Небулярная теория Лапласа
В 1796 году французский математик и астроном Пьер-Симон Лаплас выдвинул теорию, несколько отличную от предыдущей. Лаплас полагал, что Солнце существовало первоначально в виде огромной раскаленной газообразной туманности (небулы) с незначительной плотностью, но зато колоссальных размеров. Эта туманность, согласно Лапласу, первоначально медленно вращалась в пространстве. Под влиянием сил гравитации туманность постепенно сжималась, причем скорость ее вращения увеличивалась. Возрастающая в результате центробежная сила придавала туманности уплощенную, а затем и линзовидную форму. В экваториальной плоскости туманности соотношение между притяжением и центробежной силой изменялось в пользу этой последней, так что в конечном счете масса вещества, скопившегося в экваториальной зоне туманности, отделилась от остального тела и образовала кольцо. От продолжавшей вращаться туманности последовательно отделялись все новые кольца, которые, конденсируясь в определенных точках, постепенно превращались в планеты и другие тела солнечной системы. В общей сложности от первоначальной туманности отделилось десять колец, распавшихся на девять планет и пояс астероидов - мелких небесных тел. Спутники отдельных планет сложились из вещества вторичных колец, оторвавшихся от раскаленной газообразной массы планет.
Вследствие продолжавшегося уплотнения материи температура новообразованных тел была исключительно высокой. В то время и наша Земля, по П. Лапласу, представляла собой раскаленный газообразный шар, светившийся подобно звезде. Постепенно, однако, этот шар остывал, его материя переходила в жидкое состояние, а затем, по мере дальнейшего охлаждения, на его поверхности стала образовываться твердая кора. Эта кора была окутана тяжелыми атмосферными парами, из которых при остывании конденсировалась вода. Эти две теории взаимно дополняли друг друга, поэтому в литературе они часто упоминаются под общим названием как гипотеза Канта-Лалласа. Поскольку наука не располагала в то время более приемлемыми объяснениями, у этой теории было в XIX веке множество последователей.
Современные теории
Среди последующих космогонических теорий можно найти и теорию «катас- троф», согласно которой наша Земля обязана своим образованием некоему вмешательству извне, например, близкой встрече Солнца с какой-то блуждающей звездой, вызвавшей извержение части солнечного вещества. В результате расширения раскаленная газообразная материя быстро остывала и уплотнялась, образуя большое количество маленьких твердых частиц, скопления которых были чем-то вроде зародышей планет.
В последние годы американскими и советскими учеными был выдвинут ряд новых гипотез. Если раньше считалось, что в эволюции Земли происходил непрерывный процесс отдачи тепла, то в новых теориях развитие Земли рассматривается как результат многих разнородных, порой противоположных процессов. Одновременно с понижением температуры и потерей энергии могли действовать и другие факторы, вызывающие выделение больших количеств энергии и компенсирующие таким образом убыль тепла. Одно из этих современных предположений его автор американский астроном Ф. Л. Уайпль (1948) назвал «теорией пылевого облака». Однако по существу это ничто иное как видоизмененый вариант небулярной теории Канта-Лапласа.
Любопытно, что на новом уровне, вооруженные более совершенной техникой и более глубокими познаниями о химическом составе солнечной системы, астрономы вернулись к мысли о том, что Солнце и планеты возникли из обширной, нехолодной туманности, состоящей из газа и пыли. Мощные телескопы обнаружили в межзвездном пространстве многочисленные газовые и пылевые «облака», из которых некоторые действительно конденсируются в новые звезды. В связи с этим первоначальная теория Канта-Лапласа была переработана с привлечением новейших данных; она может сослужить еще хорошую службу в деле объяснения процесса возникновения солнечной системы.
Каждая из этих космогонических теорий внесла свой вклад в дело выяснения сложного комплекса проблем, связанных с происхождением Земли. Все они рассматривают возникновение Земли и солнечной системы как закономерный результат развития звезд и вселенной в целом. Земля появилась одновременно с другими планетами, которые, как и она, вращаются вокруг Солнца и являются важнейшими элементами солнечной системы.
