непрерывный планетарный процесс перераспределения вещества, энергии и информации между экологическими системами биосферы.
Биогеохимические круговороты в биосфере могут быть газового или осадочного типов. Круговороты газового типа осуществляются на основе резервного фонда веществ, находящихся в газообразной форме в атмосфере или гидросфере. Круговороты осадочного типа основаны на движении веществ расположенных в земной коре (железо, фосфор, калий и др.)
Живое вещество представляет собой наиболее активную часть биосферы, которая влияет на скорость и направление миграции химических веществ в процессе круговорота. Можно выделить ряд основных функций живого вещества, которые имеют общее значение для биосферы планеты и имеют химическую природу: энергетическую; газовую; концентрационную; обменную; деструкционную.
Сущность энергетической функции состоит в осуществлении взаимосвязи биосферных явлений планеты с энергетическими явлениями Космоса. Механизмом реализации данной функции является фотосинтез, позволяющий аккумулировать и распределять энергию между элементами биосферы. Значительная часть солнечной преобразованной энергии в ходе геологических процессов накопилась в связанной форме в виде залежей полезных ископаемых.
Газовая функция живого вещества связана, прежде всего, с формированием земной атмосферы и газовой структуры основных элементов биосферы в целом. Газы, имеющие абиотическое происхождение, представлены в малых количествах. Большая масса газов возникает в процессе биогенных превращений. Например, фотосинтез обеспечивает наличие кислорода. Дыхание растительного и животного мира порождает диоксид углерода. Источником диоксида углерода служат также химические процессы в осадочных породах.
Концентрационная функция связана способностью живых организмов аккумулировать химические элементы в процессе взаимодействия с окружающей средой. В результате живые организмы имеют более значительную концентрацию определенных веществ по сравнению с окружающей средой, где они обитают. Могут возникать локальные скопления некоторых химических элементов в отдельных участках земной коры, что оказывает серьезное влияние на геохимические условия экосистем. Такие явления носят название геохимических аномалий.
Обменная функция заключается в химических превращениях веществ на основе окислительно-восстановительных реакций. Возникающие при этом условия способствуют развитию биогенных процессов в живых организмах.
Деструкционная функция живых существ обеспечивает процессы разложения биологических организмов. В этом случае происходит минерализация органического вещества и превращение в косное вещество.
Важнейшими биогеохимическими круговоротами являются – круговороты углерода, кислорода, азота, фосфора и серы.
Круговорот углерода на суше осуществляется в процессе фотосинтеза с образованием органических соединений и выделением кислорода, одновременно часть кислорода расходуется на дыхание живых организмов.
Химические формулы при этом имеют вид:
6 С О2 + 6 Н2 О → С6 Н12 О6 + 6 О2 ↑
и С6 Н12 О6 + 6 О2 → 6 С О2 + 6 Н2 О.
Диоксид углерода очень активно выделяется многочисленными организмами: почвенные грибы, бактерии, все сложные организмы. В результате процессов разложения органических веществ в лесах, степях и других зонах выделяется огромное количество диоксида углерода. Биомасса отживших растений разлагается при участии микроорганизмов и углерод в этом процессе превращается в диоксид и поступает в атмосферу. Постепенно происходит полная минерализация органических отмерших тел, окисление веществ, которое сопровождается реакциями спиртового, метанового и уксусного брожения.
Количество двуокиси углерода в атмосфере зависит и от вулканической активности, выбросов промышленных предприятий, электростанций, железнодорожного, авиационного и автомобильного транспорта. Наука считает, что зеленые растения ежегодно потребляют то количество диоксида углерода, которое создается в атмосфере всеми источниками.
Круговорот углерода осуществляется и в гидросфере, однако его оборот в несколько раз меньше из-за особенностей водной среды и процессов в ней. В воде при наличии диоксида углерода образуется угольная кислота, карбонаты и гидрокарбонаты. Образование этих веществ в гидросфере обусловлено также растворением известковых пород суши и коралловых рифов. Это создает возможность миграции углерода между сушей и Мировым океаном. Подсчитано, что полный обмен атмосферы и гидросферы двуокисью углерода в процессе жизнедеятельности организмов осуществляется с периодичностью около 400 лет.
Круговорот азота в природе играет важную роль, учитывая, что азот находящийся в атмосфере не может быть напрямую использован большинством живых организмов. В осуществлении круговорота азота особую роль играют микроорганизмы- азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрификаторы. Данные виды микроорганизмов способствуют биологической фиксации азота воздуха и переводят его в доступную для усвоения живыми организмами форму. Азотфиксирующие организмы суши и моря ежегодно улавливают огромное количество азота. Другим источником азота является атмосферное электричество и фотохимические процессы.
В процессе взаимодействия с атмосферной влагой оксиды азота превращаются в кислоты. Воздействие нитрифицирующих бактерий азотистая кислота окисляется до азотной. В процессе взаимодействия с карбонатами, сульфатами, хлоридами и другими солями, содержащихся в почвах, азотная кислота образует нитраты.
Гниение органических веществ приводит к тому, что большая часть азота в них превращается в аммиак, который за счет нитрифицируещих юбактерий окисляется до азотистой и азотной кислоты. Реакции нитрификации требуют хорошей аэрации, т.е. достаточного количества кислорода. При его отсутствии или недостатке начинаются процессы денитрификации, приводящие к восстановлению азота в чистом виде.
В кругообороте принимает участие только азот, фиксированный живыми организмами различных элементов биосферы.
В регионах, затронутых сельскохозяйственной деятельностью человека, кругооборот азота дополняется явлениями искусственного его внесения в почву в виде минеральных удобрений.