В настоящее время общепринятой считается теория холодного происхождения Земли, которую наиболее полно и доказательно развил русский ученый Отто Юльевич Шмидт. Согласно этой теории, где-то около 5 млрд лет назад из холодного протоплазменного облака, состоящего из газа и более крупных частиц, возникло пылегазовое образование - планета Земля. Как показывают данные радиоактивного распада ядер некоторых химических элементов, именно 5 млрд лет назад были заведены геологические часы Земли.
Планета Земля прошла несколько основных этапов развития, характеризующихся специфическими чертами.
Эволюция атомов - образовались основные химические элементы. Это этап еще скорее космического характера. Итогом его явилось формирование эмбриона планеты - протопланетного облака.
Химическая эволюция - атомы объединились в молекулы всевозрастающей величины и сложности. Скорее всего, именно на этом этапе появились первые сложные органические макромолекулы, которые впоследствии дадут начало всему живому на Земле.
Геологическая эволюция - образовалось все богатое и сложное многообразие пород и минералов, сформировались лито-, гидро- и атмосферы.
Эволюция органического мира - химическая эволюция макромолекул перешла в биологическую эволюцию организмов, т. е. происходил переход от жизни вещества к жизни существа.
Культурная, или техногенная, эволюция - начинается с появления Homo habilis (Человека умелого) и продолжается по настоящее время.
Итак, представим себе Землю, какой она была 4 млрд лет назад: безбрежный океан грязно-бурой жидкости, состоящей из раствора множества элементов, в котором непрерывно протекают сложнейшие химические реакции всех типов. Океан составляет 2/3 поверхности планеты и вечно покрыт шапками пены, окрашенной во всевозможные цвета. Суша представляет собой один огромный суперконтинент, рельеф которого несколько разнообразят невысокие горные цепи, тянущиеся непрерывной грядой на тысячи километров.
Земная твердь разрывается трещинами и глубокими безднами. Землетрясения и извержения вулканов практически не прекращаются. Из жерл многочисленных вулканов изливаются красные потоки раскаленной до неимоверных температур лавы, которые медленно остывают, чтобы через какое-то время вновь потечь рекой в океан.
Из-за плотного слоя вулканического пепла и газов, выбрасываемых при извержении вверх, свет рассеян, сумеречен, красен. Атмосферы в привычном нам понимании нет. Вместо нее вокруг планеты образовалась тонкая оболочка из легких газов (водорода и гелия) и некоторых благородных газов - аргона, неона, криптона и других, удерживаемая силами притяжения планеты. Однако из-за слабости этих сил на Земле и такая легкая оболочка вскоре ею утрачивается.
В океане уже появляются первые организмы.
Гипотезы происхождения жизни на Земле. Жизнь — одно из сложнейших явлений природы. Со времен глубокой древности она казалась таинственной и непознаваемой — вот почему по вопросам ее происхождения всегда шла острая борьба между материалистами и идеалистами. Приверженцы идеалистических взглядов считали (и считают) жизнь духовным, нематериальным началом, возникшим в результате божественного творения. Материалисты же, напротив, полагали, что жизнь на Земле могла возникнуть из неживой материи путем самозарождения (абиогенез) или занесения из других миров, т.е. является порождением других живых организмов (биогенез).
По современным представлениям, жизнь — это процесс существования сложных систем, состоящих из больших органических молекул и неорганических веществ и способных самовоспроизводиться, саморазвиваться и поддерживать свое существование в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой.
С накоплением человеком знаний об окружающем мире, развитием естествознания изменялись взгляды на происхождение жизни, выдвигались новые гипотезы. Однако и сегодня вопрос о происхождении жизни еще окончательно не решен. Существует множество гипотез происхождения жизни. Наиболее важными из них являются следующие:
- Креационизм (жизнь была создана Творцом);
- Гипотезы самопроизвольного зарождения (самозарождение; жизнь возникала неоднократно из неживого вещества);
- Гипотеза стационарного состояния (жизнь существовала всегда);
- Гипотеза панспермии (жизнь занесена на Землю с других планет);
- Биохимические гипотезы (жизнь возникла в условиях Земли в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам, т.е. в результате биохимической эволюции.
Предположение о переносе на Землю первичных организмов крупными метеоритами разделяли такие великие ученые, как Кельвин, Гельмгольц, Арениус. Пока нет неопровержимых доказательств возможности такого заноса живого вещества метеоритами из космического пространства. Хотя в 1996 г. появилось сообщение о том, что американским ученым удалось определить наличие молекул органического происхождения в пробе вещества из хвоста кометы.
Скорее всего тайна происхождения жизни скрыта здесь, на Земле. Уже установлено достаточно фактов, которые показывают, что физико-химические условия протоокеана как нельзя лучше подходят для появления первых живых структур. И большинство современных исследователей убеждены, что возникновение жизни в условиях первичной Земли есть естественный и неизбежный результат эволюции материи. Основным доказательством служит единство химической основы жизни, построенной из присущих нашей планете простых и сложных атомов: водород, гелий, азот, углерод, магний, кислород, сера, железо, кремний и др.
Это эпохальное для эволюции событие произошло 3,5 млрд лет назад. Приняв каждые 10 млн лет за один день, мы получим условный календарный год. Жизнь зародилась в «январе». Затем появляются простейшие бактерии и необъяснимым образом почти мгновенно распространяются по всему свету. Первые водоросли возникают (судя по ископаемым остаткам) в начале «мая»; древнейшие морские черви формируются не раньше «ноября»; в середине «декабря» начинается переселение из морей на сушу, а человек - запомните это! - выходит на сцену за 15 минут до конца года. За короткое время пребывания на Земле мы успели натворить многое, о чем приходится сожалеть».
На вопрос о том, когда же человек начал изменять природу, американский биолог Пол Эрлих ответил однажды так: «Точно сказать не могу, но это произошло, видимо, от 15 до 25 тыс. лет тому назад. Все началось тогда, когда первый крестьянин бросил в почву первое зерно в надежде, что оно даст ему новое растение и принесет 20 новых зерен. Так человек начал систематическое преобразование природы».
Человек, по выражению Вернадского, стал мощной геологической силой, которая неузнаваемо изменила и продолжает изменять облик Земли.
Корни экологии уходят в глубочайшую древность. Человек был не просто праздным наблюдателем, а активным участником природных процессов и преобразователем природы. Уже наскальные изображения первобытных эпох, в которых современный человек узнает силуэты знакомых животных,
Уже в самых древних из известных нам письменных источников не только упоминаются различные названия животных и растений, но сообщаются некоторые сведения об их образе жизни. Видимо, авторы этих рукописей обращали внимание на представителей живой природы не только из любознательности, но и под впечатлением от их значения в жизни людей: охоты на диких зверей и птиц, рыболовства, защиты посевов от вредных животных и т. д. Познавая природу, люди вынуждены были учитывать значение среды обитания в жизни организмов.
Постепенно человечество начало осознавать для себя все новые перспективы в освоении природы. Нужно было разобраться во всем многообразии флоры и фауны, оценить возможное хозяйственное значение открытых учеными экзотических видов.
Эпоха Возрождения была отмечена великими географическими открытиями, а значит, и новыми успехами в области естествознания. Первенствовали такие классические науки, как география, ботаника, зоология. Ученые и путешественники не только описывали внешнее и внутреннее строение растений, но и сообщали сведения о зависимости растений от условий произрастания или возделывания. Обнаруживались новые виды растений и животных, появлялись сведения об их поведении, повадках, местах обитания.
Человека на ранних этапах развития естествознания во многом в первую очередь интересовало практическое применение достижений этих наук в практике натурального хозяйства. Именно тогда в Европу были привезены многие диковинные заморские виды: томаты и картофель, кукуруза и кофе, пряные растения, табак и многие другие. Путешественники открывали новые неведомые территории и доставляли из дальних странствий множество полезных в сельском хозяйстве животных.
Приток новых знаний требовал осмысления фактов, разработки классификаций животных и растений, понимания роли и места человека в общей естественнонаучной системе.
На стыке биологии, физической географии и геологии возникла наука о биосфере, которая изучает планетарную систему организации жизни на Земле.