Круговорот кислорода – это биогеохимический цикл основополагающего характера, который объединяет атмосферу, гидросферу и литосферу. Основными этапами этого процесса являются образование свободного кислорода в результате фотосинтеза в зеленых растениях, использование кислорода всеми живыми организмами в процессе дыхания, реакции окисления органических и неорганических соединений (разложение органических остатков, сжигание топлива и органических соединений). В результате этих процессов образуется чаще всего диоксид углерода и вода, которые затем вовлекаются в следующий цикл фотохимических превращений.
В круговороте кислорода особенно проявляется активная геохимическая роль живого вещества, указывающая на ведущую роль кислорода в организации жизни. Но, являясь основополагающим круговоротом на планете, кругооборот кислорода в значительной степени зависит от хозяйственной деятельности человека. Свободный кислород присутствует в атмосфере, а в растворенном виде он присутствует в природных водах. Ежегодное продуцирование кислорода осуществляется в объеме 75% растительностью суши и в объеме 25% фотосинтезирующими организмами Мирового океана.
Вырубка лесов, рост народонаселения, сжигание топлива – все это ведет к увеличению потребления кислорода. Возможно, в будущем возникнет ситуация, когда количество потребляемого кислорода сравняется с его количеством, продуцируемым природой.
Круговорот фосфора существенно отличается от других биогеохимических циклов. Эти особенности объясняются природой соединений фосфора, которые не являются газообразными. Фосфорные соединения входят в состав сложных белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов. Именно наличие фосфорных соединений как показывают исследования обуславливают биоэнергетические процессы. Живые организмы концентрируют фосфор в 10 раз интенсивнее чем неорганическая природа.
Интенсивный круговорот фосфора на поверхности суши происходит в биосистеме «почва-растения-животные-почва». Растения используют преимущественно легкодоступные формы фосфата, которые возникают при разложении органических остатков. Из минеральных соединений в природе встречаются чаще всего соли ортофосфорной кислоты, которые труднодоступны растениям. Под влиянием ферментов в почвенном растворе эти соли могут превращаться в гидрофосфаты или дигидрофосфаты.
Круговорот серы представляет собой биогеохимичесикй цикл, в котором ведущую роль играют микроорганизмы. При этом одни из них способствуют окислению серы, а другие – восстановлению. Круговорот серы сопровождается явлениями иммобилизации (превращение неорганических соединений в органические под влиянием микроорганизмов) и минерализации.
Круговорот калия осуществляется в земной коре на основе комплекса процессов выветривания и кристаллохимических превращений силикатных пород. При этом высвобождаются катионы калия, которые являются приемлемой формой калия для усвоения растениями.
Калий практически не вступает в органические сложные соединения и его движение возобновляется после отмирания растений. Круговорот калия в гидросфере изучен в настоящее время недостаточно. Все рассмотренные биогеохимические круговороты охватывают всю биосферу, а их движущей силой является деятельность живых организмов в различных ее компонентах.
В виду прогрессивного развития хозяйственной деятельности человека возникает ряд серьезных угроз, связанных с нарушением естественного течения основных круговоротов химических элементов. За последние полтора века экономические явления и промышленное производство произвели на биосферу значительно большее воздействие, чем за весь предыдущий период существования человечества.
Деятельность человека привела к количественным и качественным изменениям во всех частях биосферы. В глобальном плане начинается формирование новых условий протекания уже существующих жизненных процессов. К каким последствиям для существующих форм жизни это может привести предсказать трудно. Однако можно уверенно объяснить реально протекающие в биосфере явления на основе представлений о химических превращениях веществ.
В атмосфере постепенно увеличивается количество различных химических ингредиентов: оксиды серы и азота; галогенпроизводные углеводороды.
Оксид серы поступает в атмосферу с дымовыми газами предприятий теплоэнергетики, на которых в качестве топлива используется уголь. Большое количество серосодержащих примесей содержится в нефти и мазуте в виде меркаптанов, которые представляют собой органические производные сероводорода. Сгорание меркаптанов приводит к образованию диоксида серы.
Образование оксидов азота обусловлено термическими особенностями его активности. При значительных температурах в процессе сгорания топлива азот вступает в соединения с кислородом. Этот же процесс, но в меньших масштабах, происходит в при наличии газовых разрядов (молний) в атмосфере.
Механизмы химических превращений загрязняющих веществ в атмосфере очень сложны, они могут иметь гомогенную, гетерогенную, молекулярную или радикальную основу. Значительную роль в процессах преобразования загрязняющих веществ в атмосфере принадлежит излучению различных диапазонов. В зависимости от времени суток, широты местности, времени года и др. факторов скорость газофазного окисления будет различной, но в любом случае происходит изменение химического состава атмосферы.
В химии атмосферных явлений значительную роль играет озон. Этот газ в виде оболочки располагается в атмосфере на высоте 20-25 км (стратосфера) от поверхности земли. Он диффундирует и может достигать нижних слоев атмосферы (тропосфера).
Конечным итогом всех химических процессов в атмосфере в отношении вредных веществ сводится в образованию кислот и выпадению кислотных дождей (рН меньше 5). Экологические последствия связаны с гибелью растительного и животного мира в глобальных масштабах. Происходит окисление почв и как следствие снижение урожайности, гибель лесов и др.
Галогенпроизводными углеводородами называют соединения, содержащие вместо атомов водорода галогены. К такого рода соединениям относятся фреон (фтортрихлорметан) и его разновидности. Эти вещества применяются в качестве хладагентов в различного рода технических устройствах бытового и промышленного назначения. В конечном итоге все эти вещества оказываются в атмосфере и разрушают озоновый слой. Это приводит к увеличению доли солнечной радиации, достигающей земной поверхности и оказывающей губительное действие на все живое.