Экология (гр. oikos – дом, родина «logos» - наука, знание, в буквальном смысле – наука о родине, месте проживания) – это наука, изучающая организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней. Под такими системами следует понимать все биологические и биокосные (состоящие из организмов и неживых компонентов природы) системы, которые служат «домом» для организма. Размеры «дома» могут колебаться от небольшого пространства до природной зоны, материка и всей биосферы. Учение о биосфере является составной частью науки экологии. Термин «экология» введен в 1866 г немецким биологом Эрнстом Геккелем (1834-1919).
Экологическая система – совокупность организмов и среды их обитания.
Экология – наука, изучающая экологические системы, их состав, структуру, функционирование и эволюцию.
Окружение – комплекс условий, который воздействует на организм и их место проживания.
Экологический фактор - любой элемент окружения, влияющий на живые организмы и на их взаимодействие.
Временем возникновения экологии как науки можно считать середину XIX в., однако, как признанная самостоятельная научная дисциплина экология оформилась около 1900 г.
По мере развития промышленности, энергетики и средств транспорта антропогенное загрязнение биосферы, обусловленное жизнедеятельностью человека, непрерывно возрастало. Если в первой половине 20 века негативное воздействие загрязнений на биосферу во многих регионах мира сглаживалось происходящими в ней естественными процессами, то в последующие годы масштабы деятельности человека привели биосферу на грань экологического кризиса.
Научно-техническая революция, охватившая во второй половине 20-го века многие страны мира, принесла людям не только блага, она сопровождалась такими явлениями, как загрязнением атмосферы, морских акваторий и пресных водоемов; нарушением почвенного покрова и ландшафтов; истощением водных и лесных ресурсов; уменьшением численности животных.
Атмосфера загрязняется промышленными выбросами, содержащими оксиды серы, азота, углерода, углеводороды, частицы пыли. В водоемы попадают нефть и отходы нефтепродуктов, вещества органического и минерального происхождения; в почвенный покров – шлаки, зола, промышленные отходы, кислоты, соединения тяжелых металлов и др. Множество разработанных технологических процессов привело к росту числа токсичных веществ, поступающих в окружающую среду.
Выбросы промышленных предприятий, энергетических систем и транспорта в атмосферу, водоемы и недра достигли таких размеров, что в ряде районов земного шара уровни загрязнений значительно превышают допустимые санитарные нормы. Это приводит, особенно среди городского населения, к увеличению количества людей, заболевающих хроническим бронхитом, астмой, аллергией, ишемией, раком.
Неблагоприятное влияние на жизнедеятельность человека оказывают шум, вибрации, инфразвук, а также воздействия электромагнитных полей и различных излучений (ультрафиолетовых, инфракрасных, световых, ионизирующих).
Среда обитания человека – окружающая среда – характеризуется совокупностью физических, химических и биологических факторов, способных при определенных условиях оказывать прямое или косвенное, немедленное или отдаленное воздействие на деятельность и здоровье человека.
Появились первые основополагающие экологические концепции, такие, как «пирамида чисел» (в соответствии с этой концепцией численность особей снижается в прогрессии от растений - в основе пирамиды - до травоядных животных и хищников - на ее вершине), «цепь питания».
Что такое цепь питания и насколько важно познание действия механизмов переноса веществ по ее звеньям, рассмотрим на следующем примере.
Экология служит научной основой рационального использования и охраны биологических ресурсов. В ее задачи также входят прогнозирование изменений природы под влиянием деятельности человека, научное обеспечение восстановление нарушенных природных систем. Конечной целью экологии является сохранение среды обитания человека.
В 1948 г. швейцарский химик Пауль Мюллер получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтан) - чудесного препарата но борьбе с малярией и голодом. Во время второй мировой войны возникла большая потребность в инсектицидах - веществах, убивающих вредных насекомых. Быстро прогрессировало развитие таких болезней, как малярия и сыпной тиф в связи с тем, что против этих заболевании не существовало вакцин. Исследования показали, что распространение малярии и сыпного тифа может быть приостановлено, если удастся ограничить распространение комаров и вшей, которые являются переносчиками этих заболеваний:
Новый инсектицид ДДТ казался идеальным для этой цели. Его токсичность для людей представлялась настолько низкой, что препарат предполагалось распылять непосредственно на тело для предупреждения возникновения сыпного тифа. Он также был достаточно недорогим, что позволяло использовать ДДТ для распыления на целые острова в Тихом океане перед высадкой вооруженных сил США на берег, предотвращая таким образом распространение малярии.
В первые годы после войны ДДТ применяли на полях кормовых и продовольственных культур, так как он считался совершенно безвредным для теплокровных животных. На протяжении последующих двух десятилетий не имеющая себе равных ценность ДДТ подтверждалась снова и снова, особенно в тропических странах. Кроме предотвращения возникновения малярии, препарат помогал резко увеличить урожайность новых видов сельскохозяйственных культур.
Лишь позже были обнаружены неблагоприятные действия ДДТ. Оказалось, что корм для коров, обработанный ДДТ, опасен не столько для поедающих его животных, сколько для телят, так как, поступая через молоко, он вызывает у них серьезные заболевания, вплоть до смертельного исхода. Одна из особенностей этого средства, сделавшего его вначале столь привлекательным, - стабильность по сравнению с естественными растительными инсектицидами. Не распадаясь постепенно на безвредные компоненты, ДДТ накапливается в почве, воде и организме животных. Особенно много побочных продуктов ДДТ накапливается в организме человека, употребляющего в пищу мясо птиц, молоко и сыр.
Совсем недавно ученые, исследуя жизнь пингвинов в Антарктиде, обнаружили в их печени и жировых тканях побочные продукты ДДТ. Казалось бы, совершенно невероятно, что в таких отдаленных от цивилизации местах можно столкнуться с последствиями дел человеческих. Но факт остается фактом. Ничто живое на Земле ие застраховано от вредного воздействия техногенных препаратов. По цепям питания, или трофическим цепям, ДДТ из сточных вод попадает в реки, оттуда в моря и дальше в океаны, достигая самых отдаленных уголков нашей планеты (рис. 1.1). Установлено, что вне зависимости от места применения конечным пунктом накопления пестицидов и их продуктов считаются моря и океаны.
Рис. 1.1. Пути миграции ДДТ в водных экосистемах
ДДТ оказывает негативное воздействие на процесс яйцекладки у птиц. Например, в тех регионах США. где был обнаружен ДДТ, яйца, откладываемые сапсанами (вид сокола), имели топкую скорлупу. Вероятность того, что эти яйца разобьются до того, как из них вылупятся птенцы, значительно выше, чем в случае яиц с нормальной скорлупой. Ученые полагают, что именно это и послужило главной причиной исчезновения природных популяций сапсанов на востоке США с начала 60-х гг. XX в.
Следует добавить, что ДДТ является инсектицидом широкого спектра действия и, помимо вредителей, убивает и полезных насекомых, например пчел. В 1972 г. в США его повсеместное использование было запрещено. В начале 70-х гг., когда была выявлена и подтверждена опасность ДДТ, во многих странах частично или полностью запретили его применение.
У ученых, работающих в различных областях науки, существует основная, фундаментаньная единица исследований, как, например, у анатомов, изучающих внутренние органы организма, генетиков, изучающих единицы наследственности - гены, гистологов, у которых единицей исследования является живая ткань, либо цитологов с их главным объектом изучения - клеткой.
Экологи же изучали все живое.
У экологов такой единицей изучения стала экологическая система, или экосистема. Ее можно определить как ограниченное во времени и пространстве единство, включающее не только все обитающие в нем организмы, но и физические характеристики климата и почв, а также все взаимодействия между различными организмами и между этими организмами и физическими условиями.
Примером экосистемы может служить тропический лес в определенном месте и в конкретный момент времени, населенный тысячами видов растений, животных и микробов, связанных миллионами происходящих между ними взаимодействий.
Экологическая система обладает общими свойствами, характерными для сложных систем:
1. Эмерджентностью - ( англ. неожиданно возникший) – это такой тип существования, когда свойства системы зависят не только от свойств составляющих её элементов, но и от взаимодействия между компонентами. Это взаимодействие может быть изменено получением какой – либо информации, внешним воздействием, развитием болезней внутри системы и т.д.
2. Принципом необходимого разнообразия элементов – разнообразие элементов, входящих в систему, является необходимым условием устойчивого функционирования системы.
3. Устойчивостью – определяется соотношением сил внутреннего и внешнего взаимодействия. При преобладании внешних сил над внутренними система разрушается или принимает другие свойства.
Способностью системы к саморегулированию и самосохранению – необходимое условие устойчивости.
4. Принципом неравновесности – системы с участием живых организмов характеризуются поступлением и оттоком энергии из них и являются открытыми, неравновесными системами.
5. Принципом эволюции – эволюция системы ведет к увеличению потока энергии, проходящую через систему.
Экология распадается на множество разделов, имеющих свой объект исследования:
- по конкретным биологическим объектам – экология растений, экология животных, экология микроорганизмов – изучает взаимодействие этих организмов со средой обитания;
- в зависимости от среды, местообитания организмов – экология суши, экология моря, экология озера, экология высокогорий и т.д.
В соответствии с уровнями организации живого экология подразделяется на аутэкологию и синэкологию.
Аутэкология исследует взаимодействие со средой отдельных особей или их групп, относящихся к одному виду (популяции). При этом особь либо популяция как бы изолируется от целостной биологической системы, в которую она входит, с целью познания ее взаимодействия со средой обитания.
Все уровни организации живого выше организма по отношению к нему являются надорганизменными системами. Синэкология исследует эти надорганизменные, в основном многовидовые, сообщества растений, животных, грибов и микроорганизмов – биоценозы.
Экологию можно подразделить на две большие ветви – общую и частную (специальную).
Общая экология (биоэкология) изучает популяции, взаимоотношения между организмами, организмом и средой, экологию сообществ (биогеоценозов), природные комплексы и биосферу.
Частная, или специальная, экология занимается изучением экологических аспектов конкретных таксономических групп организмов (экология различных видов растений, животных, экология человека и т.д.) или сообществ (экология сельскохозяйственных экосистем – агроэкология, растительных сообществ – фитоценология и т.д.).
Наиболее важной и актуальной проблемой современной экологии необходимо признать определение роли и места человека в глобальных биосферных процессах. Перед человечеством на сегодняшний день стоит одна главная задача – предотвращение экологической катастрофы.
Задачи современной экологии должны определяться исходя из самой структуры этой науки, и одной из таких задач является изучение регуляторных процессов в биосфере.
Общеэкологические задачи должны осуществляться на конкретно-научном уровне.
На организменном уровне рассматриваются проблемы адаптации организмов, механизмы, обеспечивающие устойчивость их функционирования.
На популяционном уровне – исследование форм взаимоотношений между организмами, обеспечивающих существование популяции как целостной саморегулирующейся системы.
На экосистемном (биогеоценотическом) уровне – исследование закономерностей функционирования и продукционных процессов многовидовых биоценозов вместе с их неорганическим окружением.
На биосферном (глобальном) уровне выявляются причины и механизмы изменения элементов биосферы в результате воздействия человеческой деятельности.
Проблемы и задачи частной экологии предполагают решение вопросов сохранения физико-химических балансов в биосфере. Осуществление этих задач возможно на нескольких уровнях: технологическом, экономическом, юридическом и иных.
К основным проблемам следует отнести:
- изменение климата Земли, парниковый эффект (антропогенное потепление), разрушение озонового слоя;
- загрязнение атмосферы, кислотные осадки;
- демографический взрыв, относительное перенаселение Земли в некоторых регионов, чрезмерную урбанизацию;
- загрязнение почв, уменьшение их площадей;
- загрязнение океана и поверхностных вод суши;
- радиоактивное загрязнение локальных участков;
- опустынивание, уменьшение площадей тропических и северных лесов.
В настоящее время большинство международных экологических конфликтов условно можно разделить на четыре категории: распределение водных ресурсов, загрязнение морей, чистота воздуха, чистота воды.
Рациональное решение экологических проблем возможно лишь при оптимальном взаимодействии природы и общества, обеспечивающем, с одной стороны, дальнейшее развитие общества, с другой – сохранение и поддержание восстановительных сил в природе, что достижимо лишь при проведении широкого комплекса практических мероприятий и научных исследований по охране окружающей среды.